Фазовые превращения при нагреве сталей мартенситного класса Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2013 Серия: Физика Вып. 1 (23)

УДК 536.425

Фазовые превращения при нагреве сталей мартенситного класса

Л. В. Спивак

Пермский государственный национальный исследовательский университет 614990, Пермь, ул. Букирева, 15 E-mail: lspivak@psu.ru

Методом дифференциальной сканирующей калориметрии исследованы фазовые превращения при нагреве закаленных мартенситностареющих сталей Н5К7М5Т1 Н14К7М5Т1. Впервые получены экспериментальные доказательства того, что фазовая трансформация реализуется по двум накладывающимся друг на друга механизмам: сдвиговым и диффузионным. С увеличением содержания в стали никеля наблюдается обособление каждого этапа фазового перехода.

Ключевые слова: мартенсит; аустенит; калориметрия; фазовые переходы

1.Введение

Уже достаточно давно [1-3] при рассмотрении особенностей процесса аустенизации при нагреве сталей мартенситного класса высказывались предположения о возможности обратного, мартенсит -аустенит перехода по сдвиговому механизму для морфологически благоприятно ориентированных кристаллов мартенсита. Мартенситные кристаллы менее благоприятных ориентировок при нагреве до критических температур переходили в аусте-нитную фазу по обычному диффузионному механизму, предполагающему зарождение и рост кристаллов новой фазы.

Экспериментальное доказательство таких предположений затруднялось отсутствием аппаратуры высокого разрешения, позволяющей при таких высоких температурах провести дифференциацию происходящих в межкритическом интервале температур процессов. В работах [4-6] впервые с использованием высокоразрешающей дифференциальной сканирующей калориметрии был установлен мультиплетный характер процессов аустенизации при нагреве низколегированных сталей типа 07Х3ГНМ.

Существенно, что для закаленных сталей этого типа характерно присутствие в структуре так называемого пакетного мартенсита, морфологически принципиально отличающегося от его атермиче-ской модификации. При нагреве таких сталей происходило выделение карбидной фазы, осложняющей интерпретацию данных калориметрических исследований. Поэтому в настоящем исследовании

объектом изучения были выбраны стали с высоким уровнем легирования, при нагреве которых отсутствовало появление карбидных фаз, а высокое содержание никеля обеспечивало формирование мартенситной фазы по атермическому механизму.

2.Методика исследования

Предметом исследования в работе были выбраны стали мартенситного класса Н5К7М5Т1 (МС1) и Н14К7М5Т1 (МС2), легированные никелем, кобальтом, молибденом и титаном.

Данные по дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) были получены с помощью прибора STA "Jupiter" 449 фирмы Netzsch. Образцы сталей представляли собой шайбы диаметром ~4 мм и высотой ~3 мм. Нагрев и охлаждение производили со скоростью 10 °/мин в атмосфере аргона. Обработка экспериментальных данных по DSC реализована с использованием программного обеспечения "Proteus Analyses" и пакета "Fityk".

З.Экспериментальные результаты

На рисунке 1 показано изменение сигнала DSC в районе температур перехода сталей в аустенит-ное состояние. Для стали МС1 в этом температурном интервале наблюдается один эндотермический пик, структура которого показана на рис.2. Данный эндотермический пик можно представить как суперпозицию двух подпиков. Это позволяет трактовать такой фазовый переход как мультиплетный, обусловленный протеканием накладывающихся

© Спивак Л. В., 2013

Фазовые превращения при нагреве сталей мартенситного класса

63

друг на друга механизмов реализации фазовой трансформации.

Рис. 1. Изменение сигнала ББС при нагреве сталей МС1 (1) и МС2 (2)

Первый механизм реализуется во всем интервале температур фазового перехода и имеет максимум скорости своего протекания при 725 °С. Второй механизм перехода начинает действовать при более высоких температурах и имеет максимум скорости при 735 °С.

воначальную массу образца и определить энтальпию и энтропию того иди иного механизма фазового перехода не удается. Тем не менее следует обратить внимание на относительно малую величину теплового эффекта перекристаллизации при нагреве этой стали - 1.8 Дж/г. Обычно же при реализации чисто диффузионного механизма фазового перехода эта величина превышает 40 Дж/г. Более того, тепловой эффект фазового превращения при охлаждении этой стали из аустенитного состояния для стали МС1 близок к 46 Дж/г. Температура максимума скорости распада аустенита при скорости охлаждения 10 °/мин равна 507 °С и лежит в области температур чисто диффузионных процессов распада аустенита.

