книги / Термоциклическая обработка сталей и чугунов

убедительно показывают, что в .первоначальный момент после нагрева в межкритичеокий интервал температур (например, в соляной ванне) аустенита в стали «больше, чем после некоторой выдержки [44]. Очевидно, эти факты можно объяснить тем, что на диффузионный процесс образования аустенита накладывает­ ся бездиффузионный. Поэтому не случайно одним из направле­ ний в разработке новых способов термической обработки стало использование быстрого нагрева [9, 93].

По мнению ряда исследователей [44, 86], «преждевременная» аустенизация -малоуглеродистых (конструкционных) сталей при быстрых нагревах связана с развитием а-^у-п ревращения на границах блоков мозаики и других микродефектов феррита, т. е. наличием бездиффузионного превращения.

Таким образом, по данным работ, в которых исследовался процесс превращения а-железа в у-железо в углеродистых ста­ лях прослеживается следующая закономерность. При малых ско­ ростях нагревов преобладает диффузионный механизм превраще­ ния и образуется устойчивый (стабильный) аустенит. При уме­ ренных скоростях нагревов образуется и устойчивый и неустой­ чивый (метаетабильный) аустенит в силу действия одновременно двух различных процессов*— диффузионного и бездиффузиоиного.

Однако при этом та часть аустенита, которая возникает по

(поглощенная энергия) малоуглеродистого аустенита ниже рав­ новесной. Такой аустенит является неустойчивым (метастабильным). Неустойчивость аустенита в межкрнтическом интервале температур — следствие того, что в нем углерода меньше, чем это требуется для термодинамического равновесия, получае­ мого при диффузионном механизме превращения. При диффу­ зионном механизме превращения углерода всегда достаточно (иначе процесс останавливается) для создания устойчивого, аустенита. Сам факт появления метастабильного аустенита при умеренных (средних) скоростях нагрева свидетельствует о бездиффузионном его происхождении. Наконец, в случае Сверх­ быстрых нагревов сталей происходит бездиффузионное превра­ щение с образованием устойчивого аустенита.

Практический интерес представляет умеренный напрев и смешанный механизм а-^у-превращения. Такой нагрев позволя­ ет интенсифицировать процесс термообработки и получать осо­ бые структуры сталей.

§ 3. Термодиффузионные процессы

Термические обработки, включающие выдержки при постоян­ ных температурах, основаны на диффузионных процессах; про­ исходящих в металлах. Диффузионный процесс лимитирует ско-

12

рость диффузионного а^'У"|П'РевРа1Дения и выравнивания (го­ могенизацию) химического состава высокотемпературной фа­ зы—аустенита.

Основой классической физиконматематической теории диф­ фузии являются дифференциальные уравнения Фика, описываю­ щие .процессы диффузионного переноса вещества [10]:

ды

где / —диффузионный поток элементов вещества; N — концен­ трация диффундирующих частиц; В —коэффициент диффузии. Для решения задач диффузии элементов (частиц) в твердых телах чаще всего пользуются уравнением (2), которое описыва­ ет характер распределения концентрации диффундирующих ча­ стиц в различных точках среды как функцию времени.

Дифференциальные уравнения Фика описывают лишь сво­ бодную диффузию, т. е. когда перемещение диффундирующего вещества определяется исключительно величиной и направле­ нием градиента концентрации. Следовательно, при непостоян­ ной температуре и большом градиенте температур диффузия элементов усложняется и уравнения Фика уже не могут опи­ сать этого процесса.

Однако известно, что если на диффундирующее вещество действует в процессе диффузии какая-то внешняя сила, то к диффузионному потоку вещества (1) присоединяется некоторый поток частиц, вызванный действием внешнего силового поля:

где V — направленная скорость вещества, приобретаемая под влиянием поля. В этом случае суммарный поток вещества будет описываться уравнением

Известна быстрая вынужденная диффузия различных элемен­ тов в твердых растворах под влиянием магнитного, электриче­ ского и других силовых полей (давление, центробежные силы, внутренние напряжения и др.). Так, скорость направленного потока, олова в германии под воздействием электрического по­ тенциала равна 0,2—0,3 мм за 10—15 мин.

13

зия под действием градиента температур. Опыт показывает, что. поток диффузионных частиц, вызванный градиентом температу­ ры, направлен в одну с нам или противоположную сторону. Этозависит от вещества, диффундирующего в кристалле, и вещества кристалла растворителя. Как правило, если растворенный диф­ фундирующий элемент имеет большую, чем растворитель, тем­ пературу плавления, то он диффундирует навстречу тепловому потоку, а более легкоплавкие, чем растворитель, элементы пере­ мещаются в направлении потока тепла. Чем больше градиент температуры, тем выше скорость термодиффузии элементов. На­ правленная скорость диффузионного потока вещества при термодиффузни зависит от многих факторов, и ее значения находят экспериментально для каждого конкретного случая аналогично' тому, как определяют коэффициент самодиффузии й.

