Файл: Физические основы электротермического упрочнения стали..pdf

джоулева тепла при протекании электрического тока в гетерогенной

рос в связи с появлением теории так называемого бездиффузионного образования аустенита при быстром (сотни и тысячи градусов в секунду) нагреве стали, основанной на представлениях об опреде­ ляющей роли концентрационных и энергетических флуктуации в решетке феррита [5]. Дискуссия, в которой активное участие при­ няли М. Е. Блантер [6], Г. Ф. Головин [7], В. Н. Гриднев [81, А. Г. Спектор [9], В. Д. Садовский и Б. Г. Сазонов [10], Г. В. Курдюмов [11], А. П. Гуляев [12, 13] и другие исследователи, хотя и не привела к установлению единства взглядов на механизм обра­

экспериментального исследования фазовых превращений в условиях кратковременных скоростных нагревов. В первую очередь это от­ носилось к методике регистрации температуры фазового превраще­ ния перлита в аустенит (точки Асг и Ас3) при нагреве стали со ско­ ростями от десятков градусов в секунду до нескольких тысяч и более, так как основные споры велись вокруг вопроса о смещении критических точек при быстром нагреве.

Вследствие несовершенства регистрирующей аппаратуры во мно­ гих случаях неправильно определялась температурная зависимость критической точки фазового перехода от скорости нагрева. Основы­ ваясь на данных термического анализа, некоторые исследователи первоначально пришли к выводу о том, что инструментально наблю­ даемая точка Асх не зависит от скорости нагрева [7, 8, 10], и связы­ вали это со «спецификой электронагрева» или с изменением механиз­ ма превращения. В то же время диаграммы аустенизации стали при нагреве образцов в соляных ваннах [14] справедливо критиковались в связи с тем, что в этом случае возможны искажения истинной ки­ нетики превращения вследствие прогрева образцов за счет тепло­ проводности [13—15]. Независимо от степени справедливости этой критики совершенно очевидным было, что дальнейший прогресс в изучении механизма и кинетики аустенизации возможен лишь на основе использования новых специально разработанных физических методов регистрации фазовых превращений, отличающихся высокой точностью и малой инерционностью при записи быстропротекающих процессов.

Значительным достижением в разработке методики исследова­ ния скоростной аустенизации явилась одновременная скоростная запись термической и дилатометрической кривых при нагреве элект­ рическим током проволочного стального образца, впервые осуще­ ствленная В. Н. Гридневым и Ю. А. Кочержинским в Институте черной металлургии АН УССР в 1952—1953гг. [16],чем по существу было положено начало исследованиям по созданию комплексных ме­ тодик для изучения превращений в стали при быстрых нагреве и

охлаждении. Применение быстродействующего рычажного дила­ тометра позволило повысить точность фиксации начала превращения а -> у, получить более достоверные сведения при нагреве со ско­ ростями вплоть до 2000—3000 град/сек. С помощью этой методики было подтверждено повышение точки Асх при увеличении скорости нагрева, описываемое параболической зависимостью, пологий учас­ ток которой расценивался как «стабилизация» критической точки. По аналогии с мартенситной точкой при закалке стали «стабили­ зация» воспринималась как один из признаков бездиффузионного механизма образования аустенита при нагреве со «сверхкритически­

да был выше (рис. 1). Теоретические расчеты, основанные на представ­ лении о диффузионном механизме продвижения аустенитного фрон­ та при непрерывном нагреве стали с перлитной структурой, поз­ волили математически описать полученную зависимость, а также другие кинетические закономерности аустенизации стали [23].

Таким образом, длительная эволюция понимания и трактовки одной из важнейших сторон перлито-аустенмтного превращения в стали происходила в полном соответствии с развитием эксперимен­ тальной техники. А это означает, что к экспериментальным резуль­ татам и выводам, полученным в разное время на разном уровне аппаратурных возможностей, следует относиться критически.

Поэтому авторы настоящей монографии поставили перед собой зада­ чу, не вдаваясь в глубокий анализ фактов и выводов, изложить совре­ менное понимание сущности явлений, лежащих в основе скоростной электротермической обработки углеродистой стали. Рассмотрение этого вопроса, по-видимому, целесообразно начать с аустенизации чистого железа, где картина фазового превращения а у не ослож­ нена диффузионными перемещениями какого-либо растворенного элемента. Предварительно напомним терминологию и определения.

В соответствии с установившейся терминологией будем понимать под скоростным нагревом процесс, совершаемый в интервале ско­ ростей от 10 до 2000—3000 град/сек, имея в виду при этом скорость нагрева в критическом интервале температур, т. е. в области от тем­ пературы равновесной критической точки Аг (для перлита) и Л 3 (для железа) до температуры, при которой отмечается инструмен­ тальное начало превращения. Опыт показывает, что по ряду причин скорость нагрева в критическом интервале температур примерно в два раза ниже средней скорости нагрева образца в интервале тем­ ператур от комнатных до температуры инструментального начала образования аустенита. Как будет показано ниже, нагрев при ско­ ростях до 2000—3000 град/сек не вызывает заметных инерционных искажений в измерении температуры, и поэтому осциллографическая запись термической кривой может быть использована непо­ средственно для определения температурного положения критиче­ ской точки. При более высоких скоростях нагрева возможно искаже­ ние показаний термопары за счет тепловой инерции спая. В этих случаях приходится вводить специальную поправку в измеряемую термопарой температуру, техника эксперимента значительно усложняется. Такой нагрев можно назвать сверхбыстрым.

