Научное обоснование и разработка технологий улучшающей термоциклической обработки металлических материалов

УДК 621.78.011 : 621.81
Федю кин В.К. Научное обоснование и разработка технологий улучшающей термоциклической обработки металлических материалов.Докт. диссертация. ИПМаш РАН, СПб , 1993, 323 с.
Изучено влияние термоциклической обработки (ТЦО) на фазовые и структурные превращения ряда металлических материалов. Дано научное обоснование и основы теории метода ТЦО, существенно улучшающего механические и другие свойства металлов и сплавов. Разработано и внедрено в производство несколько способов ТЦО. Показана высокая эффективность ТЦО и перспективность дальнейшего развития и применения этого метода термообработки.
© - В.К. Федюкин, ИПМаш РАН, 1993
3
ВВЕДЕНИЕ
В машиностроении существует много нерешенных • проблем.
К ним относятся, например, следующие: повышение прочностной надежности и долговечности машин, аппаратов, конструкций и ТсД,; увеличение нагруженности,-мошности техники при сохранении или даже снижении размеров: и металлоемкости; уменьшение энергетических, материальных, трудовых и временных затрат на изготовление промышленной продукции; наконец, повышение эколитической безопасности и культуры производства и т.д. и т.п.
В решении названных и других проблем машиностроения значимое место занимает технология термической обработки деталей машин, элементов конструкций, инструмента и других металлических изделий. Именно с помощью термической обработки формируются известные структурные состояния и этим создаются определенного уровня физико-механические свойства всех металлических материалов и, следовательно, изделий из них.
Учитывая эту, на наш взгляд очень важную (одну из основ -ных) и ключевую роль технологий термической обработки при создании высококачественной техники, автор данной диссертационной работы считал необходимым первоначально провести исследования по выявлению закономерностей структур о образования при ускоренных нагревах и охлаждениях различных сплавов, а потом уже на новой научной основе, создать более эффективные технологии термообработки, качественно отличающиеся от ранее из -вестных. Решение этой актуальной и объемной задачи, поставленной наукой и практикой техналогии металлов в машиностроении, потребовало от автора мн от их лет работы.
Отметим здесь, что принципиальная возможность создания таких новых и высокоэффективных технологий термической обработки заключена в том факте, что реальная прочность металлов и сплавов во много раз меньше теоретической ( и вероятно достижимой) прочности. Физикой металлов доказано, что металлы обладают бальшим скрытым резервом прочности и пластичности. Главной задачей практической науки, какой является материаловедение, является познание и умение реализовывать эти внутренние возможности металлов путем перевода их в нужное структур-- ное состояние. Это не сверхзадача, а впачне решаемая.
У С другой стороны, традиционные (классические) способы тер-
мической обработки такие как закалка с тремя видами отпускоз (низким, средним и высоким), отжиг, нормализация и старение уже давно хорошо изучены, их возможности дальнейшего совершенствования ограничены, а во многих случаях исчерпаны. Поэтому требовался иной подход к решению материаловедческой проблемы существенного повышения комплекса механических свойств методом термического воздействия на металлические изделия. Такой новый подход был автором диссертации найден , научно обоснован, развит и, совместно с коллегами# реализован в форме специального метода - метода термоциклической обработки (ТЦО) металлических материалов и изделий.
Методология поиска нового метода термической обработки заключалась в переходе от преимущественно метафизических, во многом стационарных, с устойчивыми параметрами технологических процессов к диалектическому приему и к нестационарности, т.е. к технологиям, характеризующимся постоянно изменяющимися параметрами режима.
Известно, что на практике существует два основных типа технологий. Одни повышают качество продукции, но при этом увеличивают ее себестоимость, а другие направлены в основном на снижение затрат, что обычно достигается за счет снижения качества. Противоборство этих двух типов технологий уменьшает общую народнохозяйственную эффективность производства. Поэтому другим важным методологическим принципом, которого придерживался автор в данной работе, являлся следующий: создаваемые технологии
должны решать двуединую задачу повышения надежности, долговечности, нагруженности и других характеристик качества техники с одновременным снижением трудозатрат, энергии, материалов, длительности производственного цикла и т.д. То есть необходимо,чтобы новые технологии были эффективны как для сферы эксплуатации, так и для производства.
Сущность, смысл, главная идея метода ТЦО состоит в кратковременном воздействии на металлическое изделие несколькими ускоренными или быстрыми нагревами и охлаждениями (без выдержек при постоянной температуре нагрева). Режимы ТЦО соответствуют внутренней природе термообрабатываемого материала и тому, какой уровень свойств необходимо подучить.
Основным результатом данной диссертационной работы является создание нового научного направления и решение на этой основе ряда научно-технических проблем материал сведения и технологии металлов. Личный вклад автора в названный выше результат состоит в открытии им некоторых неизвестных ранее закономерно-
5
стей фазовых превращений и структурообразования прд термоциклических воздействиях на металлические материалы, науч -ное обоснование и развитие нового метода термической обра -богки, обобщение и создание теории метода ТЦО, а также разработка ряда конкретных технологий (способов) ТЦО, часть которых внедрена в производство.
После публикации в 1977 г. первой монографии автора "Термоциклическая обработка сталей и чугунов ' [221] к работам по ТЦО присоединились и другие исследователи. Автор проявлял в этом инициативу, часто оказывал методическую и другую помощь, а со многими проводил совместные работы. Это сотрудничество ученых и инженеров привело к тому, что метод ТИО получил достаточное развитие, признание и распространение. Поэтому в данной диссертации в порядке обобщения и придания целостности изложению основ метода ТЦО приведены и важные достижения коллег по работе в области термоциклической обработки.
Автор благодарит всех, кто своим трудом способствовал становлению метода ТЦО, его развитию и внедрению в произвол -ство, а также тех, кто продолжает работы в этом научно-тех -ническом направлении.
Все замечания и пожелания будут приняты автором с искренней благодарностью, так как они помогут дальнейшему развитию метода ТЦО.
ГЛАВА 1.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
МЕТАЛЛОВ
Разработка новой технологии, как правило, основывается на достижениях фундаментальных наук: физике металлов, металловедении и механике твердых деформируемых тел. Так это
произошло и в случае создания метода термоциклической
обработки металлических материалов.
•
1,1. Краткий анализ классических способов термической обработки
Известно, что эффективным и простым методом повышения работоспособности металлических материалов является термическая обработка. Наиболее распространенные способы термической обработки характеризуются следующими технологическими параметрами [69]: температурой нагрева Тт.о. (т.е. макси-
мальной температурой, до которой необходимо нагреть сплав при термической обработке), временем выдержки яри температуре нагрева Т' выд.» скоростью нагрева 2Г нагр. и скоростью охлаждения U 0хл.
