книги из ГПНТБ / Физические основы электротермического упрочнения стали

Заметим, что при сдвиговом превращении происходит согласован­ ное, кооперированное перемещение активированных атомов на рас­ стояния, составляющие небольшую долю межатомных расстояний, что, собственно, и приводит к возможности быстрого протекания и к низкой энергии активации этих процессов. Однако в случае флуктуационного роста новой фазы при полиморфном превращении атом­ ные переходы совершаются также на небольшие расстояния, соиз­ меримые с межатомными. Поэтому, несмотря на довольно высокую энергию активации процесса, кинетика полиморфного превращения железа оказывается весьма стремительной: общая длительность дилатометрического сжатия при скоростном нагреве составляет десятые и даже сотые доли секунды. Этим и объясняются очень сла­ бый рост критической точки железа при скоростном нагреве и труд­ ности в экспериментальном выявлении такого незначительного пе­ регрева. Высокая скорость флуктуационной перестройки решетки

ремещением углерода, растворяемого в решетке аустенита. Это следует учитывать при определении механизма аустенизации стали.

Представляет интерес аналитическая оценка зависимости кри­ тической точки железа от скорости нагрева, так как при помощи сопоставления расчетной зависимости с экспериментальной можно проверить справедливость наших представлений о механизме и ки­ нетике изучаемого процесса. В работе [44] показано, что уравнение А. Н. Колмогорова [45], если предположить, что величина GIN не зависит от температуры перегрева t над равновесной критической точкой, может быть приведено к упрощенному виду

где G — линейная скорость роста аустенитного зерна, N — скорость зарождения центров аустенита, (3 — степень превращения, vH — скорость нагрева в критическом интервале температур (в дальней­ шем всюду, где речь идет об инструментальной критической точке, скорость нагрева в критическом интервале температур обозначена ун ). Известно, что параметры G и N зависят от температуры пере­ грева t над равновесной точкой Av Предположим для определен­ ности, что оба параметра находятся в квадратичной зависимости от t, так же как в случае образования аустенита из перлита в стали [46]:

G = a't", N = b't\ (3)

где а' и Ь' — неизвестные параметры, не зависящие от температуры /. Учитывая (3), после интегрирования и несложных преобразований в выражении (2) получим

или

Выражение (5) представляет собой аналитическую зависимость тем­ пературы, при которой степень аустенизации железа достигла вели­ чины Р, от скорости нагрева. Если под критической точкой а -у у превращения подразумевать температуру перегрева, при которой образовалось около 5% новой фазы, то выражение (5) по существу представляет собой аналитическую зависимость инструментальной критической точки полиморфного превращения железа от скорости нагрева. Это выражение допускает экспериментальную проверку, для чего следует положить р = 0,05 (5% новой фазы — начало пре­ вращения по дилатометру) и определить неизвестный параметр а'3Ь', постоянный для данного сплава. Поскольку теоретически рассчи­ тать его пока невозможно, воспользуемся экспериментальными дан­ ными. Из кинетического выражения А. Н. Колмогорова — И. Л. Миркина можно определить время, необходимое для изотермического протекания превращения,

Рv а'Ч'

риментальные точки инструментального начала и конца а -> у превращения по данным работы [32]. По экспериментальным данным (заштрихованная часть на рис. 8), для начала превращения числен­ ное значение коэффициента в уравнении (9) составляет 2,35, что удов­ летворительно согласуется с расчетом. Из выражения (5) нетрудно

железа как статистический процесс зарождения и нормального роста центров новой фазы. Это важно для понимания сущности аусте­ низации углеродистой стали.

КИНЕТИКА ОБРАЗОВАНИЯ АУСТЕНИТА В ЭВТЕКТ0ИДН0Й СТАЛИ

Изучение закономерностей аустенизации перлитных сталей удобнее всего начать с рассмотрения стали чисто эвтектоидного состава. Типичная эвтектоидная сталь, содержащая около 0,8% углерода, может быть получена в состоянии пластинчатого перлита, представ­ ляющего собой колонии параллельно чередующихся пластинок фер­ рита и цементита. Отсутствие избыточных фаз облегчает рассмотре­ ние процесса аустенизации при быстром нагреве.

