Научная статья на тему 'Кинетические закономерности образования перлита из аустенита, подвергнутого деформации'

Кинетические закономерности образования перлита из аустенита, подвергнутого деформации Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
248
49
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Урцев В. Н., Окйшев К. Ю., Мирзаев Д. А., Дегтярёв В. Н., Яковлева И. Л.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Кинетические закономерности образования перлита из аустенита, подвергнутого деформации»

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1

О

с-^ -1

-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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.