CC BY
51
УДК 669.017.3
КИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЛИТА ИЗ АУСТЕНИТА, ПОДВЕРГНУТОГО ДЕФОРМАЦИИ
В.Н. Урцев, К.Ю. Окишев, Д.А. Мирзаев, В.Н. Дегтярёв, И.Л. Яковлева
Известны несколько исследований [1-3], в которых отмечено ускорение перлитного распада под влиянием предварительной горячей пластической деформации, проведенной выше или при температуре превращения у-фазы. В качестве возможного объяснения этого эффекта приводились соображения об ускорении диффузии углерода, об измельчении зерна, об ускорении зарождения перлитных колоний в аустените с повышенным содержанием дефектов. Но, по существу, детального исследования кинетических изменений сделано не было. Такой анализ является целью настоящей работы. Он базируется на экспериментальных результатах работы [4], частично дополненных новыми данными тех же авторов.
Кинетика превращения аустенита при постоянной температуре обычно описывается при помощи уравнения Аврами
/ = 1-ехр(—£т"), (1)
в котором / представляет объемную долю продуктов превращения в момент времени т, а К и п -коэффициенты [5]. Коэффициент К зависит от скоростей зарождения новой фазы 1 и ее роста со; в простейшем случае, когда эти скорости постоянны, и рост изотропен,
К = (тс/3)/ю3; п = 4. (2)
Однако в действительности процессы зарождения и роста в объеме поликристаллического материала протекают неоднородно. Например, границы зерен очень часто выступают в роли мест предпочтительного зарождения новой фазы. Все это должно приводить к зависимости коэффициентов уравнения (1) от среднего поперечника зерен аустенита с/. В частности, скорость зарождения I пропорциональна количеству возможных мест зарождения в единице объема; поэтому если зарождение протекает в основном на границах зерен, то должна наблюдаться зависимость 1~с1~х и, соответственно, К~ сГ1; если преимущественными местами зарождения являются тройные стыки, то К ~ й~2 и т.д. [5]. С другой стороны, преимущественное зарождение кристаллов новой фазы на границах и их быстрый рост вдоль границ могут приводить к «исчерпанию» мест зарождения, после которого превращение развивается в основном за счет роста ранее образовавшихся кристаллов; в этом случае будет наблюдаться уменьшение показателя степени п на поздних стадиях превращения [5]. Пример такого поведения наблюдали в сплавах Бе - 9 % Сг, где образование ферритной сетки приводило к уменьшению п от 4 до 1 [6].
В работах [7, 8] И.Тамура с соавторами подтвердили, что кинетика распада аустенита в ряде малолегированных сталей подчиняется уравнению (1), а коэффициент К зависит от размера зерна:
Экспериментально найденные значения X составили 1,76 (при и»4) для перлитного превращения в стали типа 4Х5МФС [7] и 0,65 (при и»4...5) для бейнитного превращения в стали типа ШХ15 [8].
В исследовании [4] приведены результаты изучения кинетики перлитного распада в углеродистой эвтектоидной стали 85 после предварительной пластической деформации аустенита, осуществлявшейся кручением в интервале температур 650...900 °С со степенями деформации е = 0,11...2,6. Увеличение степени деформации приводило к существенному ускорению образования перлита. Этот эффект может быть обусловлен либо повышением плотности дефектов в аустените вследствие горячей пластической деформации, либо измельчением аустенитного зерна, если в ходе деформации и во время переноса образца из пластометра в ванну, где происходил распад аустенита, успевала пройти рекристаллизация. На возможность того, что аустенит был рекристалли-зован до начала распада, указывают такие отмеченные авторами [4] факты, как существенное измельчение зерна при увеличении степени и понижении температуры деформации и отсутствие зависимости межпластиночного расстояния и микротвердости образующейся перлитной структуры от параметров деформации аустенита.