Существуют простые и более сложные способы термической обработки, состоящие из прерывистых, ступенчатых нагревов или охлаждений с выдержками при двух и более температурах нагрева. Наконец, известны и многократные термические обработки, примерами которых являются закалка и отпуск, двойная и тройная закалка с отпуском, двойная нормализация и отпуск и т.д. Эти многократные термообработки принципиального отличия от одноразовых не имеют, хотя они часто позволяют получать металл с удовлетворительными свойствами для конкретных условий эксплуатации. Итак, несмотря на различия, всем способам термообработки свойственны три стадии: нагрев, выдержка и охлаждение.
Все существующие способы термической обработки с выдержками при постоянных температурах, если повышают прочностные характеристики (предел прочности при растяжении б в.
предел текучести б т, твердость НВ и т.д.), то, как правило,
7
снижают показатели пластичности и вязкости (относительное удлинение с5\ относительное сужение У , ударную вязкость КСи и т.д.). Такова общая закономерность. Известные способы термообработки позволяют перераспределять противоположные механические свойства (прочность и пластичность), оставляя материал на определенном, присущем ему 'уровне прочности' (зависимость 1 на рис. 1Л), характеризующем конструктивную прочность этого материала, его общую работоспособность. Термической обработкой повышают только локальную (конкретную) работоспособность металлического материала, т.е. работоспособность его в определенных силовых и температурных условиях. Точка А на кривой 1 достигается для сталей закалкой, точка В - нормализацией, а промежуточные - закалкой и соответствующим отпуском. Максимальная пластичность при наименьшей прочности получается в сталях после отжига.
Таким образом, известным классическим способам термической обработки свойственно некоторое принципиально важное ограничение: неспо-
собность повышать одновременно прочность и пластичность или, сохраняя значения одних свойств, например, пластических, увеличивать показатели прочности, и наоборот. А именно такое комплексное
повышение характеристик прочности и пластичности наиболее эффективно для обеспечения надежной работы конструкционных материалов, снижения массы и габарита машины и т.д.
Сформулированная задача сейчас решается в основном путем совмещения термической обработки с упрочнением о*г наклепа (т.е. от пластической деформации). На этой основе
разработаны такие новые методы упрочнения металлов и сплавов, как механико-термическая обработка (МТО) и термо-
с
8
механическая обработка (ТМО). Различие этих обработок состоит в том, что в первом случае вначале дают механическое упрочнение пластическим деформированием и затем производят термическую обработку, а во второммеханическое упрочнение осуществляется в процессе термической обработки. Применение МТО и ТМО к металлическим материалам дает положительные результаты, повышая уровень прочности обрабатываемого материала. Однако МТО и ТМО не нашли еще широкого применения в производстве в силу их технологической сложности.
Одним из методов улучшения механических свойств деталей является химико-термическая обработка (ХТО). Но и у этого метода, основанного на диффузионном насыщении обрабатываемого материала разными элементами, есть свои недостатки и ограничения. Во-первых, ХТО дает только поверхностное упрочнение и, во-вторых, достигаемое увеличение значений прочности происходит, как правило, при снижении пластичности и вязкости. Кроме того, ХТО технологически сложнее обычной
термообработки.
Способы термической обработки, состоящие традиционно из нагрева, выдержки и охлаждения, не только имеют ограничение по уровню прочности термообрабатываемых материалов, но и уже в значительной степени исчерпали свои возможности в получении новых структур и улучшении механических свойств. Под исчерпанием возможностей здесь понимается довольно хорошая изученность всех процессов, происходящих при термической
обработке металлов и сплавов, и практическая олробованность значительного количества возможных ‘ вариантов изменения /Цнагр,Т т.о ,'Гвыд.>'ЙЪхл. Однако ограниченность и хорошая изученность известного и применяемого в настоящее время метода термической обработки не означает, что нет иного пути к увеличению уровня прочности термическим воздействием на металлический материал.
Возможны два направления в поиске резервов увеличения эффективности термического воздействия. Первое - в преодолении или 'устранении* недостатков. На этом пути исследователи обычно добиваются оптимизации режима известного способа термообработки применительно к конкретному материалу. До последнего времени теоретические и прикладные исследования
9
в области термообработки велись преимущественно в гаком методологическом плане. Эти.исследования, безусловно, полезны и нужны, однако они не вносят качественных изменений в процесс термообработки, а только совершенствуют ее, снижая отрицательные явления. В исследованиях такого рода предпринимаются попытки активного воздействия на отрицательные явления. Однако этот более сложный и трудный путь 'преодоления препятствий*', как правило, оказывается малоэффективным.
Существует и другой методологический прием решения конкретных научно-технических задач: можно не преодолевать недостатки той или иной технологии, а обходить их, не до пускать их появления. При таком решении поставленной задачи исследователь вынужден искать нечто качественно новое, что невозможно без отказа от чего-либо традиционного, без введения новых понятий, критериев, параметров и т.д. В таких ситуациях вероятность получения положительного результата невелика, так как можно и не увидеть возможных 'обходных*' путей. Если же этот путь находится, то обычно открывается целое направление с качественно новым решением проблемы и с множеством решений частных задач.
Разрабатывая технологию новых способов термоциклической обработки (ТЦО), автору пришлось отказаться от одного из традиционных, считавшихся необходимым, параметров: Xвыд н ввести новый: /1опт - оптимальное число нагревов и охлаждений (термоциклов). Новый метод термоцикпической обработки качественно отличается от традиционного метода термической обработки тем, что дает возможность повысить уровень прочности металлического материала. Доказательству перехода металлических материалов (линия 3 на рис.1.1),в частности сталей и чугунов, на более высокий уровень конструктивной прочности (кривая 2 на рис.1,1)е результате термоциклической обработки, состоящей в многократном воздействии на металл или сплав соответствующим изменением температуры при нагревах и охлаждениях, посвящена эта работа. Для этого необходимо сначала рассмотреть на примере стали основные негативные стороны существующего метода термической обработки; положительные структурные изменения, происходящие при ускоренных и быстрых нагреваниях; рост зерен и развитие тепловой хрупкости при выдержке; .использование в основном полного у- превращения и кинетики распада аустенига при охлаждении и т.д.