Согласно правилу фаз процесс превращения перлита в аустенит протекает изотермически при условии непрерывной подачи тепловой энергии. Экспериментально это проявляется в возникновении гори­ зонтальной площадки на термической кривой непрерывно нагревае­ мой стали. Таким образом, непрерывная подача тепловой энергии

является обязательным условием нормального протекания реакции аустенизации перлита. Отсюда следует, что кинетика процесса за­ висит от условий нагрева, от способа и темпа подачи тепла в реаги­ рующий объем. Недооценка этого момента нередко приводила к спорам о степени достоверности кинетических параметров аустени­ зации, полученных М. Е. Блантером 114], Робертсом и Мейлем [15, 46], И. Л. Миркиным и М. Е. Блантером [47]. Не вдаваясь в по­ дробный анализ этой дискуссии, отметим лишь, что при нагреве ста­ ли внешним источником тепла (в печи, ванне) время, необходимое для формирования вполне равновесной аустенитной структуры, мо­

ции при статистическом подходе получено А. Н. Колмогоровым [45]:

где р — степень превращения за время тр, G — линейная скорость роста сферического зародыша, N — скорость появления зародышей

вединице объема за единицу времени (G и N постоянны во времени).

А.Г. Спектор [48] обобщил результат (10) на случай переменных

G и N, но таких, что отношение-^- = Р не зависит от температуры,

и получил кинетическое уравнение процесса аустенизации при на­ греве стали с постоянной скоростью (см. уравнение (2)).

Для расчета кинетики по уравнению (2) требуется знать вид за­ висимости G (t) и величину параметра Р, не зависящего от темпера-

Итак, чем мельче структура (точнее, чем ближе частички цемен­ тита друг к другу) и чем выше температура, тем больше линейная скорость роста аустенита. Важно подчеркнуть, что особенно силь­ но влияет на G не просто абсолютная температура процесса, а тем­ пература перегрева t над равновесной точкой А±.

I Теперь можно рассчитать объемную долю аустенита (J, обра­ зовавшегося в процессе непрерывного нагрева до температуры t, проинтегрировав (2) с учетом зависимости G от t (13):

Сравнивая (14) с (10), видим, что в неизотермическом случае кине­ тика превращения также может быть описана изотермическим урав­ нением А. Н. Колмогорова, если ввести новые «эффективные» параметры GrN, связанные с G и N соотношениями

Продифференцировав выражение (19) и подставив результат в (18), после несложных преобразований получим два уравнения, связы­ вающие температуру t„ максимума на дилатометрической кривой (т. е. инструментальную критическую точку Асг) и соответствующую

известного кинетического уравнения (19). При помощи уравнения (22) можно построить кинетические кривые превращения при любой скорости нагрева vti. Рассмотрим предельный случай: Р„ <^ 1, что достаточно оправдано, так как начало дилатометрического сжатия обычно соответствует нескольким процентам образовавшегося аусте­

фициент С1 согласно (20) слабо зависит от температуры, то на осно­ вании (23) можно считать, что в первом приближении критическая точка Ас1 должна повышаться от скорости нагрева по закономернос­ ти кубической параболы:

При этом связь между температурой начала превращения и степенью превратившегося объема согласно выражению (24), справедливому для малых рн , можно представить прямой 2 на рис. 12 (/ — полная кривая зависимости р от t, полученная по уравнению (22) для любых

в том числе для инструментального начала превращения (максимум на дилатометрической кривой):

С физической точки зрения величина In Вх отражает ту степень превращения, при которой фронт диффундирующей массы угле­ рода прошел расстояние х. Эта степень превращения довольно слож­ но поддается вычислению. В работе [44] показано, что ее зависи­ мость от температуры tR приближенно можно представить следую­ щим образом:

Более простое, хотя и менее строгое, выражение для зависимости критической точки tR от скорости нагрева может быть получено, если в формуле (31) пренебречь различием близких величин In Вн и In Вх:

Этот результат несложно проверить экспериментально, требуется лишь уточнить физический смысл параметра х.

При нагреве перлита до температуры несколько выше темпера­ туры Аг на различных структурных несовершенствах — границах зерен, субзерен (а также на границах феррита с цементитом) и на самих дислокациях вследствие концентрационных флуктуации углерода в а-решетке начинают возникать многочисленные зароды­ ши аустенита. Те из них, у которых концентрация углерода оказа­ лась не меньшей, чем требуемая линией GS диаграммы равновесий при данной температуре, закрепились и получили возможность даль­ нейшего роста. Рост зародышей у-фазы в изотермических условиях определяется, как мы видели, скоростью диффузии углерода от ме­ ста его скопления (цементитное включение, «углеродистое облако» на дислокации и т. п.) через зародившийся аустенит к передней кром­ ке растущей фазы. Через некоторое время хх, определяемое из ре­ шения уравнения диффузии (11), фронт роста аустенита продвинется на расстояние х, а затем, к моменту времени т0 , может произойти встреча двух противоположных фронтов от соседних центров роста, отстоящих друг от друга на расстоянии 2а0 (см. рис. 9). При более высокой температуре t" (также при изотермическом процессе) эта встреча произойдет значительно быстрее не только потому, что коэф­ фициент диффузии D возрос, но главным образом потому, что значи­ тельно возросла разница концентраций углерода на задней и перед­ ней стенках зародыша, т. е. увеличилась движущая сила диффузии.