В общем случае дифференциальное уравнение термодинами­ ческого состояния системы имеет вид [19]

где Е — термодинамический заряд; Р — термодинамический по­ тенциал; к — коэффициент пропорциональности; п — число внут­ ренних степеней свободы системы 1= 1, 2, 3, ..., п.

При термоднффузии, когда йЕ обусловлено изменением тем­ пературы (И, а процесс можно рассматривать в сечении плоско­ стью, число внутренних степеней свободы следует принять рав­ ным единице. Следовательно, дифференциальное уравнение со­ стояния может быть записано как

где йЕ — изменение концентрации диффундирующего вещества. Термодиффузионный поток /тд количественно предопределен

где А — коэффициент пропорциональности. Так как йЕ пропор­ ционально М, уравнение (8) можно переписать так:

где В — некоторый функциональный коэффициент.

Явления термодиффузии известны давно. Однако использу­ ются они в технике, и при термообработке в частности, еще не в полную меру. Термодиффузия может не только ускорить мно­ гие процессы в металлических материалах, происходящие при термообработке, но, очевидно, позволит формировать необходи­ мые структуры с заданными свойствами. В этом отношении термодиффузня, как и элементы беэдиффузионного превращения, должны использоваться в новых технологических разработках упрочняющих термообработок.

14

§ 4. Особенности структурных изменений при быстрых нагревах и охлаждениях железоуглеродистых сплавов

Изменения в структуре сталей и чугунов после быстрых на­ гревов и охлаждений обусловлены двумя причинами. Одна из. них не связана с фазовыми переходами, а другая обусловлена особенностями фазовых превращений при быстрых нагревах и охлаждениях. Как показано в работе [2], не связанные с фазо­ выми переходами структурные изменения являются результатом изменения концентрации точечных дефектов, образования новых дислокаций и микродефектов упаковки, их взаимодействия и пе­ рераспределения, процессов деформации и др. Следует добавить, что структурные изменения без участия фазовых превращениймогут происходить и в результате перераспределения растворен­ ных в твердом растворе элементов, т. е. изменением лнквацнонной структуры [107]. Меняется структура металлов и под влия­ нием фазовых превращений. При этом может происходить из­ мельчение зерен, преимущественное растворение или выделениеизбыточных фаз, существенное изменение формы и разме-ров. структурных элементов, выделяющихся из высокотемпера­ турной фазы (аустенита). Кроме того, при нагревах до темпе­ ратур, превышающих Ась и последующих охлаждениях в желе­ зоуглеродистых сплавах действуют также и все те причины структурных изменений, которые перечислены для случая, когда: фазовых превращений не происходит.

Фазовые и структурные изменения в сталях и чугунах ис­ следовались металловедами, изучавшими формоизменения ме­ таллических материалов при “многократных нагревах и охлаж­ дениях. В последующие годы этот вопрос освещается и в рабо­ тах по термоусталостному разрушению.

Первые исследования ^о росту чугуна при многократных, нагревах и охлаждениях относятся к середине XIX в., а терми­ ческую усталость изучал еще Д. К. Чернов. Несмотря на то, что указанные исследования ведутся давно, в них вопрос об осо­ бенностях фазовых и структурных изменениях, происходящих при термоциклировании (нагревах и охлаждениях), исследован мало [3, 42].

В монографии [2], посвященной изучению формоизменений при нагревах и охлаждениях, указывается, что структура метал­ лов при термоциклировании, имитирующем условия работы ма­ териалов при частых нагревах до полиморфных превращений* изменяется так: вначале нагревы устраняют дефекты, присут­ ствовавшие в металле и исходном состоянии, а потом под влия­ нием термических напряжений происходит образование новых микродефектов структуры (дислокаций и их скоплений), в ре­ зультате чего происходит разупрочнение металла на первых циклах и упрочнение при дальнейшем термоциклировании. Одна­

15

ко это упрочнение, обусловленное накоплением дислокаций,

.происходит до тех пор, пока сохраняется пластичность. Далее появляются трещинки и прочность резко снижается. Дальней­ шее термощшщрование разрушает металл.

Термоциклироваиие при изучении формоизменений и термоусталости металлов не является технологической операцией, а имитирует реально существующие условия эксплуатации. В этом отношении результаты работ по термоциклироваиию не могут •быть использованы непосредственно при разработке технологи­ ческих процессов упрочняющих термоциклических обработок. Однако некоторые факты обращают на себя внимание. Напри­ мер, упрочнение при термоциклировании. Это упрочнение обыч­ но наступает после нескольких сот термоциклов при не специ­ альном для упрочнения термоциклировании. Однако если ста­ вить задачу разработки упрочняющей (специальной) термоцик- •лической обработки, то можно ожидать упрочнения на первых термоциклах. Только такое термоциклироваиие может быть практически осуществлено в производственных условиях маши­ ностроения.

Исследования структурных изменений при термоциклирова­ нии сталей и чугунов показали, что полиморфные, фазовые а^у-превращения существенно изменяют структуру. Так, термоциклирование проволочных образцов из конструкционных ста­

вызывает резкое измельчение структуры [2]. Эти наблюдения со­ гласуются с результатами выполненной нами работы [89]. При

термоциклировании наблюдалась и коагуляция карбидных фаз

1" 1.

