Вальденовское обращение

Вальденовское обращение — это процесс перестройки кристаллической решётки металла или сплава, при котором одна аллотропическая модификация (фаза) переходит в другую, сопровождающийся значительным изменением объёма и, как следствие, возникновением внутренних напряжений. В металловедении термин чаще всего применяется к полиморфному превращению железа, а именно к переходу γ-железа (аустенита) в α-железо (феррит) при охлаждении, который происходит с увеличением объёма примерно на 1 %. В более широком смысле вальденовским обращением называют любое фазовое превращение первого рода, протекающее с резким изменением удельного объёма.

История

Термин введён в научный обиход в начале XX века. Его происхождение связано с именем немецкого физико-химика Рихарда Вальдена (Richard Walden, 1862–1934), который в 1900-х годах изучал явления, сопровождающие фазовые переходы в твёрдых телах. Вальден обратил внимание на то, что при полиморфных превращениях некоторых металлов (в частности, железа) изменение объёма происходит не плавно, а скачкообразно, что приводит к возникновению значительных механических напряжений. Впоследствии этот эффект был детально исследован в металловедении и материаловедении, и термин закрепился за описанием процесса, связанного с изменением объёма при фазовых переходах.

Физическая сущность

Вальденовское обращение относится к фазовым переходам первого рода. При таком переходе скачкообразно изменяются первые производные термодинамического потенциала — объём и энтропия. В случае металлов и сплавов это проявляется в том, что при достижении определённой температуры (точки фазового превращения) кристаллическая решётка перестраивается, и атомы занимают новые положения, что приводит к изменению межатомных расстояний и, следовательно, объёма.

Механизм в железе

Наиболее изученный пример — превращение аустенита (γ-Fe) в феррит (α-Fe) при охлаждении железа или низкоуглеродистой стали. Аустенит имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решётку, а феррит — объёмноцентрированную кубическую (ОЦК). При охлаждении ниже 911 °C (для чистого железа) ГЦК-решётка становится нестабильной, и атомы перестраиваются в ОЦК-структуру. Плотность упаковки атомов в ОЦК-решётке ниже, чем в ГЦК, поэтому удельный объём увеличивается примерно на 1 %. Этот скачок объёма происходит в узком интервале температур (обычно в пределах нескольких градусов) и сопровождается выделением скрытой теплоты превращения.

Классификация

В зависимости от природы материала и условий протекания процесса различают несколько типов вальденовского обращения:

• Изотермическое — превращение происходит при постоянной температуре, когда система находится в равновесии. Характерно для медленного охлаждения или нагрева.
• Атермическое — превращение происходит в интервале температур, причём степень превращения зависит от температуры, а не от времени. Типично для мартенситных превращений (например, в закалённой стали).
• Обратимое — при нагреве происходит обратный переход (например, α-Fe → γ-Fe), сопровождающийся уменьшением объёма.
• Необратимое — в некоторых сплавах обратный переход может быть затруднён или происходить с гистерезисом.

Влияние на свойства материалов

Вальденовское обращение оказывает существенное влияние на механические и технологические свойства металлов и сплавов.

Внутренние напряжения

Резкое изменение объёма при фазовом переходе приводит к возникновению внутренних напряжений. Если превращение происходит неравномерно по объёму детали (например, при закалке, когда поверхность охлаждается быстрее сердцевины), то напряжения могут превысить предел текучести материала, что вызовет пластическую деформацию, коробление или даже образование трещин. Это явление особенно критично при термической обработке крупных стальных заготовок.

Формоизменение

Вальденовское обращение может приводить к изменению размеров и формы деталей. Например, при закалке стали деталь может увеличиться в объёме на 0,5–1,5 % в зависимости от состава и режима. Это необходимо учитывать при проектировании пресс-форм, штампов и других точных изделий.

Фазовый наклёп

При многократных циклах нагрева и охлаждения, сопровождающихся вальденовским обращением, в материале может накапливаться дефектность структуры (дислокации, вакансии), что приводит к упрочнению, но одновременно и к охрупчиванию. Этот эффект известен как «фазовый наклёп» и используется в некоторых технологиях упрочнения.

