CC BY
18
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип. № 12
УДК 669.14:669.788.001.5
Ткаченко И.Ф.1, Гаврилова В.Г.2, Ткаченко К.И.3
АНАЛИЗ ТЕРМОДИНАМИКИ ПРЕВРАЩЕНИЯ АУСТЕНИТА В ПЕРЛИТО-БЕЙНИТНОЙ ОБЛАСТИ
Выполнен термодинамический анализ условий превращения переохлажденного ау-стенита в перлито-бейнитном интервале. Оценена величина свободной энергии превращения. Показано, что основной вклад в эту величину в области бейнитного превращения вносит свободная энергия образования а- фазы, пересыщенной углеродом. Это обусловливает изменение движущей силы превращения по кривой с максимумом, что соответствует характеру изменения кинетики превращения при снижении температуры в пределах А-Мн.
Термодинамический анализ фазовых превращений, протекающих в сплавах при охлаждении позволяет получить важную информацию об их механизме и кинетике, а также о природе образующихся фаз и морфологии формирующихся фазово- структурных состояний. Как и для любой химической реакции, в случае фазовых превращений важнейшим результатом такого анализа является определение вкладов в свободную энергию превращения, которая определяется как разность энергий конечного фазово- структурного состояния АСКП|| и исходной фазы АС||СХ
АОпр= АС КОН АС исх. (1)
Согласно основным положениям термодинамики, превращение при заданных значениях Т и Р возможно только в случае, когда АС||СХ> АСКП||. а, следовательно, АС||р< 0. Величину АС||р. как известно [1], принято называть движущей силой или термодинамическим стимулом превращения. В случае значительного отклонения системы от состояния равновесия превращение приобретает необратимый характер, для которого справедливым является основной закон термодинамики неравновесных процессов [2]
И^^Х,, (2)
где 8 - энтропия системы; I - поток, отражающий скорость процесса; X - сопряжененная сила.
В работе [2] показано, что поскольку энтропия системы связана с термодинамическим потенциалом, то можно записать
(сШ/ск) = -(ёАО/ёт)- Т 1 (3)
Так как, согласно [2], для процесса, имеющего одномерный характер
1 = гх (4)
где Ъ - постоянная, отражающая проводимость, - сопротивление потоку.
Для случая, когда поток представляет собой скорость изменения числа атомов п на поверхности исходной фазы, соотношение (4) приобретает вид
I = — = -Ъ Т 1 п • (с!ЛО(п)/с1п) (5)
с1т
Из этого выражения видно, что скорость роста новой фазы находится в прямой зависимости от изменения свободной энергии в расчете на один атом при переходе его через границу раздела фаз.
1 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент.
2 ПГТУ, канд. техн. наук, инженер.
3 ПГТУ, студент.
Таким образом, из сказанного следует, что все факторы, увеличивающие численное значение величины АС|ф должны, соответственно, вызывать рост скорости превращения и наоборот. Как известно [3], на величину АС[ [ в сплавах в случае, когда превращение протекает при относительно низких температурах с образованием метастабильных структур, должны оказывать влияние ряд факторов, имеющих химическую и нехимическую природу. К ним следует отнести: возможное пересыщение новой фазы; напряжения, возникающие в результате упругого взаимодействия исходной и образующихся фаз; энергию межфазной границы; дефекты кристаллической решетки и др. На основе такого подхода выполнен термодинамический анализ процесса перлитного превращения [4]. В данной работе рассматриваются термодинамические условия формирования структур бейнитного типа. При этом исходили из следующих предпосылок.
- При снижении температуры из перлитной области в бейнитную, происходит непрерывное изменение характера протекания процессов, обусловливающих переход от одного типа структур к другому.
- Интенсивность изотермического превращения находится в прямой зависимости от разности свободных энергий аустенита и продуктов его превращения АС[ [.
- Величина АСц для аустенита заданного состава при Т и Р-сог^ определяются: степенью пересыщения а-фазы углеродом, величиной энергии упругого взаимодействия а- и у-фаз; межфазной поверхностной энергией.
Таким образом, изменение величины АС[ [ от температуры превращения в пределах интервала А1 - Мн можно представить в виде
АОп = [АОу - АО^]- АО* - АОуп - АОпов (6)
В этом выражении член в квадратных скобках является разностью свободных энергий переохлажденного аустенита и структуры, соответствующей равновесному состоянию. Для стали эвтектоидного состава эту величину в первом приближении выразим через энтальпию превращения в виде
AGa/п = [AGY - AG^ J = АН • AT/Aj (7)
Отметим, что линейный характер зависимости этой величины от температуры соответст-свует виду зависимости АОу/а, полученной в расчете по активностям [1] с вполне удовлетворительным соответствием численных значений.
