Процесс закалки стали

В процессе закалки сталь претерпевает так называемое мартенситное превращение, когда перестраивается кристаллическая решетка металла, но при этом атомы не обмениваются местами, а лишь слегка перемещаются друг относительно друга. Перемещаются они на расстояния, не превышающие межатомные. Получение высокопрочной мартенситной структуры и есть основная цель закалки.

Для металловедов особый интерес представляют ранние стадии фазовых превращений, так как именно на этом этапе формируется структура решетки, которая определяет свойства сплавов. Чтобы разобраться в том, что происходит в самом начале мартенситного превращения, приходится преодолевать значительные экспериментальные трудности, так как на этой стадии в кристаллической решетке металла особенно много дефектов. Чаще других встречаются дислокации, когда нарушено правильное чередование атомных плоскостей. Чтобы представить себе, что такое, например, краевая дислокация, вообразите множество книжных полок, равноудаленных друг от друга. «Дислокация» в такой упорядоченной структуре полок означает, что одна из них короче своих соседей. Если одна из кристаллических плоскостей обрывается внутри кристалла, то край этой «лишней» плоскости образует краевую дислокацию.

Для изучения ранних стадий мартенситных превращений стали, в том числе и после применения сварочных аппаратов, был использован метод аннигиляций позитрона — этот процесс происходит при встрече позитрона с электроном, и аннигилировавшие, или проще говоря, исчезнувшие частицы рождают при этом квант электромагнитного излучения. В металлах и сплавах позитрон живет до момента встречи с электроном кристаллической решетки. В идеальном кристалле время жизни позитрона было бы всегда постоянным, так как там распределение электронов по решетке неизменно. В реальном кристалле вблизи различных деформаций решетки плотность электронов меняется. А конкретно, если в кристаллической решетке есть дислокации, то вблизи их электронная плотность ниже обычной. Значит, вероятность встречи позитрона с электроном меньше, и можно сказать, что дислокации образуют для позитрона своего рода ловушки, из которых ему нелегко выбраться. Чем больше в металле дислокаций, тем больше таких ловушек, тем больше время жизни позитрона в данной структуре.

На приборе, сконструированном в Центральном научно - исследовательском институте черной металлургии, с большой точностью можно регистрировать отдельные аннигиляционные «вспышки», даже те, которые длились всего 450 пикосекунд (1 пс = 10^-12с). Были исследованы образцы чистого железа (содержание углерода 0,07%) и его сплавов с никелем и танталом, имеющие мартенситную структуру. Для каждого образца было зарегистрировано 500 000 подобных вспышек, от позитронов с разным «временем жизни», то есть 500 000 актов взаимодействия позитронов с электронами кристаллической решетки, происходивших с разным запаздыванием. Проведенные исследования доказали перспективность этого метода для изучения мартенситных структур. Измерение спектров продолжительности жизни позитрона детально характеризует количество и размеры ловушек в металлах и сплавах, характеризует их структуру.