Theory of Transformations in Steels

Написанная ведущим специалистом в области фазовых превращений в твёрдом состоянии, «Теория превращений в сталях» является первой книгой, которая предоставляет читателям полное обсуждение теории превращений в стали.

Предлагает всестороннее рассмотрение превращений в твёрдом состоянии, охватывая их огромное многообразие в сталях.

Служит единым источником почти по любому аспекту предмета.

Включает обсуждение физических свойств, термодинамики, диффузии и кинетики.

Охватывает ферриты, мартенсит, цементит, карбиды, нитриды, выделения, легированные замещающими элементами, и перлит.

Содержит тщательно проработанный и всесторонний список источников для дальнейшего и рекомендуемого чтения.

Благодаря широкому и глубокому охвату предмета эта работа призвана вдохновлять исследования в области материаловедения и металлургии.

Есть книги, которые приятно читать, изучать и перечитывать. Среди них — «Модели беспорядка» Займана, опубликованные вскоре после того, как я начал собственные исследования. Займан считал сталь и стекло, землю и воду неупорядоченными фазами конденсированного вещества, хотя на первой странице первой главы он определяет кристалл как пример высшей степени пространственного порядка, уступающей лишь мифическому идеальному вакууму. Но его можно простить за то, что он связывал сталь с уровнем порядка в стекле и воде, потому что по определению сталь никогда не является чистым кристаллом: если атомы, отличные от железа, или вакансии внутри структуры не упорядочены, строгий смысл пространственного порядка, которому учат студентов, утрачивается; в неупорядоченном кристаллическом растворе нет дальней периодичности. С моей точки зрения, прекрасно написанная книга Займана местами читалась легко, а в остальном ставила сложные задачи. Я пришёл к выводу, что в этом и заключается сущность хорошей книги: трудность вдохновляет, как это происходит в спорте. Отсутствие трудности может сделать книгу скучной, но если трудность непреодолима, книгу бросают. Я принял это как рабочий принцип преподавания. Важная оговорка: сложность не равнозначна плохому изложению.

Другая книга, которую я с удовольствием взял бы с собой, если бы меня когда-нибудь оставили на необитаемом острове, — «Теория превращений в металлах и сплавах» Кристиана, наиболее уважаемая книга по этому предмету. Я потратил целый творческий отпуск на изучение издания 1975 года от корки до корки; теперь это потрёпанный экземпляр, которым я по-прежнему дорожу. У меня есть и полное окончательное издание, но я остаюсь верен своей хорошо послужившей версии. Кристиан также написал удивительные, краткие и глубокие обзоры по множеству тем, связанных с превращениями, и многие из них заложили основы понимания. Я познакомился с профессором Кристианом благодаря нескольким захватывающим дискуссиям, и в конце концов нам удалось вместе написать действительно очень хорошую статью.

С учётом трудов Кристиана почему я счёл необходимым написать эту книгу? Простой факт состоит в том, что существует очень много теории, относящейся именно к сталям, которая не освещена ни в одной другой книге. Есть монографии, посвящённые отдельным вопросам, например книга Нисиямы о мартенситных превращениях, книга Луписа по химической термодинамике или моя собственная — о бейните. Взятые вместе, эти монографии не охватывают весь спектр превращений в сталях. И единый текст способен дать очень многое, позволяя раскрыть и рационально объяснить общую картину несметного множества превращений, возможных в сталях. Этим я не утверждаю, что существует великая единая теория, но теперь возможно довольно далеко продвинуться к такому представлению.

Железо и его сплавы заложили основы металлургии, возможно начиная с открытия Сорби микрокристаллической структуры стали, за которым последовало множество попыток связать такие наблюдения с поведением металла. Аналогично можно утверждать, что материаловедение, в отличие от фундаментальных наук, в сущности является изучением связей между структурой и свойствами. И металлургия с самого начала была междисциплинарной: Сорби начал свои микроскопические исследования с изучения горных пород. Адольф Мартенс, в честь которого назван мартенсит, начинал слесарем; его зарисовки микроструктуры стали — совершенные произведения искусства и точности, открывающие структуру невооружённому глазу. Термин «междисциплинарный» — современная карикатура; в не столь далёком прошлом учёность была просто учёностью, без различия между гуманитарными и естественными науками. Всё относилось к натурфилософии. Инженеры-механики определили химический состав цементита ещё в 1885 году. За десять лет до этого Уильям Генри Джонсон, управляющий директор Iron Metal and Electrical Company, открыл водородное охрупчивание; его статья на эту тему содержит сущность сегодняшних знаний о пагубном влиянии самого лёгкого элемента на свойства самого устойчивого элемента во Вселенной. Время, прошедшее с тех пор, как изучение железа стало страстным стремлением, означает, что о железе и его сплавах накоплено огромное количество знаний во всём современном спектре дисциплин — будь то астрофизика или история и философия науки.