Чтобы определить параметры уравнения (1), мы перестроили приведенные в [4] кинетические кривые распада аустенита при 650 °С в двойных логарифмических координатах 1п(-1п(1-/)) - 1пт, поскольку, как следует из (1),
1п(-1п(1-/)) = и1пт + 1пАГ. (4)
Полученные графики действительно в большинстве случаев оказались линейными (рис. 1), что позволило найти значения коэффициентов п и К (табл. 1). Значения показателя п обычно составляли 2,5...3,5, что в целом согласуется с данными других работ, посвященных кинетике перлитного распада [7, 9, 10].
Приведенные в [4] данные указывают на существенное измельчение зерна аустенита при увеличении степени пластической деформации, поэтому можно ожидать, что коэффициент К будет
In t
In t
In t
Рис. 1. Кинетические кривые распада аустенита [4], перестроенные в двойном логарифмическом масштабе (время выражено в секундах). Температуры деформации аустенита: ■ - 650 °С; □ - 675 °С; • - 700 °С; А - 750 °С; ▼ - 800 °С; ♦ - 850 °С; + - 900 °С. Степени деформации: а - 0; б - 0,11; в - 0,35; г - 0,70; д-1,3; е- 2,6
Таблица 1
Коэффициенты уравнения (1), найденные по графикам рис. 1
Степень деформации Температура деформации, °С п in а:
0 — 4,08 -18,24
650 0,94 -2,62
700 4,00 -15,61
750 3,70 -15,49
0,11 800 3,52 -15,18
850 3,78 -16,59
900 4,09 -17,99
650 0,55 -1,23
700 3,74 -14,18
л л? 750 3,52 -14,57
0,35 800 2,94 -12,60
850 3,10 -13,48
900 3,48 -15,42
650 0,54 -1,14
700 3,87 -14,36
750 3,77 -15,66
0,70 800 2,63 -11,19
850 2,79 -12,07
900 3,24 -14,27
650 1,05 -2,32
675 2,32 -7,40
700 3,52 -12,70
1,3 750 2,76 -11,17
800 2,56 -10,82
850 2,44 -10,47
900 2,67 -11,70
650 0,72 -1,14
700 2,33 -8,37
750 2,10 -8,39
2,6 800 2,38 -9,99
850 2,21 -9,50
900 2,75 -11,96
подчиняться зависимости (3). Если прологарифмировать выражение (3), то окажется, что график зависимости In К от Inc? должен быть линейным с наклоном, равным -X. Однако, поскольку значения п и К взаимосвязаны, а величины показателя п, как видно из табл. 1, обнаруживают заметный разброс, то правильнее по оси ординат откладывать не
In*, а — 1:пК = lr\Ку"; тогда
1
ТаК--
■—lnt/+—In К,.
(5)
1
dv"
Величина т0 63 = —представляет со-
бой характерное время превращения у-фазы на 63,2 %, как это следует из выражения (1), если его переписать в виде / = 1 - ехр {-(К'1"т)”). Соответ-
— 1п^ = 1пт0 63. Графики зависимости
ственно
1
In* от In сі приведены на рис. 2. Видно, что они
действительно линеины для каждой температуры деформации, однако с понижением этой температуры их наклон уменьшается. Найденные по графикам значения отношения Х/п приведены в табл. 2; в основном они близки к 0,2.
3 4 5
1п с/
Рис. 2. Зависимость 1пК^п от логарифма размера зерна (выраженного в микронах); обозначения температур деформации те же, что и на рис. 1
Таблица 2
Параметры уравнения (5), найденные по рис. 2
Температура деформирования, °С X п In*, п
650 0,478 -0,535
700 0,198 -3,013
750 0,181 -3,421
800 0,198 -3,459
900 -0,281 -5,615
Зависимость характерного времени превращения от размера зерна указывает на участие границ в процессе зарождения. Для варианта превращения с постоянными скоростями роста и объемного зарождения из формул (1) и (2) следует, что
1 _г ° л1/4
КХ1Л
(6)
V я/ю3,
и не зависит от размера зерна. Но если зарождение перлитной колонии происходит на границе зерна, а скорость зарождения в расчете на единицу площади равна Лр, то скорость образования зародышей (сферической формы) в расчете на единицу объема составит
4тг(^/2)2___=
а
(7)
2 - (4тт/3)(с//2) то есть появляется теоретическая зависимость характерного времени от размера зерна:
( л V74
■di/\
(S)
Запишем в общем виде
WM",
(9)
где р = К~}/п, а т = Х/п. Кристиан, основываясь на работах Кана, приводит [5] значения т, которые характерны для различных вариантов зарождения: на границах зерна /и = 1/4 = 0,25, на ребрах т = 1/2, на вершинах зерен т = 3/4. Для случая исчерпания мест зарождения т = 1. Результаты обработки экспериментальных зависимостей т = 0,20...0,28 ближе всего к ситуации зарождения на границах зерна. Напомним, что И. Тамура с соавторами [7] получили т = 1,76/4 = 0,44, что примерно соответствует ситуации зарождения на ребрах зерен.
