Файл: Физические основы электротермического упрочнения стали..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 227
Скачиваний: 0
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.
Приведенные экспериментальные данные |
подтверждают вывод |
о том, что механизм образования аустенита |
носит диффузионный |
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
нейную зависимость в координатах In w = |
/ (-„-j . Тангенс угла на |
|||||
клона этой линии к оси-уг соответствует величине |
энергии |
актива |
||||
ции процесса, лимитирующего |
скорость данного фазового |
превра |
||||
щения. |
|
|
|
|
|
|
Выше отмечалось, что кинетика а -> у |
превращения зависит от |
|||||
температуры |
нагрева, однако |
следует |
еще раз |
подчеркнуть, |
||
что в этой зависимости играет |
роль не столько |
сама |
температура |
|||
превращения |
Г, сколько температура перегрева |
над |
равновесной |
|||
точкой фазового перехода t. Эта особенность значительно осложняет задачу определения энергии активации.
Скорость изотермического образования аустенита ну можно найти, продифференцировав формулу (10) по времени:
w = ^ = ^ n G 3 N x l e - ^ G N % y |
(50) |
Подставив в (50) известные аналитические выражения для кинети
ческих параметров |
G (40) и N (41), получим |
|
|
|
w=--qm\\e |
4 Э |
(51) |
4 / ^ |
\ 4 |
|
|
где (7 = — я( |
" I • Как видим, In w зависит |
нелинейно от об |
|
ратной абсолютной |
температуры |
превращения, |
которая в данном |
случае входит лишь в величину коэффициента диффузии углерода в аустените D. Поэтому энергию активации диффузии углерода (входящую в D) невозможно определить из простой зависимости типа
In w = const + -Ц- • -f- •
Это означает, что диффузионные перемещения углерода в аустените
не единственный фактор, |
определяющий |
скорость |
образования |
||
аустенита. Действительно, |
в формулу (51) входит множитель t8, |
||||
указывающий, что в кинетике превращения |
важную |
роль |
играет |
||
температура перегрева над равновесной точкой Alt |
которая |
зависит |
|||
от подаваемой в образец тепловой мощности, т. е. скорости нагрева. |
|||||
Рассмотрим, в каком соотношении находятся эти два фактора. |
|||||
При достаточно быстром нагреве подводимая тепловая мощность |
|||||
вначале значительно превышает диффузионные |
возможности си |
||||
стемы. Поскольку на этих стадиях диффузия не успевает обеспечить |
|||||
необходимый темп потребления энергии, возникает перегрев — пре вращение происходит в интервале температур. Так как параметры G и N возрастают вследствие перегрева пропорционально величине t2, то диффузионные возможности превращения увеличиваются значи тельно быстрее величины перегрева и на некоторой стадии диффузия углерода может обеспечить скорость превращения, соответствуй ющую подаваемой энергии. С этого момента начинается изотерми* ческое образование аустенита при непрерывном нагреве (темпера турная площадка), т. е. рассматриваемые факторы находятся «в рав новесии» и не ограничивают друг друга. Следовательно, основным фактором в фазовом превращении является тепловая мощность (ско рость нагрева), задающая температуру изотермического превраще ния именно на том уровне, на котором диффузия углерода через за висящие от нее кинетические параметры G и N успевает обеспечить необходимый темп аустенизации. Диффузионная подвижность уг лерода при каждом значении температуры является критической стадией в кинетике превращения. Таким образом, оба фактора —
тепловая энергия и диффузия углерода играют определяющую роль 49
4 3-2110
в кинетике, но тепловая мощность является ведущим, а диффузия ведомым звеном процесса.
