Технические науки: отраслевое машиностроение

Кравцов М.К., Святуха А.А., Яковлев Ф.И., Резниченко Н.К.

Украинская инженерно-педагогическая академия (г.Харьков)

О ЗАВИСИМОСТИ ПЕРЛИТО-ФЕРРИТНОГО ПРЕВРА-ЩЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА ОТ ЭНЕРГИИ ДЕФЕК-ТОВ УПАКОВКИ

Высокий комплекс свойств и технологичность высокопрочного чугуна с ша-ровидным графитом (ВЧ) обуславливают практический интерес к особенностям сложной проблемы структурно-фазовых превращений, которыми сопровожда-ется его упрочняющая обработка - индукционная закалка. В настоящее время можно считать установленным, что температура начала структурно-фазовых превращений зависит от энергии дефектов упаковки (ДУ), которые возникают при пластической деформации и распаде перенасыщенного твердого раствора [1,2]. Индукционная закалка, как правило, применяется после предварительной механической обработкой, сопровождающаяся пластической деформацией по-верхностного слоя , а также и после термоулучшения ( закалки с высоким от-пуском) особенно таких деталей как коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания.

В имеющихся работах [1,2] о роли ДУ в фазовых превращениях рассматри-ваются процессы связанные с распадом пересыщенного твердого раствора и фа-зовых превращений без изменения химического состава. Поэтому определение зависимости температуры структурно-фазовых превращений с учетом измене-ния химического состава, их кинетики от энергии ДУ имеет важное теоретичес-кое и практическое значение.

Зависимость превращения ВЧ исследовали термодинамическим и рентгеноструктурным анализом , микроструктурным и магнитометрическим методом.

Кристалл, содержащий ДУ, необходимо рассматривать как систему, состоя-ние которой определяется обычными термодинамическими параметрами и пе-ременной слагаемой обусловленной числом и химическим потенциалом ДУ [3]. Следовательно, условие фазового равновесия можно записать в виде суммы:

G₁ + U₁ = G₂ + U₂ (1)

где G₁ и G₂ - свободные энергии фаз в равновесных кристаллах

( «химические» свободные энергии) ;

U₁ и U₂ - энергия, вносимая в a и g - фазы ДУ.

Энергия ДУ ( g, эрг/см² ) определяется из уравнения [1,2]

g = r /a, (2)

где r - плотность дислокаций, см ^–2;

a - равновесное расстояние между частичными дислокациями a » 20 Å [1,2]

Из уравнения (2) следует, что значение g зависит от r, величина которой изменяется в зависимости от предварительной пластической деформации и тер-мической обработки [1 – 4].

Повышение свободной энергии системы с ростом количества ДУ изменяет условия образования g - фазы, что может повлиять не только на кинетику превращения , но и вызвать фазовый переход, не реализующийся при данной температуре в равновесных кристаллах матрицы ВЧ. Очевидно, фазовый пере-ход будет иметь место, если

G₂ + U₂ < G₁ + U₁ (3)

Из неравенства (3) следует, что если даже «химическая» свободная энергия

G₁ < G₂ , то есть в равновесных условиях устойчива a - фаза, то в кристалле, содержащем ДУ , свободная энергия a - фазы может оказаться выше g - фазы, что вызовет протекание процесса превращения. Вследствие чего изме-нятся как параметры данного превращения, так и смещение его начальной тем-пературы. Действительно , как показали исследования, оба эти явления обнару-живаются при нагреве промышленного ВЧ состава :

С = 3,3 – 3,6 %; Si = 2,8 – 3,2 %; Мn = 0,4 – 0,8 %; Мg_ост = 0,04 –0,06 %.

Магнитометрические исследования проводили на анизометре Акулова с точностью 5%. В анизометре намагниченность насыщения определяли путем измерения механического момента , действующего на образец размером 3´3 ´30 мм, помещенный в однородное магнитное поле 2× 10⁴ А в/м под углом 17°. При этом исследовались компактные образцы и образцы из спрессованной крупной и мелкой стружки напиленного и розмагниченного порошка. При изготовлении спрессованных образцов в качестве связующего компонента при-меняли жидкое стекло. Эталонные образцы изготовляли из армко железа.

Исследованию подвергали 6 серий образцов по 10 шт. Эти серии распределяли следующим образом:

1. Компактные образцы без термической обработки с литой феррито-перлитной структурой ( 24-28%) – условное обозначение «ЛС»;

2. После закалки от 900°С и отпуска при 400°С со структурой троостита ( НRC 42-47) – условное обозначение «3+0 при 400°С »;

3. Компактные образцы, прошедшие закалку с 900°С и отпуск при 600°С и имевшие структуру сорбита ( НRC 24-28) – условное обозначение «3+0 при 600°С »;

4. Спрессованные образцы из крупной стружки с величиной деформации 10% - условное обозначение «Д10»;

5. Спрессованные образцы из мелкой стружки с величиной деформации 30% - условное обозначение «Д30»;

6. Спрессованные образцы из порошка с величиной деформации 50% - условное обозначение «Д50».

Все серии спрессованных образцов имели литую феррито-перлитную струк-туру ( перлита 24-28%). Степень деформации 4-6 серий образцов определяли рентгеноструктурным анализом.

