Современные методы исследования полиморфных превращений в сталях

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

О. В. Селиванова, О. Н. Полухина, 
В. А. Хотинов, В. М. Фарбер

СОВРЕМЕННЫЕ 
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 
ПОЛИМОРФНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ 
В СТАЛЯХ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом 
Уральского федерального университета 
для студентов вуза, обучающихся 
по направлениям подготовки 
22.03.02, 22.04.02 «Металлургия»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2017

УДК 669.14-15:669.017.3(075.8)
ББК 34.222я73
          С56
Авторы: 
О. В. Селиванова, О. Н. Полухина, В. А. Хотинов, В. М. Фарбер

Рецензенты:
заместитель директора по научной работе проф., д-р техн. наук В. П. Швейкин (Институт машиноведения УрО РАН);
доц., канд. техн. наук Е. П. Воробьева (профессор кафедры пожарной безопасности в строительстве ФГБОУ ВО «Уральский институт государственной противопожарной службы МЧС России»)

Научный редактор — проф., д-р техн. наук А. А. Попов

С56
    Современные методы исследования полиморфных превращений в сталях : учебное пособие / О. В. Селиванова [и др.]. — Екатеринбург :  
Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 60 с.

ISBN 978-5-7996-2173-5

Подробно рассмотрены вопросы дилатометрических и калориметрических исследований кинетики фазовых переходов, структурные механизмы превращений 
и их влияние на механические свойства, обусловленные формированием конечного структурного состояния. Изучено влияние скорости нагрева на кинетику превращений в сталях.
Учебное пособие окажет существенную помощь студентам при освоении дисциплин, предусмотренных учебным планом, в научно-исследовательской деятельности, а также при выполнении выпускных работ, являющихся заключительной 
стадией обучения.
Библиогр.: 18 назв. Рис. 39. Табл. 1.

УДК 669.14-15:669.017.3(075.8)
ББК 34.222я73

Учебное издание

Селиванова Ольга Владимировна, Полухина Ольга Николаевна, 
Хотинов Владислав Альфредович, Фарбер Владимир Михайлович

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛИМОРФНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В СТАЛЯХ

Подписано в печать 25.10.2017. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. Цифровая печать. Усл. печ. л. 3,5.
Уч.-изд. л. 2,74. Тираж 50 экз. Заказ 177

Издательство Уральского университета 
Редакционно-издательский отдел ИПЦ УрФУ
620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5. Тел.: +7 (343) 375-48-25, 375-46-85, 374-19-41
E-mail: rio@urfu.ru

Отпечатано в Издательско-полиграфическом центре УрФУ
620083, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4. Тел.: +7 (343) 358-93-06, 350-58-20, 350-90-13 
Факс: +7 (343) 358-93-06. http://print.urfu.ru

ISBN 978-5-7996-2173-5 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2017

ВВЕДЕНИЕ

В 

материаловедении широко используются прямые методы наблюдения структуры с помощью оптических, 
растровых и электронных микроскопов. Однако исследование кинетики фазовых и структурных превращений осуществляется также косвенным методами, в которых оценивается изменение физических характеристик материалов.
Термическая обработка материалов может сопровождаться 
физико-химическими процессами, протекающими с изменением веса, типа кристаллической решетки, механических свойств, 
энтальпии, магнитной восприимчивости, оптических, акустических свойств и т. д. Изменение этих свойств отслеживают как 
функцию температуры, которая может варьироваться от абсолютного нуля до очень высоких значений. Такие методы, как 
дифференциальный термический анализ, дифференциальная 
сканирующая калориметрия, термомеханический анализ, динамический термический анализ, диэлектрический анализ и т. д., 
применяют для исследования превращений, протекающих в материалах при нагреве или охлаждении.
Термический анализ в сочетании с другими методами, такими как химический анализ, рентгеновская дифракция, растровая электронная микроскопия позволяет разрабатывать материалы, обладающие определенными физическими, химическими 
и механическими свойствами, а также контролировать качество проведения термической обработки без разрушения поверхности изделия.
Рассмотрим методы измерений тепловых характеристик металлов и сплавов, применяемые в металлофизических исследованиях, влияние условий нагрева (охлаждения) на кинетику 
фазовых превращений.

