CC BY
30
Кинетика мартенситного превращения в стали при действии внешнего магнитного
поля
В.Н. Пустовойт,
д.т.н, профессор Ю.В. Долгачев, к.т.н, доцент В.М. Салынских,
магистрантка, Е-mail: [email protected] В.Ю. Стиопка,
магистрантка
Донской государственный технический университет (г. Ростов-на-Дону) Аннотация: Рассмотрены особенности изменения в кинетике фазовых переходов при закалке сталей во внешнем магнитном поле. Применение магнитного поля приводит к увеличению темпа реакций, играет важную роль в процессе формирования структуры продуктов превращения и свойств сплавов при исходной парамагнитной и конечной ферромагнитной фазах. На основе полученных данных можно сделать вывод, что магнитное поле приводит к возрастанию скорости темпа мартенситного превращения.
Ключевые слова: кинетика, фазовый переход, мультипликативное зарождение, магнитное поле, мартенсит, аустенит.
Кинетика фазовых переходов, имеющих кристаллизационный механизм, определяется скоростью зарождения центров (с.з.ц.) линейной скоростью роста (л.с.р.) новой фазы из этих центров. Оба этих параметра, в свою очередь, зависят от степени переохлаждения пли перегрева. В работах Г. В. Курдюмова [1] показано, что и «неизотермические» превращения (мартенситные с атермической и взрывной кинетикой) следует также рассматривать на основе единых представлений о температурной зависимости скорости зарождения центров превращения, которая описывается соотношением (1).
где А — обменный интерграл; 1 — работа образования зародыша критического размера; Q — энергия активации перехода атома через границу раздела фаз.
При постоянных величинах с.з.ц. (n) и л.с.р. (c), зависимость превращенного объема от времени превращения т описывается соотношением А. Н. Колмогорова и И. Л. Миркина:
где m — коэффициент, учитывающий форму растущих кристаллов (п/3 — для шара; 2 — для куба и т. д.).
При сравнении с опытными данными для значительной часть реальных случаев b < 4. Для кристаллов в форме сферы и b = 4 объемную скорость превращения можно записать следующим образом:
Увеличение с.з.ц. под действием внешнего магнитного поля влияет на изменения величин V и v. Рисунок 1 иллюстрирует влияние магнитного поля на кинетику изотермического фазового перехода для случая nH/n0 = 1,5. При этом полагали так же, как и в представленной теории А. Н. Колмогорова И. Л. Миркина, что nc3n/3 =510-7
Кинетические изменения, обусловленные увеличением с.з.ц., определяются влиянием магнитного поля на состояние исходной (неферромагнитной) фазы [2-5], что существенно изменяет кинетику фазового превращения.
Авторы работы [6] убедительно показали, что поле действительно может привести к очень резкому возрастанию скорости превращения. Изменение объемной скорости образования мартенсита под действием магнитного поля в этой работе определено как:
Отношение ц' 4 "' для 700К равно примерно 20, существенное (~в 2 раза) увеличение объемной скорости превращения наблюдается в таких полях,
Ш > 0,01ЛГ. т
где ' - . I акого порядка соотношения имеют место в магнитных полях
напряженностью 1,6-2,4 МА/м.
Уравнение (4) учитывает только изменение (уменьшение) термодинамического потенциала продуктов превращения, в то время как движущая сила фазового перехода увеличивается и по причине локального прироста свободной энергии матричной фазы, вызванного образованием флуктуаций дальнего ферромагнитного порядка [7].
Изменение кинетики фазовых переходов, вызванное каталитическим действием магнитного поля, в частности увеличение темпа реакций, играет значительную роль в процессе формирования структуры продуктов превращения и свойств сплавов после термической обработки в магнитном поле. Так, изменение атермической кинетики мартенситного у^а превращения, вызванное мультипликативным образованием зародышей а-фазы (с учетом небольшого смещения температур Мн и Мк), можно показать схемой на рисунке 2.
Мультипликативное зарождение локализуется в верхнем районе Мн — Мк (примыкающем к Мн) [8-10], когда количество исходной фазы велико (более 50%). Темп превращения в этом температурном интервале возрастает и возникает тенденция к изменению типа кинетики с атермической на взрывную.
