автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка методов расчета растворения карбонитридов в сталях и их практическое использование

УРАЯЬСЮП ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПатаТЕХШЧЕСКШ ИКСТЖУТ имени С.М.ЫРОВА

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА РАСТВОРЕНИЯ КАРБОШШЭДОВ В СТАЛЯХ И ЮС ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая

обработка металлов

АвтореОерат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук .

Екатеринбург

1992

Работа выполнена на кафедре термообработки и физики металлов Уральского политехнического института км. С.М.Кирова.

Официальные оппоненты: о

Член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор ГЕДЪЛ П.В.

доктор технических наук, профессор • САГАРАДЗЕ В.В.

доктор технических наук, профессор СМИРНОВ Ы.А.

Ведутее предприятие - Институт металловедения и физики

металлов, г. Москва

Защита состоится декабря 1992 г. в 15_ ч на

заседании специализированного совета-Д 053.14.Сй при УПИ им. С.М.Кирова (главшй учебный корпус, аудитория ][ ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, УПЙ ш. С.М.Кирова, ученому секретарю совета института.

Автореферат разослан

-У*- ноября 1992 Г.

Ученый секретарь

специализированного совета д /■

профессор, доктор техккчеаскх наук В.А.Шилов

■ - 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность тюоблвмх. Вагшейией народнохозяйственная задэ-1вй является повышение качества металлов и сплавов, обеспвчи-¡авдкх надежность л долговечность работы деталей машин и •еханизмов. Стали, несмотря на разработку новых высокоэффективных материалов, в обозримом будущем сохранят свое роль )сноеного конструкционного материала. Основным направлением говкшешгя свойств конструкционных сталей является соверпенст-ювание сувествущих и разработка новых марок сталей и режимов ж термической обработки.■ Выбор оптимального состава сталей и кжямов их тергспеской обработки, особенно в случае хомплекс-юго легирования, является трудоемкой задачей вследствие слоистого влияния и многочисленности факторов, определяющих получа-жую структуру и достигаемый уровень ыэханических свойств. В :вязи с эии перспективным научным направлением современного гетзлловедеккя является разработка теоретических методов про-гозИрования фазового состава, структуры и свойств.

Одним из наиболее эффективных, методов повышения свойств конструкционных сталей является их легирование сильными карбо-зитрндообразуюдими элементам, т.е. карбонитридное "упрочнение. Уровень развития теории в настоящее время еце не позволяет в эбщем случае надежно моделировать процессы фазо- и структуро-эОрззоЕания в сталях и прогнозировать влияние легирования и режима термической обработки на структуру и свойства. Однако, в случае сталей с кароонигридным упрочнением,мо::ет бить достигнут значительный прогресс в этом направлении, поскольку механизм влияния карбонитридообразуодих элементов определяет-

ся, в первую очередь, тем, находятся ля они в растворенном состоянии или связаны в карбонитрвдц. В связи с эта'., зная степень растворения карбонитридов, ко;ио значительно приблизиться к предсказанию характера к эффективности влияния карбонитридообразувдкх элементов на"структуру и свойства. Поэтому актуальной является задача исследования и теорвтачес-кого моделирования процессов растворения корОонптридов в сталях при термической обработке, а также разработка расчетных методов, позволякщих попользовать информацию о степени растворения карбонитрздоз для прогнозирования их влияния на структуру и свойства.

Отдельные рзздеды работа выполнялись в соответствии с постг новленияма ГКНГ СССР Я 500 от 25.10.75, Л- 472/243 от 12.12.80 к & 422 от 17.09.85; координационно планом АН СССР по проблеме 1.3, раздел 1.3.2.4 "Исследование фазовых превращений и их влияния па механические и физические свойства твердях тел".

Цель работы.- Основной целью настоящей работа являлось теоретическое п экспериментальное обобщение закономерностей растворения карбонгорэдов в стали, разработка ггетодоз расчет; растворения этих соединений и прогнозирован:^ фазового состава, структуры и свойств сталей с карбонигригнш упрочнением, г такгз использование получениях результатов для соверсенствэ-ванкя составов -п регкмов термообработки низколегированных сталей для отливок.

Научную новизну характеризуют следуйте основные результат! диссертационной работи, вшоскмае на защиту:

I. Методы расчета фазовнх равновесий с участием многокомпонентных фаз внедрения переменного состава в сталях с карбо-

зитридным упрочнением. Результаты термодинамических расчетов растворимости карбидов, нитридов и карбонитридов в сталях с И, Ът, V, №>, Та, Сг, Мо а Я, позволившие провести анализ влияния состава стали и температуры на тип, состав и степень растворения этих соединений при аустенитизации.

2. Результаты исследования процессов диффузионного взаимодействия фаз внедрения со сталям;!, протекавдих при термической обработке сталей с карбонитридным упрочнением.

3. Методы решения задач о диффузионном взаимодействии фаз внедрения с металлическими матрицами в многокомпонентных системах, основанные на совместном решении диффузионных, балансовых и термодинамических уравнений. Результаты расчетов кинетики растворения карбидных и нитридных выделений в сталях.

4. Результаты исследований закономерностей формирования фазового.состава карбонитридов при термической обработке и их влияния на структуру и механические свойства низколегированных сталей.

5. Методы прогнозирования влияния карбонитридообразукших элементов на структуру и свойства низколегированных сталей, основанные на использовании данных о степени растворения карбонитридов при аустенитизации.

Практическая ценность и результаты внедрения. Проведенные в работе исследования закономерностей растворения и образования карбонитридов при термической обработке и их влияния на структуру и свойства низколегированных сталей, построенные номограммы для определения степени растворения карбонитридов при аустенитизации и предложенные методы прогнозирования фазового

состава, структура и свойств сталей с карбонитридным упрочнением послужили теоретической"основой для совершенствования составов сталей для отливок и режимов их термической обработки.

Сталь 20Г1ФЛ внедрена на ПО "Уралвагонзавод" для литых деталей грузовых вагонов.

Защищенная авторским свидетельством сталь 20ХГФЛ с повышенным содержанием ванадия внедрена иа Карагандинском металлургическом комбинате для деталей металлургического оборудования, а сталь 35ХСФРЛ прошла промышленное опробование и принята к внедрению на Чебоксарском агрегатном заводе для литых звеньев гусениц пахотных тракторов.

Результаты выполненных в работе расчетов растворения карбо-нитридов, разработанные з ней метода прогнозирования влияния карсонитридообразувдих элементов на структуру и свойства и данные проведенных экспериментальных исследований были переданы УралШИчермегу и использованы для уточнения составов и режимов термообработки сталей 150Л-45СЛ, 200ТЛ, 25Г0ТД, ЗОГСФТД и др. Указанные стали внедрены на Кременчугском сталелитейном заводе, Уфалейском заводе металлургического машиностроения. Волгоградском тракторном заводе и других предприятиях для литых деталей грузовых вагонов, ходовой системы тракторов, металлургического оборудования.

Суммарный долевой фактический экономический эффект автора от внедрения разработок составил более I млн. рублей.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на VII международном конгрессе по термической обработке материало

- 7 - '

(!,!ос:свз, 1990), III и 7 Всесоюзных совещаниях по термодинамике ¿еталлическпх сплавов (Минск, 1576 и Москва, 1935), IV и V Всесоюзных совещаниях по химии, технолога: и прженэшоэ ванадиевых соединений (Н. Тагил, 1932 и Чуоовой, I9S7), IV Всесоюзном совещании по xnvsn: твердого тела (Свердловск, 1935), IX Всесоюзной научно-технической конференции "Локальные рзнтге-носпектральные исследования и ja пр::менекпе" (Устинов, 1985), 711 Всесоюзном совещании по взаимодействию мз:зду дислокациям: и атоиа;.к примесей и свойствам сплавов (Гула, IS3S), XVI Всесоюзной конференции по пороговой металлургии (Свердловск, 1939), Всесоюзных научно-технически: конференциях: "Ноено конструкционные стал'.'и сплаву и методы их обработки для по-ЕипеЕил надежности и долговечности изделий (Запорожье, I9S0), "Проблема терютесксй и термомехскическоа обработки стали" (Днепропетровск, 1931), "Ковие материал; и ресурсосберегающие технолога: тер:-спеской и хкхико-термячбской обработки в касиностроенки и металлургии" (Новокузнецк, IS9I), Всесоюзном семинаре КДгСШ им. Ф.Э.Дзергизского "Методы повышения конструктивной прочности металлических материалов" (Москва, I9S3), IV-XI Уральских сколах металловедов-термистов и др.

Публикации. По материалем диссертации опубликованы книга и 43 статей, получено 7 авторских свидетельств.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, глаз, заключения, списка использованиях источников, Еключакщёго 256 наименований, и приложения, со сведениями о практической реализации работы. Диссертация изложена на 350 страницах машинорисного текста, содержит 144 рисунка к 47 таблиц.

