книги из ГПНТБ / Физические основы электротермического упрочнения стали

Именно это обстоятельство, т. е. широкий разлет линий GS и SP диаграммы Fe — Fe3 С, облегчающий, с одной стороны, флуктуационное зарождение новых порций аустенита на передней его кром­ ке благодаря снижению требуемой равновесной концентрации углерода, а с другой — увеличивающий концентрационный напор процесса с повышением температуры, обеспечивает весьма тонкую чувствительность всей кинетики аустенизации не к температуре вообще, а к температуре перегрева t над равновесной точкой, кото­ рая выражается квадратичной зависимостью скорости роста G от t (13). В рассмотренном случае изотермического процесса при любой температуре обязательно наступает такой момент (т'с или т"с ), ког­ да происходит встреча двух самых первых зародышей аустенита. Это время в каком-то смысле является характеристическим вре­ менем для данной температуры, так как характеризует микрокине­ тику процесса аустенизации материала с заданной структурой при данной температуре. Очевидно, в принципе и при непрерывном на­ греве в интервале температур от нуля до t" (напомним, что нуль у нас выбран при температуре Аи т. е. 723° С) процесс может завершиться смыканием соседних фронтов аустенита от первых зародышей но­ вой фазы. Правда, для этого потребуется иное, более длительное время, так как процесс совершится в некотором интервале темпе­ ратур, т. е. как бы изотермически при некоторой эффективной тем­ пературе, меньшей t", или изотермически при максимальной темпе­ ратуре t", но с меньшим эффективным коэффициентом диффузии D , равным, как мы видели, одной трети изотермического D. Следова­ тельно, и при непрерывном нагреве существует некое характерис­ тическое время, точнее, температура нагрева ta , которая соглас­ но (27) отражает момент смыкания встречных фронтов от первых зародышей аустенита, возникающих на расстоянии между ними,

Структурный фактор а0 имеет вполне конкретное физическое содержание — это половина среднестатистического расстояния меж­ ду двумя соседними пластинами цементита (для пластинчатого пер­ лита), соседними зародышами цементита (для зернистого перлита) или соседними узлами дислокационной сетки Франка (для структур­ но-свободного феррита). Более точное определение фактора а0 за­ висит от выбора модели зарождения аустенита. Но надо сказать, что в перлите все перечисленные структурные факторы не очень отличаются по величине, т. е. дислокации в феррите чаще распола­ гаются вблизи цементитных включений, а фёрритные промежутки содержат сравнительно мало дислокаций даже в сильно деформиро­ ванном состоянии [52].

Формула (35) интересна тем, что позволяет определять очень важный момент для кинетики аустенизации перлита ta , который зо экспериментально установить практически невозможно, так как

никогда нет уверенности, что наблюдаемые под микроскопом встре­ тившиеся зародыши и являются именно самыми первыми в данном образце. Да и техника такого определения весьма трудоемка и слож­ на. Таким образом, во всех применявшихся выше выражениях можно заменить текущую координату х структурным параметром а0, а все величины с индексом х понимать как величины, относящиеся к мо­ менту времени (температуре) смыкания первых зародышей аусте­ нита.

Дальнейший анализ кинетики процесса значительно облегчается. Упрощенная формула зависимости инструментальной критической точки (по дилатометрии) от скорости нагрева vH (34) имеет вид про­ стой кубической параболы:

Как видим, скорость зарождения N оказывается чрезвычайно струк­ турно-чувствительным параметром (зависит от а1). Кинетическая кривая неизотермической аустенизации (19) может быть представ­ лена в виде, более удобном для практических расчетов (из (28)):

Время изотермической аустенизации (в пределах термической пло­ щадки на термограмме нагрева) находим из (10):

Вычислив параметр G3N и подставив его значение в (43), получим

ч = * Ч уIn 1 - Р (44)

Далее при анализе экспериментальных данных приводятся при­ меры расчета основных параметров и моментов кинетики аустенизации перлита как в изотермических условиях, так и при непрерыв­ ном нагреве в критическом интервале температур.

Рассмотрим изменение критической точки и кинетики аустенизации при непрерывном нагреве эвтектоидной стали. Положение кри­

го перлита критическая точка находится ниже, чем у стали с гру­ бозернистым цементитом, и степень чувствительности точки Асх к скорости нагрева несколько меньше. У закаленной стали У8 повы­ шение критической точки еще менее заметно, особенно при скорости нагрева 100 град/сек.

Как видим, критическая точка стали явно зависит как от ско­

При графическом изображении зависимости положения критиче­ ской точки отожженной стали У8А от скорости нагрева в линейных координатах видно, что темп роста точки Асг вначале достаточно высок, затем постепенно замедляется. Если считать, что это замед­ ление не связано с изменением механизма аустенизации, то можно найти такую систему координат, в которой зависимость tH от vH бу­ дет приближаться к линейной. Некоторым основанием для выбора

равномерно по всей его массе при помощи расплава солей, что практи­ чески невозможно. Диаграммы, построенные М. Е. Блантером [14], по-видимому, наиболее полно отражают кинетику аустенизации, благодаря применению тонких (0,1 мм) плоских образцов. Тем не менее и в них не отражены температуры выше 800° С, несмотря на то что при построении была выбрана весьма грубая исходная струк­ тура изучаемой стали.

