Файл: Физические основы электротермического упрочнения стали..pdf

кинетических показателей процесса перлито-аустенитного превраще­ ния в стали.

Принципиальный интерес представляло определение аналогич­ ного параметра при аустенизации чистого железа. Выше отмечалось, что критическая точка железа повышается при увеличении скорости нагрева t„ » vi*. Логично допустить, что процессы самодиффу­ зии играют определяющую роль в механизме аустенизации безугле­

тической стадией процесса являются переходы атомов с преодо­ лением энергетических барьеров, равных энергии активации само­ диффузии железа. Этот вывод не подтверждает мнения о возможности перестройки решетки «дефектного» железа по сдвиговому меха­ низму и свидетельствует о том, что превращение носит флуктуационный характер. В работах [28, 35] также обнаружено, что сдви­ говый механизм сменяется флуктуационным при увеличении дефект­ ности железных «усов».

В процессе определения энергии активации диффузии углерода выясняется несколько неожиданная, но весьма полезная особен­ ность экспериментов по скоростной аустенизации сталей. Оказы­ вается, что по формуле (37) можно вычислить не только энергию ак­

V h 4

Для вычисления D достаточно определить структурную характери­ стику стали а0 и критическую точку ta (начало дилатометрического сжатия) при нагреве со скоростью vH. Варьируя скорость нагрева в достаточно больших пределах, можно определить температурную

зависимость коэффициента диффузии во всем критическом интервале температур Ах — А3. Для того чтобы найти численную величину коэффициента диффузии, необходимо задаться определенной моделью процесса, подтверждением правильности выбора которой может служить соответствие между расчетными и экспериментальными ре­ зультатами.

Существует мнение, что местами, благоприятными для зарожде­ ния аустенитной фазы в стали, могут быть различные нарушения кристаллической решетки, такие, как границы блоков [51], узлы

сетки Франка, а также дефекты упаковки, которые в ОЦК решетках

могут быть атмосферы из атомов внедрения, например атомов азота или углерода. Экспериментальная проверка этого предположения методом внутреннего трения показала, что в холоднодеформированном железе при температуре 200° С возникает пик, которому соот­

логичных атмосфер на дислокациях можно рассматривать лишь как фактор, благоприятствующий зарождению аустенита в дефектах кристаллической решетки. Если предположить, что зарождение но­ вой фазы в основном происходит в узлах сетки Франка, то в отожжен­

чине перегрева t для каждого значения скорости нагрева легко вы­ числить коэффициент диффузии D. Результаты вычисления D для отожженной стали представлены в табл. 4. При расчете D для за­ каленной стали, плотность дефектов в которой равна 1012 см~~2, по­ лучено значение, отличающееся от обычно принятых примерно на один-два порядка. Естественно предположить, что рассуждения, проведенные об отожженной стали, могут оказаться неприменимыми

к закаленной стали. Структура отожженной стали в основном не из­ меняется при нагреве вплоть до начала фазового превращения, в закаленной же углеродистой стали даже при сверхбыстром нагре­ ве происходит процесс отпуска и к моменту начала а -> у превраще­ ния структура ее представляет собой высокодисперсный тонко­ пластинчатый сорбит отпуска. Согласно данным электронномикроскопического анализа (см. гл. 2) межпластиночное расстояние карбидной фазы электроотпущенной стали равно 0,1 — 0,2 мк. Если предположить, что зародыши аустенитной фазы появляются на этих пластинках или непосредственно около них, то р будет состав­

лять 1010 см—2, т. е. будет

характерно фазовое превращение эвтектоидного типа. Ограничен­ ность этого способа состоит в том, что он дает возможность опреде­ лять коэффициент диффузии углерода в аустените лишь при тем­ пературах выше 723° С (Аг).

Выше было показано (см. рис. 1), что критическая точка стали при увеличении скорости нагрева повышается тем быстрее, чем гру­ бее структура феррито-карбидной смеси, а также что причиной этого повышения интервала аустенизации является ограниченность ско­ рости диффузионных процессов в аустените. Если совместить изме­ нение в зависимости от скорости нагрева критических точек стадией железа на одном графике, то можно легко убедиться, что кривая ото­ жженной стали при достаточно большой скорости нагрева пересечет медленно растущую кривую железа (см. рис. 1, кривые 3 и 4). В этом случае мы вправе говорить о смене механизма перекристаллизации

перлита, поскольку при температурах, когда в чистом железе проис­ ходит фазовое превращение а ->• у, ферритные участки эвтектоидной смеси могут самостоятельно превращаться в безуглеродистый аусте­ нит независимо от диффузии углерода. С точки зрения концентра­ ционных условий аустенизации это есть не что иное, как реализация бездиффузионного механизма образования аустенита, хотя и не пол­ ная, поскольку при прохождении интервала температур Ах — Ас3 в процессе сверхбыстрого нагрева какая-то доля перлита все же успе­ вает превратиться в аустенит вследствие диффузии. Несмотря на то что механизм перекристаллизации феррита при скорости выше кри­ тической оказывается «бездиффузионным», получившийся аустенит не метастабильный, так как он образуется при температурах выше Л 3 , при которых его стабильное существование термодинамически оправдано.

Определение критической скорости, необходимой для смены диф­ фузионного механизма аустенизации «бездиффузионным»,— весьма трудная экспериментальная задача. Поэтому мы воспользуемся обоснованной экстраполяцией экспериментальных данных в область недостигнутых пока скоростей нагрева. Можно было бы просто про­ длить экспериментальные кривые (см. рис. 1) вправо и найти точку их пересечения. Однако такой способ экстраполяции для стали оказал­ ся бы недостаточно точным, так как кривая 3 несколько изогнута и предугадать этот изгиб нелегко. Гораздо надежнее оказался расчет экстраполированных точек по данным, приведенным на рис. 21, так как в этом случае можно предположить, что энергия активации Q не изменяется при переходе в область более высоких темпера­ тур. Взятые из продленного вниз участка прямой точки А и Б путем прямого пересчета были нанесены на график зависимости кри­ тической точки отожженной стали от скорости нагрева. Такая экстра­ поляция на основе теории достаточно проста и вполне надежна.

Критическая скорость нагрева, необходимая для перехода к «бездиффузионному» механизму, у грубозернистого перлита оказа­ лась равной 40 ООО град/сек. Но это скорость, измеряемая в крити­ ческом интервале температур. Реальная средняя скорость нагрева стали составит 70 ООО—80 ООО град/сек. Экстраполированная таким же способом точка В на графике закаленной стали указывает на прак­ тическую бесперспективность-сюиска критической скорости нагрева, которая для нее оказывается равной миллионам градусов в секунду.