При таком выборе вариантов исследований можно оценить влияние энергии ДУ на превращения в условиях нагрева со скоростью ~ 270°С/мин. Резу-льтаты магнитометрических исследований для изотермы 750°С обрабатывали с применением ЭВМ ( табл.1)

Таблица 1

Зависимость образования аустенита от исходной обработки ВЧ

Серия образцов	Количество аустенита (%), образовавшегося в процессе выдержки (мин) при 760°С
	4	8	12	16	20	24	28	32	36	40
ЛС	0	0	0	0	0	2	5	9	15	13
3+0 при 400°С	0	10	21	28	35	37	38	38	38	35
3+0 при 600°С	0	14	27	36	40	41	42	42	42	38
Д 10	7	27	33	42	44	45	45	45	45	40
Д 30	10	32	37	45	46	47	48	48	48	42
Д 50	15	40	48	52	54	55	56	56	56	45

Исследованиями (табл. 1 ) установлено, что при температуре изотермы наибольшее количество аустенита ( 56%) образовалось в образцах серии Д50, а наименьшее (15%) – в серии ЛС. Характерной особенностью процесса превращения является неодинаковая длительность инкубационного периода. Так, в образцах серии ЛС превращение начинается через 24 мин, в образцах серий 3+0 при 400°С и 3+0 при 600°С аустенит образуется через 8 мин, а в об-разцах серий Д10, Д30 и Д50 – после 4 мин. Обращает на себя внимание и такой фактор как нарастание темпа превращения с увеличением длительности выдер-жки при температуре изотермы. Например, в образцах серии 3+0 при 400°С и 3+0 при 600°С данный процесс протекает более ускоренно, а в образцах серий Д10,Д30,Д50 – с максимальной скоростью . Обнаруженный эффект позволяет сделать заключение о том, что кинетика превращения очень чувствитель-на к способу предварительной обработки ВЧ. Такую зависимость можно объяс-нить только влиянием энергии ДУ на термодинамическую устойчивость - фазы. И так как в спрессованных образцах из порошка ( серия Д50) образуется максимальное количество аустенита, то они имеют менее равновесное струк-турное состояние, чем образцы остальных серий. Зависимость превраще-ния от способов предварительной обработки ВЧ имеет важное значение для индукционной закалки отливок, так как обнаруженный эффект будет способст-вовать сужению интервала температур фазовых превращений.

Важное значение в описанных результатах исследований представляет не сам факт ускорения процесса превращения в матрице с неравновесной структурой, а образование большого количества аустенита, чем это следует из диаграммы состояния, что связано с влиянием ДУ, то есть с точки зрения энер-гетических факторов участий, в которых сосредоточены ДУ являются наиболее энергетически выгодными для образования аустенита. Этими энергетическими факторами, обычно учитываемыми при анализе фазовых превращений, являют-ся: энергия поверхностей разделов фаз, энергия упругого искажения кристалли-ческой решетки, работа упругой и пластической деформации, затрачиваемая на перестройку кристаллической решетки и энергия, расходуемая на диффузионные процессы.

Оценить влияние энергии ДУ на превращения можно из выражения (1), из которого вытекает, что разность свободных энергий фаз, являющаяся ко-личественной мерой движущей силы превращения, определяется уравне-нием:

или

, (4)

где - разность свободных энергий фаз, обладающих дефектной структурой

;

- изменение свободной энергии при превращении в совершенных кристаллах ;

- избыточная энергия, связанная с наличием дислокаций .

По данным [4] изменение при превращении отожженной стали 20 при 750 составляет 0,3- 0,5 кал/г. В соответствии с диаграммой состояния при этой температуре должно образоваться около 23% аустенита, что приводит к изменению свободной энергии на величину = 0,4.0,3 = 0,092 кал/г. В то же время, как видно из результатов магнитометрических исследований (табл.1) в неравновесных структурах ВЧ образуется значительно больше аустенита. Нап-ример, в спрессованных образцах из порошка (серия Д 50) количество аустени-

та равно 50%, что должно быть связано с изменением свободной энергии на ве-личину = 0,4.0,56 = 0,225 кал/г.

Из уравнения (2) вытекает, что энергия ДУ зависит от плотности дислока-ций, которая определяется известным уравнением:

, (5)

где - модуль сдвига; - вектор Бюргерса.

Если принять, что = 5·10¹¹ эрг/см, см, то из уравнения (5) можно найти значение для образцов исследованных серий. Зная по ура-внению (2) определим величину ДУ. Результаты расчетов сведены в табл.2.

Таблица 2

Изменение и от способа предварительной обработки чугуна

Серия образцов	Температура нагрева образцов 760°С
	количество аустенита,%	кал/г	кал/г	см	эрг/см
3+0 при 400°С	38	0,114	0,022	4,410	22
3+0 при 600°С	42	0,128	0,036	7,210	36
Д10	45	0,180	0,088	1,810	90
Д30	48	0,192	0,100	2. 10	100
Д50	50	0,224	0,130	2,6.10	130

Выводы

1. Кинетика превращения очень чувствительна к энергии дефектов упаковки, которая зависит от способа предварительной обработки ВЧ. В этих условиях превращения определяются энергией дефектов упаковки, а не диффу-зией углерода.

2. Чем больше значение энергии дефектов упаковки, тем с большей скорос-тью осуществляется превращения и больше аустенита образуется в еди-ницу времени в эвтектоидном интервала температур, что очень важно при индукционном нагреве чугуна, так как данный эффект способствует сужению интервала температур фазовых превращений.

Литература:

1. Вишняков Я.Д. Дефекты упаковки в кристаллической структуре. Издательство «Металлургия», 1970, с.175 и 203.

2. Масельский Т.Б. Структура твердых растворов. Физическое металловедение. Выпуск 1. Издательство «Мир»,1967, с.203.

3. Кейес Р. Континуальные модели давления на активационные про-цессы. Сб. «Твердые тела под высоким давлением». М., Издательство «Мир», 1966, с. 86.

4. Новиков И.И. Дефекты кристаллической решетки металлов. Издательство «Металлургия», 1968, с. 185.