10
Известно, что не все элементы технологии термической обработки существенно влияют на конечные результаты - структуру и свойства термообрабатываемого материала. Наличие выдержки при постоянной температуре нагревания сводит до минимума возможное положительное влияние скоростного нагревания. Поэтому чаше всего з технологии термической обработки скорость нагревания имеет второстепенное значение. Необходимая структура, а следовательно, и соответствующие свойства формируются главным образом при охлаждении - скоростью охлаждения. Тахим образом, параметрами, фактически влияющими на конечные результаты термической обработки, являются Тт.о., X выд и 2/отт (исключение составляет термообработка с нагревом ТВЧ). При ТЦО все ее технологические параметры Танагр» Т натр» "У'охл» Л опт ) существенно сказываются на конечных результатах.
Далее будут показаны те положительные эффекты, которые достигаются при'скоростном, нагреве сталей и чугунов. Здесь отметим только необходимость использования этих эффектов в новых способах термических упрочняющих обработок.
При обычных способах термической обработки сталей и чугунов получается относительно крупнозернистая структура. Известно, что чем мельче зерно, тем выше механическая
прочность металлического материала. Поэтому желательно получение большей мелкозернистости, что не всегда возможно при термической обработке. Но даже теория метода существующей термообработки не допускает получения сколь угодно мелких зерен в сталях и чугунах. Возможности в этом отношении ограничены некоторым начальным диаметром зерен. Однако и этот наименьший размер для конструкционных сталей и ферритно-перлитных чугунов трудно достижим, так как по условиям метода нагревание ведется до температур выше Асз» а не Ас**
Выдержка при постоянной температуре нагревания не только ведет к росту зерен, но и создает условия теплового охрупчивания легированных сталей, что является еще .одним фактором, снижающим конструктивную прочность широко применяемых легированных сталей и чугунов. Основные способы термической обработки сталей и чугунов предусматривают полное об- у-превращение. Это необходимое условие ведет к увеличению энергоемкости термической обработки. Что ка-
11
сается охлаждения, то оно длится, как правило, тоже до полного завершения того или иного процесса. Далеко не все возможности использованы и при охлаждении сплавов в процессе термической обработки. Заметим, что смешанные структуры, получаемые при незавершенных процессах распада высокотемпературной фазы, зачастую обладают уникальными свойствами, например, стали и чугуны со структурой зернисто-пластинчатого перлита обладают повышенной износостойкостью.
Использование кинетического подхода к изучению металлов, т.е. обращение основного внимания на кинетику процессов,
происходящих в сплавах при нагреваниях, выдержках и охлаждениях, и попытки управлять этими проиессами позволяют получать новые, порой неожиданные результаты. Сказанное не ново. Однако сложность - в накоплении отдельных фиксированных результатов,. их обобщении и формировании на этой основе правильных представлений о кинетике процесса. Эго требует проведения многих экспериментов с большой точностью и при изменяющихся внешних условиях, влияющих на процесс. Так, например, невозможно непосредственно проследить за структурными изменениями в стали при ее непрерывном нагревании или охлаждении. Изменяющаяся структура при^-превращении не выявляется и методом высокотемпературной металлографии. Там тоже нужна некоторая выдержка при постоянной температуре для того, чтобы выявилась устойчивая структура. Поэтому изучение кинетики структурных изменений до СИХ пор велось путем анализа фиксированных структур. Также исследовалась и возможность регулирования процесса структурообра-зования.
До недавнего времени считалось, что с помощью термообработки металлических материалов можно только регулировать соотношение прочностных и пластических свойств: улучшая одно - ухудшаем другое, и наоборот. Именно это обстоятельство сдерживало открытие новых возможностей в термической обработке. С другой стороны, еще со времени Д. К. Чернова было известно отрицательное влияние многократных нагревов и охлаждений стальных изделий: происходит формоизменение и термоусгалостное разрушение. Однако основоположник научного металловедения Д. К. Чэрноэ утверждал, что 'закалку
стали с последующем полным отпуском можно повторять с одним образцом большое число раз, и если не злоупотреблять нагревом, нагревать, закалять и опять отпускать, то окажется,
12
что если мы будем это делать в благоразумных пределах, сталь при этом совершенно не теряет свои свойства*.
Но что будет, если благоприятные условия термообработки, о которых только догадывался Д. К. Чернов, сделать преобладающими и оптимизировать их? По-видимому, свойства стали могут при многократном нагревании и охлаждении не только не ухудшаться, но и стать лучше. Именно в этом направлении при участии автора стала развиваться наука о металлах и их термической обработке как технологии упрочнения.
В условиях современной научно-технической революции к машиностроительным материалам предъявляются высокие требования. Как уже отмечалось, необходимо достигать простыми методами улучшения всего комплекса механических свойств металлов и сплавов, т.е. наряду с повышением показателей прочности должны увеличиваться (или не снижаться) значения пластичности и вязкости. Таким простым методом является термоупрочнение. Поэтому сформулированная ранее задача повышения конструктивной прочности металлических материалов является принципиально новым направлением в термической обработке. Эта новая задача потребовала и новых средств ее достижения - разработки и внедрения метода упрочняющей тер-моциклической обработки.
При разработке технологических процессов (режимов, способов) ТЦО учитывались такие сложные явления, как особенности фазовых и структурных превращений при ускоренных нагреваниях и охлаждениях, термонаклеп и возможная рекристаллизация, термодиффузия (диффузия примесных элементов от градиента температур), гетеродиффузия в процессе фазовых превращений, упорядочение и разупорядочение структуры твердого раствора и т.д.
1.2. Исследования фазовых превращений при нагреве железо-углеродистых сплавов
Кинетика превращений в сталях при нагревании всегда интересовала металловедов и металлофизиков. Проблема же аусте-низации особенно стала актуальной в связи с появлением теории так называемого бездиффузионного образования аустенита при сверхбыстром нагревании стали [181].
13
Общая теория фазовых превращений основана на законе о конкурирующих возможностях превращения С236, 163] , который выявляет роль кинетических факторов в развитии превращения: если в сплаве принципиально возможно образование различных промежуточных состояний, то в первую очередь будут реализовываться такие состояния, приближение к которым происходит с наибольшей скоростью и сопровождается некоторым, хотя бы незначительным, понижением свободной энергии системы. Иначе говоря, закон утверждает, что в сплаве реализуется то из конкурирующих состояний, которого можно достичь за меньший промежуток времени в данных условиях фазового превращения. Одним из основных проявлений закона о конкурирующих возможностях превращения является диффузионный механизм его реализации. Этот процесс в железоуглеродистых справах, например, инициируется диффузией углерода в .феррит при нагревании сплава. Процесс <зС—► у-превращения в сталях и чугунах всегда сопровождается сменой межатомных связей. В ферритно-лерлитной смеси преобладают одноименные связи, т.е. взаимодействия одноименных атомов (Ге) и молекул РезС. При температуре Ас* эти связи разрушаются и создаются новые,
названные еще Д. И. Менделеевым разноименными, т.е. вступают во взаимодействие атомы Ре и С. Процесс обратного' превращения может идти с некоторым отличием от прямого, и на этой основе появляется возможность влиять на характер взаимосвязей атомов в кристаллической решетке, изменять энергию (силу) межатомных связей, т.е. энергию активизации разрушения (£/) металла. Кроме того, влияние на взаимосвязи атомов должно изменять параметры кристаллической решетки, взаимное распределение их и этим устанавливать тот или иной порядок (ближний или дальний) в кристаллической структуре.
