CC BY
15
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2001р. Вип. №1
УДК 669.017.07
Ткаченко И.Ф1., Ткаченко К. И.2
ОСОБЕННОСТИ ТЕРМОДИНАМИКИ И КИНЕТИКИ МАРТЕНСИТНОГО И БЕЙНИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЙ В НЕЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
Предложен новый подход к анализу процесса бейнитного превращения в нелегированной стали, основанный на представленной в настоящей работе обобщенной диаграмме мартенситного и бейнитного превращений. Показано, что бейнитную реакцию следует рассматривать как диффузионно-обусловленное мартенситное превращение, протекание которого возможно только после предварительного перераспределения углерода в аустените.
Как известно [1], бейнитное превращение в нелегированных сталях протекает в интервале температур, расположенном между перлитным (диффузионным) и мартенситным (бездиффузионным) и поэтому оно характеризуется чертами, присущими обоим этим видам превращений. Переход от одного типа превращения к другому в указанных сталях с понижением температуры происходит без заметного изменения кинетики, поэтому определенно указать температурные границы протекания чисто бейнитного превращения не представляется возможным. По мнению автора [2] верхняя граница области бейнитного превращения (точка Вн) соответствует температуре, выше которой «разрешена» [2] диффузия углерода, легирующих элементов и самодиффузия железа. Точка Вк соответствует нижней границе возможного протекания диффузии углерода. Таким образом, согласно изложенным представлениям, точки Вн и Вк практически не должны зависеть от концентрации углерода. Между тем в той же работе автор [2] указывает, что по мере увеличения концентрации углерода при одной и той же температуре возможен переход от мартенситного превращения к бейнитному. В работе [3] для определения точки Вн предложена эмпирическая формула, согласно которой:
Вн = 830 - 270[С] - 90[Мп] - 37[№] - 70[Сг] - 83[Мо] Из формулы следует, что для нелегированной стали, содержащей 0.8 %С: Вн ~ 614 °С. Если принять, что для этой стали Мн ~ 230 С, то для точки Т0 получаем ~ 430 С. Как видно, для стали эвтектоидного состава расчетное значение точки Вн ~ 614 С существенно превышает точку Т0, выше которой термодинамически невозможно образование структуры мартенситного типа. Таким образом, из сказанного выше следует, что температурные, а также концентрационные границы возможного протекания бейнитного превращения пока остаются неопределенными, что затрудняет решение ряда других вопросов теории этого типа превращения.
В настоящей работе анализ процесса формирования бейнитной структуры в результате превращения нелегированного аустенита при изменении концентрации углерода и температуры в максимально возможных пределах выполнен на основе предложенной совмещенной диаграммы, показанной на рисунке.
Как видно, такая диаграмма включает кривые изменения свободных энергий у и а-фаз, а также мартенситных точек Т0 и Мн от концентрации углерода. Кривые AGy = fi(Nc) и AGa = f2(Nc) при Т = const строились на основе компьютерных расчетов с использованием уравнений [4]. Для аустенита:
AGy = 9630NC - 3.08TNC + Nc RTln ac' + (l-Nc)RTln ,, + (1-NC)AG„,, где ac' где aFe - активность углерода и железа в аустените; Nc - молярная доля углерода; AGa/y - изменение свободной энергии Fe в процессе a —> у превращения. Для мартенсита, соответственно, имеем:
ПГТУ. канд. техн. наук, доц.
2ПГТУ, студент.
4800
? 4000
'3200
' 1600 1000
800
§400
200
а
в . б Б у
П - 1 / 1 г
м 1 1
То 1 1 1 1 1
Мн То 1 1 [то
1__
"Мр ^ и 1 Мн 1
1 ХЛ 1 1 , '—Мн 1 ¿с
0,06
0,08
Два = КДТ1п|^/(3-4Кс)] + ЗТЧГРДТ1п[(3-4ТЧГс)/4ТЧГРе] + Щ22900 - 7,87Т) - 51000(ЪГс2тРе)г|2 + 0,66МсТср(г|),
где - молярная доля железа в мартенсите; ц -степень порядка; ср(г|) - функция степени порядка.
