Файл: Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник.pdf

л; ’/г- Отсюда х0,ь= У Dx.

Если в качестве показателя глубины проникновения диффунди­ рующего элемента выбрать расстояние х от поверхности до точки

где К — константа.

Таким образом, глубина диффузионной зоны изменяется пропор­ ционально корню квадратному из времени выдержки при постоян­ ной температуре. Чтобы увеличить глубину диффузионной зоны, например, втрое, время выдержки следует увеличить в девять раз.

На рис. 206 представлены расчетные кривые распределения уг­ лерода в диффузионной зоне стального изделия для трех времен выдержки при постоянной температуре. Видно, что с увеличением

продолжительности науглероживания нарастание концентрации углерода в любой точке диффузионной зоны идет с затуханием.

В реальных процессах химико-термической обработки парабо­ лический закон роста диффузионной зоны, описываемый формулой (41), может нарушаться из-за непостоянства концентрации на по­ верхности изделия (например, при большой активности окружаю­ щей среды концентрация Сп может возрастать).

Зависимость глубины однофазной диффузионной зоны от тем­ пературы, как показывают опыты, является экспоненциальной или близкой к экспоненциальной. Этого и следовало ожидать, учиты­ вая, что коэффициент диффузии, входящий в формулу (41), сам экспоненциально растет с повышением температуры [см. формулу

359

Диффузионное удаление примеси или основного компонента из объема изделия во внешнюю среду при постоянной концентрации на поверхности (рис. 207) описывается уравнением

Если диффундирующий элемент быстро удаляется с поверхности и концентрация Сп практически равна нулю, то

2.Образование многофазной диффузионной зоны

Воднофазной диффузионной зоне при охлаждении изделия с температуры химико-термической обработки могут протекать фа­ зовые превращения: полиморфное превращение твердого раство­ ра, эвтектоидное превращение, выделение избыточной фазы и др.

Допустим, что во время науглероживания железа при темпера­ туре t\ (выше 911°С) концентрация углерода на поверхности изде­ лия возрастает от точки а (чистое железо) до точки Ь, не достигая границы аустенитной области (рис. 208,7). При температуре хи­ мико-термической обработки диффузионная зона в любой момент времени имеет аустенитную структуру с переменной концентрацией углерода, уменьшающейся при удалении от поверхности в глубь изделия (см. кривую на рис. 208, II).

При медленном охлаждении с температуры науглероживания в аустените происходят фазовые превращения в соответствии с диа­ граммой состояния Fe—С. На участке диффузионной зоны, примы­ кающем к поверхности и имеющем концентрацию углерода выше 0,8%, при комнатной температуре находятся вторичный цементит и перлит, а на участке с концентрацией углерода менее 0,8% —■ избыточный феррит и перлит. При удалении от поверхности из-за непрерывного уменьшения концентрации углерода постепенно ис­ чезает сетка вторичного цементита и структура становится чисто перлитной, а затем постепенно уменьшается количество перлита и структура становится ферритной (рис. 209).

Таким образом, в рассмотренном случае при химико-термиче­ ской обработке диффузионная зона — однофазная, а в результате превращений при охлаждении она становится по всему своему се­ чению двухфазной (феррит+цементит).

Новые фазы могут появиться непосредственно в процессе диф­ фузионного изменения состава при температуре химико-термиче­ ской обработки. Диффузию, сопровождающуюся появлением но­ вых фаз, называют реактивной (или реакционной).

Принципиальную возможность протекания реактивной диффу­

360

фазы обеспечивается диффузией одного или обоих реагирующих, элементов через образовавшийся слой.

Другой механизм реактивной диффузии включает обязательное достижение предельной растворимости при поступлении диффун­ дирующего элемента из внешней среды, после чего становится воз­ можным образование той фазы, которая в соответствии с диаграм­ мой состояния должна находиться в равновесии с насыщенным твердым раствором (Д. А. Прокошкин). Такую диффузию, хотя обычно и называют реактивной, но сущность процесса определяет­ ся не химической реакцией на поверхности, а насыщением (точнее пересыщением) исходного раствора диффундирующим элементом. Поэтому более строгое название — диффузия, сопровождающаяся фазовыми превращениями. Весь последующий анализ базируется именно на таком представлении о появлении новых фаз при хими­ ко-термической обработке.

