CC BY
32
УДК 620.172 : 621.785
I. О. ВАКУЛЕНКО (ДПТ), Б. I. КЩДРАЦЬКИЙ (1нститут iнженерноï механiки та транспорту Нацюнального унiверситету «Льв1вська полiтехнiка»), С. О. ЯКОВЛЕВ, I. е. КРАМАР, О. I. ШАПТАЛА (ДПТ)
ВПЛИВ СТРУКТУРНОГО СТАНУ By^E^BOÏ СТАЛ1 НА ПРОЦЕС УТВОРЕННЯ АУСТЕН1ТУ ПРИ НАГР1В1
В ДВОФАЗНУ (а + у)-ОБЛАСТЬ
На ochobî анал1зу результапв дослвдження кинетики процесу аустенiзацiï' визначаеться порядок розташу-вання вихiдних структур в напрямку зростання швидкостi утворення аустешту.
Ключовi слова: вуглецева сталь, аустешт, кинетика, структурний стан, двофазна область
На основе анализа результатов исследования кинетики процесса аустенизации определяется порядок расположения исходных структур в направлении роста скорости образования аустенита.
Ключевые слова: углеродистая сталь, аустенит, кинетика, структурное состояние, двухфазная область
Based on the analysis of research results for the kinetics of austenitization process the order of the original structures in the direction of increasing the rate of austenite formation is determined. Keywords: carbon steel, austenite, kinetics, structural state, two-phase region
В сучасних умовах експлуатацп залiзничнi колеса та бандаж, о^м значних пластичних деформацш по поверхш кочення з визначеним градiентом углиб металу, в процес гальмуван-ня можуть розiгрiватися до достатньо високих температур. При цьому швидюсть розiгрiву та температура, до я^' вщбуваеться нагрiвання, значною мiрою залежать не тшьки вiд режиму гальмування, але й вщ вiдстанi прошарку металу вщ поверхнi кочення [1]. З урахуванням цьо-го, розвиток процешв внутрiшньоï перебудови металу колю та бандажв визначае змiну комплексу властивостей. Причому, чим бiльшi спо-стерiгаються вiдмiнностi за морфолопчними ознаками та дисперснiстю структурних складо-вих, тим бiльше змiнюються властивосп металу.
З урахуванням наведеного, аналiз структурних перетворень у вуглецевих сталях у процес на^ву мае достатньо вагоме значення для ро-зумiння ступеню змiни комплексу властивостей залiзничних колiс та бандажв пiд час 'х експлуатацп.
Метою роботи е дослiдження впливу тем-ператури розiгрiву та морфологи структурних складових вуглецевих сталей на процес утворення аустешту.
Матерiалом для дослiдження були вуглецевi CT^i з кiлькiстю вуглецю 0,45 i 0,6 % з рiзним структурним станом. Комплекс властивостей металу визначали при розтяганнi, структурнi параметри - при дослщженнях сталей пiд св№ ловим мiкроскопом з використанням методик кшьюсно' металографiï.
Так, у бшьшосп випадкiв при iнтенсивному гальмуваннi в тонкому приповерхневому шарi металу ободу колеса температура може дуже швидко збшьшуватися до значень, яких достатньо для початку розвитку процешв фазових перетворень [2]. Пюля закшчення гальмiвного процесу, в залежност вiд швидкостi охоло-дження металу колеса, вщбуваються процеси структурних перетворень за рiзними мехашз-мами. Реалiзацiя механiзму фазових перетворень при охолодженш суттево залежить вiд значноï кiлькостi чинникiв, якi визначають як стан металу поперед початком охолодження, так i умови самого процесу охолодження.
В першому наближенш, кшьюсть змщню-ючоï фази (мартенситу, бейшту або продуктiв 1х розпаду) в доевтектощних сталях, в тому чи-слi й тих, що використовують для виготовлення залiзничних колiс i бандашв, значною мiрою визначаеться об'емною часткою аустенiту, який формуеться при rn^iBi вище Ас1. Аналiз дшян-ки загальноï дiаграми «залiзо-вуглець», яка вщ-повiдае двофазнiй ( а+ у )-областi, у бшьшосп випадкiв дае тiльки оцшочш вiдомостi стосовно спiввiдношення фаз, ix хiмiчного складу (рис. 1). Обумовлено наведене положення, у першу чергу, вщсутшстю даних вiдносно впливу невизначноï швидкостi нагрiву або охолодження елемента колеса на положення критич-них точок фазових перетворень, досягнення умов рiвноваги фазових складових сталей. До наведених чинниюв, о^м зсуву точок початку фазових перетворень, необхщно вiднести сту-пiнь завершення аустенiтного перетворення,
© Вакуленко I. О., Кшдрацький Б. I., Яковлев С. О., Крамар I. е., Шаптала О. I., 2011
несшвпадшня фактичного перерозподшу хiмi-чних елеменпв мiж фазами порiвняно з теоре-тичними, за дiаграмою.