С учётом этого давнего корпуса знаний о железе и его сплавах сегодняшний предмет не для слабонервных. Как говорил Займан в другом контексте, предмет больше не является «элементарной научной дисциплиной, в которую можно войти без длительной подготовки». Я надеюсь, что эта книга помогает установить ориентир, от которого можно создавать новое, не попадая в слишком распространённую ловушку повторного открытия. В этом отношении я должен отметить Google Scholar, помогавший мне обнаруживать самые одинокие статьи. Кто мог, например, подумать, что карбид титана с его внушающей опасение твёрдостью испытывает мартенситное превращение? И более того, что его особенности подходят к кристаллографической теории мартенсита как перчатка к руке.

Без термодинамики во всех её формах было бы невозможно понять в высшей степени своеобразное поведение железа даже в его чистейшем виде. Его аллотропическое превращение при атмосферном давлении из феррита, а затем обратно в феррит не воспроизводится ни одним другим веществом. Причина, выявленная анализом теплоёмкости, целиком является следствием магнитных характеристик феррита и аустенита и не связана с тепловой составляющей энтропии. Именно поэтому на протяжении многих десятилетий расчёты из первых принципов не могли воспроизвести правильное основное состояние железа. В действительности даже аустенит имеет множество магнитных состояний — это жизненно важно для объяснения его большого коэффициента теплового расширения, который делает аустенитные стали менее пригодными для строительства электростанций. Для решения этой задачи я предпочёл опереться на двухсостоянийную теорию Вайса, потому что она улавливает сущность проблемы, вместо подхода из первых принципов, который раскрывает несколько больше подробностей, но не в полезной степени. С другой стороны, расчёты из первых принципов для терапаскальных давлений показали, что при комнатной температуре феррит под давлением превращается в гексагональную аллотропную форму, затем при более высоких давлениях снова в аустенит, а потом в слегка тетрагональную форму феррита; в настоящее время последние две стадии не поддаются экспериментальной проверке и не учитывают магнетизм. Количественная термодинамика теперь стала повседневным инструментом металлургии стали благодаря пионерским усилиям, которые привели к созданию баз данных и алгоритмов, использующих оценённые данные для расчёта фазовых равновесий в многокомпонентных сталях. Я постарался передать множество способов, которыми термодинамика раскрыла секреты сталей и поставила границы гипотезам, например о роли вакансий в решётке хозяина в диффузии межузельных атомов. Рассказ о термодинамике был бы неполным без обращения к её необратимой версии, которая помогает рассматривать стационарные процессы, движимые множеством сил и потоков.

Поразительна подробность, с которой мы понимаем диффузию в железе. Диффузией движет градиент свободной энергии — это ясно. Иногда этим объясняется зависимость коэффициента диффузии от концентрации, но в случае углерода не полностью. Между атомами углерода в соседних позициях действует сильная сила отталкивания, которая дополнительно способствует их перемещению вдоль градиента концентрации. У водорода тоже есть свои особенности: при прохождении через сталь он легко захватывается ловушками, из-за чего кажущийся коэффициент диффузии становится намного меньше ожидаемого. В миграции крупных атомов при переходе Кюри в феррите существует аномалия. Необратимая термодинамика Онсагера широко применяется при рассмотрении многокомпонентной миграции или миграции, вызываемой множеством сил.

После довольно подробного рассмотрения термодинамики и диффузии я решил сосредоточиться на феррите и мартенсите. Причина в том, что они представляют соответственно архетипические реконструктивное и бездиффузионное превращения. Тем самым они закладывают основу для широкого круга явлений, которые нет необходимости повторять при рассмотрении любого другого превращения в сталях. Например, строение границ превращения и следствия этого строения, явления, контролирующие скорость, и функции отклика границы, подтверждённые данными механизмы зарождения, геометрическое разделение аустенита и так далее. На этом пути обнаруживаются некоторые логические аномалии. Теория бейнита внесла большой вклад в разработку новых сталей — этот предмет всесторонне изложен в трёх изданиях «Бейнит в сталях». Здесь вместо этого я даю решительное изложение только теоретической основы, опирающейся на суровые наблюдения, а не потакаю гипотезам, которые пренебрегают всей совокупностью доказательств. Рассказ о сдвиговых превращениях, исключая карбиды, завершается главой о видманштеттовом феррите с увлекательным математическим объяснением мартенсита, бейнита и видманштеттова феррита. С привлекательным согласованием теории и наблюдений становится понятно, почему все три этих продукта распада аустенита не обязательно возникают во всех сталях.