Полученный результат можно рассматривать как свидетельство того, что наблюдаемое ускорение превращения под действием предварительной деформации аустенита в значительной мере обусловлено измельчением зерна в результате рекристаллизации, успевающей протекать в интервале между окончанием пластической деформации и фиксируемым началом превращения.
Отметим, что в ряде случаев деформация при разных температурах с разной степенью обжатия приводила к получению одинакового размера ау-стенитного зерна. Сравнение кинетических кривых распада аустенита после таких режимов деформации (рис. 3) показывает, что они практически совпадают, за исключением деформации при 650°С, когда превращение начинается еще в ходе деформирования. Иными словами, зависимость кинетики превращения от температуры деформации при одинаковом размере зерна как будто отсутствует. Однако наличие зависимости параметров уравнения (5) от температуры деформации может свидетельствовать о том, что к моменту начала превращения аустенит все же оставался
2
1
О
с-^ -1
"с
-I -г
с
-3
-4
-5
(1 = 60 мкм
■ 850°С, 6=2,6 ' вОСТС, 6=0,7
■ 750°С, 6=0,35 (£/=58 мкм)
650°С, 6=0,11 (й=62 мкм)
2
1
О
С
1 -2 ■с
-3 -4 ■
-5 ■
с! = 64 мкм ^ 750°С, е=0,11 ▼ 800°С, е=0,35
1п ^
Рис. 3. Кинетические кривые распада аустенита [4], перестроенные в двойном логарифмическом масштабе (время выражено в секундах), для режимов, обеспечивавших одинаковый размер зерна. Размер зерна <У, температура и степень деформации указаны на графиках
частично наклепан, и ускорение превращения частично обусловлено и повышенной плотностью дефектов.
Для температуры деформации 650 °С величина- п = 0,54... 1,05 резко отлична от значений для других температур деформации. При этой температуре наблюдается наибольшее ускорение превращения при всех степенях деформации. Рекристаллизация в у-фазе при малых степенях деформации (11 %), по-видимому, отсутствует, поэтому проявляется в полной мере эффект влияния возникающих дислокаций. Деформация ускоряет прежде всего превращение по границам зерна. Переход к и и 1 означает, что колонии перлита развиваются весьма быстро вдоль границ, а затем слой перлита начинает расти к центру зерна. Это и есть одномерный рост при п = 1. Отклонения от п = 1 в меньшую сторону следует рассматривать либо как проявление уменьшающейся со временем скорости роста, либо как результат неточности при измерениях слишком малых длительностей распада.
Рассмотрим далее характер изменения параметра п (рис. 4) в зависимости от степени и температуры предварительного деформирования. Если отвлечься от детального анализа, то при всех температурах увеличение степени деформации приводит к уменьшению величины и от 4 до 2,1...2,8. Теоретически значение л = 4 получается в том случае, когда число возникающих зародышей увеличивается линейно со временем, а объем зародыша возрастает со временем по закону (4я/3)а>3(т-т,)3, характерному для трехмерного роста с постоянной скоростью ш вдоль каждой оси
(здесь т3 - момент зарождения). При этом неважно, происходило ли зарождение в объеме или на границах. Уменьшение величины и с 4 до 3 можно трактовать как быстрое гетерогенное зарождение, приведшее к исчерпанию мест зарождения. Длительность превращения определяется ростом колоний до столкновения. Согласно рис. 4, для температур 800 и 850 °С уменьшение и до 3 происходит после деформации на степень 35 %, когда уже отчетливо проявляется рекристаллизация. Возникающие при рекристаллизации зерна задерживаются частицами неметаллических включений, которые выделяются из у-фазы при температуре деформации. Эти и более крупные нерастворяющие-ся частицы стимулируют зарождение перлита [11], причем наличие концентрационных изменений вокруг частиц ускоряет зарождение.
