автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Особенности кинетики фазовых превращений и образования гетерогенных структур хромоникельмолибденовых сталях

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КАНСАФАРОВА ТАТЬЯНА АНАСОВНА

ОСОБЕННОСТИ КИНЕТИКИ РАСПАДА ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИТА И ФОРМИРОВАНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ СТРУКТУР В ХРОМОНИКЕЛЬМОЛИБДЕНОВЫХ СТАЛЯХ

Специальность 05.16.01 - "Металловедение и термическая обработка металлов'

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Гервасьев М.А.

Екатеринбург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. Аналитический обзор

1.1. Особенности протекания перлитного превращения в конструкционных сталях 6

1.1.1. Общие положения 6

1.1.2. Зарождение перлита 10

1.1.3. Рост перлитной колонии 18

1.1.4. Влияние легирующих элементов 26

1.2. Бейнитное превращение 31

1.3. Теория кинетики фазовых превращений 36

1.4. Непрерывное охлаждение 39

1.5. Механические свойства гетерогенных структур 40

1.6. Постановка задачи исследования 43

2. Материал и методики исследования 45

3. Аналитическое описание кинетики перлитного превращения в среднеуглеродистых хромоникельмолибденовых сталях 51 3.1. Описание кинетики перлитного превращения в

среднеуглеродистых легированных сталях с термодинамических

позиций 51 3.1.1. Оценка линейной скорости роста перлитной колонии с

термодинамических позиций . 51

3.1.1.1. Межпластинчатое расстояний* "в*; перлитной колонии .

3.1.1.2. Расчет термодинамических параметров роста перлита

3.1.2. Расчет скорости зарождения

3.1.3. Расчет кинетики перлитного превращения по скорости зарождения и роста перлитной колонии

3.2. Описание кинетики перлитного превращения феноменологическими моделями

3.3. Аналитическая аппроксимация кинетических зависимостей перлитного распада переохлажденного аустенита

3.4. Объемная скорость процесса распада переохлажденного аустенита в области перлитного распада

3.5. Выводы

4. Особенности кинетики бейнитного превращения

конструкционных сталей в изотермических условиях

4.1. Бейнитное превращение в кремнистых Сг-№-Мо сталях в области температур 220-450 °С

4.2. Влияние размера аустенитного зерна на кинетику бейнитного превращения

4.2.1. Выбор режима термообработки для измельчения аустенитного зерна

4.2.2. Изучение кинетики бейнитного превращения

4.3. Объемная скорость процесса распада переохлажденного аустенита по второй ступени

4.4. Выводы

52

55 64

67

69

73

78 93

95

95

102

102 108

112 115

5. Кинетика распада переохлажденного аустенита при непрерывном охлаждении и комплекс механических свойств формирующихся

гетерогенных структур исследованных сталей 116

5.1. Кинетика распада переохлажденного аустенита при непрерывном охлаждении 116

5.2. Механические свойства сталей типа 38ХНЭМФА с гетерогенной мартенситно-бейнитной структурой 119

5.3. Выводы 132 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 135 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 137 ПРИЛОЖЕНИЕ №

ВВЕДЕНИЕ

При закалке массивных деталей по сечению формируются, как правило, смешанные (гетерогенные) мартенситно-бейнитные, мартенситно-ферритно-перлитные, бейнитно-ферритно-перлитные и мартенситно-бейнитно-перлитные структуры. Необходимо знать закономерности формирования свойств смешанных структур в зависимости от их соотношения и последующего охлаждения. Таким образом, для научно обоснованного выбора сталей для крупногабаритных деталей и режимов их термической обработки требуется изучение количественных закономерностей влияния химического состава на кинетику фазовых превращений и свойства сталей в различном структурном состоянии.

Проведение расчетов температурных полей по сечению деталей диаметром 300—1000 мм из среднеуглеродистых хромоникельмолибденовых сталей в процессе закалки и отпуска, применяемого для массивных изделий [1, 2] показало, что при закалке в масле, когда поверхность крупной заготовки уже охладилась до 150— 250°С, их центральные участки сохраняют высокую температуру. Некоторое выравнивание температуры заготовки происходит перед высоким отпуском. При этом только поверхностные слои заготовки охлаждаются до температуры мартенситного превращения Мн для данных сталей. Основные участки заготовки длительное время имеют температуру 250—450°С и находятся в условиях, приближающихся к изотермическим.