I. ТЕРМОДИНАМИКА РАСТВОРЕНИЯ КАРБКДОЗ, НИГР1Щ03 И КАРБОШГРВДОВ В СТАЛЯХ Применение термодинамических методов дл« решения задач металловедения и термической обработки 'позволяет существенно облегчить оптимизацию состоеов и рекимоз термической обработки сталей и сплавов. В данной работе они попользовались для рэс-четов растворимости фаз внедрения, определения температурках и концентрационных условий юс образования, а таете при расчетах кинетики растворения этих соединений в сталях для определения концентраций компонентов нэ меафазных границах.

В настоящей работе были проанализированы условия равновесия карбидов, нитридов е- карбонитридов с твердыми растворами и рассмотрены возмозоюсти расчетов фазовых равновесий с участием этих соединений. Основные трудности, с которыми приходится сталкиваться при проведении термодинамических расчетов в многокомпонентных системах (к которым, в частности, относятся стали с карбонитркдным упрочнением) - это дефицит термодинамической информации, проблема выбора моделей, которые бы давали адекватное описание концентрационных и -температурных зависимостей термодинамических свойств присутствующих фаз, и сложность численной реализации расчетов.

В работе было показано, что при описании концентрационных зависимостей термодинамических свойств многокомпонентных фаз внедрения, образующихся в сталях, -корректно делать допущение об отсутствии в них отклонений от стехиометрии и целесообразно использовать модель Хиллерга-Стаффзнссона, разработанную для фаз, в кристаллической структуре которых мозкзо выделить несколько подрешэток, и осяованнув на рассмотрении взаимо-

действия отдельно в кзкдой подрекетке с учетом состава других подрешеток. На основании анализа значений энергии упругой деформации при образования твердых растворов между карбидами и нитридами в работе была оценена степень отклонения от идеальности в подобных системах и показано, что для неметаллической подресетки карбонитрэдов в большинстве случаев достаточно использовать модель совершенного раствора, тогда как для металлической подрешетки многокомпонентных фаз внедрения следует применять более слог-пшэ модели (регулярного, субрегулярного раствора и т.п.) .

В работе была проаналгаз;!ровзна и обобщена имеющаяся в на-стояцее время информация о термодинашчесхих свойствах карбидов, нитридов, карбснитридов и твердых растворов на основе железа. При этом было показано, что имеющиеся данные о произведениях ' растворимости карбидов и нитридов в тройных системах типа Ре-г,1-Х (где Ы - харбонитридообрззукщкй элемент, а X -углерод или азот) содержат термодинамическую информацию,которую мозяо использовать при расчетах фазовых равновесий с участием многокомпонентных фаз внедрения.

В диссертации били разработаны метода расчета фазоЕых разновес^ с участием фаз внедрения переменного состава, осуществлена их численная реализация на ЭВМ и выполнены термодинамические расчеты для зустенптной области систем Ре-Т1-С, Ре-'У-С, Ре-Сг-С, Ре-йо-С, Ре-У7-С, Ре-Т1-С-К, Ре-гг-С-М, Ре-7-С-И, Ре-ЛЪ-С-И, Ре-Та-С-'Т, Ре-Т1-7-С-Я и Ре-ИЬ-У-С-Н. Сравнение результатов расчетоз с экспериментальными данными показало их хорошее согласие.

В сталях, легированных переходными металлами 1У-У групп,

как правило, образуются только кубические карбиды, нитриды и карбошпрлш со структурой тгпэ Кай. Поэтому при проведении термодинамических расчетов для соответствующее систем учитыв лаоъ возможность образования наряду с аустенитом только этих фаз. Проведенные расчеты показали, что исключительно сильное влияние на растворимость карбонитридов элементов IV группы в аустените оказывает содержание в стали азота и соотношение между содержаниями азота и нарбокитридообразувдего элемента. При наличии в сталях с Т1 или Ъг даке небольшого количества азота нельзя достигнуть полного растзорения карбонитридов пр термической обработке. При этом, если атомная доля Т1 кли Ъг меньше атомной доли N. то практически весь карбонитридообра-зутеий элемент связывается в фазу, близкую по составу к нитриду, и степень растворения карбонитридов при аустенитизацш ничтожно мала, а изменение температуры и содержания углеродг стали почти не оказывает влияния на фазовый состав. Если же атомная доля !г1 или Ът больше атошой доли N. то в аустенит может переходить заметное количество карбонитридообразуддег« элемента, тогда как азот практически полностью находится в связанном состоянии и его концентрация в аустените ничтожно мала. Для этого диапазона составов проявляется влияние соде жания углерода .на фазовый состав, и он в заметном .количеств появляется в составе карбонигридной фазы,а при повышении температуры имеет место заметное ее растворение и уменьшена доли углерода в составе. При этом существует предельная степень растворения карбонитридов, достигаемая при термичес обработке, которая определяется соотношением между содержав мн карбонигридообразугацего элемента и азота.

В отличие от карбоклтридсз Г1 и Zr карбонлгриды элементов ругш, если содержание хгрбоннтридообразуюсзго элемента з ли достаточно мало, могут бить полностью растворены в аусте-е. Из них наиболее высокой растворимостью обладавт карбо-рпды ванадия, полное растворение которых, особенно в сталях дополнительного легирования азотом, может быть дооктнуто относительно низких температурах аустенитиззщи. Для сис-ы Fe-V-^-N, как и для систем Fe-Tl-C-N и ?е-2г-С-!Г, харак-но значительно более сильное влияние азота на фззоЕЫй cocho сравнению с углеродом. Карбоннтридц 11Ь и Та обладают зственио меньсей растворимостью з эустс;п:?е, чем карбокнг-ы V, в связи с чем степень их растворения "При низких тем-атурзх аустекитиззцнл невелика, но при высокзя тегятсратурах ет быть достигнуто их полное растворекие. В отличиз от сис-?e-Ti-C-N, ?e-Zr-C-К и Fe-V-C-N, влияние азота на фазовый тав систем Pe-Nb-C-N я Fe-Ia-C-ÍI соизмеримо с влиянием ерода.

В сталях, легированных дву!-'.я или более карбокитридообразув-и элемента;®, образуются комплексные карбо ни гриди. В диссер-ки сыли выполнены термодинамические расчеты для систем • Ti-V-C-N и Fe-I.t-V-C-'I, в которых могут образовываться плексные карбоннтриды.-При этом было показано, что для кар-итридоз, образующихся в системе Fe-TTb-V-C-íí, характерны чительные положительные отклонения от идеальности, в связи зм при определенных условиях в состоянии равновесия в этой теме могут сосуществовать две карбонитридные фазы разлзпно-состава. Изменение состава стали оказывает сложное влияние растворимость кгрбонитридов, образущихся в системах

- 12 -

Ре-Т1-У-С-Л и Ре-КЬ-7-С-Я. Последняя при изменении состава стали может меняться в очень широких пределах. При этом значительное влияние на фазовый состав оказываем различие в карбидо- и нитридообразукщкх спосос5ностях элементов.

При проведении термодинамических расчетов для систем Ре-Сг-С, Ре-Ио-С и Ре-Я-С учитывалась возможность образования в них нескольких типов карбидных фаз: КуС3, КгэС6. НбС, М2С, МС, М3С (цементит) и М3С (£-карбид). Проведенные расчеты показали, что изменение .температуры и состава стали оказывает значительно оолее слотов влияние на фазовый состав данных систем по сравнению с системам: типа Ре-М-С (где М - переходный металл IV или V группы). Это обусловлено тем, что в рассматриваемых системах возможно образование нескольких типов карбидов, причом переменного состава, содержащих Ре. Поэтому изменение температуры и состава стали в данном случае приводит к изменению ке тол^..о степени растворения, но также типа и ♦ состава образующихся карбидов. В результате термодинамических расчетов сыли определены температурные и концентрационные области стабильности различных карбидных фаз в системах Ре-Сг-С, Ре-Мо-С к Ре-??-С и показано, что состав карбидов в сталях с Сг может значительно меняться при изменении состава стала, но слабо зависит от температуры, тогда как в сталях с Мо к 5? изменение температуры и состаза стали очень слабо влияет на состав образующихся карбидов.

2. исследование ди«йуз1юшого взаимодействуя карбидов,

ШЕГИЩСВ К КАЖНИГШОЗ СО СТАЛЯМ Изучение особенностей диффузионного взаимодействия карбидов, нитридов и карбонитридов со сталями необходимо для пони-

- 13 -.