Вторым из частных проявлений закона о конкурирующих возможностях превращения является развитие в сплавах без-диффузионных превращений, аналогичных мартенситным [163]. Явление мартенситного превращения при охлаждении стали из аустенитного состояния известно давно и достаточно хорошо изучено. Особый интерес представляет бездиффузионное превращение при нагревании. В работе [94] впервые было высказано представление об определяющей роли концентрационных и энергетических флуктуаций в превращении железа при быстром нагревании стали. Исследования бездиффузионного меха-
14
низма ъЛ —> *^л“пРевРащениях интенсивно ведутся уже 25 лет. Полученные результаты имеют большое теоретическое значение, но их необходимо полнее реализовать при разработке тех или иных технологических процессов. Не случайно поэтому появляются исследования, стоящие ближе к практике создания способов термического упрочнения сталей и сплавов - см.,например, работы [228, 95^ В работе f228J показано, что смена диффузионного механизма в перестройке Ж —* ^-решеток железа на бездиффузионный (мартенситный) у перлита происходит при скоростях нагревания порядка (7ч- 8) • 1(Л град/с. Такие скорости нагревания в практике термической обработки вряд ли в ближайшее время будут достигнуты.
Следует заметить, что еще в работе [115] было показано, что фазовое превращение феррита также происходит вследствие влияния температуры и растворенного в нем углерода. Если углерод в феррите распределен равномерно, то зерна претерпевают еС “у* -превращения одновременно во всем объеме
зерна, как принято считать сейчас, по сдвиговому механизму (мартенситному). Если же углерода больше сосредоточено на границах зерен, то превращение начинается именно там по
диффузионному механизму, а в центральной области зерен - по мартенситному. В железе фазовое превращение происходит в основном по бездиффузионному механизму, так как диффузия углерода в феррит осуществлена еще в процессе его производства. При этом скорость изменения температур практически не влияет на кинетику превращения.
Процесс фазового превращения оказывается значительно сложнее, если в структуре сплава есть и твердый раствор
(феррит) и механическая смесь типа перлита (феррит + цементит) £95,1. Установлено, что при быстром нагревании (сотни градусов в секунду) в отожженной конструкционной стали имеют место два независимых превращения основных структурных
составляющих. В указанных условиях у доэвтектоидной стали вначале идет диффузионное превращение перлита, а при температуре выше 900°С - без диффузионное превращение оставшегося еще феррита.’
Бездиффузионная -перекристаллизация при нагрева-
нии закаленных структур происходит и при малых скоростях процесса. Здесь полная аналогия с железом. Действительно, исследования и практика термообработки доэвтектоидных лег и-
15
рованных сталей показали, что при повторной закалке с более низких температур ранее перегретой и закаленной стали не происходит измельчения зерен. Восстановление аустенитного зерна при нагревании кристаллографически упорядоченных
структур (бейнита или мартенсита закалки) объясняется без-дифф уз ионным характером & — 'у -превращения, т.е. сдвиговым механизмом превращения, аналогичным мартенситному £181, 115, 75].
В настоящее время теории диффузионного и бездиффузионно-го механизмов Ж —* у -превращения развиты удовлетворительно* Однако они - описания двух крайних случаев превращений. Необходима общая теория фазовых превращений при разных скоростях изменения температуры. Процесс диффузионного образования аустенита при нагревании сталей и сплавов используется широко. Чисто без диффузионное оС —*• у. превращение для доэвтектоидаых сталей получить сложно (необходима скорость нагревания в сотни и тысячи градусов в минуту), а в случае эвтектоидных и заэвтектоидных - просто невозможно. Относительно легко реализуется бездиффузионное формирование ауртенита из мартенсита и бейнита, но в этом случае оно не приводит к желаемым результатам, так как при этом сохраняется наследственная крупнозернистая структура. Практическую ценность могла бы представлять общая теория фазовых превращений, которая как частные случаи описывала бы диффузионный и без диффузионный механизмы превращения. Особый интерес представляло бы описание смешанного диффузионно-бездиффузионного процесса сС — "у* -превращения при реально осуществимых быстрых скоростях нагревания металлических изделий. Такой теории пока еще нет. Идет противоборство разных
взглядов. Однако такие смешанные процессы реально происходят в сталях и других сплавах. Подтверждением этому является повышенное количество аустенита, образующегося при ускоренном нагревании, в конструкционной углеродистой стали между температурами Ас^ и Ас3 по сравнению с медленным нагреванием и выдержкой при заданной температуре. Эксперименты убедительно показывают, что в первоначальный момент после нагревания до межкритического интервала температур (например, в соляной ванне) аустенита в стали больше, чем после некоторой выдержки [1823. Вероятно, эти факты можно объяснить тем, что на диффузионный процесс образования аус-
16
тенита накладывается без диффузионный. Поэтому не случайно, что одним из направлений в разработке новых способов термической обработки стало использование быстрого нагревания.
По мнению ряда исследователей (см., например,работы £182, 75] ), 'преждевременная* аустенизация малоуглеродистых (конструкционных) сталей при быстрых нагреваниях связана с развитием сС — -превращения на границах блоков мозаики и других микродефектов феррита, т.е. наличием бездиф-фузионного превращения.
Таким образом, по данным работ, в которых исследовался процесс превращения <?С-железа в 'у-железо в углеродистых сталях прослеживается следующая закономерность. При малых скоростях нагреваний преобладает диффузионный механизм превращения и образуется устойчивый (стабильный) аустенит, при умеренных скоростях - и устойчивый и неустойчивый (мета- • стабильный) аустенит (в силу действия одновременно двух различных процессов: диффузионного и бездиффузионного). При этом та часть аустенита, которая возникает по бездиффузион-ному механизму, не может быть устойчивой в межкритическом интервале температур, так как температура (поглощенная
энергия) малоуглеродистого аустенита ниже равновесной. Такой аустенит неустойчив (метастабилен). Неустойчивость аустенита в межкритическом интервале температур свидетельствует, что в нем углерода было меньше, чем это требуется при диффузионном механизме превращения. В последнем случае углерода всегда достаточно (иначе процесс останавливается) для создания устойчивого аустенита. Сам факт появления метастабильного аустенита при умеренных (средних), скоростях нагревания свидетельствует о без диффузионном его происхождении. Наконец, при сверхбыстрых нагреваниях сталей происходит без диффузионное их превращение с образованием устойчивого аустенита.
