Файл: Физические основы электротермического упрочнения стали..pdf

Как видим, теоретически рассчитанная зависимость критической точки от скорости нагрева качественно весьма неплохо подтверждает­ ся экспериментом, причем плавный изгиб кривых на рис. 13 вполне можно связать с влиянием коэффициента диффузии D, резко воз­ растающего с повышением t (36). Для более полного количествен­ ного сопоставления результатов теории, полученных по формуле (36), и эксперимента требуется задаться конкретным значением структурного фактора а0 — половины ширины ферритного проме­ жутка в перлите либо половины среднего межкарбидного расстоя­ ния.

Т а б л и ц а 2

В табл. 2 приводятся данные расчета по формуле (36) скоростей нагрева, соответствующих заданным положениям критической точ­

грамм (например, С-образные диаграммы распада аустенита при охлаждении). Построение таких диаграмм при аустенизации стали связано с определенными методическими трудностями, главной из которых является осуществление мгновенного прогрева образца

3 3-2И0

В процессе быстрого электронагрева перлитной стали, как правило, удается наблюдать такую площадку на термической кривой, причем переход от первого рассмотренного случая ко второму осуществля­ ется самопроизвольно в тот момент, когда потребляемая в ходе пре­ вращения тепловая мощность, непрерывно возрастая вследствие уско­ рения темпа превращения, становится равной генерируемой мощ­ ности. Чем больше вводимая электрическая мощность, т. е. чем выше скорость нагрева, тем выше оказывается температура «изотермиче­ ского равновесия» мощностей. Это значит, что, регулируя задавае­ мую мощность при электрическом нагреве, можно реализовать изо­ термическое превращение при самых различных значениях темпе­ ратур, т. е. весьма просто провести эксперимент в наиболее чистых условиях. Правда, при чрезмерном избытке вводимой мощности изотермическая площадка, как правило, вырождается, если аустенит, образующийся с максимально возможной при данной темпера­ туре кинетикой, не в состоянии поглотить всю вводимую энергию. Такие случаи возможны при сверхбыстром нагреве сталей, особен­ но сталей с грубодисперсной структурой.

3. Вводимая мощность меньше потребляемой. При этом общая кинетика превращения диктуется не физико-химической природой процесса, а скоростью поступления подаваемой энергии. В сущ­ ности, именно этот случай реализуется, когда превращение происхо­ дит изотермически при температуре нагретого расплава в ванне. При электроконтактном нагреве такой случай также возможен, если образец предварительно подогревается, а затем на заданной температуре «изотермы» включается система автоматического регу­ лирования нагрева с установкой, как правило, более низкой нагре­ вательной мощности. Такая схема эксперимента была использова­ на, в частности, А. П. Гуляевым и В. М. Залкиным [13] для построе­ ния изотермических диаграмм аустенизации.

Таким образом, неискаженную картину изотермического обра­ зования аустенита можно наблюдать, лишь используя прямой элект­ ронагрев, при котором изотермические условия процесса устанавли­ ваются самопроизвольно в виде термической площадки. Эта методика исследования применялась нами [56] при построении диаграммы изо­ термического образования аустенита в стали У8А и чистом железе

положение критической точки и исследуемой изотермы превращения в интервале температур от 740 до 880° С (для стали У8А) и от 910 до 950° С (для чистого железа), что было бы невозможно при нагре­ ве любым внешним источником тепла. Эвтектоидная сталь исследо­ валась в закаленном, нормализованном и отожженном на зернистый перлит исходных состояниях. По осциллограммам нагрева определя­ лось время, отсчитываемое от момента достижения равновесной точ­ ки Ах (723° С) до инструментального начала превращения тн , а также длительность изотермической аустенизации от начала до кон­ ца дилатометрического сжатия Дт (см. рис. 11).

3*

жений атомов железа из позиций а-решетки в у-решетку, что проис­ ходит с такой скоростью, с какой позволяет мощность подаваемой тепловой энергии. В двухфазной смеси картина перекристалли­ зации осложняется диффузионным перемещением углерода от рас­ падающегося цементита через слои аустенита к кромке растущей фа­ зы. Этот процесс зависит уже не только от мощности подаваемой энергии, но еще и от диффузионной подвижности углерода. Поэтому вполне возможно такое положение, когда энергетически перекри­ сталлизация а —.у у могла бы произойти (т. е. флуктуационная пере­ стройка могла бы совершиться), но из-за отсутствия на кромке до­ статочного количества углерода, «запоздавшего» к месту превращения, перекристаллизация в данном месте не происходит, вследствие чего темп диффузионного превращения снижается. Отметим, что в таком случае безуглеродистый феррит не сможет локально превратиться в аустенит, так как это противоречило бы диаграмме состояния же­ лезо — углерод 1 . Это стало бы возможным только при перегреве перлита до температуры выше 905° С. Тем не менее на диаграмме отожженной стали (см. рис. 14) видно, что при температуре 880° С изотермическая перекристаллизация стали завершается гораздо быстрее (за 0,01 сек), чем полиморфное превращение чистого желе­ за при почти одинаковой температуре — 910° С (0,1 сек). Это сви­ детельствует о том, что в кинетике фазового превращения феррита (или перлита) в аустенит основную роль играет температура пере­ грева над равновесной точкой, определяемая мощностью подводи­ мой энергии, а не абсолютный температурный уровень превращения. Более быстрое по своей природе полиморфное превращение железа при малых температурах перегрева затягивается на большее время, чем диффузионное превращение перлита, происходящее при меньших абсолютных температурах, но при значительно больших темпера­ турах перегрева. Эта особенность рассматриваемых процессов не по­ зволяет, в частности, определить их энергию активации с помощью построения кинетических кривых (изотерм) превращения при раз­ личных температурах (способы определения энергии активации при образовании аустенита рассмотрены ниже).

В то же время, если сопоставить изотермические диаграммы аустенизации для железа и стали при одинаковых температурах перегрева (кривые 5 на рис. 14), окажется, что кривые диаграммы полиморфного превращения железа располагаются левее и ниже кривых диаграммы самой мелкодисперсной перлитной стали (закален­ ное исходное состояние). Иными словами, как и следовало ожидать, при одинаковой подаваемой тепловой мощности чистая перекристал­ лизация железа совершается относительно быстрее, чем перекри­ сталлизация, осложненная диффузией, т. е. фактором, лимитирую­ щим скорость аустенитообразования в стали, является процесс на­ углероживания аустенита, а не фазовая перекристаллизация феррита