Применение и технологическое значение

Понимание вальденовского обращения необходимо для управления процессами термической обработки металлов.

Термическая обработка стали

• Закалка — нагрев стали до аустенитного состояния (выше 727 °C для эвтектоидной стали) с последующим быстрым охлаждением. Вальденовское обращение при этом происходит с образованием мартенсита — пересыщенного твёрдого раствора углерода в α-железе, который имеет искажённую ОЦК-решётку. Изменение объёма при мартенситном превращении может достигать 4 %, что создаёт высокие внутренние напряжения и повышает твёрдость.
• Отпуск — нагрев закалённой стали до умеренных температур (150–700 °C) для снятия напряжений и стабилизации структуры. При отпуске происходят обратные фазовые превращения, сопровождающиеся уменьшением объёма.
• Нормализация — нагрев до аустенитного состояния и медленное охлаждение на воздухе. Вальденовское обращение в этом случае протекает более равномерно, что снижает риск коробления.

Сварка

При сварке сталей в зоне термического влияния происходят локальные фазовые превращения, сопровождающиеся вальденовским обращением. Это может привести к появлению остаточных сварочных напряжений и деформаций. Для их минимизации применяют предварительный подогрев и последующую термообработку.

Порошковая металлургия

В производстве изделий из металлических порошков (например, спечённых сталей) вальденовское обращение учитывают при проектировании режимов спекания и последующей термообработки, так как изменение объёма может нарушить геометрию деталей.

Примеры в других материалах

Хотя термин чаще всего применяется к железу и его сплавам, вальденовское обращение наблюдается и в других материалах:

• Титан — при 882 °C происходит полиморфное превращение α-Ti (гексагональная плотноупакованная решётка) в β-Ti (объёмноцентрированная кубическая решётка), сопровождающееся изменением объёма примерно на 0,5 %.
• Цирконий — при 863 °C α-Zr (ГПУ) → β-Zr (ОЦК) с изменением объёма около 0,7 %.
• Кобальт — при 422 °C α-Co (ГПУ) → β-Co (ГЦК) с уменьшением объёма.
• Некоторые сплавы на основе меди и алюминия — в них также наблюдаются полиморфные превращения с объёмным эффектом, хотя и менее выраженным.

Критические аспекты и ограничения

Вальденовское обращение может быть как полезным, так и вредным явлением. В промышленности его стараются контролировать, чтобы избежать брака. Основные проблемы:

• Растрескивание — при быстром охлаждении (закалке) в массивных деталях могут возникать трещины из-за неравномерного изменения объёма.
• Коробление — деформация деталей, особенно тонкостенных и сложной формы.
• Неравномерность свойств — если превращение происходит не по всему объёму, в разных зонах детали формируются разные структуры и, следовательно, разные механические свойства.

Для минимизации негативных последствий применяют:

• Медленное охлаждение (отжиг, нормализация).
• Использование легирующих элементов, которые сдвигают температуры превращения и изменяют кинетику процесса.
• Контроль скорости нагрева и охлаждения с помощью автоматизированных систем термообработки.

Интересные факты

• Вальденовское обращение в железе было известно ещё в XIX веке, но детальное объяснение его механизма стало возможным только после развития рентгеноструктурного анализа в 1910-х годах.
• В некоторых сплавах (например, в высоколегированных сталях) вальденовское обращение может происходить в несколько стадий, с образованием промежуточных фаз (бейнит, перлит).
• Эффект изменения объёма при фазовом переходе используется в некоторых конструкциях термомеханических датчиков и исполнительных механизмов.

Источники

• Гуляев А. П. «Металловедение» — М.: Металлургия, 1986.
• Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. «Материаловедение» — М.: Машиностроение, 1990.
• Новиков И. И. «Теория термической обработки металлов» — М.: Металлургия, 1974.
• Физическое металловедение / Под ред. Р. Кана — М.: Мир, 1968.
• Справочник по термической обработке стали / Под ред. М. Л. Бернштейна — М.: Металлургия, 1991.