Рассмотрим диффузию элемента В в изделие из элемента А при температуре t\ (рис. 210). С увеличением времени выдержки в поверхностном слое плавно возрастает концентрация элемента В в а-растворе (рис. 211), пока при достаточной активности внешней

среды не будет достигнут предел растворимости (точка а на рис. 210). По достижении этого момента (т2 на рис. 211) при дальней­ шем поступлении элемента В из внешней среды a-фаза пересыща­ ется этим элементом и в поверхностном слое из нее выделяется (5-фаза состава точки b (см. рис. 210). В результате в поверхност­ ном слое изделия концентрация скачкообразно возрастает на ве­ личину ab.

Продолжающееся поступление элемента В из внешней среды плавно повышает его концентрацию во всем слое (3-фазы. Атомы В непрерывно диффундируют от поверхности изделия к границе раз­

362

дела (3- и a-фаз, поступают в a -фазу и поддерживают ее в пересы­ щенном состоянии вблизи границы p/а. Поэтому при непрерывном поступлении элемента В из внешней среды на границе p/а из пере­ сыщенного раствора непрерывно выделяется p-фаза и эта граница перемещается в глубь изделия (см. положения границ слоев в мо­ менты т3 и т4 на рис. 211)

Когда в поверхностном слое достигается предельная для данной температуры концентрация элемента В в p-фазе (точка с на рис. 210) и затем p-фаза становится пересыщенной, в этом слое образу­ ется у-фаза состава точки d. При дальнейшем поступлении компо­ нента В концентрация его в у-фазе плавно возрастает, приводя к смещению границы у/p в глубь изделия.

Можно отметить следующие характерные особенности образо­ вания многофазной диффузионной зоны.

Последовательность образования фаз при диффузионном изме­ нении состава соответствует последовательности их расположения на диаграмме состояния (а -* Р —у на рис. 210). В таком чередо­ вании фазы появляются при повышении концентрации диффунди­ рующего элемента в поверхностном слое изделия с увеличением времени выдержки и в таком же порядке они располагаются в диф­ фузионной зоне по направлению от сердцевины к поверхности (см. момент времени Тб на рис. 211). Если в диффузионной зоне какаялибо из фаз не обнаруживается экспериментально (обычно под световым микроскопом или рентгеновским методом), то это не значит, что она была «пропущена» при формировании зоны. Тол­ щина ее из-за малой скорости диффузионного роста такова, что при данной продолжительности химико-термической обработки экспериментально эта фаза не выявляется. При большем времени выдержки «пропущенная» фаза обычно обнаруживается.

По толщине каждого растущего слоя фазы имеется градиент концентраций. Без такого градиента диффузионное проникновение элемента в глубь изделия, т. е. формирование диффузионной зоны, было бы невозможно.

В диффузионной зоне составы фаз на границе раздела соседних слоев определяются составами фаз, находящихся в равновесии на диаграмме состояния (см., например, точки а и b или с и d на рис. 210). Это следует из того, что новая фаза образуется только после достижения предела насыщения исходной фазы.

Двухфазные области в диффузионной зоне при насыщении од­ ного элемента другим отсутствуют, т. е. граничат всегда однофаз­ ные слои (см. рис. 211). Это объясняется тем, что в двухфазной смеси составы каждой из фаз при любом их количественном соот­ ношении неизменны и определяются соответствующими точками на диаграмме состояния (например, а и b на рис. 210). В то же время для диффузионного роста слоя необходим градиент концентраций в фазе переменного состава. Поэтому рост двухфазного слоя, по се­ чению которого состав каждой из фаз постоянен, и вообще диффу­ зионный перенос элемента от поверхности в глубь изделия через такой слой невозможны.

363