мания процессов, протекавших при термической и химико-термической обработке сталей, и для их численного моделирования. Исследования были выполнены на сварных диффузионных парах. Применение методики диффузионных пар позволило в определенной степени смоделировать процессы, протекающие при растворении и росте частиц карбидов, нитридов и карбокитридов в процессе термической обработки, выявить роль граничной кинетики, установить возможность образования промежуточных фазовых слоев, изучить условия равновесия на межфазных границах, а также определять коэффициенты диффузии в присутствующих фазах. В работе были изучены следушие диффузионные пары: Т1С, ГШ, 7С, те, ю>с, мь2с, ткс.н), у(с,ю. т.ухз. (иь.ую, сг3с2, ИоаС, Ж, У?гс. Сг, Ко - Ре (сталь). Пары, полученные диффузионной сваркой в вакууме под нагрузкой, отгкгались в вакууме при температурах П00-1400°С и исследовались 'методами металлографии, рентгеноструктурного и мякрорентгеноспектрального анализоз.

Проведенные исследования г._::азали, что при взаимодействии фаз внедрения с железом и сталями фазовый состав диффузионной зоны, как правило, соответствует равновесному, на мезгЗазных . границах устанавливаются равновесные значения концентраций компонентов, которые на изменяются со временем, а кинетика процесса контролируется объемной диффузией. Однако следует отметить, что методика диффузионных пар позволяет изучать кинетику диффузионного взаимодействия только на относительно поздних стадиях, и поэтому нельзя исюпочагь возможности влияния неравновесных явлений на самых ранних стадиях процесса.

При взаимодействии с железом и сталями кубических карбидов,

нитрвдоз и карбонитридов элементоз IV-V груш в температурной области существования аустенита могут реалкзозываться два основных случая: взаимодействие фазы внедрения непосредственно аустекитом и взаимодействие, сопровождающееся образованием кшзду исходной фазой внедрения и аустекитом слоя феррита. При взаимодействии с железом и сталями карбидов и нитридов одного элемента кх состав практически не меняется по сравнению с исходным и элементы переходят в матрицу з количествах, пропор цкональных. та доле в составе фазы внедрения. Это объясняется отсутствием термодинамического стимула для изменения состава, т.к. равновесный состав этих соединения близок к стехиометри-ческому и может меняться только в очень узких пределах.

.Взаимодействие с железом и сталями многокомпонентных фаз внедрения (карбокитридсз, комплексных карбидов) мокет сопровождаться протеканием в них процессов взаимной диффузии, приводящих к изменению их состава и оказызаистх влияние на кинетику процесса. В этом случае элементы переходят в сталь в количествах, не пропорциональных их доле в составе фазы внедрения.

Значительное влияние на кинетику взаимодействия со сталями многокомпонентных фаз внедрения оказывает кх исходный состав, определяющий термодинамическую стабильность этих соединений и условия равновесия на границе со сталью. Было обнаружено, что при взаимодействии с железом и сталями комплексных карбидов типа (Т1,У)С и (№),У)С перераспределение металлических элементов фиксируется в приграничной зоне карбидов значительно большей толшаны, чем можно было бы ожидать, исходя из имеющихся данных о коэффициентах само диффузии в рассматриваемых фазах.

- 15 - :

fti склонны объяснять значительное увеличение диффузионной под-зижности металлических атомов в приграничной зоне комплексных сарбидов увеличением в ней концентрации вакансий. Об этом косвенно свидетельствует изменение структуры приграничной области сомплексных карбидов, в которой появляются поры, образовавии-1ся, вероятно, в результата коагуляции вакансий.

В случае взаимодействия с железом и сталями комплексных сарбидов типа (Nb,V)C наряду с изменением состава приграничной юны наблвдалось также расслоение в исходном карбиде на облас-и, обогащенные ванадием, и области, обедненные этим элементом. )то объясняется тем, что в системе NhC-VC при температурах вага 1750 К отсутствует неограниченная взаимная растворимость, [ поэтому в процессе отжига происходит распад на две карбидные азы различного состава. Однако интересно отметить, что рас-лоение в процесса отжига фиксировалось только в приграничных часгках. имеющих повышенную концентрации вакансий, тогда как i областях, удаленных от меифазной границы, оно отсутствовало.

При взаимодействии с железом и сталями карбидов Сг, Мо и W, также гексагональных карбидов Nb и V типа М2С в диффузионной онэ, наряду с ферритом, наблюдалось образование промежуточных арбидных и интерметаллидных фазовых слоев. Наиболее сложный азовый состав диффузионной зоны формировался при взаимо-ействии с железом и сталями фаз внедрения, которые в равно-есных условиях не могут сосуществовать со сталями (V2C, Ш)2С, г3С2 и т.п.). Проведенные исследования показали, что в цро-зссе диффузионного взаимодействия с Fe и сталями карбвдов Сг i состав может меняться в широких пределах (изменяется соот-эшение Сг и Ре в металлической годрешетне), а состав карбидов

Ыо и V? при этом почти на меняется, что согласуется с результатами термодинамических расчетов. Вследствие этого кинетика диффузионного взаимодействия с матрицей карбидов, образующихся в системе Ре-Сг-С, в значительной степени определяется скоростью протекания в них диффузионных процессов, тогда как в случае карбидов, образующиеся в системах Ре-Мо-С и Ре-1-С, они не будут оказывать существенного влияния.

Диффузионное взаимодействие карбидов, нитридов и карбонит-ридов с ре и сталями мозгет сопровождаться образованием слоя феррита, что значительно влияет на кинетику процесса, т.к. коэффициенты диффузии элементов в феррите значительно выше, чем в аустените. Образование в диффузионной зоне этого фазового слоя объясняется тем, что переходные металлы 1У-71 групп являются сильными а-стаСилизирувди©1 элекментами, в связи с чем переход их из фазы внедрения в сталь может'приводить к стабилизации ОЩ структуры. Образование слоя феррита тыл более вероятно, чем вше растворимость фазы внедрения, больше а-стабилизирупдая способность карбенктридообразриих элементов, • входящих в ее состав, меньше содержание углерода в стали и вьше. температура.

Значительное влияние на кинетику диффузионного взаимодействия оказывает легирование стали. Оно может приводить к стабилизации тех ши иных структур и изменению термодинамических свойств присутствующих фаз. Вследствие этого при легировании могут изменяться значения концентраций элементов на межфазных границах и фазовый состав диффузионной зоны.

В работе были определены коэффициенты взаимной диффузии карбонитридообразувдих элементов в твердых растворах на основе

- 17 -

Ре и некоторых фазах внедрения. Определение полной матрицы соэффициентоз взаимной диффузии является крайне трудоемкой задачей. Однако, как показано в работах Г.В.Щербедкнсксго, 1.Г.Ворошила, Б.Ы.Хусида, в случае систем, содержащих элементе с резко различающейся диффузионной подзееностьв (к которым >тносятся системы, рассматриваемые в данной работе), могут быть юстигнугы существенные упрощения.

В (п+1 )-компонентном сплаве, содержащем г+1 элементов ¡амецения и п-г элементов внедрения, мэссоперенос медленно 3!ф5ундирукЕих элементов (элементов замещения, для которых ■Сг) монет быть описан следующей системой уравнений:

— = + 2 Б^уо;) » (I)

ат 11 1 1

де И* - концентрация 1-го компонента, а - результирующий

оэффициент взагмной диффузии в-фазе Г.

ря таком подходе для каадой фазы при описании массопереноса

ахдого из элементов замещения требуется лишь г результиружих

оэффиниэнтоз В^ вместо п парциальных коэффициентов взаимной

иффузли - .

Больпккство рассматриваемых в настоящей работе систем - это

зстемы типа Ре-К-С, ?е-М-Н и Ре-К-С-Н (гдэ М - иарбонитрвдо-

5разуюгий элемент). В них мэссоперенос карбонитридообразуицего

темента будет определяться лезь одним диффузионным коэф2тш-

1том В. „., который в дальнейшем мы будем называть просто коэф-

Мм

центом диффузии соответсгвугацего элемента и обозначать как

В данной работе значения Ьи определялись по методике Матано I основании распределений концентраций карбонитридообра-теих элементов в диффузионных парах. В результате обработки

данных для ряда систем сыли получены аналитические выражения, описывающие концентрационные и температурные зависимости Бм. Было показано, что коэффициенты диффузии большинства карбо-нитридоооразущих элементов в аустените слабо зависят от их концентрации, но заметно возрастают при увеличении содержания углерода в стали. Для коэффициентов диффузии Т1, V и ЫЬ в феррите не было зафиксировано заметной концентрационной зависимости, тогда как коэффициенты диффузии Сг, Мо и № в феррите заметно уменьшается при увеличешзз их концентрации. Определение Ии в комплексных карбидах, образованных Сг, Но, 7? и Ре, показало, что они имеют тот же порядок, что и в твердых растворах на основе Ре. При этом для карбидов типа (Сг,Ре)7С3 и (Сг,Ре)2ЭС6 были зафиксированы сильные зависимости Бм от состава карбидов.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ ЖФСГОШННОГО ВЗАШОДЕИСТВИЯ ФАЗ ВНЕДРЕНИЯ СО СТАЛЯМИ В диссертации были разработана методы решения задач о диффузионном взаимодействш? фаз внедрения с металлическими матрицами. Исходя из целей настоящей работы основное внимание было уделено моделированию процессов растворения выделений в сталях, но развитые в работе методы могут быть использованы также при решении других задач: о росте выделений, взаимодействии покрытий с металлическими матрицами, спекании порошковых материалов, росте фазовых слоев при химкко-термической обработке и т.п. Рассматриваемые задачи относятся к классу нелинейных задач о диффузии в областях с движущимися границами (проблема Стефана). При ях решении,основываясь на результатах экспериментального исследования и литературных