С
и Я' А
У АВ Г 8 <*,
/ 1 '
Са, Ссг С/} Сд С. %
Рис. 1. Д1аграма р1вноваги Бе-С. Сшввщношення а- та у-фаз 1 вмют розчиненого в них вуглецю залежно в1д температури нагр1ву в двофазнш (а + у )-област1 [3]
З метою розумiння розвитку процешв стру-ктурних перетворень при нагрiвi залiзничного колеса (приповерхнева частина, поблизу мюця контакту з гальмовим елементом) необхiдно розглянути деякi фактори, що впливають на кiнетику формування аустенiту, мiсця його за-родження та морфолопчш особливостi будови. Серед таких факторiв е вихiдна структура, хь мiчний склад сталi, кшьюсть, морфологiя, дис-перснiсть часток друго! фази, !х розташування та ш.
Враховуючи, що структура металу затзни-чних колiс пiсля термiчного змщнення склада-еться з дрiбнодисперсних перл^них колонiй, переривчасто! сiтки структурно вшьного фери-ту та визначено! частки глобулярних структур [4], зародження аустештно! фази в цих структурах мае сво! особливостi. Так, процес формування аустешту в стал з пластинчастим перл> том починаеться вiд виникнення зародкiв на границях перлiтних колонiй. Процес дифузi! атомiв вуглецю вiд деградованих цементних пластин в напрямку периферiйних дiлянок фе-ритного прошарку перлiтно! колонi! супрово-джуеться виникненням фронту фазового пере-творення. В першому наближеннi можна вва-жати, що навiть у випадку неповного перетво-рення перл^но! колонi!, сформована аустенiтна дiлянка не вiдрiзняеться за концентрацiею вуглецю вщ тiе!, яка повнiстю перетворена в аус-тенiтну фазу.
Для структур iз глобулярним цементитом процес формування аустешту при нагрiвi мае сво! особливосп. Наведена фаза зароджуеться поблизу мiжфазово! межi, що вщдшяе карбiдну
частку вiд феритно! матрищ. З урахуванням цього, центрiв формування зародюв значно б> льше в порiвняннi з пластинковим перлiтом, а !х розташування вiдносно рiвномiрне. Вважа-еться [5], що карбiднi частки, як можуть мати рiзну рiвномiрнiсть розташування у феритнiй матрицi, практично не впливають на процес зародження аустешту ^ поступово деградуючи на атоми залiза i вуглецю, поглинаються аусте-нiтною дiлянкою.
З шшого боку, враховуючи виникнення на поверхш кочення залiзничних колiс i бандажв дiлянок зi структурним станом, подiбних тим, що спостерiгають при розвитку структурних перетворень за мартенситним або промiжним механiзмами, процес формування аустешту при подальшому нагрiвi повинен в^^знятися вiд розглянутих пластинкових та глобулярних форм карбщно! складово!. Так, при нагрiвi до температур двофазно! (а + у)-обласп сталi з похiдною структурою шсля гартування, аусте-нiт, що формуеться, повторюе орiентацiю крис-татв первинного мартенситу (рис. 2). При цьо-му, як пiдтверджуеться експериментальними даними [6], чим вищою була температура попе-реднього нагрiву, тим бшьшою мiрою аустешт-на фаза повторюе орiентацiю й форму мартен-ситних кристалiв. Аналогiчнi за характером результати отримаш при аналiзi процесу утво-рення аустенiту при нагрiвi сталi з грубо плас-тинковим мартенситом.