Член ДО" в уравнении (6) отражает вклад, связанный с пересыщением а-фазы углеродом
при снижении температуры изотермического превращения аустенита. Согласно [5] в структуре перлитного типа, формирующейся при 500 С, феррит пересыщен углеродом до 0,06% (по массе). По данным [6] а- фаза бейнита при -300 °С содержит 0,12-0,17 %С, а в работе [7] для 450 С приводится значение ~0,19 %С. Построенная на основе литературных данных кривая содержания углерода в а- фазе в зависимости от температуры приведена на рис. 1. Эта зависимость аппроксимируется выражением вида
КСа = 0,046 • ехр[- 9,75(Т - 475)/1183] (8)
Расчет величины ДО" при различных температурах превращения выполнили с использованием соответствующего уравнения [1] для свободной энергии мартенсита без учета упорядоченности
AGI1 = NCaRTln
N
Ca
0-NCa)
+ 3(l-NCa )RTln
3-4N
Ca
3(l"NCa)
+ NCa (22900 - 7,84T)
(9)
Расчет энергии упругой деформации ДОуп, возникающей при образовании бей-нитной а- фазы, выполнили с учетом особенностей механизма ее зарождения и роста путем сдвигового образования субблоков [8].
Принимая форму субблока в виде сплющенного сфероида радиусом г=5- ИТ" и полутолщиной С=10~ м удельную упругую энергию можно определить выражением [8].
АОуп=А-с/г, (10) где А=2000 Дж/см3для 300К.
Учитывая зависимость А от температуры, а также положение бейнитного интервала в пределах перлито-бейнитной области, зависимость ДОуп от температуры представим в виде
^ = А300 • с/г[1 -3,2-КГ4 -(Т- 300)](1000 - Т)/Т (11)
Количественная оценка вклада поверхностной энергии ДС||0„ для различных температур превращения выполнена исходя из следующих соображений. В области перлитного превращения поверхностная энергии определяется величиной межфазной а/ц поверхности, которая зависит от межпластинного рассстояния Д0. Так как величина До находится в обратной зависимости от степени переохлаждения, то ДО,,,,,, в расчете на один моль железа можно представить в виде
АО£=— (А.-Т), (12)
а -р
где М- его массовое число;
Сто/ц- удельная поверхностная энергия;
а- постоянная величина;
р- плотность.
По мере перехода из перлитной области в бсйнитную в районе точки Бн вместо пластинчатой структуры, образуются кристаллы а- фазы, имеющие форму сфероидов с отношением с/г = 0,02 [8]. Величина поверхностной энергии в расчете на один моль в этом случае будет равна
АО£= ЗМ-СТа/ур/2-рс (13)
Используя выражения (7)-(13), отражающие зависимости отдельных вкладов от температуры, выполнено компьютерное построение соответствующих кривых, представленных на рис.2.
Как видно, величина ДОд/п при понижении температуры растет по линейному закону от нуля при 1000 К до ~2600 Дж/моль при 400 К. Поверхностная энергия, определяемая с помощью выражения (13), относится к перлитной структуре, поэтому, она отражает вклад в ДСц
Содержание углерода, молярные доли
Рис. 1 - Влияние температуры изотермического превращения аустенита на содержание углерода в а- фазе
только в интервале температур ~ А] - 800 К. В тоже время выражение (13) характеризует поверхностную энергию бейнитной структуры, которая существует в области температур выше 800К. Из рис.2 видно, что при Т > 800 К обе кривые практически совпадают, поэтому в интервале А] -500 К вклад от поверхностной энергии представлен выражением (12).
Энергия упругой деформации, как видно из рис.2 может внести ощутимый вклад в ДО[ [ только в интервале образования бейнитных структур.
Наиболее существенное влияние на величину ДО[ [. как следует из рис.2, оказывает изменение свободной энергии а- фазы, при увеличении степени пересыщения ее углеродом по мере понижения температуры превращения.
Как видно, кривая ДО^ при снижении температуры от 1000 до ~750 К весьма слабо повышается, а ниже 750 К наблюдается ее резкий подъем. В тоже время величины ДО'*ови
ДОуп во всем интервале 1000-400 К изменяются по кривым со слабым отклонением от линейной зависимости.