Таким образом, практический интерес представляет умеренное нагревание и смешанный механизм оС 'у-1 -превращения. Такое нагревание позволяет интенсифицировать процесс термообработки и получать особые структуры сталей.
Г
17
1.3. Термодиффузионные процессы
Термические обработки, включающие выдержки при постоянных температурах, основаны на диффузионных процессах,
происходящих в металлах. Диффузионный процесс лимитирует
скорость диффузионного оС 'у -превращения и выравнивания (гомогенизации) химического состава высокотемпературной фазы - аустенита.
Основой классической физико-математической теории диффузии являются дифференциальные уравнения Фика, описывающие процессы диффузионного переноса вещества:
-^- = 0-^- (1.1)
дх о1 дх* *
где 1 - диффузионный поток элементов вещества, N - кон-
центрация диффундирующих частиц; £) - коэффициент диффузии.
Для решения задач диффузии элементов (частиц) в твердых телах чаще всего пользуются вторым из уравнений (1), которое описывает характер распределения концентрации диффундирующих частиц в разных точках среды как функцию времени. Дифференциальные уравнения Фика справедливы лишь в случае
свободной диффузии, т.е. когда перемещения диффундирующего вещества определяются исключительно величиной и направлением градиента концентрации. Следовательно, в случае непостоянной температуры и большого градиента температур диффузия элементов усложняется и уравнения Фика уже не могут описать этого процесса. Однако известно [2§] , что если на диффундирующее вещество действует в процессе диффузии какая-то внешняя 'сила", то на поток вещества (первое из уравнений 1.1) накладывается некоторый поток частиц, вызванный действием внешнего силового поля. Этот вынужденный поток равен
(1.2)
где V - направленная скорость вещества, приобретаемая под влиянием поля. В этом случае суммарный поток будет описываться уравнением
/ = - в -4^- Л'г- (1.3)
18
и второй закон Фика (второе равенство в 1Л) примет" вид
d/V г, Э2Д' д.У
= 0-^ - . (1.4)
<Эл:2 длг
Известна быстрая вынужденная диффузия различных элементов в твердых растворах под влиянием магнитного, электрического и других силовых полей (давления, центробежных сил, внутренних напряжений и т.д.). Так, например, скорость направленного потока олова в германии под воздействием электрического потенциала равна 0.2-0,3 мм за 10-15 мин. Одной из разновидностей вынужденной диффузии в поле внешних сил является термодиффуэия - вынужденная диффузия под действием градиента температур. При появлении градиента температур с1 Т/с£х на атомы действует сила, пропорциональная градиенту
/ = I дТрх (1.5)
(Ь - кинетический коэффициент Оизагера). В связи с этим скорость дрейфа атомов 1Г возрастает на
/Р 1Т дТ , ч
кТ кТ дх '
Подставляя выражение(1*6) в (1.4), получаем уравнение диффузии с учетом действия градиента температур:
дМ п д-.У Ю дТ дХ
= ------г;—~—г-• (1.7)
dt дх- к Т дх дх
Последнее слагаемое дает расходимость (дивергенцию) потока атомов вследствие дрейфа в поле градиента температур. При устранении градиента второе слагаемое исчезает и уравнение (1.7) переходит в (1.1).
В работе [29J, посвященной теоретическим вопросам диффузии при ТЦО, показано, что при изменении температуры (Т2~ -Ti) необходимо учитывать также температурную зависимость
D. При предположении, что зависимость D от Т подчиняется закону Аррениуса, т.е. D = exp [—Q/(kT)]t , и с учетом зависимости температуры тела от времени ir в процессе нагревания или охлаждения, а также энергии активации О» было получено уравнение для расчета значений эффективного коэффициента диффузии D
19
D*, = fT'Doi a exp [ - Qt3 (kT)] dTJ(TV- 7,), (1.8)
J Г,
где Z)c>i - предэкспоненциальный множитель; cC и J> - параметры изменения значений £)0 и Q в зависимости от фазового состояния сплава; С - номер фазы.
Вычисления £)Эф для интервалов температур, используемых при ТИО сталей с учетом различных степеней (относительно объемов) фазовых превращений, показали, что возникающие движущие силы диффузии, обусловленные изменением температуры, приводят к существенному увеличению значений эффективного коэффициента диффузии. Опыт свидетельствует, что поток диффузионных частиц, вызванных градиентом температуры, однонаправлен с градиентом или направлен в противоположную сторону. Это зависит от вещества, диффундирующего в кристалле, и вещества-растворителя. Как правило, если растворенный диффундирующий элемент имеет большую, чем растворитель, температуру плавления, то он диффундирует навстречу тепловому потоку, а более легкоплавкие, чем растворитель, элементы перемещаются в направлении потока тепла. Чем больше градиент температуры, тем выше скорость термодиффузии элементов. Направленная скорость диффузионного потока вещества при термодиффузии зависит от многих факторов, и ее значения находятся экспериментально для каждого конкретного случая аналогично тому, как определяют коэффициент самодиффузли D.
В общем случае дифференциальное уравнение термодинамического состояния системы имеет вид [40]
dE=X k:dPt, (1.9)
1 = 1
где Е - термодинамический заряд; Р - термодинамический потенциал; k - коэффициент пропорциональности; п - число внутренних степеней свободы системы; L = 1, 2, 3 . При
термодиффузии, когда d Е обусловлено в основном изменением температуры ci Т, а процесс можно рассматривать в сечении плоскости, число внутренних степеней свободы можно принять равным единице. Следовательно, дифференциальное уравнение
20
состояния может быть записано в виде
сС Е =Ыт (1.10)
В уравнении (1.10) с£Е есть изменение концентрации диффундирующего вещества. Терм о диффузионный поток 1Т количественно предопределен и равен
1Т = А'с1Е (1.11)
где А - коэффициент пропорциональности. С учетом того, что <1Е пропорционально сСЬ, уравнение (1.11) может быть в общем виде записано как
1Т - В-ЛТ (1.12)
где В - некоторый функциональный коэффициент.