Особенностью термической обработки крупных заготовок является обязательный высокий отпуск как после закалки, так и после нормализации и, как правило, медленное охлаждение после него для снятия внутренних напряжений. Это обусловливает длительное пребывание изделия в интервале температур обратимой отпускной хрупкости, что может значительно ухудшить сопротивление стали хрупкому разрушению. В связи с этим при расчете свойств по сечению крупных заготовок важно учитывать охрупчивание в процессе отпуска и последующего охлаждения. Охлаждение от температур отпуска происходит медленно, различные части изделия находятся в интервале температур 450—600°С в течение 8—10 ч.

Таким образом, для расчета распределения структуры по сечению крупных заготовок необходимо исследование кинетики перлитного и бейнитного превращений как в изотермических условиях, так и в условиях непрерывного

охлаждения. Для построения изотермических и термокинетических диаграмм для среднеуглеродистых комплекснолегированных сталей требуется наиболее полное описание кинетики изотермического распада переохлажденного аустенита с учетом всех его особенностей. Причем в аналитических уравнениях должно быть учтено влияние легирующих элементов на эти процессы. Использование результатов расчетов позволяет проводить научно-обоснованный выбор состава стали и режимов термической обработки, которые обеспечивают получение требуемых структур.

Цель данной работы заключалась в изучении особенностей кинетики распада переохлажденного аустенита при формировании гетерогенных структур хромоникельмолибденовых сталей.

Работа выполнена на кафедре Термообработки и физики металлов Уральского государственного технического университета при непосредственной научной и методической консультации доцента, к.т.н. Юдина Ю.В., которому автор выражает глубокую признательность. Также автор выражает глубокую признательность Воробьевой Е.П. и Фарберу В.М. за помощь в обсуждении работы.

1.1. Особенности протекания перлитного превращения в конструкционных сталях

1.1.1. Общие положения

Эвтектоидный распад заслуживает особого рассмотрения, как прерывистая реакция в твердом состоянии, при которой в переохлажденном однофазном материале происходит рост конгломерата из двух фаз. Исходная фаза и продукт превращения в этом случае имеют одинаковый средний состав, однако, образующийся продукт состоит из чередующихся слоев, различных по составу [3-5].

Перлитная реакция в сталях - распад аустенита (у-фазы), содержащем 0.8% С, на феррит (а-фазу) и цементит (Ре3С) - является наиболее ярким примером эвтектоидного распада у~>а+Р [6]. Распад у-раствора на смесь двух фаз а и Р может быть описан аналогично эвтектическому превращению, но в этом случае исходной фазой будет твердый раствор, а не жидкость, как при эвтектическом превращении [7]. Механизм кристаллизации пластинчатых эвтектик - последовательность процессов гетерогенного образования центров кристаллизации, [частично перекрывающихся в случае фаз, растущих в виде игл]. Этот тип роста часто называют процессом объединенного роста [6].

В системе Бе-С при эвтектоидной температуре Те^ЮООК во взаимном равновесии находятся три фазы: аустенит (у), феррит (а) и цементит (|3). При этом движущая сила превращения отсутствует в направлении как чисто аустенитного состояния, так и смеси фаз феррита и цементита. Но, если температура понизится ниже Те, то возникнет разница между значениями энергии Гиббса гомогенного аустенита и смеси фаз (феррит+цементит), которая вызывает превращение аустенита [8,9]. Эта энергия Гиббса расходуется на образование зародышей и рост перлита, как и при любом другом превращении. В результате перлитной реакции возникает пластинчатая структура с расположенными одна рядом с другой пластинами феррита и цементита, прорастающими в аустенит с сохранением постоянства толщины. Это означает, что при росте площадь поверхности раздела между пластинами увеличивается пропорционально объему претерпевшего превращение материала. Постоянно потребляемый на это вклад энергии равен

lOaf/S, где S - среднее расстояние между серединами пластин феррита и цементита; оар - средняя удельная поверхностная энергия границы раздела.

