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. Швей-
кин (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 ме-
тоды наблюдения структуры с помощью оптических, 
растровых и электронных микроскопов. Однако иссле-
дование кинетики фазовых и структурных превращений осу-
ществляется также косвенным методами, в которых оценива-
ется изменение физических характеристик материалов.
Термическая обработка материалов может сопровождаться 
физико-химическими процессами, протекающими с изменени-
ем веса, типа кристаллической решетки, механических свойств, 
энтальпии, магнитной восприимчивости, оптических, акусти-
ческих свойств и т. д. Изменение этих свойств отслеживают как 
функцию температуры, которая может варьироваться от абсо-
лютного нуля до очень высоких значений. Такие методы, как 
дифференциальный термический анализ, дифференциальная 
сканирующая калориметрия, термомеханический анализ, дина-
мический термический анализ, диэлектрический анализ и т. д., 
применяют для исследования превращений, протекающих в ма-
териалах при нагреве или охлаждении.
Термический анализ в сочетании с другими методами, таки-
ми как химический анализ, рентгеновская дифракция, растро-
вая электронная микроскопия позволяет разрабатывать матери-
алы, обладающие определенными физическими, химическими 
и механическими свойствами, а также контролировать каче-
ство проведения термической обработки без разрушения по-
верхности изделия.
Рассмотрим методы измерений тепловых характеристик ме-
таллов и сплавов, применяемые в металлофизических иссле-
дованиях, влияние условий нагрева (охлаждения) на кинетику 
фазовых превращений.

1. Термический анализ

Т

ермический анализ используют для определения тер-
модинамических свойств металлов и сплавов, изучение 
которых необходимо для понимания поведения мате-
риала 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 реги-
стрируется температура образца во время его равномерного на-
грева или охлаждения [1]. При изучении превращения в твер-
дом состоянии применяются образцы, у которых отношение 
высоты к диаметру находится в пределах от 1 до 2. Масса образ-
ца 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 термопа-
ры, 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 обнаружива-
ются следующие участки:

1.1. Простой термический анализ

· 0… τ1 — нагрев образца протекает с постоянной скоро-
стью, вся теплота, передаваемая от печи к образцу, рас-
ходуется на его нагрев;
· в момент τ1 начинается превращение в поверхностном 
слое образца, часть подводимой теплоты затрачивается 
на превращение, скорость нагрева уменьшается до момен-
та 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 пре-
вращение, 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 тем-
ператур между печью и образцом и дальнейший нагрев 
происходит с постоянной скоростью. Количество исход-
ной фазы (или фаз) непрерывно уменьшается по мере 
развития превращения — уменьшается и количество по-
глощенной теплоты, что приводит к началу повыше-
ния температуры образца до окончания превращения 
и к «скруглению» конца площадки.
Горизонтальный участок на термограмме наблюдается тог-
да, когда вся теплота, полученная при нагреве, полностью рас-
ходуется на превращение, а его объемная скорость постоянна. 
При ускорении нагрева может произойти увеличение скорости 
превращения, но лишь до некоторого предела, который зави-
сит от его кинетики. В случае быстрого нагрева горизонталь-
ный участок на термограмме становится наклонным. Однако 
для моновариантного процесса, при котором число степеней 
свободы с = 1, при медленном нагреве участок будет наклон-
ным (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 оказыва-
ет заметное влияние скорость выделения теплоты (рис. 3). Та-
кая же особенность характерна и для кривых охлаждения об-
разцов (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 

1. Термический анализ

фазы перегибы на термических кривых, отвечающие превращению, 
становятся еле заметными, то такие превращения могут 
быть не обнаружены.
Гораздо большей чувствительностью по сравнению с простым 
термическим анализом обладает дифференциальный термический 
анализ (ДТА).

1.2. Дифференциальный термический анализ

Дифференциальный термический анализ (ДТА) основан 
на регистрации разности температур исследуемого образца 
и эталона, не имеющего фазовых превращений, при их одновременном 
нагреве или охлаждении. При изменении температуры 
в исследуемом образце могут протекать такие процессы, 
как перестройка кристаллической решетки, выделение и растворение 
частиц вторых фаз и т. д. Если превращения в образце 
протекают с эндо- или экзоэффектом, то наблюдается разница 
в температурах образца и эталона. Конструкция прибора 
позволяет обнаруживать даже незначительные изменения температуры 
образца. Повышенная чувствительность дифференциального 
метода позволяет исследовать образцы малого веса 
(до нескольких миллиграммов). Наиболее важным преимуществом 
ДТА являются простота и возможность создания различных 
условий эксперимента (высокое давление, вакуум, скорость 
нагрева, охлаждения и т. д.).

1.2.1. Дифференциальные термограммы

При проведении дифференциального термического анализа 
записывают температуру образца и разность температур между 
образцом и эталоном, не имеющим фазовых превращений. 

1.2. Дифференциальный термический анализ

До начала превращения образец и эталон равномерно нагрева-
ются и при правильно выбранном эталоне разность температур 
между ними ∆t = tо — tэ близка к нулю (рис. 5).

0      
t

t,
Dt 

tо
tэ 

Dt =tо−tэ

 

Рис. 5. Дифференциальная термограмма изотермического 
превращения, протекающего при охлаждении с выделением теплоты

Для обеспечения равномерного нагрева образец и эталон помещают 
в массивный металлический блок, обычно представляющий 
собой цилиндр с симметрично расположенными углублениями 
для образца и эталона. Блок закрывается крышкой 
с отверстиями для термопар. Материал блока не должен претерпевать 
фазовых превращений. Во время превращения скорость 
нагрева или охлаждения образца изменяется (например, в случае 
изотермического процесса температура образца остается постоянной), 
а эталон продолжает нагреваться или охлаждаться, как 
показано на рис. 5. Поэтому разность температур образца и эталона 
возрастает и достигает максимума к моменту конца превращения. 
В дальнейшем ∆t быстро уменьшается до значения, 
близкого к нулю. Таким образом, на дифференциальной кривой 
появляется экстремум, соответствующий концу превращения.

1. Термический анализ

Знак разности температур tо – tэ может изменяться в ходе 
превращения, но высота экстремума дифференциальной кривой 
остается неизменной. Происходит лишь смещение дифференциальной 
кривой относительно нуля термоЭДС (термоэлектродвижущая 
сила). Схематически это показано на рис. 6, 
на котором характерные участки термограммы условно показаны 
в виде сопрягающихся отрезков прямых.

t

t
 
 
t

to

0
Dt 
 
  0 

tэ

Рис. 6. Схема изменения знака термоЭДС в ходе превращения

До сих пор считалось, что тепловые свойства образца не изменяются 
в результате превращения. В действительности 
происходит то или иное изменение свойств, что отражается 
на термограмме. Если, например, обобщенный коэффициент 
теплопередачи возрастает вследствие превращения, то термограмма 
принимает вид, показанный на рис. 7.

Рассмотрим пример обработки термограммы. Точка 1 — температура 
центра образца в момент начала превращения на поверхности. 
Точка 2, соответствующая началу горизонтальной 
площадки, — температура начала превращения в центре образца. 
Момент конца превращения и соответствующая ему 
температура центра образца определяются точкой 3, лежащей