- 19 -

иных, использовалось приближение Вагнера- Киркзлди, т.е. едполагалось, что на мехфазкых границах устанавливается кальное термодинамическое равновесие, а кинетика процесса ляется чисто диффузионной. Мы ограничились рассмотрением номерного случая (для плоской, цилиндрической и сферической мметрии задачи), т.к. это позволяет учесть основные особен-сти диффузионного взаимодействия выделений с матрицей без из-янего усложнения задачи. При этом преследовалась цель разра-гать методы репения подобных задач в возмоию Солее общем се, т.е. учесть многокомпонентное^» системы, образование эмекуточкых фазовых слоев, концентрационные зависит.'госта йузиокных коэффициентов, перекрытие диффузионных полей зличных выделений и т.п. Били рассмотрены задачи о днффу-экном взаимодействии одного выделения с бесконечной матрицей зовокупности выделений с ограниченной матрицей. В последнем гчае матрица разбивалась на ячейки и рассматривалось зимодействпе в одной ячейке.

Для рассматриваете задач массопереяос в кавдой фазе гашается следувдей системой дифференциальных уравнений:

-4- М = -Л-Л. <_ГЧ 3«), (2)

у* • 8% г дт -1

! Уу - объем, приходящийся на один узел металлической [решетки фазы I; д - показатель степени, определяющий метргао задачи (0 - плоская, I - цилиндрическая, 2 -рическая); З* - плотность потока компонента 1 в фазе Г. Для случая взаимодействия одного выделения с бесконечной рицей, когда меаду выделением (фаза I) к матрицей (фаза 0) ут образоваться промежуточные фазовые слои, начальные и

граничные условия имею? вид:

Р.г(г=0)=Ко (3); ^(г^-ЫЗ)^ (4); 1^(г>Но,т=0)=°и« (5);

«зи! г

дт

= 0 (6); 11®(г«в.1)=о0? (7),

г=0 1

где ^ - координата границы Фаз 1 и 1+1; и - исходные концентрации 1-го компонента в выделении и б матрице. Кроме того, в качестве граничных внступают такяе условия баланса масс и локального термодинамического равновесия на мэгфазнкх границах, которые в общем случае гае ют вид:

У у "

где концентрация 1-го компонента в фазе 1 на границе с

фазой Г+1; - химический потенциал 1-го компонента в

фазе I на границе с фззоЯ Г+1.

Отличие в формулгровке задачи для ограниченной матрица состоит только в виде граничных условий, которые в этом случае вместо уравнений (7) будут включать уравнения вида:

00«

=•0 , (10)

Зг

которые определяет равенство нулю градиентоз концентрата на границе ячейки (г=И1).

Слонаость подобных-задач в случае многокомпонентных систем определяется необходимостью совместного решения дифференциальных уравнений, описнвалдас массоперенЬс в системе, и трансцендентных термодинамических уравнений, вкразаших условия равновесия на мегфазных границах. В работе были рассмотрены • возможности использования для решения таких задач аналитичес-

- 21 -

щ, полу аналитических и численных методов..

Аналитическое решение было получено для случая взаимодействия плоской частицы с бесконечной матрицей. При этом была учтена многскомпонентность системы я образование промежуточных фазовых слоев. С использованием полученного решения были выполнены расчета кинетики диффузионного взаимодействия фаз внедрения со сталями для различных вариантов фазового состава диффузионной зоны. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными, полученным:! на диффузионных парах, показало их хорошее согласие. Однако применение аналитических методов не позволило получить в замкнутом виде реиения задач о росте или растворении больаого числа выделений з ограниченной матрице для многокомпонентных систем. В диссертации было показано, что некоторые такие задачи могут быть решены с помощью полуаналитических методов, 'основанных на использовании аналитических выражений для распределений концентраций компонентов в сочетании с численными методами. В частности, была разработана методика расчета кинетики растворения выделений постоянного состава в згрзшгаенной матрице. Главным достоинством полуаналитических методов является относительная простота, что делает возможным зроввденив расчетов на малых ЭВМ без больпих затрат малинного зремени, но их серьезным недостатком является внутреннее тротиворечие, которое состоит в том, что в задачах, не имекяш аналитического решения, используются аналитические выражения 1ля распределений концентраций, которые приходится выбирать юстаточно произвольно. Кроме того, применение аналитических и голуаналитических методов обычно не позволяет учесть сонцентрационные зависимости диффузионных коэффициентов.

В работе было показано,что наиболее широкие возможности для решения задач о диффузионном взаимодействии выделений с матрицей имеют численные методы, которые не требуют использования многих упрощений, обычно необходимых в случав применения аналитических и полуаналитических методов. Поэтому в диссертации им было уделено наибольшее внимание. Был разработан численный метод решения таких задач, основанный на использовании техники конечных разностей. При этом применялись подвижные пространственные сетки, жестко связанные с фазами, присутствующими в диффузионной зоне. В процессе изменения толшпш фазовых слоев координата внутренних узлов менялись таким образом, что их расстояние от межфазных границ всегда составляло определенный процент от толщин фазы. В этом случае скорость движения внутреннего узла фазы Г, имеющего координату г, является линейной комбинацией, скоростей границ раздела с соседствующими фазами:

1 <т. , ¿и,

V (Г) - --- {(Н^-г)+ (г-д )_. (11)

" . * ***

Интенсивность изменения концентраций компонентов в подвижных' узлах выражалась , с пожадьп подстановки Шсррея-Ландаса:

си* аи! аи*

= V (Г) + . (12)

ах ■ ег г <зх Подстановка в это уравнение выражений (2) и (11) дает:

<гт си У У, г4 ат 1 " 4

Разностная аппроксимация этого уравнения, была осуществлена использованием консервативной неявной разностной схемы. При а использовались неравномерные пространственная и временная сет

- - 23 - . '

Лия решения разностных уравнений совместно с трансцендентными термодинамическими уравнениями в диссертации была использована итерационная процедура, при которой вся система уравнений разбивалась на несколько систем, которые последовательно решались до тех пор, пока -не достигалась необходимая точность. Для каждой мегфазной границы методом Ньвтона-Рафсона решалась система из термодинамических и балансовых уравнений в разностной форме, а для каждой фазы методом прогонки - система разностных диффузионных уравнений. С использованием разработанного в диссертации алгоритма был выполнен вычислительный эксперимент, анализ результатов которого позволил выбрать оптимальную стратегии счета, гарантирукцую высокую точность расчетов. Было показано, что в рамках предложенного метода можно учесть концентрационные зависимости диффузионных коэффициентов, образование промежуточных фазовых слоев, влияние поверхностного натяжения и т.п.

В работе было проанализировано влияние перекрытия диффузионных полей различных выделений на кинетику процесса растворения. Было показано, что перекрытие диффузионных- полей различных выделений по элементу внедрения возможно уже на ранних стадиях процесса, и это приводит к изменении значений граничных концентраций и отклонению движения межфазной границы от параболического закона. С перекрытием диффузионных полей по карбо-нитридообразулцему элементу, что имеет место на относительно поздних стадиях процесса, растворение резко замедляется и отклонения от параболического закона становятся особенно заметными.

В диссертации были выполнена расчеты кинетики растворения выделений VC, NbC, TIC, VN, HbN, <Mö,Fe)6C, (W,Pe)5C в сталях различного состава в процессе аустенитизации при различных температурах. На основании'результатов расчетов построены номо-

граммы для определения степени растворения кароидов и нитридов в процессе аустенитизации, которые могут быть использованы при назначении режимов термообработки сталей. Проанализированы факторы, определяющие кинетику растворения карбидов и нитридов при аустенитизации. Показано, что очень сильное влияние на кинетику оказывает размер выделений. При этом для широкого диапазона размеров частиц имеет место пропорциональность времени, необходимого для достижения соответствующей степени растворения, квадрату их радиуса. Растворение выделений протекает тем медленнее, чем больше их термодинамическая устойчивость. К замедлению процессов растворения карбидов и нитридов приводит увеличение содержаний углерода и азота в стали. Процесс рзстЕорения очень сильно ускоряется с повышением температуры. При этом следует отметить, что влияние кинетических факторов на достигаемую степень растворения выделений проявляется, главным образом, при относительно низких температурах аустенитизации (ниже ~ 1000°С). При более высоких температурах выделения, если их размеры не слишком велики, как правило, растворяются очень быстро, и степень растворения второй фазы будет определяться только термодинамическими факторами.