Согласно диаграмме равновесия системы Fe-C аустенит эвтектоидного состава имеет наибольшую устойчивость, и термодинамические характеристики реакций А->Ф и А—Щ максимально сближаются, а, следовательно, скорости зарождения и роста обеих фаз наиболее близки. Это обуславливает возможность одновременного, синхронного выделения феррита и цементита по механизму прерывистой реакции [10]. Перестройка решетки y-Fe (ГЦК) в a-Fe (ОЦК) сводится к переупаковке атомов (без диффузии на дальние расстояния) на границе раздела фаз [11]. Для протекания данного процесса необходима самодиффузия Fe, которая протекает по вакансионному механизму, т.е. концентрация вакансий должна быть не ниже некоторой критической.

Помимо диффузионного перехода у—>а, свободные вакансии так же необходимы для построения межфазной границы Ф/Ц, где из-за несоответствия решеток обеих фаз возникают упругие напряжения. Ориентационное соотношение кристаллов обеих фаз обеспечивает наилучшее сопряжение двух кристаллических решеток (ОЦК/орторомбическая) именно по габитусной поверхности (плоскости) пластинок [11,12]. Благодаря определенным кристаллографическим соотношениям (Курдюмова-Закса, Исайчева, Петча) как между вновь образующимися фазами, так и между ними и не претерпевшим превращение аустенитом энергия упругих искажений в объеме и энергия поверхности раздела поддерживаются минимальными [9]. Однако прямое наблюдение ориентационного соотношения между аустенитом и (Ф+Ц) затруднено тем, что обе фазы (Фи Ц) зарождаются закономерно ориентированными относительно одного из граничных зерен аустенита, но растут в другое зерно, относительно которого ориентировки оказываются случайными [13,14].

Таким образом, ниже точки эвтектоидного равновесия (т. S на диаграмме состояния Fe-C) происходит превращение, состоящее из [11]:

1) выделения цементита, требующего концентрации С =0.8 вес.%,

2) выделения феррита, т.е. полиморфного превращения у—

3) построения межфазной границы Ф/Ц, для чего, в свою очередь, необходима определенная концентрация свободных вакансий.

Так как все эти процессы протекают одновременно и согласованно, то для выделения пластинчатого перлита (1Ш) требуется определенное соотношение концентраций атомов углерода Ыс и вакансий

ЫсШу= В (1.1)

Тем не менее перлит наблюдается в сталях с различным содержанием углерода.

Существует распространенное представление [9] о возможности образования квазиэвтектоидных структур в области температур и концентраций, ограниченных продолженными линиями диаграммы состояний (рис. 1.1). Но Я.В.Гречный показал [цитируется по 15], что эти линии характеризуют только зависимость между максимально возможным перепадом концентраций и переохлаждением при эвтектоидном превращении. При этом условием образования только эвтектоида является настолько быстрое появление зародышей второй фазы в контакте с ранее образовавшимися зародышами первой, что первая фаза остается в виде очень мелких частиц, которые по размеру не превосходят частицы, составляющие эвтектоидную смесь. Кристаллы первой фазы (например, феррита) не успевают вырасти до размеров, позволяющих отличить их от кристаллов феррита, образующихся в процессе эвтектоидного распада. Формируются квазиэвтектоидные колонии, а появляющиеся первыми зародыши феррита играют роль инициаторов эвтектоидного превращения.

Однако по наиболее распространенному мнению [16] концентрационная область аустенита, превращающегося в перлит, значительно расширяется с понижением температуры за счет того, что состав аустенита на границе с цементитом обедняется по углероду, аустенита на границе с ферритом обогащается по сравнению с равновесным (т. Б на рис. 1.1). То есть с понижением температуры перлитной реакции феррит формируется все более пересыщенным по углероду, а цементит - обедненным, т.е. дефектным, что подтверждается экспериментально [17].