Кривые, отражающие зависимости Т0 = ф1(Т^Гс) и Мн = (р2С^с), построенные на основе данных [5], представлены на рисунке совместно с результатами расчетов величин АОа и ДОу для Т = 525 К. Как следует из этого рисунка, увеличение концентрации углерода сопровождается монотонным ростом величин АОа и ДОу с различной интенсивностью. В результате этого в точке «а» наблюдается пересечение кривых ДОу = ^(N0) и ДОа = Г2(ТЧГС), что соответствует равновесию аустенита и мартенсита при концентрации углерода N0'. Мартенситные точки для аустенита такого состава определяются пересечением вертикали, опущенной из точки «а», с кривыми Т0 = ф1(Ыс) и Мн = ф2С^с), и равны, соответственно, То' (-525 К) и Мс' (325 К). При снижении концентрации углерода до N0' (0.036) разность свободных энергий аустенита и мартенсита ДОа/у возрастает от нуля до ДО*а/м ~ 1250 Дж/моль, при которой становится возможным образование зародышей мартенсита. Такому составу аустенита соответствует мартенситные точки Т0" (725 К) и Мн" (525 К). Очевидно, что при всех концентрациях углерода N0 < N0" ,будем иметь ДОу/а > ДО*а/м и, следовательно, мартенситная реакция в этой области концентраций оказывается единственно возможной. При концентрациях углерода N0 > N0' имеет место обратное неравенство ДОу < ДОа, следовательно аустенит здесь стабилен по отношению к мартенситу и по этой причине бездиффузионное превращение его по типу у—совершенно исключено. Таким образом, из представленной диаграммы следует, что увеличение концентрации углерода в аустените в пределах его растворимости, сопровождается изменением характера превращения при любой температуре, лежащей в бейнитно-мартенситном интервале. В пределах возможного изменения концентрации углерода, в соответствии с рисунке, можно выделить три зоны, характеризующиеся различным типом превращения аустенита.
Зона М: для любой температуры она ограничивается концентрациями N0 < N0", при
О 0,02 0,04
Рис. - Обобщенная диаграмма мар-тенситного и бейнитного превращений.
которых Айу > Два И ДОу/а > ДО*д/М является единственно возможной.
1250 Дж/моль. В этой зоне мартенситная реакция
Зона А: расположена при концентрациях N0 > N0' и характеризуется неравенством ДОу
<
ДОа. В этих условиях исключено протекание бездиффузной мартенситной реакции.
Наконец, зона Б: расположена в интервале концентраций N0' - N0". Обратим внимание на весьма важную особенность. Так как согласно общепринятым данным [5], разность температур Т0 - Мн имеет постоянное значение (-200 К) для широкого интервала концентраций, то, очевидно, разность Д>1с* = N0' - N0" также должна иметь фиксированное значение (-0.030 или -0.67 % по массе). Как отмечалось выше, для этой зоны характерно ДОу > ДОа, т.е. аустенит не стабилен по отношению к мартенситу, однако бедиффузионная мартенситная реакция невозможна ввиду невыполнения требования по термодинамическому стимулу, ДОу/а > ДО*а/м • Рассмотрим детально возможное изменение состояния переохлажденного аустенита, находящегося в пределах зоны Б. При этом примем во внимание следующие особенности. Во-первых, как отмечалось выше, свободная энергия аустенита растет с увеличением концентрации углерода. Это означает, что в процессе выдержки аустенита любого состава должна проявляться тенденция к снижению концентрации в нем углерода. Во-вторых, кривая ДОу = ^(N0) характеризуется слабой положительной кривизной, что обусловливает возможность микрорасслоения - образование кластеров, а также зернограничных и субграничных сегрегаций и др. [6]. В результате в переохлажденном аустените должны возникать микрообъёмы, обедненные углеродом. Из рисунка следует, что если, например, в