4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТГОГОДИШШЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ДЛЯ АНАЛИЗА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ КАРБОНИТРВДООБРАЗУН1Щ ' ЭЛЕМЕНТОВ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ В работе были рассмотрены возможности использования разработанных теоретических методов для прогнозирования фазового состава обычных промышленных сталей, которые в общем случае являются многофазными, многокомпонентными системами, и применение этих, данных для анализа и прогнозирования влияния

карбонптридообразукцкх элементов на структуру и свойства низколегированных сталей. Для этого были выполнены систематические исследования закономерностей формирования карбоштридов и иг влияния на структуру и механические свойства сталей с V, lib и Т1. Большинство исследований было проведено на сталях для отливок. При этом ставилась задача проследить формирование кзрбснитридных фаз, начиная с кристаллизации слитка и до окончательной термообработки.

Выло обнаружено, что з сталях с титаном в литом состоянии присутствуют крупные нитриды (1-10 ккм), ваделявсдэся при кристаллизации, дисперсные нитрида ( ~ 10 нм), образующиеся в процессе охлаждения от.тнзки, а также сульфиды титана. Кроме того, значительная часть титана остается з твердо?.! растворе и при псслэдукцея аустенптизации выделяется в Еиде шсокоуглеро-дисткх карбокигридоз, тогда как количества крупных и дисперсных нитрздоз и сульфидов титана при этом практически не меняются по сравнении с литым состоянием.

Для прогнозирования количеств крупных и дисперсных нитридов и сульфидов титана" была предложена термодинамическая модель процесса затвердевания сталей с титенсм, основанная на разбивала процесса кристаллизации на множество пагсз, на каздом из которых происходит увеличение количества твердой фазы на опре-деленкув Езлнчину. Предполагаюсь, что на каздом.пагэ затвердевания устанавливается локальное равнозесие меаду-гидкой ¡зззсй и очередной порцией твердой фзза, тогда как концентрата! элементов в твердой фазе, образовавшейся ранее, остаются теизмвнншш (за ясклтекием концентрации углерода, которая зыравнивается по объему твердой фазы). Проведенное сравнение результатов расчетов с экспериментальным! данными показало их

хорошее согласие. Были рассчитаны и построены номограммы, позволявшие определять количества крупных и дисперсных нитридов и сульфидов титана, образующихся в сталях различного состава.

В сталях, легированных ванадием те ниобием, в литом состоянии реализуется высокая полнота выделения карбонлтридов. Основными морфологическими типами выделений являются цепочечные и равномерно распределенные. Кроме того, начиная с ~ 0,3

в структуре появляются относительно крупные частицы размером до ~ 200 нм, которые преимущественно располагаются по границам зерен. В сталях с ниобием этот тип выделений появляется уже при 0,026 5 КЬ, При нагреве в аустенитную область происходит частичное или полное растворение карбонитридов и увеличение их среднего размера. Показано, что увеличение среднего размера карбонитридов ванадия и ниобия при нагреве обусловлено, глазным образом, растворением наиболее дисперсных частиц, тогда как коагуляция выделений оказывает относительно слабое влияние.

Проведенные исследования показали, что во многих случаях при ауствЕитазации достигается фазовый состав карбонитридов, близкий к'равновесному, и.существует возможность использовать для его прогнозирования термодинамические методы. В диссертации были разработаны методы расчета растворимости карбонитридов в низколегированных сталях и осуществлена их численная реализация. При расчетах была учтена возмоевость образования в стали, наряду, с аустенитом и карбонитридами, >других фаз, присутствие которых будет приводить к сдвигу равновесия. Это касается, в первую очередь, нитридов и оксидов алюминия, а в случае сталей с Т1 - также и сульфидов.

- 2? -

Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными показало их хорошее согласие. На основании результатов термодинамических расчетов построены номограммы для определения степени растворения карбонитридов в конструкционных сталях различного состава при аустенитизации,.которые охватывают практически все стал1'., входяпдае в ГОСТы 19281-73, 19282-73 , 977-83, 21353-87, 4543-71 на строительное и машиностроительные стали и стали для отливок. Анализ результатов расчетов показал, в частности, сильное влияние на растворимость карбонитридов содержания А1 в стали. Наиболее сильно А1 влияет на растворимость карбонитридов V, существенно слабее - на растворимость карбонитридов Ю и почта не оказывает влияния на растворимость карбонитридов Т1.' Построенные номограммы могут быть использованы при уточнении составов и регмшв термообработки конструкционных сталей.

Проведенные исследования показали, что анализ равновесной концентрации Сора в аустеките при температурах нагрева под закалку, которая.может Сыть определена в результате термодинамических расчетов, позволяет прогнозировать влияние состава :тали на прокализаемость боросодержащкх' сталей. В работе были троведэка такие расчеты, на основании результатов которых построены номограммы для определения равновесной концентрации бора ! аустените- для сталей с различным - содержанием В, А1, 11 и К.

Проанализированы факторы, определякпрга изменение структуры и войств нормализованных сталей для отливок при легировании их ильными карбонитридообразущкми элементами. При легировании V труктура в нормализованном состоянии изменяется слабо, а вменение свойств связано, главным образом, с дисперсионным прочнением стали карбонитридами, выделяющимися в процессе ывхдения на' воздухе. За изменение свойств при легировании Т1

и № ответственны, в первую очередь, дисперсные нитриды Т1 и карОонитриды №>, сдерживающие рост вустекитного зерна при на -греве, что обеспечивает измельчение ферритнорр зерна нормализованной стали и, как следствие, повыпение прочностных свойств и снижение температуры вязко-хрупкого перехода. При избыточном легировании в стали могут образовываться крупные карОонитриды V и Щ> и крупные нитриды и сульфиды ?1. Эти частицы вызывают охрупчивание к повышение порога хладноломкости.

В работе было показано, что анализ результатов термодинамических расчетов часто позволяет предсказать характер влияния легирования карбонитркдоабразущики элементами на структуру и свойства сталей, а в некоторых случаях его можно даже количественно прогнозировать. В работе было показано, что влияние дисперсных карбонитрвдов, присутствукщих при нагреБе под нормализацию, на размеры аустенитного и ферритного зерна можно оценить с

помощью параметра отражающего объемную доле и

1 1 1

распределение частиц карбонигридов по размерам при температуре нормализации (здесь 11 - объемная доля частий, имепзих размер (11). В работе была предложена модель, поззоляецзя с использованием результатов термодинамических расчетов прогнозировать распределение частиц по размерам и значение параметра

ЩГ.,/0]~1 ш температурах аустенитнзации на основаша: данных 1 1 '

о распределении частиц в исходном состоянии. Предложен метод, позволявший количественно прогнозировать величину дисперсионного упрочнения в нормализованных сталях на основании данных о растворимости карбонитридов в аустеште и температурном интервале т-а превращения при нормализации. Проведена экспер:шен-тельная проверка предложенного метода и показана удовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных результатов.

- 29 - :

5." ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ .

Результаты диссертационной работы получили практическую реализацию при совершенствовании составов и режимов термической обработки сталей для отливок. В работе рассматривались возможности повышения качества сталей в результате их легирования такими элементами, как V, т! и т.п. и модифицирования РЗМ и ЩЗМ при использований стандартных режимов термообработки, поскольку в условиях массового, матэриалоемкого производства отливок использование дефицитных легирующих элементов и сложных режимов термообработки нецелесообразно по экономическим соображениям. При этом учитывались результаты проведенных в работе экспериментальных исследований, показавших, что влияние карбонитрвдообразуших элементов на структуру и свойства сталей для отливок отличается от их влияния на эти характеристики деформируемых сталей, и интервалы оптимального легирования не всегда совпадают. Это связано с различиями в формировании фазового состава карбонитридов, которые обусловлены, в первую очередь, отсутствием в цикле обработки литейных сталей таких операций, как гомогенизация и горячая пластическая деформация, а также некоторыми особенностями химического состава сталей для отливок.

Совершенствование составов и режимов термообработки сталей для отливок, имело цель повысить уровень их конструктивной прочности, т.е. сочетание собственно прочности и хладостой-кости. Содержания карбоштридообразувдих элементов и режимы термообработки выбирались исходя из того, чтобы обеспечить это за счет оптимального сочетания вкладов дисперсионного и зерно-граничного упрочнения. При этом использовались результаты вн-толненных в диссертации расчетов растворения карбонитридов.