Рис. 2. Структура эндотермического пика при нагреве стали МС1. Точки - экспериментальные данные. Рарр - результат аппроксимации. Рг и Р2- подпики

Соотношение площадей под пиками (тепловыми эффектами превращения) равно 1,74. Высокотемпературный процесс является более энергетически затратным. Так как кооперативный механизм фазового превращения обычно требует большего термодинамического стимула (см. [7], то высокотемпературный подпик может отражать развитие превращения по сдвиговому механизму. Поскольку одновременно реализуются два механизма фазового превращения и парциальная доля участвующего в превращении материала не известна, то в данном случае можно оперировать лишь количеством тепла, нормированного на пер-

Рис. 3. Структура эндотермического пика при нагреве стали МС2. Точки - экспериментальные данные. Рарр - результат аппроксимации. Р} и Р2- подпики

С увеличением в стали содержания никеля (сталь МС2) наблюдается более выраженная дифференциация процессов перехода в аустенитное состояние (см. рис.1). Более того, в предкритиче-ской области температур наблюдается хорошо выраженный экзотермический пик, который связан, как предполагается, с переходом остаточного ау-стенита в мартенсит (вторая стадия отпуска закаленной стали). Этот пик имеет простую структуру и хорошо аппроксимируется одним гауссовским пиком.

Структура эндотермического пика в области температур образования аустенита для стали МС2 (рис.3) характеризуется теми же закономерностями, только более выраженными, которые свойственны стали МС1. Температура максимума скорости низкотемпературного механизма находится при 618 °С, второго - при 697 °С. Соотношение тепловых эффектов превращения близко к 2.

С увеличением содержания в стали никеля снижается температура начала фазовой трансформации и увеличивается доля материала, претерпевающего переход в аустенитное состояние по сдвиговому механизму. Тепловой эффект этого эн-

64

Л.В.Спивак

дотермического превращения равен 35 Дж/г, что существенно больше, чем для стали МС1, что связано с большим объемом материала, претерпевающего превращение по сдвиговому механизму. При охлаждении со скоростью 10 °С/мин в этой стали диффузионное превращение не наблюдается. Фиксируешься лишь мартенситное превращение в районе 240-250 °С с тепловым эффектом 48-55 Дж/г.

4. Заключение

Впервые при нагреве сталей с атермическим характером образования мартенсита показан муль-типлетный характер фазового превращения при аустенизации в межкритическом интервале температур. Такой характер фазового превращения связан с протеканием превращения по двум механизмам: сдвиговому и диффузионному. С учетом данных работ [4-6] можно утверждать, что муль-типлетный характер фазовой трансформации при нагреве сталей мартенситного класса является общим для структур с различными морфологическими формами мартенсита: атермического и пакетного.

Список литературы

1. Перкас М. Д., Кардонский В. М. Высокопрочные мартенситностареющие стали. М.: Металлургия, 1970. 224 с.

2. Курдюмов Г. В., Утевский Л. М., Энтин Р. И. Превращения в железе и стали, М.: Наука, 1977. 238 с.

3. Садовский В .Д. Структурная наследственность в стали. М.: Металлургия, 1973. 208 с.

4. Клейнер Л. М., Ларин Д. М., Спивак Л. В., Ша-цов А. А. Фазовые и структурные превращения в низкоуглеродистых мартенситных сталях //Физика металлов и металловедение. 2009. Т. 108, №2. С. 1-8.

5. Клейнер Л. М., Спивак Л. В., Шацов А. А., Закирова М .Г., Ларинин Д. М. Фазовые превращения в сплаве 07Х3ГНМ // Вестник Перм. унта. Сер.: Физика. 2009. Вып. 1. С. 100-103.

6. Клейнер Л. М., Спивак Л. В., Шацов А. А., Закирова М. Г. Мультиплетный характер процессов аустенизации и распада аустенита низкоуглеродистых мартенситных сталей //Вестник Перм. ун-та. Сер.: Физика. 2010. Вып. 1. С. 111114.

7. Физическое металловедение /ред. Р. У. Канн, П. Т. Хаазен. М.: Металлургия, 1987. Т.2. 624. с.

Phase transformations of the martensite steel at heating

L. V. Spivak

Perm State University, Bukirev St. 15, 614990, Perm

By differential scanning calorimetric methods phase transformations of quenched martensite ageing steels Н5К7М5Т1 and Н14К7М5Т1 at heating have been investigated. The experimental proofs for the first time have been received that the phase transformation was realized on two imposed against each other mechanisms: shift and diffusion. With the increase of nickel in the steel contents isolations of each stage of phase transition have been observed.

Keywords: martensite; austenite; calorimetry; phase transitions