1. Термический анализ

Т

ермический анализ используют для определения термодинамических свойств металлов и сплавов, изучение 
которых необходимо для понимания поведения материала при нагреве или охлаждении с различными скоростями. 
Под термическим анализом понимают ряд методов, в которых 
регистрируется изменение какого-либо физического свойства 
материала в процессе нагрева или охлаждения.

1.1. Простой термический анализ

При использовании простого термического анализа регистрируется температура образца во время его равномерного нагрева или охлаждения [1]. При изучении превращения в твердом состоянии применяются образцы, у которых отношение 
высоты к диаметру находится в пределах от 1 до 2. Масса образца составляет от нескольких граммов до нескольких десятков 
граммов, иногда до 150…200 г. По оси образца просверливают 
канал до половины высоты, в который вводят спай термопары, соединенной с записывающим устройством. В результате 
этого записывается термограмма в координатах «Температура 
образца–время».
Типичная термограмма изотермического превращения при 
медленном нагреве, протекающего с поглощением теплоты, 
приведена на рис. 1. На кривой нагрева образца обнаруживаются следующие участки:

1.1. Простой термический анализ

· 0… τ1 — нагрев образца протекает с постоянной скоростью, вся теплота, передаваемая от печи к образцу, расходуется на его нагрев;
· в момент τ1 начинается превращение в поверхностном 
слое образца, часть подводимой теплоты затрачивается 
на превращение, скорость нагрева уменьшается до момента τ2, когда температура термопары, находящейся на оси 
образца, отстает от температуры его поверхности;
· начиная с момента τ2 превращение охватывает все большую 
часть объема, вся подводимая теплота расходуется на превращение, температура образца остается постоянной;
· разность температур между печью и образцом Dt = tп — tо 
возрастает во время превращения вплоть до момента его 
завершения τ3, поэтому после завершения превращения 
наблюдается период ускоренного нагрева образца τ3… τ4. 
По мере уменьшения разности температур tп — tо скорость 
нагрева уменьшается, поэтому моменту τ3 соответствует 
перегиб кривой tо (τ);

0      
t1 t2
t3
t4
t, мин

to

tп

          

 

 
 

       

t,°C

tпр

Рис. 1. Термограмма изотермического превращения при нагреве:

tп, tо, tпр — температуры печи, образца и превращения соответственно

1. Термический анализ

· с момента τ4 устанавливается постоянство разности температур между печью и образцом и дальнейший нагрев 
происходит с постоянной скоростью. Количество исходной фазы (или фаз) непрерывно уменьшается по мере 
развития превращения — уменьшается и количество поглощенной теплоты, что приводит к началу повышения температуры образца до окончания превращения 
и к «скруглению» конца площадки.
Горизонтальный участок на термограмме наблюдается тогда, когда вся теплота, полученная при нагреве, полностью расходуется на превращение, а его объемная скорость постоянна. 
При ускорении нагрева может произойти увеличение скорости 
превращения, но лишь до некоторого предела, который зависит от его кинетики. В случае быстрого нагрева горизонтальный участок на термограмме становится наклонным. Однако 
для моновариантного процесса, при котором число степеней 
свободы с = 1, при медленном нагреве участок будет наклонным (рис. 2).

0      
t, мин

tп 

t0

 

 

 

 

 

t,°C

Рис. 2. Термограмма моновариантного  
эндотермического процесса

1.1. Простой термический анализ

На вид термограммы экзотермического процесса оказывает заметное влияние скорость выделения теплоты (рис. 3). Такая же особенность характерна и для кривых охлаждения образцов (рис. 4).
а                                               б                                             в

0                              t 
0      
t
0      
t

tп

 

tп

t0
t0

t0

t0

tп
tп

                        

 

                   

               

 

 

t
t
t

tп

Рис. 3. Термограммы экзотермических процессов при нагреве:

а — медленный процесс («экзотермическая волна»); б — быстрое превращение; 
в — автокаталитический процесс, подобный взрыву

       а                                                               б

t

0      
t
0      
t

tп
tп

t0
t0

 

 

 

 

                    

       

t

Рис. 4. Термограммы экзотермических превращений при охлаждении:

а — изотермическое превращение; б — быстропротекающий процесс

Простой термический анализ обладает невысокой чувствительностью. Если удельный тепловой эффект на единицу массы незначителен или при малом количестве превращающейся