разработанные в ней метода прогнозирования влияния карбонит-ридообразупцих элементов на структуру и свойства и данные проведенных экспериментальных исследований. В работе было показано, что кикролегирование сталей для отливок карбонитридообра-зуюцими элементами позволяет значительно повысить уровень их прочностных свойств без ухудшения хладостойкости- Наилучшие результаты дает комплексное легирование V и Т1 или V и ЛЬ. Однако при этом не удается добиться существенного улучшения хладостойкости. Поэтому применялись другие способы улучшения качества металла, в частности, обработка расплава КЕМ и 1153М. Проведенные исследования показали, что обработка стали РЗ.Ч и ЩЗМ позволяет обеспечить сншюниэ индекса загрязненности стали

■ Г)

неметаллическими включениями, их глобуляризацию и более равномерное распределение включений в структуре литого металла, что привода к повышению сопротивления стали вязкому в хрупкому разрушению. На основании выполненных исследований были выбраны оптимальные количества модифицирующих добавок, даизих максимальный положительный эффект.

Защищенная авторским свидетельством (1027269) сталь 20ХРЭД с повышенным содержанием ванадия внедрена на Карагандинском металлургическом комбинате для деталей металлургического оборудования.

В результате работ, выполненных совместно с сотрудниками ПО "Уралвагонзавод", УралНИИчермет и других организаций, сталь 20ГШ внедрена на ГО "Уралвагонзавод" для литых деталей грузовых вагонов.

Результаты выполненных в работе расчетов растворения карбо-нктридов, разработанные в ней методы прогнозирования влияния карбонитрвдообразущих элементов на структуру и свойства ста-

лая и данные проведанных экспериментальных исследований была переданы УралКИКчермету и использованы при уточнении составов и режмов термообработки сталей 15СЛ-450Л, 20СГЛ, 25ГОТЛ, ЗОГСОТЛ и др. Указанные стали внедрены на Кременчугском сталелитейном-завода. Волгоградском тракторном заводе, Уфалейском завода металлургического машиностроения и других предприятиях для литых деталей грузовых вагонов,, ходовой системы тракторов, металлургического оборудования.

Предложенные в работе методы прогнозирования фазового сос-таза, структуры я свойств стзлой была использованы при разработке стали 35ХССРЛ, проведенной совместно о сотрудниками ЧАЗ, 1ШМ, КАТИ (з.с. 1745775). Указанная сталь прошла промыаленнов опробование и лркаята к внедрению на Чебоксарском агрегатном заводе для звеньев гусениц прошеных тракторов.

Суммарный долевой фактический экономический эффект автора от внедрения разработок составил более I млн. рублей. .заключение

В работе проведено теоретическое и экспериментальное обобщение закономерностей растворения карбидов, нитридов и карбонитридов в сталях, разработаны метода расчета растворения этих соединений и методы прогнозирования фазового состава, структуры и свойств сталей с карбоялтрлднкм упрочнением. Выполненные в диссертации разработка использованы для соворсенствовакия составов и режимов термической обработки низколегированных . сталей для отливок. Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

I. Проанализированы условия равновесия карбидов, нитридов и карбонитридов о твердыми растворами на основе железа и рассмот-

рены возможности проведения расчетов фазовых равновесий с участием этих соединений. Показано, "что при описании концентрационных зависимостей термодинамических'свойств многокомпонентных фа: внедрения, образующихся в сталях, корректно делать допущение об отсутствии в них отклонений от стехиометрии и целесообразно использовать модель Хиллерта-Стаффонссона, разработанную для фаз, в кристаллической структуре которых можно выделить несколько подрешеток, и основанную на рассмотрении взаимодействия отдельно в каждой подрешетке с учетом состава других подрешеток,

2. Проанализирована и обобщена имеющаяся информация о термодинамических свойствах карбидов, нитридов, карбонитридов и твердых растворов на основе железа. Показано, что выражения для температурных зависимостей произведений растворимости карбидов ] нитридов в тройных системах типа Ре-М-Х (где М - карбонитридо-образувдий элемент, а X - углерод или азот) Содержат термодинамическую информацию, которую можно использовать при расчетах фазовых равновесий с участием многокомпонентных фаз внедрения.

3. Разработаны методы расчета фазоЕых равновесий с участием многокомпонентных фаз внедрения переменного состава, осуществлена их численная реализация на. ЭВМ, выполнены термодинамические расчеты для систем Ре-Т1-С, Ре-7-С, Ре-Сг-С, Ре-Мо-С, Ре-7/-С, Ре-Т 143-И, Ре-йг-С-Н,. Ре-У-С-Л, Ре-№-С-К, Ре-Та-С-Н, Ре-Т1-У-С-Н, Ре-НЪ-У-С-Н и проанализировано влияние состава стали и температуры на тип, состав и степень растворения в аустените карбидных и карбонитридаых фаз, образующихся в этих системах.

4. На сзаршх диффузионных парах выполнены исследования дифф; - зионного взаимодействия карбидов, нитридов и карбонитридов с Ре

сталями. Они показали, что фазовый состав диффузионной зоны, ка правило, соответствует равновесному, на межфазных границах уста

- 33 -

вливаются равновесные концентрации компонентов, а кинетика юцесса контролируется объемной диффузией. Характер диффузионно взаимодействия фаз внедрения со сталями в основном опреде-ется возможностью их сосуществования в равновесных условиях, -ставом и растворгаостью этих соединений в стал:!, а- или 7-абклизирувдей способностей элементов, входящих в состав фазы едренля, температурой и.составом стали.

5. Пока', "но, что единственный промежуточный фазовый слой, ко-рыа может образовываться при взаимодействии с Ре и сталями куче ских карбидов, нитридов и карбонитридов элементов 14-V групп температурной области существования аустенита - это слой Ферта. При взаимодействии с Ре и сталям: карбидов элементов VI улпы и гексагональных карбидов V группы, наряду с ферритом, гут образовываться промежуточные карбидные и интерметаллнднке зовые слои.

6. При взаимодействии с Ре и сталями кубических ыонокарбидов мононитридоз элементов групп их состав практически не няется и элементы переходят в сталь в количествах, пропорцио-льных их доле в составе фазы внедрения. Взаимодействие с Ре и алями многокомпонентных фаз внедрения, а также карбидов ементов VI группы, в которых может растворяться значительное личество Ре, сопровождается протеканием в них процессов взаимной ффузки, приводящей к изменению состава и оказывающей влияние на нетику процесса.

7. Обнаружено, что коэффициенты диффузии в аустените боль-нства карбонитридообразувдих элементов слабо зависят от их нцентрации, но заметно возрастают при увеличении содержания лерода в стали. Установлено, что коэффициенты дкффузиии Сг, Мо и в феррите заметно уменьшаются при увеличении их концентрации,

тогда как для коэффициентов диффузии Т1, V и ГГЬ такой зависимости не шло зафиксировано. Показано, что коэффициенты диффузии в комплексных карбидах, образованных Сг, Но, V? ;ьре, гаеют тот же порядок, что и в твердых растворах на основе Ре.

8. С учетом полученных экспериментальных результатов разработаны аналитические, полуаналитические и численные методы репения задач о диффузионном взаимодействии выделений фаз внедрения с металлическими матрицами в многокомпонентных системах, основанные на совместном решении дифференциальных уравнений диффузии, уравнений массового баланса и трансцендентных термодинамических уравнений. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными показало их хоропэе согласие.

9. Проанализированы ограничения разработанных методов и показано, что наиболее пирокие возможности для резекия задач о . диффузионном взаимодействии выделений с матрицей имеют численные методы, которые позво»-шт моделировать такие процессы, практически не используя упроаэнкя и допущении Предложен численный метод моделирования процессов диффузионного взаимодействия выделений с металлическими матрицами, основанный на использовании техники конечных разностей в сочетании с подвижники пространственными сетками, связанном с фазами, присутствующими в диффузионной-зоне, и осуществлена его численная реализация. Показано, что в рамках предлогвнного метода можно учесть концентрационные зависимости коэффициентов диффузии, образование промежуточных фазовых слоев, влияние поверхностного натяжения и т.п.,

10. Построены номограчэсг для определения степени растворения карбидов и нитридов в сталях различного состава в процессе аус-тенитизащш при различных температурах, которые могут быть использованы при назначении режимов теркической обработки. Проана-

лизированы факторы, определяющие кинетику растворения при аусте-нитизации (размер выделений, состав стати, температура). Показано, что влияние кинетических' факторов на достигаемую при ауств-нитизации степень растворения проявляется, главным образом, при относительно низких температурах (юске ЛООО°С), а при более высоких температурах , если размеры выделений не слишком велики, растворение второй фазы протекает очень быстро и степень растворения будет определяться только термодинамическими факторами.

11. Выполнены систематические исследования закономерностей формирования карбонитридов в низколегированных сталях. Полученные результаты проанализированы с учетом результатов термодинамических расчетов, расчетов кинетики растворения фаз внедрения в сталях и данных о характере их диффузионного взаимодействия с твердыми растворами. Рассмотрены особенности формирования фазового состава карбонитридов в сталях, легированных раздельно или совместно V, 1-Й и Т1.