Таким образом, термоциклироваиие на различных его ста­ диях и при различных температурных режимах приводит- к це­ лой гамме структурных состояний. Часть из них отрицательно сказывается на прочности железо-углеродистых сплавов (напри­ мер, укрупнение зерен), а некоторые структурные изменения могли бы увеличить прочность, но при сверхинтенсивных режи­ мах термоциклирования постоянно накапливаются микропо­ вреждения, устраняющие эффект упрочнения от, казалось бы, положительных структурных изменений. Это обстоятельство учи­ тывалось при .разработке конкретных способов метода упроч­ няющей термоциклической обработки. Режимы ТЦО создава­ лись такими, чтобы при термоциклировании не вводились по­ вреждения в материал.

Исследования структурных изменений при термоциклирова­ нии на формоизменение и термоусталость имеют ту ценность, что показали как положительные, так и отрицательные тенден­ ции в структурных изменениях.

16

§ 5. Основные принципы метода упрочняющей термоциклической обработки

На основании теории термодиффузии можно утверждать, что углерод в стали как более тугоплавкий компонент будет под действием термодиффузиоиного потенциала стремиться в на­ правлении, противоположном тепловому потоку, т. е. навртречу теплу. Действие термодиффузии углерода проявляется в уско­ рении процесса аустенизации при увеличении скорости нагре­ ва. При этом температура Ас\ повышается, а Асз снижается, сле­

начинается а—^^-превращение. Перлит, поглощая энергию, пере­ ходит в аустенит. При этом в ферритных зернах приток энергии извне увеличивает их температуру, а бывшие перлитные зерна практически не разогреваются (быстро поглощая энергию на фазовый переход) до тех пор, пока происходит перлит-аустенит- ное (П->А) превращение. Так возникает разница в температу­ рах структурных составляющих при нагреве стали. Более горя­ чие зерна феррита отдают часть своей тепловой энергии зернам с меньшей температурой. При этом тепловой поток от феррита к аустениту способствует ускоренной диффузии (термодиффузи­ онная составляющая) углерода к зернам феррита. Это, в свою очередь, облегчает и ускоряет дальнейшее а-*-у-превращение. При ускоренном нагреве феррит интенсивнее поглощается (рас­ творяется) аустенитом, чем при медленном.

Описанные особенности в диффузионных процессах, происхо­

17

дящие гари фазовых превращениях с ускоренным нагревом, мо­ гут быть и должны использоваться при разработке новых спо­ собов упрочняющих термообработок. Сейчас в СССР и во мно­ гих развитых странах мира поиск новых резервов термической обработки ведут в направлении увеличения скоростей нагрева термообрабатываемых изделий. Это приводит к положительным результатам.

Ускоренный нагрев — одно из основных условий при разра­ ботке метода термоцпклической обработки сталей и чугунов.

Метод ТЦО, в отличие от ТО, основывается на особенностях структурных превращений, протекающих в сплавах при нагре­ вах и охлаждениях. Оказалось возможным использование про­ межуточных состояний структуры. Следовательно, нагревы при ТЦО могут осуществляться в область неполного а-^чпревра- щения, что при классических способах термической обработки считается недопустимым.

С целью использования промежуточных структурных состоя­ ний обратного превращения А->(Ф + П) охлаждения не должны быть непрерывными. Вначале они должны быть медленными для осуществления распада аустенита на феррит и цементит, а по­ том ускоренными— для фиксации тех структурных состояний, которые имеет сталь при температурах несколько ниже /1Г|.

Одним из факторов, повышающих характеристики сталей при ТЦО, служит термонаклеп. При быстрых нагревах и охлаж­ дениях разные структурные составляющие сплава, обладая раз­ личными теплопроводностями, теплоемкостями, коэффициентами расширения, температурами и прочностными свойствами, пре­ терпевают внутреннее микропластическое деформирование. Эта микродеформация вызывает увеличение плотности дислокаций, полос скольжения и других видов микродефектов, упрочняющих материал. Но не термопластические деформации, а структур­ ные превращения являются основными при изменении структур и механических свойств термоциклическими обработками. Одна­ ко роль термонаклепа как фактора, ускоряющего структурные изменения в сплавах на основе железа, велика. Внутренние термические микроиапряжения снижают температуру фазового превращения при нагреве. У микродефектов феррита возникают зерна метастабильного аустенита. Термонаклеп, таким обра­ зом, увеличивает долю бездиффузионного а-^у-превращения и тем самым способствует сокращению числа необходимых термо­ циклов при ТЦО.

Интенсивно происходящие фазовые превращения своими пе­ рестройками кристаллической решетки не только способствуют «перемешиванию» структурных составляющих, но и способны вызывать ускоренный распад метастабильных структур и хими­ ческих соединений металла с углеродом, например первичного цементита.

Термоциклическая обработка, очевидно, является динампче-

18