Следует отметить, что кривая для 0% образовавшегося аустенита не реальна, так как в действительности превращение в мик­ рообластях начинается в процессе самого перегрева до температуры изотермы. Однако основная трудность заключается не в установле­ нии момента «истинного начала» превращения. Дискуссия по этому вопросу носит совершенно схоластический характер, по своему смы­ слу полностью повторяя обсуждавшуюся выше дискуссию по про­ блеме истинного начала превращения при непрерывном нагреве ста­ ли. Главная трудность построения изотермических диаграмм при нагреве стали состоит в том, что процесс образования аустенита является по своей природе эндотермической реакцией и поэтому'кинетика превращения может реализоваться лишь в той мере, в какой условия теплопередачи позволяют подавать необходимое количество энергии от поверхности образца через его массу к месту появления или роста зародыша новой фазы. Учитывая весьма небольшой пе­ репад температур, наблюдаемый в ходе изотермической аустенизации, нельзя рассчитывать на очень быстрый темп подачи необходимого количества тепла к образцу, даже если он имеет достаточно тонкое сечение. Преодолеть эту принципиальную трудность можно лишь с помощью прямого нагрева образца электрическим током. При этом тепловая энергия генерируется непосредственно в месте ее потреб­ ления и кинетика превращения полностью определяется соотноше­ нием тепловых мощностей, вводимых в образец с помощью электри­ ческого тока и потребляемых сталью в процессе превращения. Возможны три основных случая нагрева образца электрическим током.

1. Вводимая электрическая (тепловая) мощность превышает по­ требляемую в ходе превращения. Избыточная тепловая энергия ухо­ дит на нагрев образца, и аустенит образуется в условиях непре­ рывного нагрева в надкритическом интервале температур. Такая картина типична для начальных стадий аустенизации при быстром нагреве, в результате происходит определенный перегрев инстру­ ментальной критической точки над равновесной.

2. Вводимая мощность равна мощности, потребляемой образцом. Автоматически устанавливаются и поддерживаются изотермические условия превращения до полного окончания фазового перехода. На температурной кривой процесса наблюдается четкая изотермиче­ ская площадка, длительность которой Ат характеризует кинетику истинно изотермического образования аустенита. При определенных условиях величина Ат может более или менее значительно отличать-

14 ся от длительности превращения при нагреве образца в ванне.

На рис. 14 видно, что характер повышения температурных ин­ тервалов аустенизации одинаков у сталей с различной исходной структурой. Отличие состоит в том, что при одной и той же темпера­ туре время аустенизации тем меньше, чем дисперснее структура. В связи с весьма быстрой аустенизацией закаленной стали в экспери­ менте не удалось достичь температуры выше 800° С и, следовательно,

Такое своеобразное «бездиффузионное» образование аустенита подробно рассматривается ниже. Здесь же обратим лишь внимание на интересную особенность приводимой на рис. 14 обобщенной ди­ аграммы изотермического образования аустенита в стали и железе.

Исходя из общих соображений, можно было бы полагать, что чисто полиморфное превращение матричной фазы всегда должно бы­ ло бы завершаться быстрее, чем более сложное диффузионное прев­ ращение двухфазной смеси на основе той же матрицы. Действитель­ но, в первом случае достаточно флуктуационной перестройки поло-

функцией от температуры изотермы превращения tH. В табл. 3 по­ казано, как изменяется эта величина при увеличении скорости на­ грева и насколько точнее она определяется по расчету, чем экспери­ ментально.

На рис. 15 приведены теоретически построенная диаграмма изо­ термической аустенизации перлита при скоростном нагреве и экспе­ риментальные точки, полученные в условиях непрерывного электро­ нагрева [56], а также по данным М. Е. Блантера [14] (нагрев в ван­ нах), А. П. Гуляева и В. М. Залкина [13] (электронагрев с искус­ ственным поддержанием изотермы при периодическом включении

тока). Сравнение кривых показывает, что поступление тепла к об­ разцу за счет теплопроводности или в виде импульсов тока затяги­ вает превращение, искажает истинную кинетику, свойственную са­ мому фазовому превращению.

Следует заметить, что построенная по естественной термической площадке при непрерывном электронагреве диаграмма аустени­ зации является истинной только в смысле общей длительности пре­ вращения Дт. Линия условного начала превращения находится зна­ чительно правее, чем следовало бы, если бы превращение протекало

ссамого начала в идеально изотермических условиях. Определить

ееправильное положение на диаграмме можно было бы только при мгновенном нагреве до температуры изотермы с последующим под­ держанием температуры на этом уровне при помощи безынерцион­ ного терморегулятора. Тем не менее истинную изотермическую диаграмму можно построить, использовав данные о длительности пре­ вращения Ах, полученные в экспериментах по скоростному электро-