верительной деформации е (по данным табл. 1). Обозначения температур деформации те же, что и на рис. 1
Уменьшение величины п ниже 3 требует особого объяснения. Рост перлитной колонии, очевидно, происходит вдоль сопрягяющихся слоев цементита и феррита. Продольный рост фактически является двумерным. Рост же колонии по направлению нормали к пластинам связан с диффузионным утолщением крайней пластины до толщины, при которой продольный рост имеет максимальную скорость [11]. Затем происходит очередное зарождение пластины другой фазы, ее рост и т.д. Не вполне понятным остается вопрос, почему колония перлита имеет примерно сферическую форму и с помощью какого механизма выравниваются скорости продольного роста и поперечного роста-зарождения.
Переход от значения п = 3 к и = 2 можно объяснить резким ускорением зарождения в поперечном направлении, так что сначала образуется как бы слоистый цилиндр, радиус которого затем линейно возрастает со временем. Значения 2<п<Ъ соответствуют промежуточной ситуации, когда зарождение пластин, то есть «рост в поперечном направлении» до остановки опережает продольный рост.
Причиной изменения показателя п несомненно является пластическая деформация аустенита, которая а) в условиях кручения осуществляется скольжением по плоскостям, параллельным круговому сечению; б) приводит к образованию текстуры, вероятно, типа [111]у вдоль оси образца, ибо плоскости скольжения стремятся установиться параллельно действующим напряжениям; в) приводит к накоплению дислокаций, полигонизации и сегрегаций углерода на них. Таким образом, в ау-стените могут возникать и искажения решетки, благоприятствующие образованию новой решетки, и участки с низкой либо высокой концентрацией углерода, необходимые для зарождения а-фазы или цементита. Но если предварительная деформация стимулирует зарождение, то, по нашему мнению, продольный рост пластин после деформации замедляется. Можно указать две причины торможения роста. Одна обусловлена замедлением диффузии углерода в деформированной у-фазе. Коэффициент диффузии углерода играет определяющую роль в процессах роста. Теория [11] дает следующие выражения для скорости роста:
а) в приближении объемной диффузии углерода в у-фазе от участков, контактирующих с торцом ферритной пластины, к участкам, контактирующим с цементитной пластиной,
ю = Р1'Л7’2-£>с; (10)
б) в приближении граничной диффузии по межфазной границе
ш = |32 ■ ЛГ3 ■ Бс > (11)
где ц? - коэффициент граничной диффузии, (З1 и
(32 - постоянные коэффициенты, а АТ - переохлаждение относительно А\.
Миграция атомов внедрения по дислокациям
происходит быстрее, чем в объеме, из-за пониженной энергии активации [12], но ориентация дислокаций случайна и не обязательно совпадает с нормалью к пластинам феррита и цементита. Кроме того, дислокация не выпускает все атомы углерода. Другая причина торможения обусловлена искривлениями, поворотами участков аустенита при деформации. По закону парности касательных напряжений, при кручении тфг = т2(р. Касательное
напряжение тф, действует вдоль окружности по площадкам с нормалью то есть по круговым сечениям цилиндра. Они создают скольжение, о котором шла речь выше. Второе напряжение тгф действует вдоль оси г по площадкам с нормалью ёф. Эти площадки проходят через радиусы и ось г. Сдвиги, обусловленные этими напряжениями, происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях, что и вызывает искривления решетки. Решетка цементита находится в ориентационном соответствии с решеткой у-фазы, поэтому искривления и повороты у-решетки передаются пластинам цементита (см. данные электронной микроскопии), что должно вызывать торможение роста.