В выделениях, возникающих в сталях, — графите, карбидах, нитридах и интерметаллических соединениях — есть скрытые глубины. В этом контексте ряд глав охватывает механизмы их образования, кристаллографию, где возможно — количественное объяснение ориентационных соотношений, термодинамическую устойчивость и физические свойства. Предполагается знание используемых кристаллографических методов, поскольку они рассмотрены в книге «Геометрия кристаллов, поликристаллов и фазовых превращений». Есть некоторые интригующие результаты, объясняющие формы и направления роста. Многие из этих выделений метастабильны, поэтому могут существовать мимолётно, но всё же оставляют наследие влияния на последующие реакции. Именно здесь читатель впервые встретит методы рассмотрения последовательных и параллельных цепочек реакций.

Перлит, возможно, лучше описывать как изобретательный способ, которым природа допускает диффузионный распад аустенита, не изменяя при этом его среднего состава, по крайней мере в системе Fe–C. Но даже в этом простом двойном сплаве теория даёт не скорость роста, а число Пекле, которое является произведением скорости на межпластинчатое расстояние. Нравится это или нет, ясного способа расшифровать это число не существует; только эксперименты могут показать, соответствует ли фактически полученное расстояние конкретной гипотезе, например предположению Зенера о том, что рост должен происходить с максимальной скоростью. Когда дело доходит до сталей, легированных замещающими элементами, теория плохо предсказывает результат, если на фронтах превращения предполагается локальное равновесие.

Кинетическая теория вводится на протяжении всей книги, но оказалось необходимым добавить заключительную главу, которая рассматривает не отдельные превращения, а более реалистичный сценарий, в котором одновременно происходит много реакций, хотя и с разными скоростями. Также дано ограниченное рассмотрение роста зерна, рекристаллизации и термомеханической обработки. Хотя затвердевание является превращением, я избегал его прежде всего потому, что мне не хватает специальных знаний. Надеюсь, читатель найдёт утешение в другом месте. Я мог ограничить название превращениями в твёрдом состоянии, но счёл это неуклюжим, подобно официальным и длинным титулам некоторых глав государств.

Эта книга писалась на протяжении времени, которое слишком мучительно называть. Кажется, время — единственный ресурс, который люди не могут собрать по своей воле. Но я хотел бы завершить, упомянув несколько имён. Я с теплотой вспоминаю, как покойный профессор Роберт Хаником, который был внешним экзаменатором моей выпускной степени в Политехническом институте лондонского Сити, пригласил меня в Кембридж для исследований в своей группе по сталям. Он и мой непосредственный научный руководитель Дэвид Эдмондс дали мне свободу следовать идеям даже тогда, когда считали, что я иду по тёмным переулкам и потому, вероятно, буду ограблен! Профессор Джек Кристиан из Оксфорда оказал захватывающее и долговременное влияние на моё понимание теории. Он также был учёным и джентльменом, который относился к простому студенту из другого университета без оглядки на статус. Я смог содержательно поработать с профессором Моррисом Коэном и Грегом Олсоном в MIT, когда мы исследовали странные взаимосвязи в сталях. Мне никогда не довелось опубликоваться вместе с профессором Колином Хамфрисом, но я многим обязан ему как человеку за его бескорыстную поддержку. Мы с профессором Хьюбертом Ааронсом были глубокими противниками в вопросе теории бейнита, но, как ни странно, мне больно, когда в современных публикациях пренебрегают некоторыми работами, выполненными им и другими исследователями о ступенчатом механизме роста феррита, а нереалистичные гипотезы предлагаются для того, чтобы замкнуть плохо задуманную теорию на плохо спроектированные эксперименты.

Неожиданное учреждение моей кафедры компанией Tata Steel тронуло меня до глубины души; ценность этой щедрости сохранится навечно. Во время академических приключений я посетил, кажется, огромную часть планеты, но Южная Корея была особенной: профессор Хэ-Гон Ли пригласил меня в POSTECH, и в течение десяти лет я проводил там по три-четыре месяца в году, работая с удивительными людьми исключительно над сталями. Но я должен сказать: из всех мест во всём мире Кембридж для меня всё же чуточку более особенный.

Харшад К. Д. Х. Бхадешиа Кембридж