12. Обнаружено, что в сталях с титаном в литом состоянии, наряду с крупными нитридами (1-10 мкм) и сульфидами титана, формиругщимися при кристаллизации, возможно образование дисперсных нитридов 10 км), выделяющихся в процессе охлаждения отлизки. Для прогнозирования количеств этих соединений предложена термодинамическая модель, основанная на разбиении процесса затвердевания на множество шагов, на каждом из которых устанавливается локальное равновесие, между гадкой фазой и очередной порцией твердой фазы. Проведенное сравнение резуль- • татов расчетов с экспериментальными данными показало их хорошее согласие. Рассчитаны и построены номограммы, позволяйте определять количества крупных и дисперсных нитридов и сульфидов титана в сталях различного состава.

13. Показано, что во многих случаях при аустенитизации достигается фазовый состав карбонитридов, близкий к равновесному, и существует возможность использовать для его прогнозирования термодинамические метода. Разработана метода расчета растворимости карбонитридов в низколегированных сталях, учитывающие возможность образования, наряду с аустекитом и карбонитридами, других фаз, присутствие которых будет приводить к сдвигу равновесия. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными показало их хорошее согласие. На основании результатов расчетов построены номограммы для определения степени растворения карбонитридов в сталях различного состава, которые охватывают практически все стали, входящие в ГОСТы 19281-73, 19282-73, 4543-71, 977-88, 21353-87 на строительные и мазлшостроительнае стали и стали для отливок.

14. Показано, что исключительно сильное влияние на растворимость карбонитридов V, Ti и Zr оказывает содержание в стали азота и соотношение меаду содержанием азота и карбонитрздообразую-цего элемента, тогда как влияние азота на растворимость карбонитридов fib и Та значительно слабее к соизмеримо с влиянием углерода. При наличии в сталях с Т1 или Zr даже небольшого количества азота нельзя достигнуть полного растворения карбонитридо: при аустенитизации, а если атомная доля Т1 или Zr меньше атомно: доли N, то практически весь карбонитридообразующий элемент связывается в фазу, близкую по составу к нитриду, которая -почти не растворяется в твердой стали- Значительное влияние на растворимость карбонитридов оказывает содержание в стали алюминия. Наиболее сильно А1 влияет на растворимость карбонитридов V, существенно слабее - на растворимость карбонитридов Nb и почти не влияет на растворимость карбонитридов Ti.

- 37 -

15. Предложен метод, позволяющий прогнозировать влияние эстава на прокалкваемость боросодеркащих сталей на основании гализа равновесной концентрации Сора в аустените при темпера-фах нагрева под закалку. Выполнены термодинамические расчеты построена номограмма для определения равновесной концентрации зрз е аустените сталей с различным содержанием В, Т1, А1 и Л.

16. Показано, что анализ результатов термодинамических рас-

гтов позволяет предсказать влияние легирования карбонитридо-

'рззующют элементами на размеры аустенитного и феррттного

эрна нормализованных сталей. Установлено, что влияние диспер-

гшх карбонитридов нз размер зерна можно характеризовать с

эмощью параметра 12(1 ./&,, отражающего объемную долю и 1

зспределение частиц по размерам при тешературэ нормализации, редлокена модель, позволяющая с использованием результатов зрмодинакических расчетов прогнозировать распределение частиц э размерам и значение параметра ШЗ^/а^)]-' при температурах устениткзэцш! на основании данных о распределении частиц по ззмерам в исходном состоянии. •

17. с использованием результатов термодинамнчеоких расчетов роанализированн механические свойства низколегированных сталей добавками V, ль и Т1 и показано, что во многих случаях анализ

эзультатов термодинамических расчетов позволяет предсказать арактер влияния легирования карбонитридоооразукшш элементам;! а свойства сталей. Предложен метод, позволяющий количественно рогвозировоть величину дисперсионного упрочнения в нормализо-аншх сталях на' основании данных о растворимости карбонитри-ов в аустените и феррите и температурном интервале у-а прев-ащения при нормализации. Проведена экспериментальная провер-

_ jo _

ка предложенного метода- и показана удовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных результатов.

18. Разработанные е диссертации метода грогноз'.гроаанля фазового состава карбенитрпдов и та влияния на структуру к свойства, а такие результаты проведешшх экспериментальных хгоследоваккй были использованы при совершенствовании составов и режимов обработка сталей для отливок. Суммарный долевой фактический экономический эффект автора от внедрения разработок составил более I млн. рублей.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гольдзтейн М.К., Попов З.В.'Растворимость фаз внедрения при термической обработке стала. !/.. :Иагзллургия, 1939. 200 с.

2. Попов В.В. Кинетика растворения плоского карбидного ввдаленпя s стали, лнхпткруехого диффузией через слой феррита // Термическая обработка к физика.металлов: Ыегвуз. сб. Свердловск: изд. ОТ, 1984. Вкл. 3. С. 19-25.

3. Попов В.В. Диффузионное взаимодействие карбидов со сталями // Термическая обработка и физика металлов: Мегзуз. сб. Свердловск: УПИ, 1990. С. 10-16.

4. Popov 7.V., Goldstein K.I. Ms-solution dos carbures et nit rares ûurunt l'austenitisaticn des aciers // ïraitaent Thermique. 1991. V. 244, Ko 3. P. 39-41.

б.Попов B.B., Чэремшх В.Г., Гольдзтейн H.И. Расчет состгза и растворимости карбоеттридоз, образующихся в комплексно легированных сталях // &SI. IS77. Т.,43, вып. 4. С. 876-879. 6. Черенках В.Г., Попов В.В., Стасова С.К. Поведение ванадия, ниобия и титана в низколегированных строительных сталях // Изв. вузов. Черная металлургия. 1977. ¡I 6. 'С. 94-98.

- 39 -

7. Карбояитриды ванадия, ниобия и титана а низколегированных строительных сталях / ГольдштеЯн М.И., Чвремнах В.Г., Попов В.В., Змагашя В.А.// Термическая обработка и физика металлов: Межвуз. сб. Свердловск: изд. УШ, 1979. Вил. 5. С. 55-66.

8. Попов В.В.,Программа расчета фазового равновесия в сиотемв твердая раствор - карбонитрад о использованием для кар&япггрида приближения совершенных растворов' /тш. Свердловск, 1979. 10 с. Дез. в "Чэрметипформвция" 24 ноября 197Э г.

9. ГольдштеЯн М.И., Попов В.В. Использование диаграмм растворимости карбонитридов для анализа механических свойств сталей с карбонигридным упрочнением // Взаимодействие дефектов кристаллической решетки и свойства мэталлоа: Межвуз. сб. Тула: изд. ТЛИ, 1980. 0. 64-58.

10. Гольдатэйн М.И., Попов В.В., Черэмных В.Г. Возможности использования модели совершенных растворов для комплексных карбонитридов при расчете их равновесного состава и растворимости В сталях // СММ. 1980. Т. 49, ВЫП. 2. С. 422-425.

11. ГольдатеЯн М.И., Попов В.В., Чэремных В.Г. Исследование закономерностей образования комплексных карбонитридов равновесного состава в низколегированных сталях // Металловедение сталей и титановых сплавов: Мекзуз. сб. Пермь: изд. ПЛИ, 1980. С. 28-33.

12. ГольдштеЯн М.1Г., 5С2товв Л.П., Попов В.В. Влияние карбонитридов титана на структур/ и свойства малоуглеродистых сталей // СМИ. 1981. Т. 51, вш. 6. С. 1245-1252.

13. Оазовкй состав, структура и механические свойства стали 20ГТЛ с различным содержанием титана / Бровфин Б.М., Титова Л.П., Попов В.В. И др.// МиТОМ. 1981. * Б. С. 51-53.

- 40 -

14. Research Into elXect alter normalizing of Phasecomposition on microstructure ol low-carbon Steels alloyed with Titanium / Coldshtein U.I., Zhmakina V.A., Popov V.V. e.a. // Steel In the DSSR. 1S81. No 11(10), P. 580-582.

15. Емельянов Д.А., Попов В.В. Термодинамический расчет фазового равновесия.а система 7-?е - V(C,N) - АЫГ - А1203

/УПИ. Свердловск, 1981. 25 о. Деп. в "Чермвтикформация" 24 марта 1981 г.

15. Гольддтейн М.И., Попов В.В. Использование диаграмм растворимости карбонитридов для анализа механических свойств низколегированных сталей с кербонигридным упрочнением // Термическая обработка и физика металлов: Мехвуз. сб. Свердловск: изд? УПИ, 1Э31. Еш. 'б. С. 65-G9. 17.'Термодинамический расчет растворимости карбонитридов в малоуглеродистых сталях с ванадием и алюминием / ГольдштэЯн М.И. Попов В.В., Емельянов Д.А. и др. // Изв. АН СССР. Металлы. 1982. а 4. С. 100-105.

