О возможности расслоения переохлажденного нелегированного аустенита Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 669.017.07

Ткаченко И.Ф.

О ВОЗМОЖНОСТИ РАССЛОЕНИЯ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО НЕЛЕГИРОВАННОГО АУСТЕНИТА

В настоящее время нет ясного представления о том, как изменяется состояние переохлажденного аустенита в течение инкубационного периода, предшествующего его распаду в интервале температур Ái - Мн. Неоднократно высказывалось мнение [1, 3] о том, что образованию зародышей новой фазы — феррита или цементита, предшествует перераспределение углерода в переохлажденном аустените. При этом, большинство авторов процесс перераспределения связывают с наличием дефектов кристаллической решетки — границ зерен и блоков, дислокаций и др., с которыми взаимодействуют растворенные атомы углерода. Однако, нельзя отрицать возможность расслоения переохлажденного аустенита по типу спинодальной реакции yo -> yi + уг. Учитывая чрезвычайную важность этого вопроса для теории термической обработки, рассмотрим возможный вариант его решений. При этом будем исходить из основополагающего принципа термодинамики, согласно которому в замкнутой системе может протекать только такая реакция, которая сопровождается снижением свободной энергии. В связи с этим допустим, что в результате резкого охлаждения от высокой температуры до T<Ai, зафиксирован гомогенный аусгенит. Согласно общепринятому подходу [1], будем считать, что такой аустенит пересыщен углеродом на величину ДСГ = Сг° - Су1. Величина Су1 — определяется точкой на экстраполированном участке SE1 линии SE диаграммы Fe - БезС. Тогда избыточная свободная энергия переохлажденного аустенита при температуре Т может быть представлена выражением:

AGy- RT ( Nc0lnacl - Ncllnacl ), (1)

где Neo и aco; Nci и aci — соответственно, молярные доли и активности углерода в исходном, пересыщенном состоянии и после достижения равновесия. Далее допустим, что в гомогенном аустените отсутствуют "стоки" для атомов углерода и в этих условиях его распад инициируется флуктуациями состава, рост которых должен определятся: температурой, исходной концентрацией, размерами флуктуаций и др. Будем считать, что на определенном этапе такого расслоения аустенит будет характеризоваться периодическим распределением углерода, которое может быть описано выражением:

пх ~ По + Дпо cos(27tm), (2)

где п* — объемная концентрация углерода на расстоянии X; X и Дпо — длина и амплитуда концентрационной волны. Как известно, углерод, растворяясь по типу внедрения, увеличивает параметр ячейки yFe и, соответственно, вызывает рост удельного объема. В таком случае, периодическое изменение концентрации углерода в аустените вызовет такое же изменение упругих искажений кристаллической решетки вдоль оси X. Их величину определим следующим образом. Зная парциальный молярный объем углерода в аустените, VftY = 4 см3/г-ат, находим приращение объема от одного атома углерода: AVñy = Vñ7N0 = 6.64-10-24 см3. После умножения обеих частей уравнения (2) на AVftV3, получаем выражение для относительной линейной деформации вдоль оси X:

ех= so cos(27tXA,) • (3)

Далее, определим степень локальных искажений в различных зонах. Для этого продифференцируем выражение (3) по X:

de* = -(2п/Х) ео sin (2тгХ/А,)с1Х (4)

Учитывая дискретность рассматриваемой среды, примем dX = оц,. Легко видеть, что при X = КАУ4, где К - целое число, степень искажения решетки аустенита в зонах с максимальным градиентом концентрации углерода составит:

Демах = ~(2п/Х) <Ху ео (5)

Плотность упругой энергии в этих зонах будет равна:

2ЕуЯ2 (Ху2

Wíias = -:-ео ,

(l-v)l2

где Еу - модуль нормальной упругости; v - коэффициент Пуассона.

Среднее значение плотности упругой энергии кристаллической решетки составит:

Еу-я а/ ео

wfi8 = —:--(6)

Заметим, что численное значение амплитуды упругих искажении зависит от исходной концентрации углерода и доя 0,8 % С составляет: е0 =7,26 ■ 103.

Далее, учитывая то, что переохлажденный аустенит обладает избыточной свободной энергией, определяемой выражением (I), возможность перехода его в неоднородное состояние по реакции у0 -> У1+Т2 может быть реализована при условии выполнения неравенства:

ДС7£\Уср. (7)

Приравнивая (1) и (6), после соответствующих преобразований получаем выражение, определяющее критическое значение длины концентрационной волны:

Я, =

2,34-10 1Eyn2ay1eQ1Vr

к \{\-o)RT(Nc^iaCQ-Nc^acx) , (8)

где Vr— объем грамм-атома. Очевидно, что полученные с помощью этого выражения значения соответствуют минимальной для данной температуры длине концентрационной волны, при которой неоднородный у — твердый раствор относительно нестабилен. Устойчивым будет неоднородное состояние аустенита, при котором X > К- Следовательно, в начальный момент в переохлажденном аустените может возникать набор волн различной длины, среди которых реализуются те, что обеспечивают наиболее высокую скорость расслоения в данных условиях .

С помощью выражения (8) рассчитываем значения ХК ддя аустенита эвтектоидного состава при температурах перлито-бейнитного интервала превращений. В расчетах использовались известные литературные данные: qty = 3,561-10-» см; v = 0,28; Е, = 23,2-10* - 88-102-Т; Vr = 6.8[1+7010-б (Т-273)]. Изменение равновесной концентрации углерода в аустените ниже А\ определялось с помощью выражения [4], CY'=0,8-2-1013 (996-Т), а расчеты активности углерода выполнялись согласно [5].Результаты компьютерных вычислений величины ХК при изменении температуры в пределах 700... 1000 К показали, что при температурах близких к Ai устойчивыми могут быть длины концентрационных волн, превышающие Хк = 0,5-10-6см. При снижении температуры превращения до 900 К эта величина уменьшается относительно быстро до ~0,1 • 10-6 см, а затем, в интервале 900-700 К, медленно снижается до ~0,610-7см. Из сравнения этих данных со значениями величин межпластиночных расстояний в структурах перлитного типа [6] следует, что расчетные значения К примерно на порядок меньше До. Такое расхождение представляется вполне логичным, если учесть определение величины Хк как нижней границей устойчивости неоднородного аустенита.

Результаты проведенного анализа позволяют сделать вывод о том, что в гомогенном аустените, при отсутствии в нем дефектов, стимулирующих перераспределение углерода в микрообъемах твердого раствора, возможно самопроизвольное расслоение аустенита по реакции у0 —> yi + у2 с периодическим распределением углерода. Такой процесс, по сравнению с зарождением Fe3C или а-фазы, является энергетически более выгодным, так как не требует затрат энергии на образование поверхности и упругую деформацию зародыша и матрицы, связанную с различием их удельных объемов.

Перечень ссылок

1. БлантерМ.Е. Теория термической обработки. -М.: Металлургия, 1984. -328 с.

2. Силъман Г.И. Анализ процессов, протекающих при изотермическом превращении

аустенита //Металловедение и терм, обраб. металлов. -1984,- № 6. - С. 5.

3. Крылов B.C. Термодинамическое описание кинетики распада аустенита //Известия

АН. Металлы. -1983. -№ 3. - С. 82.

4. Любое В.Я. Диффузионные процессы в неоднородных твердых растворах. -М.:

Наука, 1981. -295 с.

5. Могутное Б. м, Томшшн И.А.. Шварцман Л.А. Термодинамика железоуглеродистых

сплавов. - М.: Металлургия, 1972. - 328 с.