В цьому випадку зародження перших осере-дюв аустенiтно! фази спостерiгаеться на стиках декшькох колишнiх аустенiтних зерен (гартування стал з попередньо сформованою грубо-зеренною структурою аустенiту). З урахуванням узагальнення визначено! кшькосп експе-риментальних даних структурних дослщжень [5, 6], можна розташувати у порядку зменшен-ня вiрогiдностi зародження аустешту при на-грiвi металу до температур початку фазових перетворень. Так, у першу чергу осередки аустештно! фази починають виникати на стиках колишньо! (перед гартуванням) зеренно! струк-тури аустешту, i тшьки пiсля цього аустенiт формуеться на межах мартенситних кристатв. З урахуванням особливостей зародження та зростання мартенситного кристалу, в металi виникае надмiрна кiлькiсть дефектiв кристатч-но! будови (в першу чергу, дислокацш одного знаку), що неодмiнно мае свш вiдбиток на процес аустенiзацi!. Вповiльнення процесу зростання об'емно! частини аустенiту обумовлене в основному вщсутшстю джерел постачання не-обхiдно! кiлькостi дислокацiй протилежного
знаку порiвняно з тими, що були сформоваш при мартенситнiй реакцп. На пiдставi цього формуеться вкрай неоднорщна структура аус-тенiтних зерен, яка при подальшому перетво-реннi при охолодженш приведе до зниження комплексу властивостей металу. Однак, техно-лопя експлуатаци залiзничних колiс неодмiнно включае процес пластичного деформування по поверхш кочення як складову загального лан-цюга впливань на метал колю та бандажв. На пiдставi цього, необхщно вiдзначити, що наведений вплив обумовлюе введення додатково! кшькост дефектiв кристалiчно! будови рiзних знаюв i ,як наслiдок цього, до якюних змiн про-цесу аустешзацп. Проявляеться наведений вплив через утворення додаткових мiсць заро-дження аустешту (гетерогенне зародження), що врештi-решт сприяе подрiбненню аустештно! зеренно! структури. На рис. 3 наведено вплив температури на^ву в двофазну (а + у)-область вуглецево! сталi пiсля гарячо! та насту-пно! холодно! пластично! деформаци 78 % з подальшим гартуванням. Формування с^чко-во! аустенiтно! структури обумовлено сумар-ним впливом послщовних процесiв гарячого i холодного пластичного деформування, яю сприяють виникненню ашзотропних структур. Пропорцiйно збiльшенню температури на^ву визначаеться зростання об'емно! частки аустешту. Незважаючи на достатньо високу температуру на^ву (760 °С), повнiстю усунути вплив попередньо! пластично! деформацi! на зеренну будову аустешту досягнуто не було. Однiею з причин наведеного впливу, о^м мо-жливого неоднорiдного розподiлу деформацi! по товщиш прокату, може мати мюце рiзна швидкiсть розвитку процесiв аншляци дефек-тiв кристалiчно! будови в мшроб'емах металу пiд час його на^ву.
Таким чином, на основi аналiзу результатiв дослiдження кiнетики процесу аустенiзацi! мо-жна визначити порядок розташування вихiдних структур в напрямку зростання швидкосп утворення аустенiту. Мшмальнш швидкостi формування аустенiтних дiлянок вщповщае вихiдна структура глобулярного цементиту з рiвномiрним розподiлом у феритнiй матрищ. Далi слiдують колонi! пластинкового перл^у, структури гартування та структури холодноде-формованого металу, яким вiдповiдають тд-вищенi швидкостi утворення аустенiтних дшя-нок пiд час нагрiву до температур двофазно! (а + у )-обласп.
Рис.2. Мжроструктура двофазно!' ферито-мартенситно!' стал1 тсля попереднього гартування на мартенсит (х 800)
Рис. 3. Вплив температури нагр1ву в двофазну (а + у )-область (а -723; б - 728; в -735; г -742;
д - 760 °С) вуглецево! стал1 (попередня обробка -гаряча деформащя, холодна деформац1я 78 %) на об'емну частку та морфологш аустешту, що утворюеться (у) (х 300)
г; (Y)
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Дефекти залiзничних колiс [Текст] / I. О. Ваку-ленко [та iH.]. - Д.: Маковецький, 2009 - 112 с.
2. Vakulenko, I. A. Structural Changes in a Railway Wheel Rim during Operation [Text] / I. A. Vakulenko, N. A. Grishchenko // Russian Metallurgy. -v. 2010, № 5. - P. 408-411.
3. Ky3iH, О. А. Металознавство та термiчна оброб-ка металiв [Текст] / О. А. Кузш, Р. А. Яцюк. -К.: Основа, 2005. - 324 с.
4. Вакуленко, I. О. Визначення оптимального структурного стану залiзничного колеса [Текст] / I. О. Вакуленко, М. А. Грищенко, О. М. Перков // Вкник Дшпропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iM. акад. В. Лазаряна. - 2008. -Вип. 24. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2008. -С. 207-209.
5. Голованенко, С. А. Двухфазные низколегированные стали [Текст] / С. А. Голованенко, Н. М. Фонштейн. - М.: Металлургия, 1986. -207 с.
6. Садовский, В. Д. Структурная наследственность в стали [Текст] / В. Д. Садовский. - М.: Металлургия, 1973. - 205 с.
Надшшла до редколегп 23.11.2010.
Прийнята до друку 26.11.2010.
с; (y)
Рис. 3 (закшчення). Вплив температури на^ву в двофазну (a + Y )-область (а -723; б - 728; в -735; г -742; д - 760 °С) вуглецево! сталi (попередня об-робка - гаряча деформацш, холодна деформацш 78 %) на об'емну частку та морфологiю аyстенiтy, що утворюеться (y) (х 300)