Явления термодиффузии известны давно. Однако используются они в технике и, при термообработке в частности, еще не в полную меру. Для того, чтобы практически использовать термодиффузию для целей термической обработки, необходимо знать, насколько эта диффузия эффективна и каковы для этого должны быть градиенты температур. В связи с этим были проведены некоторые установочные эксперименты. В частности, изучалась термодиффузия кремния в трансформаторном железе.
На основе теории предполагалось, что если один конец пластинки из трансформаторного железа держать в небольшой печи нагретым, а другой, находящийся вне печи, охлаждать водой, то через некоторое время растворенные в феррите кремний, углерод и другие элементы изменяют свою концентрацию по длине пластинки. Такой опыт был проведен с нагреванием до температуры 700°С с выдержкой установившегося градиента температуры в течение четырех часов. Под влиянием постоянного градиента температуры по длине пластинки из трансформаторного железа тугоплавкие элементы ё1 и С должны смещаться к горячему концу пластинки, а легкоплавкие - в сторону холодного. Увеличение концентрации растворенных в феррите элементов сопровождается увеличением твердости материала. Поэтому, замеряя микротвердость (Нух) (ГОСТ 9450-60) после охлаждения пластинки до комнатной температуры, можно фиксировать результат, обусловленный термодиффузией, и по изменению микротвердости судить об интенсивности процесса термодиффузли.
21
На рис. 1.2 приведены результаты такого проверочного эксперимента для трансформаторного железа: линия 1 - значения
микротвердости Нуд (при силе нагрузки /X = 50 г вдоль пластинки - исходное состояние); кривая 2 - изменение Н# по длине пластинки от горячего конца после 4-часового действия постоянно приложенного градиента температуры.
Создание постоянного градиента температуры при термической обработке очень сложно. Поэтому изучался вопрос влияния изменяющегося со временем градиента температуры на термодиффузию. Для этого был произведен следующий опыт.
Один из концов пластинки из трансформаторного железа зажимался двумя относительно массивными накладками из меди. После этого пластинка с прикрепленными накладками помещалась в горячую печь, нагретую до 700° С . Свободный % конец пластинки прогревался быстро, а зажатый - медленно вследствие большой теплоемкости накладок. Так возникал изменяющийся градиент температуры вблизи накладок. После того, как накладки и зажатая между ними пластинка принимали температуру окружающей среды (т.е. 700°С), все приспособление охлаждалось в воде. Было проведено 20 таких циклов. Нагревание при каждом термоцикле длилось 4-5 мин., а охлаждение — 2-3 с. По окончании опыта была промерена михротвердосгь пластинки (Ну*, ) по ее длине, начиная с горячего конца. Результаты
замеров представлены кривой 3 на рисЛ.2.
22
Данный опыт показал, что изменяющийся градиент температур при нагревах трансформаторного железа приводит к быстрой термодиффузии элементов. Об этом говорит перепад в твердости на 50 ед. получившийся за 100 мин нагревания. Необхо-
димо еще учесть обратную термодиффузию при охлаждениях, которая хоть и мала из-за кратковременности охлаждений, но все же имеет место. Следовательно, кривая 3 показывает результирующий эффект от термодиффузии при относительно медленных нагреваниях и быстрых охлаждениях.
Таким образом, соответствующим подбором скоростей нагрева и охлаждения при термоциклировании можно получить тот или иной эффект, ту или иную ликвацию. Если, например, скорость охлаждения будет значительно больше скорости нагрева, то очевидно, что ликвация элементов будет противоположна той, что получилась в данном эксперименте с пластинкой, и будет косвенно отражена (через изменение ) в ходе кривой 3.
Экспериментальная проверка возможности управления термо-диффузией при многократных нагреваниях и охлаждениях соответствующим подбором скоростей нагрева и охлаждения полностью подтвердила это предположение. При одинаковых скоростях нагреваний и охлаждений одного из концов цилиндрического образца как из высококремнистой динамной стали, так и из ВЧ45-5 не наблюдалось заметного изменения твердости по длине образцов. Нагревание образцов производилось при опускании одного из торцов в разогретую до 700°С свинцовую ванну. Охлаждались образцы теплой водой. В этом случае получались примерно одинаковыми время нагревания и время охлаждения.
Все опыты, проведенные на кремнистой стали (трансформаторное железо и динамная сталь), показали, что термодиффузия кремния в феррите происходит довольно интенсивно (во много раз быстрее самопроизвольной диффузии) и ею можно управлять. Это хорошо согласуется с выводами работ £40, 154 и др.}.
Термодиффузия может не только ускорить многие процессы в металлических материалах, происходящие при термообработке, но, вероятно, позволит формировать необходимые структуры с заданными свойствами. В этом отношении термодиффузия, как и элементы без диффузионного превращения, должна использоваться в новых технологических разработках упрочняющих термообрабо-. ток.
23
1.4. Особенности структурных изменений при быстрых нагревах и охлаждениях сталей
Изменения в структуре сталей и чугунов после быстрых нагреваний и охлаждений обусловлены двумя группами причин. Одна из них не связана с особенностями фазовых превращений, происходящих во время этих операций. Как показано в работе [и], не связанные с фазовыми переходами структурные изменения являются результатом изменения концентрации точечных дефектов, образования новых дислокаций и микродефектов упаковки, их взаимодействием и перераспределением, а также зависят от процессов деформации. Следует добавить, что
структурные изменения без участия фазовых превращений могут происходить и в результате перераспределения растворенных в твердой фазе элементов, т.е. путем изменения ликвационной структуры.
Меняется структура металлов и под влиянием фазовых превращений. При этохМ может происходить изхмельчение зерен, преимущественное растворение или выделение избыточных фаз, существенное изменение формы и размеров структурных элементов, выделяющихся из высокотемпературной фазы (аус-тенита), Кроме того, при нагреваниях железоуглеродистых сплавов выще температуры начала сС — 'У -превращения и охлаждениях действуют все те причины структурных изменений, которые были перечислены для случая, когда фазовые превращения не происходят.
Фазовые и структурные изменения в сталях и чугунах при многократных нагреваниях и охлаждениях исследовались многими металловедами, изучавшими явления формоизменения
металлических материалов, исследования начались еще в XIX в. Позднее этот вопрос освещался и в работах по термоусталостному разрушению, начало которым было положено Д.К.Черно-вым. Исследования структурных изменений при термоциклиро-вании, выполненные до создания первых технологических процессов ТЦО были многочисленны (см., например, работы [12, 121^7 и другие). Но все они были направлены на то, чтобы понять механизм отрицательного влияния большого количества термолик лоз, приводящих к формоизменению изделий и термоусталостному разрушению, хотя многие авторы отмечали, что
24
после первых термоциклов металлические материалы упрочняются, а структурные изменения часто таковы, что улучшают качество металла. В конце 60-х и начале 70-х годов было выполнено достаточное число исследований, посвященных
структурным изменениям при малых количествах термоциклов. Их результаты послужили основанием для постановки технологических работ по созданию способов ТЦО. К числу пионерских исследований в указанном направлении относятся работы Р.А.Грейнджа, Л.Ф. Портера и Д.С. Добкозски, И. Н. Кидина [95, 243, 244, 1647 и других специалистов. В связи с бурным развитием ТЦО особенности фазовых и структурных превращений при этой технологии изучаются многими советскими и зарубежными исследователями [212, 97, 96 и т.д.^.