38. Popov V.V., fcslyanov D.A., Borlsor S.V. Analitlcal description ol oultlcomponent ¿Illusion during solution oi tltanlua carbide In austenite // Steel In the USSR. 1932. No 10(t2). P..476.

19. Гольдитейн М.И., Попов В.В. Термодинамические методы расчета растворимости карбонитридов в низколег;;;-зованных сталях (обзор) // Термическая обработка и физика металлов: Маквуз. сб. Свердловск: изд. УПК, 1982. Еыи. 7. С. 5-24.

20. ЗЕитова Л.П., Попов. В.В. Влияние исходного состояния на механические свойства стали 20ГТЛ после нормализации // Производство легированных чугунов и сталей: Труды УралНШЧМ. Сеодловск: изд. УралШШЧМ, 1982. С. 90-93.

- 41 -

21. Аналитическое описание многско^онзнтной диффузии при растворении карбида ванадия з аустенкте / ГольдитеЯн М.И., Попов В.В., Горвасьез М.А., Емельянов Д.А. // Термическая обработка л физика металлов: Мегзуз. сб. Свердловск:

изд. ЭТИ. 1933. Выл. 8. С. Бб-97.;

22. Влияние модифицирования на неметаллические включения и свойства сталей 20ГСЛ и ОЗГСЛ / Аксельрод А.Е., Жктова Л.П., Попов В.В. и др.// Литейное производство. 1983. Л 3. С. 10-11.

23. Попов В.З., Емельянов Д.А. Растворение карбида ванадия в стал:: в случае образования на границе с ним слоя феррита // СКХ 1983. Т. 55, ЕЫП. 4. С. 6S5-6S2.

24. Влияние фззоЕого состава на структуру и свойства мэлопзрлитнкх ст&тай, кикролепфОЕшшых ванадием и титаном / Бергтейн Л.И.. ЗГ-итова Л.П., Попов В.В., Ситар A.C. // Изв. 37303. Черная кегэллургкя. I9S3. Л 6. С. 89-92.

25. Исследование процесса растворения карбида титана в еустените / Пспоз В.В., Емельянов Д.А., Митрофанов Б.В., Борисов С.З. // Кзв. АН СССР. Металлы. I9S3. * 5. С. II2-II6. 36. Исследование диффузионного взаимодействия молибдена и •сарбвда молибдена Мэ2С с железом и сталью / Полов В.В., анциферов'В.Н., Гольдатейн М.И. и др. // СГЛ.'1934. Т.58, внп.5.

С. 973-979.

27. Диффузионное взаимодействие.карбида Сг3С2 с г:елевом и :талыо/ Попов В.В., Анциферов В.Н., Гольдзтейн М.И. и др.•// K.M. 1985. Т.60, вып. 2. С. 320-325.

28. Термодинамический расчет растворимости кубического карбида занадия в аустенкте / Попов В.В., Гольдзтейн М.И., Емельянов Д. А.,

Костров-Ю.Н. // Изв. АН СССР. Металлы. 1966. & I. [05-109.

- 42 -

29. Термодинамический расчет растворимости карбонитридов ниобия в стали / Гольдштейн М.И., Попов В.В., Аксельрод А.Е., йшльянов Д.А. // Изв. АН СССР. Металлы. I9D6. J6 2. С. 93-101.

30. Аксельрод А.Е., Попов В.В. Влияние обработки редко- и щелочноземельными металлами на неметаллические включения, дендритную структуру и характер разрушена литых низкоуглеродисгюс сталей // Кзв. вузов. Черкая металлургия. 1936. J6 12. С. 59-64.

31. Диффузионное взаимодействие карбида ??2С с гселезом и сталями / Вшпщкий А.Л., Попов В.В., Лобанов Ы.Л. и др. // Термическая обработка к Физика металлов: !.!егзуз. сб. Свердловск: изд. У1Ш, 193?. Вып. 12. С. 26-32.

32. Попов В.В., Шапошников Н.Г- Принципы расчета растворимости комплексных карбонитридов в сталях // К. физической химии. I9S3. Т. 62, Л 5. С. 1396-1397.

33. Аксельрод А.Е., Попов Б.В., йШЕшенков A.A. Влияние добавок щелочно- и редкоземельных металлов ка состав сульфидных включений и свойства литейной стали // МиТСШ. .1988. M 12. 47-50. '

34. Аксельрод А.Е., Попов В.В.,' йшшпенков A.A. Влияние обработки адюмомагннбм на свойства стали 25®Л // Литейное производство. 1983. & II. С. 9-10.

35. Гольдштейн М.И., Попов В.В. Термодинамические расчеты растворимости карбонитридов в аустените конструкционных сталей // МиТОМ. 1989. J6 II. С. 32-38.

35. Диффузионное взаимодействие карбонитридов титана с никелем / Попов Б.В., Гольдштайн М.И., Анциферов В.Н. й др. // Физика ж химия обработки материалов. 1939. & 6. С. 97-100.

- 43 -

. Лобанов М.Л., Попов B.B., Ивекко K.B. Диффузионное аимодействие сложных карбидов (Nb,V)C с железом и сталями // в. вузов. Черная металлургия. 1989. £ 9. С. 155-156. • Диффузионное взаимодействие карбвдоз V2C и КЪ£С с железом :талью / Гольдитейн М.й., Лобанов Ы.Л., Попов В.В., Русина Е.А. // Тсмическая обработка к физика металлов: Мэжвуз. сб. Свердловск: изд. УПИ, 1939. Вкл. 14. С, 4-II. . Влияние доли и размера дисперсных карбонитридов на размер рна / Гольдштейн М.К., Попев В.В., Аксельрод А.Е., ЕитоваЛ.П.,

// МиТОМ. 198Э. X 8. С. 2-8. . Попов В.В., Гольдштейн ИЛЬ, Аксельрод А.Е. Расчет зтворимости комплексных карбонитридов в низколегированных злях с ванадием и ниобием // Изв. АН СССР. Металлы. 1939. .4 4. С. I2I-I29.

. Сафонов E.H., Цряхин A.B., Попов Б.В. Влияние азота на ' эйства дисперскошюгвердевдей наплавленной стали // Кзв. зов. Черная металлургия. 1989. № 2. С. 97-100. . Диффузионное взаимодействие карбида ванадия с порошковыми злями / Попов В.В., .Анциферов В.Н., Гольдштейн U.IL и др.// эошковая металлургия. 1989. Je XI. С. 41-45. . . . Попов В.В., Анциферов В.Н., Белоусова В.А. Диффузионное нмодействие карбида хрома с легированными сталями // СММ. 39. Т.68, ВЫП. 4. С. 710-714.

. Аксельрод А.Е., Попов В.В.', Силитгенков A.A. Влияние . >бия и ванадия на свойства низколегированных сталей для тивок после нормализации // Изв. вузов. Черная металлургия. 59. X 10. С. 90-93.

- и -

45. Popov V.V., Goldstein ПЛ. Dissolution ol carbides and nitrides during austerjisation of steals // ?roc. of 7-th International Congress од Heat Treatment cr Materials, December 11-U, 1990, Moscow, Moscow. 1990 . 7. II. ?. 144-150.

46. Попов В.В., Гольдатэйн М.И., Аксельрод Л.Б. Прогнозирование эффекта' дисперсионного упрочнения в феррато-перяитных нормализованных сталях, кикролегированнкх ванадием // ¡Ш. 19Э0. JS7. С. 152-Г5Э.

47. Шапошников Н.Г., Попов В.В. Термодинамические условия выделения кэрбонитрпдных фаз в стали // Физические основы форимрования физлкодахшяческкх свойств сталей и сплавов: Тематический сб. научн. тр. М.: Металлургия. 19Э0.- С. 12-18.

48. Попов В.В., Гольдптдйн tJ.ll. Растворение карбидов и нитридов при аустекатизации сталей // taTOM. 1991. Я 7. С, 5-7.

49. Прогнозирование влияния титана, алшиния и азота на прока-лизаемость среднеуглародасгых боросодаркаадах сталей / Попов3.в.,

■ Хомэнко А.О., Сплркиза Г.В. и др. // Кзв. вузов. Черная металлургия. 1992. * 6. С. 34-37.

Материалы диссертации защищены авторскими свидетельствами: 1027269, II35792, I2836QI, 1362059, 1514796, 1527935, 1745775.

Подписано в печать' II. II.92 Формат 60x84 I/I6

Бумага писчая; '. Плоская печать Усл.п.л. 2,56 Уч.-изд.л. 2,00 Тирах 100 Заказ 684 Бесплатно

Редавдиснио-издательский отдел УПИ т.С.М.Кирова 620002, Екатеринбург, УЩ, 8-й учебный корпус Ротапринт УШ. 620002, Екатеринбург, УПИ, 8-й учебный корпус