аустените состава Nc"' в каком либо микрообъёме критического размера произойдет снижение концентрации от Nc"' до Nc" , то при этом будет выполнятся все неодходимые требования для реализации мартенситной реакции: AGy > AGa и AGy/a > AG*\ м ~ 1250 Дж/моль. Таким образом, из сказанного выше следует, что при данной температуре (Т = 525 К), в аустените, состав которого находится в интервале Nc' - Nc", мартенситное превращение должно стимулироваться перераспределением углерода. Снижение концентрации углерода в микрообъёмах аустенита критического размера от Nc"' до Nc" должно обеспечивать создание термодинамических условий для образования зародышей мартенсита. Из рисунка видно что эти условия становятся более благоприятными по мере приближения Nc"' к Nc". В заключение отметим, что рассмотренное диффузионно-обусловленное мартенситное превращение в нелегированном аустените любого состава должно протекать только в температурно-концентрационной области, заключенной между линиями мартенситной диаграммы Т0 = cpi(Nc) и Мн = <p2(Nc).
Изложенные представления о механизме превращения в указанной области соответствуют общим положениям теории бейнитного превращения. Между тем, использование разработанного подхода позволило получить ряд новых результатов, уточняющих и дополняющих существующую теорию.
Выводы
1. Область протекания бейнитной реакции ограничивается положением мартенситных точек Т0 и Мн, которые снижаются с увеличением концентрации углерода.
2. При фиксированной температуре бейнитное превращение ограничивается областью концентраций АС* ~ 0.67 % (по массе).
3. Бейнитное превращение следует рассматривать как диффузионно-обусловленное мартенситное превращение, протекание которого возможно только после предварительного перераспределения углерода в аустените.
4. Переохлажденный нелегированный аустенит следует рассматривать, как пересыщенный твердый раствор, свободная энергия которого монотонно увеличивается с ростом концентрации углерода.
Перечень ссылок
1. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. - М.: Наука, 1977.-238 с.
2. Блантер М.Е. Теория термической обработки. - М.: Металлургия, 1984. - 328 с.
3. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка стали. - М.: Металлургия, 1982. -182 с.
4. Могутнов Б.М., Томилин И.А., Шварцман Л.А. Термодинамика железо-углеродистых сплавов. - М.: Металлургия, 1972. - 328 с.
5. Кауфман Л., Коэн М. Термодинамика и кинетика мартенситных превращений// Успехи физики металлов. - Т.IV. - М.: Металлургиздат, 1961. - С. 192 -289.
6. Ткаченко И.Ф., Ткаченко Ф.К. Механизм и кинетика начальной стадии распада аустенита// Металлы и литьё Украины. - 2000. - № 3-4. - С. 18-20.
Ткаченко Игорь Федорович. Канд. техн. наук, доцент кафедры материаловедения, окончил Мариупольский металлургический институт в 1978г. Основные направления научных исследований - развитие теории фазовых превращений в сплавах на основе железа, исследование влияния микроструктуры на механические свойства кристаллов, совершенствование технологии термообработки металлургической продукции. Ткаченко Константин Игоревич. Студент гр. МТ-99. Направление исследований -компьютерное моделирование физико-химических процессов.
Tkachenko I.F, Tkachenko K.I. On thermodynamics and kinetics of the bainite and martensite transformations in carbon steels.
A new approach to an analysis of thermodynamics and kinetics of the bainite transformation in carbon steels is proposed. The approach is based on a generalized diagram developed in the present article to describe the both martesite and bainite transformations. It is shown that the bainite reaction should be considered as a diffusion-stimulated martesite transformation, the development of which is possible only after the preliminary redistribution of carbon atoms in austenite.
