металлургия

А.В. Толстенко

Днепропетровский государственный аграрный университет

СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ Fe-C СПЛАВОВ В АТМОСФЕРЕ ВОДОРОДА

Одной из задач по повышению пластичности металлических материалов, является перевод их в сверхпластическое состояние. Термин сверхпластичности был предложен А.А.Бочваром для обозначения пластичности сплава цинка с алюминием, которая превышала пластичность исходных материалов.

Значительное формоизменение может наблюдаться в ультромелкозернистых сплавах (структурная сверхпластичность), при фазовых превращениях в процессе деформации (динамическая сверхпластичность ), аномальной спонтанной деформации и т.д.

Гринвуд и Джонсон /1/ определили деформацию, возникающую вследствие изменения объема при фазовом превращении, в направлении приложенного растягивающего напряжения. Модель не зависит от времени, т.к. использует макроскопическую теорию пластичности.

, ( 1 )

где ε - деформация,

σ - приложенное напряжение,

σ_t - предел текучести α – железа,

- изменение удельного обьема.

Пуарье /2/ предложил микроскопическую модель, где изменение формы (не только объема) сопровождается возникновением дополнительных дислокаций, дающих добавочную скорость ползучести, под действием приложенного напряжения. Скорость ползучести зависит от дислокационных механизмов (образования, движения и исчезновения дислокаций).

, ( 2 )

где Х (t) – обьемная доля дочерней фазы.

В работе В.И. Шаповалова /2/ показано, что фазовое превращение в присутствии водорода приводит к спонтанному формоизменению, причиной которого является возникновение метастабильных водородонасыщенных зон на границе превращения. В металле, содержащем растворенный водород, происходит полиморфное превращение, приводящее к образованию кристаллической решетки, растворяющей меньшее количество водорода, остается избыточный водород, который концентрируется вблизи межфазной границы. Скорость формоизменения определяется скоростью движения фронта превращения. Толщина водородонасыщенного слоя определяется скоростью фронта превращения и коэффициентом диффузии D_γ.

, ( 3 )

где h – толщина водородонасыщенного слоя;

v - скоростью фронта превращения;

D_γ - коэффициентом диффузии γ – железа.

Материалом для данного исследования служило карбонильное железо технической чистоты с 0,06 %С. Образцы для испытаний (цилиндры диаметром 0,005 м., длина рабочей части 0,025 м.) крепились в обойму из нержавеющей стали.

Исследование проводилось на установке, позволяющей автоматически термоциклировать с различными скоростями нагрева и охлаждения. Размер печи выбирали из расчета, что зона термоциклирования вокруг α-γ превращений будет совпадать с рабочей частью образца. Температура печи измерялась термопарой ВР5/ВР20 с точностью 10К и регистрировалась на КСП-4. Величина внешней механической нагрузки задавалась калиброванными грузами. Опыты проводили в аргоне высокой чистоты (объемная доля аргона 99,997 % ) и водорода ( содержание примесей - 0,007 объемных процента ).

Изучение влияния растягивающей нагрузки на формоизменение образцов карбонильного железа проводилось при радиальном и аксиальном градиенте температуры в образце. Температурный интервал циклирования 1120-1220К, скорость нагрева 2 К/с, охлаждения 2,5 К/с.

В условиях радиального градиента температуры в образце, независимо от атмосферы в печи ( аргон, водород ) величина деформации пропорциональна величине одноосного растягивающего напряжения. Существует линейная зависимость между относительной деформацией и количеством циклов. Без внешней механической нагрузки формоизменение отсутствует.

Полученные результаты согласуются с экспериментами для условий динамической сверхпластичности. Влияния водорода на деформацию при радиальном движении фронта α-γ превращения не обнаружено.

Прямые α→γ и обратные γ→α полиморфные превращения в железе отличаются не только величиной, но и направлением объемных эффектов. Это наблюдалось в атмосфере аргона и водорода при аксиальном градиенте температуры в образцах карбонильного железа.

При аксиальном градиенте температуры, без нагрузки, в инертной атмосфере наблюдается незначительная остаточная деформация, которая составляет 2% после 100 циклов α↔γ превращений. В водороде обнаружено увеличение деформации за цикл, изменение нагрузки от 0 до 0,3 МПа мало влияет на величину относительного удлинения.

В атмосфере водорода основное влияние на интенсивность формоизменения оказывает градиент температуры, т.е. температурно-скоростные условия на фронте γ→α превращения карбонильного железа. Это указывает на принципиальное отличие явления спонтанной деформации в атмосфере водорода от теории динамической сверхпластичности. Уравнение (2) микроскопической теории рассматривает объемную долю растущей и исчезающей фаз, не учитывая диффузионные процессы на границе фазового превращения. Для карбонильного железа, при заданных условиях, полиморфное превращение протекает по нормальному диффузионному процессу с перераспределением водорода между растущей ( α-Fe ) и исчезающей фазой ( γ- Fe ), что и приводит к спонтанному формоизменению при градиенте температуры в образце.

Можно предположить, что процесс формоизменения при термоциклиро-вании у температур полиморфного превращения имеет двойственную природу. При нагреве (α → γ переход) наблюдается деформация, контролируемая изменением объема при фазовом превращении, при охлаждении (γ→α переход ) деформация определяется диффузионными процессами на границе превращения. Многократные полиморфные превращения при аксиальном градиенте в образце, протекающие нормальным диффузионным механизмом, вызывают остаточную деформацию, которая контролируется диффузионными процессами на фронте превращения.

В результате проведенных исследований зависимость относительного удлинения образцов карбонильного железа при многократных α↔γ превращениях в инертной атмосфере пропорционально приложенной нагрузке.

В атмосфере водорода, при аксиальном градиенте наблюдается иной механизм формоизменения, который определяется температурно-скоростными условиями на фронте γ → α превращения.

Литература.

1. Greenwood G., Jonson R. The deformation of metals under small stress during phase phase transformation / /Proceeding of Royal Society, 1965.- v.A283, №1394.- р.403-422.

2. Шаповалов В.И. Влияние водорода на структуру и свойства Fe-C сплавов.- М.: Металлургия, 1982.-232 с.

Толстенко Александр Васильевич каф. Физики и материаловедения

тел 753-95-68