■и "MU.ni "Г
Рисунок 2 - Схема, иллюстрирующая влияние магнитного поля на процесс мартенситного превращения: 1,2 - кинетические кривые при охлаждении без поля и в постоянном поле; п.п. - импульсное поле; о.х.
обработка холодом
После образования более 50 % мартенсита темп превращения как обычно, снижается, однако и в этом случае остается более высоким при наложении поля. Здесь следует учитывать возможность реализации «замороженных» зародышей (индуцированных магнитным полем), остававшихся докритическими при высоких температурах. Как следствие, отмечается уменьшение количества остаточного аустенита после закалки в поле, соизмеримое с тем количеством аустенита, которое остается после обработки холодом, что особенно заметно при закалке высокоуглеродистой стали с температурой Мк =°С (Таблица 1).
Из рассмотрения схемы на рисунке 2 и данный таблицы 1 можно прийти к заключению, что для рассматриваемого случая к близким с наблюдаемыми после обработки холодом результатам приводит воздействие постоянного поля сравнительно небольшой напряженности 1,6-2,4 МА/м в процессе закалки или обработка стали после закалочного охлаждения сильным импульсным полем напряженностью 15-30 МА/м, которое инициирует в системе энергетические изменения [6], приводящие на короткое время импульса к повышению Мк и образованию дополнительного количества мартенсита.
Таблица 1. Изменение количества остаточного аустенита после закалки в постоянном магнитном поле или обработки холодом
Сталь Среднее количество остаточного аустенита (по данным намерения намагниченности насыщения методом Штеоленна)
Закалка от температуры выше A:l Ооработка холодом при -7S С Закалка в магнитном поле (Н=1:б2 МА. м)
У10 12+3 6+2 8+2
У12 15+3 7+2 8+2
хвг 2S+3 9+2 12+3
Р6М5 2S+4 10+2 16+4
Примечание. Показаны доверительные интервалы при Р=0:95 ип=Ь
Можно сделать вывод, что влияние магнитного поля проявляется в изменении кинетики превращений, которое вызвано, как снижением термодинамического потенциала ферромагнитной фазы, так и локальным приростом свободной энергии исходной неферромагнитной фазы в микрообъемах с ближним спиновым порядком. При неизменном переохлаждении это дает выигрыш в движущей силе перехода и реализуется в увеличении темпа фазового превращения. Последнее приводит к стабильным изменениям структуры и свойств стали, полезным для эксплуатации.
Список использованной литературы
1. Курдюмов Г.В., Утевский Л. М., Энтин Р. И. Превращения в железе и стали. М.: Наука, 1977. 236 с.
2. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В. Особенности протекания мартенситного превращения в стали при закалке в постоянном магнитном поле // Вестник Донского государственного технического университета. 2007. Т. 7. № 4 (35). С. 459-465.
3. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В., Рожкова В.М. Энергетические особенности образования зародышей мартенсита и кинетика гамма-альфа перехода при действии внешнего магнитного поля // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2015. № 5 (160). С. 131-135.
4. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В. Технология бездеформационной закалки в магнитном поле тонкостенных деталей кольцевой формы // Вестник Донского государственного технического университета. 2011. Т. 11. № 7 (58). С. 1064-1071.
5. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В. Зарождение мартенсита в условиях сверхпластичности аустенита и воздействия внешнего магнитного поля // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2016. № 2 (181). С. 114-120.
6. Закалка стали в магнитном поле/ М. А. Кривоглаз, В. Д. Садовский, Л. В. Смирнов, Е. А. Фокнна. М.: Наука, 1977. 119 с.
7. Пустовойт В.Н. Физические и технологические основы термической обработки в магнитном поле: автореферат диссертации на соискание степени доктора технических наук / Академия наук Белорусской ССР, Физико-технический институт. Минск, 1980.
8. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В. Особенности структуры мартенсита, полученного при закалке стали в магнитном поле в температурном интервале сверхпластичности аустенита // Металловедение и термическая обработка металлов. 2011. № 11 (677). С. 3-7.
9. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В. К вопросу о местах зарождения мартенсита // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2014. № 23 (150). С. 110-114.
10. Пустовойт В.Н., Бровер А.В., Магомедов М.Г., Долгачев Ю.В. Сверхпластичность стали в температурном интервале Мд-Мн, как стимул для «внутренней» магнитной правки // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2006. № S6. С. 42-46.
