Файл: Физические основы электротермического упрочнения стали..pdf

в том числе для инструментального начала превращения (максимум на дилатометрической кривой):

С физической точки зрения величина In Вх отражает ту степень превращения, при которой фронт диффундирующей массы угле­ рода прошел расстояние х. Эта степень превращения довольно слож­ но поддается вычислению. В работе [44] показано, что ее зависи­ мость от температуры tR приближенно можно представить следую­ щим образом:

Более простое, хотя и менее строгое, выражение для зависимости критической точки tR от скорости нагрева может быть получено, если в формуле (31) пренебречь различием близких величин In Вн и In Вх:

Этот результат несложно проверить экспериментально, требуется лишь уточнить физический смысл параметра х.

При нагреве перлита до температуры несколько выше темпера­ туры Аг на различных структурных несовершенствах — границах зерен, субзерен (а также на границах феррита с цементитом) и на самих дислокациях вследствие концентрационных флуктуации углерода в а-решетке начинают возникать многочисленные зароды­ ши аустенита. Те из них, у которых концентрация углерода оказа­ лась не меньшей, чем требуемая линией GS диаграммы равновесий при данной температуре, закрепились и получили возможность даль­ нейшего роста. Рост зародышей у-фазы в изотермических условиях определяется, как мы видели, скоростью диффузии углерода от ме­ ста его скопления (цементитное включение, «углеродистое облако» на дислокации и т. п.) через зародившийся аустенит к передней кром­ ке растущей фазы. Через некоторое время хх, определяемое из ре­ шения уравнения диффузии (11), фронт роста аустенита продвинется на расстояние х, а затем, к моменту времени т0 , может произойти встреча двух противоположных фронтов от соседних центров роста, отстоящих друг от друга на расстоянии 2а0 (см. рис. 9). При более высокой температуре t" (также при изотермическом процессе) эта встреча произойдет значительно быстрее не только потому, что коэф­ фициент диффузии D возрос, но главным образом потому, что значи­ тельно возросла разница концентраций углерода на задней и перед­ ней стенках зародыша, т. е. увеличилась движущая сила диффузии.

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