На основании классификации превращений по Кристиану [3] перлитное превращение относится к прерывистой реакции. Можно выделить три основных условия протекания перлитного превращения по механизму прерывистой реакции [10]:

1. Концентрационное. При составах аустенита в окрестностях эвтектоидного близкие скорости зарождения и роста феррита и цементита обеспечивают

Участок диаграммы состояния Бе-С

Рис 1.1 [15]

возможность их кооперативного выделения.

2. Термодинамическое. Малое переохлаждение аустенита обуславливает формирование зародышей феррита и цементита только по границам исходных аустенитных зерен и сравнительно низкую движущую силу превращения.

3. Кинетическое. Высокая подвижность болынеугловых межфазных границ П/А, миграция которых осуществляется путем индивидуальных перескоков атомов, требует высокой концентрации вакансий, а следовательно, и повышенных температур превращений.

Анализ этих условий показывает, что с одной стороны, перлитное превращение является относительно "слабой" реакцией, которую легко подавить или за счет изменения состава стали (легирования) или благодаря быстрому охлаждению до температур, где не происходит зарождение феррита или цементита

по границам зерен и (или) подвижность границ низка. С другой стороны, малые движущие силы перлитной реакции позволяют протекать этому превращению до полного исчерпания исходной фазы - аустенита.

При невыполнении одного из этих трех условий перлитное превращение по механизму прерывистой реакции не идет, хотя возможно образование вырожденного перлита, когда диффузионное формирование феррита и цементита происходит раздельно. В том же случае, когда протекает согласованное зарождение и рост обеих фаз, образуется пластинчатый перлит ( 1111), который имеет очень узкую температурную область существования. Пластинчатая форма перлита обеспечивает минимальный уровень упругих искажений на межфазной границе Ф/Ц вследствие лучшего совпадения межатомных расстояний двух фаз в направлениях, лежащих в габитусной плоскости и худшего в направлении толщины пластины. Происходит согласованное зарождение и рост феррита и цементита в условиях, когда определяющим фактором является минимум упругой, а не поверхностной энергии, т.е. наблюдается дефицит вакансий. Данная согласованность существует только при определенных концентрациях атомов углерода и вакансий. В противном случае, при повышенной концентрации свободных вакансий произойдет понижение упругих напряжений и фактором, контролирующим механизм и морфологию выделяющихся фаз, станет поверхностная энергия, т.е. пластинчатость перлита нарушится.

Таким образом, 1111 является исключительным случаем перлитной реакции реализующимся в определенном диапазоне термодинамических и кинетических условий.

1.1.2. Зарождение перлита

Перлит образуется из аустенита в результате процессов зарождения и роста. Давно обсуждается вопрос [9], что играет "ведущую роль" в этом процессе в эвтектоидной стали -феррит или цементит?

В работе Мейля с сотрудниками [18] было показано, что ориентация феррита в перлите по отношению к исходному аустениту весьма отлична от той, которая наблюдается тогда, когда феррит заведомо первым выделяется из аустенита, например в Fe и доэвтектоидной стали. Отсюда было сделано заключение, что

феррит не может быть активным зародышем при эвтектоидном распаде и что ведущей фазой является цементит. В то же время существует мнение, что инициирующей фазой в зависимости от температуры превращения и состава аустенита может быть как a-Fe, так и цементит [19].

Многочисленные наблюдения [20-22] показали, что образование зародышей перлита, как и в случае доэвтектоидного феррита или цементита, происходит преимущественно на границах зерен аустенита или же иногда на границах аустенита с одним из этих избыточных выделений. Зарождение двух новых типов кристаллов внутри кристалла аустенита маловероятно из-за резкого возрастания величин поверхностной и упругой энергий при зарождении [6]. Границы аустенитных зерен являются преимущественными местами зарождения новой фазы, т.к. на них имеются повышенные концентрации атомов углерода и вакансий и легко протекает диффузия из-за дефектности границ. Кроме того, границы зерен аустенита выступают в, роли подложки, что понижает изменение поверхностной свободной энергии и энергетически облегчает формирование новой поверхности [3].

Поя