книги из ГПНТБ / Физические основы электротермического упрочнения стали

средственно из теоретического результата (16), согласно которому время изотермического подхода к некоторой стадии превращения в три раза меньше времени, необходимого для достижения той же

степени превращения при непрерывном нагреве: тн = - 4 - V

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ АУСТЕНИТА В УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЯХ

Механизм образования аустенита при нагреве гетерогенной смеси двух фаз (феррита и цементита) представляет принципиальный ин­ терес с точки зрения теории фазовых превращений. Внутренняя противоречивость этого процесса отмечалась еще С. С. Штейнбергом [60] и К. П. Буниным [61].

Действительно, в соответствии с диаграммой равновесия Fe — Fe3C образование аустенита вблизи эвтектоидной температуры требует концентрации углерода до 0,8%, но перенасыщение твердо­ го а-раствора до таких концентраций вблизи температуры Л х невоз­ можно, и, для того чтобы такая концентрация устойчиво возникла, требуется образование у-решетки, т. е. аустенита. Таким образом, в точке Аг феррит перлита не может создать концентрационную «под­ кладку» для аустенита, а аустенит не может образоваться из ферри­ та, содержащего всего около 0,04% углерода, из-за термодинамиче­ ской нестабильности. С термодинамической точки зрения это проти­ воречие разрешается с помощью флуктуационных представлений. При нагреве стали в критическом интервале температур, согласно И.''Л. Миркину [62], допускается возникновение концентрационных

и гетерофазных флуктуации, которые лишь в случае их совпадения

впространстве и времени приводят к появлению устойчивого заро­ дыша у-фазы. Такие же флуктуации и условие их совмещения со­

здаются при температурах ниже Alt но зародыши при этом оказы­ ваются термодинамически нестабильными и сразу релаксируют.

Лишь при температурах, превышающих точку Аи возникшие флук­ туации решетки становятся стабильными, однако и в этом случае должны выполняться еще два условия: 1) наблюдаемая флуктуация углерода такова, что его концентрация (локальная) в некотором объеме достигает значения, не меньшего, чем требуется линией GS диаграммы состояния; 2) обе флуктуации (концентрационная и ре­ шеточная) наблюдаются в объеме решетки, превышающем критиче­ ский размер зародыша. Устойчивый (стабильный) зародыш аустени­

требуется обязательного их совпадения. Например, можно предпо­ ложить, что для образования стабильного зародыша аустенита эвтектоидного состава достаточно, чтобы непосредственно у цементитной частички в а-решетке произошла лишь концентрационная флуктуация (до состава 0,8% углерода в феррите), и ужена готовой концентрационной подложке происходит образование у-решетки. Та­ ким образом, ведущую роль здесь играют флуктуации концен­ трации, а изменение решетки а у является вторым этапом пре­ вращения и не флуктуационным, я вполне направленным процессом, закрепляющим неустойчивые флуктуации углерода в феррите. Каки в первом случае, образовавшийся зародыш может расти только при условии своевременной подачи новых порций углерода, необходимого для обеспечения новых флуктуации концентрации углерода на передней кромке растущей у-фазы. Поэтому появление зародышей аустенита более вероятно на межфазной границе феррит — цемен­ тит, а также в местах сегрегации углерода на различных дефектах кристаллической решетки — границах зерен, элементах субструк­ туры или просто на дислокационных трубках с достаточно плотными атмосферами из атомов углерода. Это также вариант диффузионного микромеханизма появления аустенита, но следует заметить, что он больше соответствует росту аустенитного зародыша, чем его1 зарож­ дению, так как прибавление новых слоев у-фазы к растущему заро­ дышу, т. е. перестройка а-решетки в у-решетку на готовой маточной подложке из аустенита,— процесс более простой, чем независимое флуктуационное возникновение у-решетки в ферритной фазе.