Таким образом, резко восходящий характер зависимости величины ДО'.' от температуры определяет немонотонный характер изменения величины ДОп.
3000,0
2500,0
л
й о
2000,0
«
X и
& 1500,0
х
т
х
ч о ю о са
и
1000,0
500,0
0,0
» » ■ \
Ч V
» > V » ^ > » 1
\ 2 \\
3 \ » У 4 V
\ ч.
400 500 600 700 800 Температура, К
900
1000
Рис.2- Зависимость составляющих свободной энергии изотермического превращения аустенита от температуры:
1-ДОа/П; 2- ДО'
3-ДОуп; 4-ДО
а/ц пов
; 5- ДОп.
Как видно, снижение температуры от 1000 до ~700 К сопровождается увеличением ДОп до ~800 Дж/моль, а в интервале ~700-530 К наблюдается уменьшение этой величины до нуля.
Обратим внимание на то, что такой характер изменения величины ДОп от температуры полностью соответствует хорошо известной зависимости скорости превращения переохлажденного аустенита в пределах перлито-бейнитного интервала.
Полученные результаты очевидно, свидетельствуют о том, что одним из основных факторов, определяющих кинетику превращения нелегированного аустенита в бейнитном интервале,
является степень пересыщения а- фазы углеродом. В присутствии легирующих элементов их влияние на величину AGn, а, следовательно, и на кинетику превращения, должно проявляться через их воздействие на активность углерода в а- и у- фазах.
Выводы
1. Снижение температуры в пределах интервала Ai-MH сопровождается немонотонным изменением свободной энергии превращения переохлажденного аустенита. Максимум AGn соответствует температуре ~ 680 К.
2. Экстремальный характер изменения AGn определяется, главным образом, резким повышением свободной энергии а- фазы в связи с пересыщением ее углеродом в области температур < 800 К.
3. Результаты выполненного анализа свидетельствуют о том, что основным фактором, обусловливающим снижение скорости распада аустенита в бейнитном интервале, является уменьшение свободной энергии превращения, при пересыщении а- фазы углеродом.
Перечень ссылок
1. Могутное Б.М., Томилин И.А., Шварцман Л.А. Термодинамика железо-углеродистых сплавов.-М.: Металлургия, 1972.-328с.
2. Денбиг К. Термодинамика стационарных необратимых процессов.-М.: ИЛ, 1954.-285с.
3. Любое Б.Я. Кинетическая теория фазовых превращений.-М.: Металлургия, 1969.-262с.
4. Ткаченко И.Ф. Термодинамика и кинетика перлитного превращения // Изв. ВУЗов. Черная металлургия.-1992,- №2,- С. 20-23.
5. Износостойкость углеродистой стали со структурой тонкопластинчатого перлита. Счастливцев В.М., Табачникова Т.П., Макарова A.B., Егорова Л.Ю., Яковлева И.Л.Н Металловед, и терм, обраб. металлов.-2001.- №1,- С. 27-31.
6. Энтин Р.И. Превращения аустенита в стали. -М.: Металлургиздат, I960,- 252с.
7. Tsuzaki Kareaki, Kadai Aki, Maki Tadashi. Formation mechanism of bainite ferrite in an Fe-2,0Pet Si-0,6Pet С alloy// Met.and Mater. Trans A.- 1994,- Vol.25, №9,- P. 2009-2016.
8. В hados hi a H.K., В hados hi a D.H., Edmonds D.V. The mechanism of bainite formation in steels// Acta Met.-1980.- Vol. 28,- P. 1265-1273.
Ткаченко Игорь Федорович. Канд. техн. наук, доц. кафедры материаловедения, окончил Мариупольский металлургический институт в 1978 году. Основные направления научных исследований - повышение качества металлопродукции за счет регулирования состава стали, а также макро- и микроструктуры.
Гаврилова Виктория Григорьевна. Канд. техн. наук, инженер кафедры металловедения, окончила Мариупольский металлургический институт в 1986 году. Основные направления научных исследований - повышение качества металлопродукции за счет регулирования состава стали, а также макро- и микроструктуры.
Ткаченко Константин Игоревич. Студент гр. МТ-99 кафедры металловедения. Основные направления научных исследований - повышение качества металлопродукции за счет регулирования состава стали, а также макро- и микроструктуры.
Статья поступила 10.12.2001