Основными направлениями современных исследований структурных изменений при ТЦО являются следующие:
1. Структурные изменения в металлах и сплавах без фазовых превращений при ТЦО.
2. Формирование новых структур при ТЦО с фазовыми превращениями в сплавах.
3. Развитие структурных превращений при ТЦО в сплавах с полиморфными превращениями и развитой способностью к рекристаллизации.
В монографии [ц]. посвященной изучению формоизменений при нагреваниях и охлаждениях, указывается, что структура металлов при термоциклировании, имитирующем условия работы материалов при частых нагреваниях до полиморфных превращений, изменяется следующим образом: вначале нагревания устраняют дефекты, присутствовавшие в металле в исходном состоянии, а потом под влиянием термических напряжений происходит образование новых микродефектов структуры (дислокаций и их скоплений). В результате этого происходит разупрочнение металла на первых циклах и упрочнение при дальнейшем термоциклировании. Однако это упрочнение, обусловленное накоплением дислокаций, происходит до тех пор, пока не исчерпается пластичность. После этого появляются трещинки и прочность падает. Дальнейшее термоциклирование разрушает металл.
Термоциклирование при изучении формоизменений и термо-
25
усталости металлов не является технологической операцией, а имитирует реально существующие условия эксплуатации. В этом отношении результаты работ по термоциклированию ^е могут быть использованы непосредственно при разработке технологии упрочняющих термоциклических обработок. Однако некоторые факты обращают на себя внимание, например, упрочнение при термоциклировании. Оно обычно наступает после нескольких сотен термоциклов при неспециальном (для упрочнения) термоциклировании. Однако если поставить целью разработку упрочняющей (специальной) термоциклической обработки, то можно ожидать упрочнения на первых термоциклах. Только такое тер-моциклирование может быть реально осуществлено в 'производственных условиях машиностроения.
Исследования структурных изменений при термоциклировании сталей и чугуноз показали, что полиморфные, .... фазовые у - превращения существенно изменяют структуру. Так, например, термоциклирование проволочных образцов из конструкционных сталей с нагреваниями до 900°С приводит к росту зерен, а многократное нагревание до температуры образования двухфазной (<тС +^) - области вызывает резкое измельчение структуры Щ]. Эти наблюдения согласуются с результатами ранее выполненной работы £172 7 . При термоциклировании наблюдалась и коагуляция карбидных фаз £117.
Таким образом, термоциклирование приводит на разных его стадиях и при разных температурных режимах к формированию гаммы структурных состояний. Часть из них отрицательно
сказывается на прочности железоуглеродистых сплавов (например, укрупнение зерен), а некоторые структурные изменения могли бы увеличить прочность, но при сверхинтенсивных режимах термоциклировании постоянно накапливаются микроповреждения, устраняющие эффект упрочнения от, казалось бы, положительных структурных изменений. Это обстоятельство учитывалось автором при разработке конкретных способов метода упрочняющей термоциклической обработки: создавались
такие режимы, чтобы при термоциклировании в материале не возникали повреждения.
На основании теории термодиффузии можно утверждать, что углерод в стали как более тугоплавкий компонент будет под действием термодиффузионного потенциала перемещаться в на-
26
правлении, противоположном тепловому потоку. Действие термодиффузии углерода проявляется в ускорении процесса аустени-зации при увеличении скорости нагревания. При этом темпера-
Объяснение этих фактов может быть следующим. При быстром нагревании, например, стали
А П Л СП . . О/ ..---
вращение. Перлит, поглощая энергию, переходит в аустенит. При этом в ферритных зернах приток энергии извне увеличивает их температуру, а перлитные зерна практически не разогреваются (интенсивно поглощая энергию на фазовый переход) до тех пор, пока происходит перлитно-аустенитное превращение. Так возникает разница в температурах структурных составляющих при нагревании стали. При этом более горячие зерна феррита отдают часть своей тепловой энергии зернам с меньшей температурой. Тепловой поток от феррита к аустениту способствует ускоренной диффузии (термодиффузионная составляющая) углерода к зернам феррита, что, в свою очередь, облегчает и ускоряет дальнейшее об —* ^ -превращение. При ускоренном
тура Ас*. повышается, а интервал критических температур
ставляклдил. дл^гу* деридиигии
стали. При медленном нагревании между составляющими сплава успевает происходить теплообмен, и поэтому зерна феррита и перлита в стали нагреваются одинаково; на температуре
структурных составляющих мало сказываются их различия в теплопроводности, теплоемкости и т.д. При ускоренном же нагрева-
Рис. 1.3. Кривые нагревов
нии в стали при температуре Ас^ начинается сС
27
нагревании феррит интенсивнее поглощается (растворяется) аус-тенитом, чем при медленном.
Описанные особенности в диффузионных процессах, происходящих при фазовых превращениях с ускоренным нагреванием, могут и должны использоваться при разработке новых способов упрочняющих термообработок. И это уже делается. Сейчас в1 России и во многих развитых странах мира поиск новых резервов
термической обработки ведут в направлении увеличения скоростей нагревания термообрабатываемых изделий. Это дает некоторые положительные результаты.
Ускоренный нагрев - одно из основных положений, принятых автором при разработке метода термоциклической обработки сталей и чугунов.
Метод ТЦО, в отличие от ТО, основывается на особенностях структурных превращений, протекающих в сплавах при нагреваниях и охлаждениях. Оказалось возможным использование промежуточных состояний фазового превращения для формирования той или иной структуры. Следовательно, нагревы при ТЦО могут осуществляться и в области неполного превращения,
что при классических способах термообработки считается недопустимым по известным причинам £.69
Для использования промежуточных структурных состояний обратного А—*. (Ф + П) -превращения операции охлаждения не должны быть прерывистыми. Вначале .они должны быть медленными для осуществления распада аустенита на феррит и цементит, а потом ускоренными - для фиксации тех структурных состояний, которые имеет сталь при температурах несколько ниже А^.