Эффект деформации, таким образом, двойственен: ускоряется зарождение перлитных колоний и тормозится их рост. Это вызывает изменение кинетических параметров п и т,. но суммарное влияние деформации на перлитный распад (без учета рекристаллизации) выражено слабо.
Работа поддержана грантом правительства Челябинской области для молодых ученых, грантом № 14-04-02 ИТЦ «Аусферр», РФФИ-Урал № 04-03-96140-урала, а также грантом поддержки ведущих научных школ НШ-778.2003.3.
Выводы. В работе проанализированы данные о кинетике изотермического перлитного превращения в углеродистой эвтектоидной стали после предварительной горячей деформации аустенита при температурах 900...650 °С. Сделан вывод, что ускорение распада при всех температурах деформации, кроме 650 °С, вызвано в основном измельчением зерна вследствие рекристаллизации аустенита, хотя влияние наклепа аустенита на кинетику превращения также проявляется. Подтверждена зависимость коэффициентов уравнения Аврами от размера зерна с1 вида К1/" ~ , причем отноше-
ние Уп близко к 0,2 и уменьшается при повышении температуры деформирования.
Литература
1. Волосевич П.Ю., Коджаспиров Т.Е., По-лушкин Ю.А. О некоторых особенностях образования структуры в конструкционных сталях при деформации в области перлитного превращения // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1987. -№11.- С. 58-60.
2. Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и ставов: в 2 т. - М.: Металлургия, 1968. -1171 с.
3. Тушинский Л.И., Батаев А.А., Тихомирова Л.Б. Структура перлита и конструктивная прочность стали. - Новосибирск: Наука, 1993. - 280 с.
4. Исследование влияния температуры и степени деформации на кинетику перлитного превращения в стали 85 / В.Н. Урцев, С.А. Морозов,
B.Н. Дегтярев, С.Н. Воронков // Фазовые и структурные превращения в сталях: Сб. науч. тр. / Под ред. В.Н. Урцева. - Магнитогорск, 2003. - Вып. 3. -
C. 402-417.
5. Кристиан Дж. Теория превращений в металлах и ставах. Часть 1. Термодинамика и общая кинетика. - М.: Мир, 1978. - 808 с.
6. Мирзаее ДА., Окишев К.Ю. Полиморфные (фазовые) превращения в металлах и ставах. Кинетика // Фазовые и структурные превращения в сталях: Сб. науч. тр. / Под ред. В.Н. Урцева. -Магнитогорск, 2001. - Вып. 1. - С. 91—115.
7. Umemoto М., KomatsubaraN., Tamural. Prediction of Hardenability Effects from Isothermal Transformation Kinetics // J. Heat Treating. - 1980. -V. 1.-M3.-P. 57-64.
8. Umemoto М., Horiuchi K, Tamura I. Transformation Kinetics ofBainite During Isothermal Holding and Continuous Cooling // Trans. ISIJ. - 1982. -V. 22,-Ne 11.-P. 854-861.
9. Миркин ИЛ. Исследование эвтектоидной кристаллизации стали // Структура и свойства сталей и ставов: XVIII сборник трудов Московского института стали им. И.В. Сталина. - М.: Оборонгиз, 1941. - С. 5-158.
10. Russev К, Budurov S., Danailov D., Lazarowa T. Uber die Kinetik der perlitischen Um-wandlung eines eutektoiden Stahles bei kontinuier-licher Abkuhlung // Z. fur Metallkunde. - 1974. -B. 65. -H. 11. -S. 686-691.
11. Мирзаее Д.А., Окишев К.Ю. Образование перлита в сталях // Фазовые и структурные превращения в сталях: Сб. науч. тр. /Подред. В.Н. Урцева. - Магнитогорск, 2003. - Вып. 3. - С. 294-334.
12. Штремелъ М.А. Прочность ставов. Часть I: Дефекты решетки. - М.: МИСиС, 1999. -384 с.