Другой вариант флуктуационного механизма возможен, когда более «подвижными» (ведущими) являются флуктуации гетерофазного типа, т. е. локальные решеточные переходы а ->- у . Если время жизни флуктуационных образований у-фазы достаточно ве­ лико, то они по-существу являются метастабильными зародышами аустенита, которые становятся вполне стабильными только после их науглероживания до равновесного (по линии GS диаграммы) со­ става. Этот механизм можно было бы отнести к бездиффузионным образованиям метастабильного аустенита, если бы оказалось, что гетерофазные флуктуации настолько устойчивы, что позволили бы перевести в малоуглеродистый аустенит весь имевшийся в стали феррит или его значительную часть. Последующее диффузионное насыщение аустенита углеродом происходило бы не в месте образо­ вания новых порций у-фазы, а позади этого фронта, с более или ме­ нее значительным отставанием от фазовой перекристаллизации. При определении концентрации углерода в зарождающихся пор­ циях аустенита удалось бы зафиксировать метастабильный аусте­ нит, содержащий углерод в меньшем количестве, чем требуется ли­

образования аустенита двумя путями — диффузионным продвиже­ нием растущего фронта аустенита благодаря флуктуациям углерода в феррите либо бездиффузионной перестройкой а-решетки в у-решетку того же состава, т. е. образованием на первой стадии малоуглеро­ дистого метастабильного аустенита с последующим диффузионным науглероживанием готовой аустенитной решетки до равновес­ ного состава. Вопрос о реализации диффузионного или бездиффу­ зионного пути аустенизации может быть решен на основе экспери­ мента, в котором определяются концентрационные условия образо­ вания аустенита. В дальнейшем под механизмом аустенизации мы будем подразумевать именно концентрационный характер образова­ ния у-фазы из перлита, не вдаваясь в тонкости кристаллоструктур-

причиной дискуссии по поводу состава образующегося при нагреве аустенита и часто вынуждало исследователей определять процесс аустенизации на основании косвенных, а не прямых эксперименталь­ ных данных. Лишь в последние годы благодаря усилиям, направлен­ ным на создание комплексных, достаточно автоматизированных и быстродействующих методов исследования, удалось поставить пря-

'но при температурах его образования в процессе быстрого электро­ нагрева.

Рассмотрим результаты концентрационных исследований аусте­ нита, полученные при помощи скоростной рентгеновской съемки аустенита и быстродействующего магнитометра переменного токае применением метода закалок.

Исследования проводились на специальной рентгеновской уста­ новке, позволяющей периодически (через каждые 0,03 сек) фикси­ ровать на осциллограмме параметры сс- и у-фаз 165]. Время записи одной линии составляло около 0,003 сек. Параметры феррита и аустенита регистрировались при нагреве стали со скоростями до 500—800 град/сек. Одновременно на осциллограмму записывались дилатометрическая и термическая кривые. В результате обработки осциллограмм получены данные об изменении параметров решеток

±0,0002 нм. Температура фазового превращения при этой скорости нагрева составляет 915—920°С, что согласуется с данными, приве­ денными на рис. 5. Длительность фазового превращения составляла

44 0,12—0,15 сек.

Весьма интересные результаты получены при исследовании эв­ тектоидной стали с 0,85% углерода. При нагреве отожженных об­ разцов со структурой мелкопластинчатого перлита первые призна­ ки аустенита появились в области 780—790° С (рис. 17, б). При ско­ рости нагрева 500 град/сек, применявшейся в этом исследовании, такая температура образования аустенита хорошо согласуется с температурой критической точки, определенной дилатометрически (см. рис. 1). Рентгенографически образование аустенита при нагре­ ве закаленных образцов начинает фиксироваться при температуре около 760° С, что также соответствует дилатометрическим опре­ делениям. Интересно проследить, как изменяются параметры а- и у-фаз эвтектоидной стали. При нагреве как отожженных, так и за­ каленных сталей параметры а-фазы в интервале температур от 500° С до температуры фазового превращения в основном одинаковы. Это означает, что к моменту начала фазового превращения а-фаза за­ каленной стали успевает полностью освободиться от углерода, ко­ торым она была пересыщена в состоянии мартенсита, и, таким об­ разом, концентрационное состояние феррита, участвующего в пре­ вращении, одинаково как у отожженной, так и у закаленной стали.

При определении содержания углерода по величине параметра первых порций аустенита в обоих случаях получены одинаковые значения, близкие к эвтектоидной концентрации (0,9—1,0% угле­ рода). Это значение средней концентрации углерода в весьма неоднородном аустените, особенно в отожженной стали. Такой ре­ зультат однозначно свидетельствует об отсутствии в критическом интервале температур сколько-нибудь заметного количества мало­ углеродистого метастабильного аустенита. В противном случае средняя концентрация углерода в образовавшемся аустените неиз­ бежно оказалась бы меньше эвтектоидной.