Одним из факторов, повышающих характеристики сталей при ТЦО, является термонаклеп. При быстрых нагреваниях и охлаждениях структурные составляющие сплава, обладая разными теплопроводностями, теплоемкостями, коэффициентами расширения, температурами и прочностными свойствами, претерпевают внутреннее микропластическое деформирование [и]. Эта микродеформация вызывает увеличение плотности дислокаций, полос скольжения и других видов микродефектов, упрочняющих материал. Но не это, а структурные превращения являются основными при изменении структур и механических свойств путем ТЦО. Однако роль термонаклепа как фактора, ускоряющего
28
структурные изменения в сплавах на основе железа, велика. Внутренние термические микронапряжения снижают температуру начала фазового лреврашения при нагревании. У микродефектов феррита возникают зерна метастабильного аустенита. Термонаклеп, таким образом, увеличивает долю бездиффузионного с£-->-'У‘‘‘пРевРащеяия и, тем самым, способствует сокращению числа необходимых термоциклов при ТЦО.
Интенсивно происходящие фазовые превращения своими перестройками кристаллической решетки не только способствуют 'перемешиванию' структурных составляющих, но и способны вызывать ускоренный распад метастабильных структур и химических соединений металла с углеродом, например, первичного цементита.
Термоциклическая обработка, очевидно, является динамичной, и эта ее динамичность - одна из основных особенностей ТЦО, позволяющая интенсифицировать процесс термической обработки.
Все способы термоциклической обработки сталей и чугунов можно условно подразделить на низко-, средне- и высокотемпературные. Низкотемпературные способы ТЦО - такие, при которых нагревания осуществляют до температуры несколько ниже начала полиморфного ТГ“ превращения, т.е. без участия в структурных изменениях фазовых превращений. Среднетемпературные способы ТЦО предусматривают нагревания до температур возникновения области двухфазного состояния, т.е. в область температур между точками Ас* и Асз- Высокотемпературные способы ТЦО - такие, при которых нагревания производят до полного фазового превращения, т.е. выше точки Асз- Названные три группы способов ТЦО охватывают все существующие и вновь создаваемые способы ТЦО. Совокупность способов ТЦО сплавов на основе железа представляет собой метод ТЦО, возможности которого будут показаны в следующих главах.
Железоуглеродистые сплавы в качестве основной структурной составляющей имеют феррит - твердый раствор углерода и других элементов в с/.-железе. Поэтому важно учитывать и по возможности регулировать степень упорядоченности ЭТОГО твердого раствора и тем самым влиять на его механические свойства и на свойства сплава в целом.
29
Явление перехода от упорядоченного твердого раствора к разупорядоченному и обратно известно давно. Ему посвящена обширная литература (см., например, работы [299].). Физическая сущность этого явления обоснована в общей теории сплавов [1153* развитой с учетом межатомных сил взаимодействия одно- и разноименных элементов в сплаве. Основное условие, обеспечивающее упорядочение твердого раствора определенного состава, состоит в том, чтобы разноименные атомы притягивались друг к другу сильнее, чем одноименные [229]. Это условие выражается через энергии взаимодействия атомов двух сортов (А и В) следующим образом: еав < (еаа + Евв^ где
Едд, - энергия взаимодействия в парах, образованных
одноименными атомами; - энергия взаимодействия разно-
именных атомов. Эго условие необходимое, но не достаточное. Для перестройки необходимо передвижение растворенных атомов в твердом кристаллическом теле растворителя. Такое движение возможно, если напряжения, вызванные силой взаимодействия разноименных элементов, выше некоторого критического значения (6кр)> обусловленного кристаллической структурой. Преодоление этого барьера примесными атомами облегчается, если увеличить температуру, пластически деформировать или создать упругую деформацию твердого раствора. Указанные выше условия, способствующие упорядочению атомной структуры твердого раствора, сопровождаются увеличением подвижности примесных атомов, повышением коэффициента самодиффузии элементов £29, 30]. Поэтому, чтобы способствовать созданию упорядоченной структуры (сверхструктуры) в твердом растворе сплава, на него необходимо воздействовать температурой, пластической и упругой деформациями.
Известно также, что упорядоченное расположение примесных атомов в кристаллической решетке растворителя отличается более низкой внутренней энергией по сравнению с неупорядоченным. Структурное превращение беспорядок-* порядок происходит тем интенсивнее, чем больше разность термодинамических потенциалов разноименных атомов» так как термодинамическая сила пропорциональна этой разности. При постоянной температуре значение указанной разности меньше, чем в процессе нагревания или охлаждения, т.е. при изменяющейся температуре интенсивность упорядочения больше, чем при соответствующей
30
постоянной. Этот термоциклический эффект обусловлен различием поглощения и рассеяния теплоты атомами элементов, входящих в сплав. Следовательно, более эффективным технологическим приемом упорядочивающей термообработки может быть воздействие на сплавы не постоянной температурой и деформацией]" а изменяющейся температурой. Под действием переменной температуры при многократных нагреваниях и охлаждениях возникают термические и структурные микронапряжения, способствующие формированию упорядоченной структуры. Фазовые превращения, например, решетки железа, увеличивая подвижность растворенных в нем атомов примеси, ускоряют упорядочение распределения как атомов замещения, так и атомов внедрения (например, углерода) по подрешеткам октаэдрических междоузлий. В конструкционных сталях феррит (как главная структурная составляющая) определяет основные свойства сплава, поэтому для формирования в стали упорядоченной структуры феррита разработаны специальные режимы ТЦО (см., например, работу [221]).
При теоретическом рассмотрении упорядочения твердого
раствора углерода в «^-железе путем термоциклической обработки необходимо описать концентрационные неоднородности в обрабатываемом сплаве. Для этого было использовано известное выражение для свободной энергии поля концентрационных неоднородностей [23 о]:
р(°) = I 1/(0 ~/(7) -ьр. 2 (Егас1т)г] йУ, (1.13)
V
где с = с + ^ (/*) - средний состав сплава; Д (Г) - отклонение от среднего состава; уЗ >0 - константа; V" - объем.В рассматриваемом случае малых неоднородностей можно ограничиться квадратичным по А приближением для (с), так как /(с) = /(с) + <£А /2. Учитывая также влияние деформационного взаимодействия концентрационных неоднородностей в низшем по неоднородности и деформации приближении
fЧA2dL[vV(U - вектор смещений, - константа), найдем
/%
р = С/г)] + Загаси)2 + (IV. (1.14)
V
Решение уравнения (1.13) дает систему уравнений, аналогичную уравнениям Гинзбурга - Ландау в теории сверхпроводников второго рода с Л в роли параметра порядка. Это позволяет при исследовании структуры твердых растворов использовать