Далее, может ли быть такое положение, что диффузия не обес печивает необходимый темп превращения? Вероятно, это возможно при нагреве сталей с весьма грубыми структурами, у которых очень велики пути диффузии. Ведь структурный фактор а0 входит в фор мулу (51) в виде l/al. Это особенно четко проявляется у стали со структурно-свободным ферритом, о чем свидетельствует аустенизация доэвтектоидных сталей. Если по каким-либо причинам (весь ма быстрый нагрев, грубая структура и т. п.) диффузия углерода не успевает «переработать» поступающее тепло, то оставшийся непревращенным феррит вместе со всей массой образца перегревается до более высоких температур, но ни в коем случае не переходит в ненауглероженный (метастабильный) аустенит, несмотря на избыток тепловой энергии в системе. В некоторых случаях феррит может пере греться вплоть до температуры А3 и уже тогда превратиться в аусте нит по бездиффузионному механизму, подобно превращению в чис том железе. Это значит, что у перлитной стали темп фазовой перекри сталлизации феррита не может опережать диффузионную подачу углерода (при температурах ниже Л3 ). Фазовое превращение пер лита в аустенит может протекать только при непрерывном диффузи онном поступлении углерода.
В связи с тем что углерод играет большую роль в аустенизации стали, естественно ожидать, что по кинетике этого процесса можно определить параметры диффузии его в у-железе. В работе [70] экспе риментальные данные о критических точках и времени изотермиче ского образования аустенита при различных скоростях нагрева обра батывались с целью определения энергии активации диффузионных процессов при а -> у превращении. Использовалась основная кине тическая формула непосредственного нагрева стали (37):
, |
|
Mai |
' н |
' н |
D |
(М — известная константа, |
D — коэффициент диффузии углерода |
|
в аустените, а0 — структурный параметр, равный половине сред
него |
расстояния между зародышами аустенита). Если учесть, |
что |
V" |
х |
|
ния, то из (37) получим |
|
|
|
(52) |
|
Очевидно, что между !п т„ и обратной температурой превращения |
у |
|
нет линейной зависимости. Энергию активации диффузии углерода можно определить из формулы
2
l n ( T H № = l n - ^ i + - | - . - i - . |
(5 |
Практически вместо тн удобно пользоваться скоростью нагрева, по этому для расчета использовалась прологарифмированная форму ла (37):
п |
Mai |
fi/J* |
|
RT |
— I n — + |
. |
(54) |
В результате обработки экспериментальных данных о критиче ских точках отожженной и закаленной эвтектоидной стали при раз личных скоростях нагрева была установлена линейная зависимость
|
|
|
t4l* |
|
1 |
|
|
|
между величинами In |
"J1 |
• и -у- (рис. 21). Вычисленная по этим |
||||||
9,6 |
|
|
|
5,9 |
|
|
|
|
|
\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9,2 \\ |
|
|
|
5,7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5,5 |
°\\° |
|
|
8,4 |
|
|
|
5,3 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8,0 |
О |
|
|
|
|
|
|
|
\ |
|
|
5J |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
V |
|
|
|
|
\ |
|
7,6 |
\ о |
1 |
1 4,9 |
|
|
|||
|
\ |
|
|
|||||
|
|
|
|
\ |
|
|||
7,2 |
|
ч |
! |
1 |
|
\ |
|
|
|
|
|
|
|
4,7, |
|
\ |
\\N |
6,8 |
|
|
N |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
к 5 |
|
10,0 9,5 |
9ft |
8,5 |
8,0iff40,00 |
9J5 9,50 |
9,25 ±т~* |
||
|
|
a |
|
|
i |
б |
1 |
|
Рис. 21. Определение энергии активации образования аустенита по |
||||||||
положению |
критических |
точек при скоростном нагреве: |
|
|||||
а |
— о т о ж ж е н н а я (Q = |
29,3 |
± |
2 ккал/моль), |
б — з а к а л е н н а я (<2 = 29,6 А |
|||
± |
2 ккал/моль) |
сталь; А, Б, |
В |
— расчетные точки. |
|
|
||
данным величина энергии активации равна 29,6 и 29,3 ккал/моль соответственно для закаленной и отожженной стали. Эти значения очень близки к известной энергии активации диффузии углерода в аустените (30 ккал/моль). При обработке данных о длительности изо термической аустенизации Дт при различных температурах исполь зовалась формула [23]
|
RT |
, 5,6Mai - f |
In |
•л |
(55) |
|
|
|
|
||
Величина |
Q оказалась равной 32 и 30 ккал/моль соответственно для |
||||
отожженной и закаленной стали У8 (рис. 22). |
|
||||
Как видим, влияние |
диффузионных |
перемещений |
углерода в |
||
7: решетке |
действительно |
проявляется |
в изменении |
важнейших^ |
|
4*