Под критической точкой при быстром нагреве будем понимать некоторое условное «начало» превращения ta одной фазы в другую, которое фиксируется наиболее высокочувствительным из применя­ емых методов измерения. В наших исследованиях почти всегда начало отмечалось по перегибу на дилатометрической кривой нагреваемого образца, сжимающегося в момент превращения. Не­ сомненно, этот перегиб не фиксирует истинное начало превращения, т. е. момент появления первого зародыша новой фазы, а отражает лишь некую его стадию, доступную для регистрации принятым ме­ тодом исследования. Это так называемое инструментальное начало превращения будем называть критической точкой стали (или железа) при быстром нагреве. Подразумевается также, что истинная термо­ динамическая критическая точка, являющаяся абстрактным поня­ тием для стабильного сплава при любых скоростях нагрева, оста­ ется на уровне температур фазового равновесия, указанного в диа­ грамме состояния. Малейший перегрев над точкой равновесия фаз переводит систему в метастабильное состояние, и сразу возникают зародыши высокотемпературной фазы (аустенита) без какого бы то ни было подготовительного инкубационного периода, так как время ожидания появления первого зародыша у-фазы исчезающе мало

124]. Поэтому нет никакого смысла говорить об истинном перегреве над равновесной точкой. Под перегревом, обозначаемом t, будем по­

Символом tK будем обозначать температуру инструментального «конца» фазового превращения по дилатометру. Вследствие поглоще­ ния тепла при фазовом превраще­ нии а -> у термическая кривая на­ грева между точками ta и tK вырож­ дается в горизонтальную площадку, поэтому обычно эти точки совпа­ дают. Лишь при сверхбыстром на­ греве разница между ними может быть весьма значительной, особенно при нагреве стали со структурой грубого перлита. В работе [13] на основании сопоставления количест­ ва тепловой энергии, генерируемой в виде джоулева тепла при нагреве образца непосредственным пропус­ канием тока, и энергии, необходи­ мой для реализации эндотермиче­ ской реакции процесса фазового превращения перлита в аустенит, объяснена причина этого явления при быстром нагреве сталей эвтек-

тоидного состава. Трудности, с которыми приходится сталкиваться при исследовании скоростной аустенизации стали, подробно описаны в монографии И. Н. Кидина [25].

превращения в ходе эксперимента не изменяется, температурный уровень инструментальных начала и конца превращения может слу­ жить надежной характеристикой кинетики данного превращения (см. рис. 2).

Обсуждение вопросов о природе процесса превращения а у при быстром нагреве осложняется трудностями не только методи­ ческого, но и терминологического характера. Одной из причин воз­ никновения упоминавшейся выше дискуссии было отсутствие четкой терминологии, что затрудняло взаимопонимание. Например, при обсуждении процесса образования аустенита широко исполь­ зовался термин «диффузионный механизм». С нашей точки зрения, было бы целесообразно четко разграничить понятия концентрацион­ ного механизма превращения, который может быть как диффузион­ ным, так и бездиффузионным, и собственно кристаллоструктурного механизма превращения, который может быть сдвиговым (мартенситным, или кооперированным) или флуктуационным (называемым иногда нормальным или механизмом зарождения и роста).

Характер превращения обусловливает те элементарные процессы, которые составляют наибе тее медленную стадию в сложном яв­ лении а ->- у превращения в стали. Поскольку можно быть уверен­ ным, что лимитирующим звеном а -> у перехода в углеродистой ста­ ли является диффузионная подача углерода от цементита к растущей кромке у-фазы [27], такой процесс по концентрационному при­ знаку может быть отнесен к диффузионным механизмам. Превраще­ ние а-железа в у-железо при нагреве поликристаллического метал­ ла, не связанное с диффузией второго элемента и контролируемое лишь процессами самодиффузии железа, относится к бездиффузион­ ным механизмам [28].

Понимая под кристалл остр уктурным механизмом а-*- у пре­ вращения в железе те элементарные процессы, которые обусловли­ вают перестройку кристаллической решетки феррита в аустенит, можно четко различить два принципиально разных типа перестрой­ ки: упорядоченный сдвиговый переход ОЦК решетки а-фазывГЦК решетку у-фазы и рост у-фазы посредством флуктуационного присо­ единения атомов из разупорядоченного окружения.

Классическим примером реализуемости обоих механизмов на одном объекте может служить упомянутое исследование Зервека и Уимена [28], в котором изучалась перекристаллизация чистого же­ леза, взятого в виде «усов» с совершенной кристаллической струк­ турой. В идеальном кристалле, когда дефектность «уса» была невысокой (одна винтовая дислокация роста), превращение а ~> у происходило по сдвиговому (мартенситному) механизму. Если же в силу каких-либо причин повышалась плотность дефектов, образо­ вание аустенита происходило по флуктуационному механизму за­ рождения и роста у-фазы.

Приведенный пример служит хорошим подтверждением целесо­ образности классификации всех превращений по двум признакам, 14 а именно: концентрационному и кристаллоструктурному. В табл. 1