необходимо было определить минимальную концентрацию углерода

подъема на магнитометрической кривой т, р , q на термическую кривую охлаждающегося образца определены положения мартенситной точки М, Р, QB условиях закалки от различных температур). Поскольку превращение начиналось с поверхностных слоев охлаж­ даемого образца, приваренная к поверхности термопара достаточно надежно регистрировала температуру начала превращения.

Примененный метод позволяет отмечать мартенситную точку наименее науглероженных участков аустенита, обладающих, как из­ вестно, более высокой температурой М н . Поэтому, несмотря на большую неоднородность аустенита, в начальный момент фиксиру­ ются только малоуглеродистые участки, но именно это и пред­ ставляет интерес в данном исследовании. При аустенизации отож­ женной стали У8А наблюдается наибольшая концентрационная неоднородность аустенита в закритической области температур, а при нагреве закаленной стали — минимальная (рис. 19). Неоднородность

резко возрастает при повышении скорости нагрева. При скорости нагрева 2000 град/сек закалкой сразу же после'дилатометрического сжатия удавалось фиксировать точку Мн на уровне 550—600° С, что соответствует аустениту с содержанием углерода около 0,1— 0,2%. Разумеется, не весь аустенит имеет такой состав, это лишь са­ мые малоуглеродистые его участки, в образовавшемся аустените име­ ется весь спектр концентраций углерода вплоть до максимального по линии S E диаграммы (рис. 20).

состояния легко установить, что аустенит такого состава при темпе­ ратуре его образования 870—900° С стабильный в том] смысле, что его устойчивое состояние термодинамически оправданно, поскольку фигуративная точка аустенита попадает в однофазную у-область диа­ граммы железо— цементит (т. е. правее линии G S ) . Совершенно естест­ венно, чтотакой термодинамически стабильный аустенит в концентра­ ционном отношении далеко не равновесный, так как непрерывно на­ сыщается углеродом вследствие диффузии последнего от нерастворившихся еще цементитных частиц. Концентрационные изменения в неоднородном аустените непрерывно продолжаются до тех пор, пока максимальный разбег концентраций от линии GS ROSE (СМ. рис. 20) не исчезает с окончательным образованием гомогенного аустенита, соответствующего среднему составу стали. Экспериментально по­ средством закалок от постепенно повышающихся температур получе­ на левая ветвь этой кривой гомогенизации, показывающая'кинетику науглероживания малоуглеродистых участков аустенита. Правую ветвь, характеризующую кинетику уменьшения максимальных

значений концентрации углерода, таким методом получить не­ возможно.

При меньшей скорости нагрева (150 град/сек), когда критический интервал температур отожженной стали снижается до 800° С, ми­ нимальный состав аустенита сразу повышается до 0,3—0,4% угле­ рода, что опять соответствует области стабильного существования аустенита. Наконец, при нагреве закаленной стали У8А до темпе­ ратуры 730—740° С, образуется аустенит с минимальным содержа­ нием углерода 0,6—0,7%.

Из приведенного эксперимента следует, что диаграмма железо — цементит применима для анализа концентрационных условий об­ разования аустенита не только при медленном (равновесном) нагре­ ве, но и при любом скоростном нагреве, когда роль диаграммы со­ стояния заключается втом, что она указывает предельно возможный концентрационный разбег в аустените, образующемся при данной температуре. Этот вывод относится и к скоростной аустенизации де­ формированных структур, хотя изменение кинетики а -> у превра­ щения в этом случае и отличается своеобразием, вносимым предвари­ тельной пластической деформацией.

характер, т. е. соответствует механизму, заложенному нами в тео­ ретической модели образования аустенита. Иными словами, можно считать, что соответствие расчетных и экспериментальных данных о кинетике аустенитообразования эвтектоидной стали обусловлено правильностью главных модельных предположений, положенных в основу расчета.

Итак, можно утверждать, что механизм образования аустенита при нагреве эвтектоидной стали в кристаллоструктурном отноше­ нии является флуктуационным (неупорядоченным), а в концентра­ ционном отношении — диффузионным.

Важнейшей физической характеристикой фазового превращения является его энергия активации. Знание этой характеристики часто позволяет однозначно установить механизм превращения. Энергия активации обычно определяется по скорости изотермического пре­ вращения при различных температурах Т, когда удается найти ли­

точкой фазового перехода t. Эта особенность значительно осложняет задачу определения энергии активации.