CC BY
29
-------------------□ □---------------------
Досліджено вплив умов поліморфного перетворення заліза (0,03 и 0,06% С) на його деформацію в атмосфері водню. Деформація за цикл визначається темпе-ратурно-швидкістними умовами на фронті перетворення
Ключеві слова: водень, поліморфні перетворення, деформація
□-----------------------------------□
Исследовано влияние условий полиморфного превращения железа (0,03 и 0,06%С) на его деформацию в атмосфере водорода. Деформация за цикл определяется температурно-скоростными условиями на фронте превращения
Ключевые слова: водород, полиморфные превращения, деформация
□-----------------------------------□
This article represents the influence of conditions of polymorphic transformation of iron (0,03 and 0,06%C) on the deformation in a hydrogen atmosphere. Deformation per cycle is determined by the temperature-rate conditions at the front of transformation
Key words: hydrogen, polymorphic transformation, deformation -------------------□ □---------------------
УДК 669.11:620.193.55
ВЛИЯНИЯ ТЕРМО-ЦИКЛИРОВАНИЯ НА ДЕФОРМАЦИЮ ЖЕЛЕЗА В АТМОСФЕРЕ ВОДОРОДА
А.В. Толстенко
Кандидат технических наук, доцент Кафедра “Физика и материаловедение” Днепропетровский государственный аграрный
университет
ул. Ворошилова, 5, г. Днепропетровск, 49000 Контактный тел.: (056) 371-10-79 E-mail: [email protected]
1. Введение
Одной из задач по повышению пластичности материалов, является их перевод в сверхпластическое состояние. Примерами таких способов являются: динамическая сверхпластичность /1/ и аномальная спонтанная деформация /2/
Закономерности и механизмы протекающих процессов изучены не в полной мере. Основываясь на у^а и у^8 полиморфных превращениях железа проанализируем закономерности формоизменения, имеющих ряд принципиальных отличий.
Для динамической сверхпластичности характерны дислокационные механизмы /1/. Деформация, возникающая вследствие изменения объема при фазовом превращении, в направлении приложенного растягивающего напряжения, дополняется появлением и движением дислокаций, вызванных полиморфными превращениями.
Причиной аномальной спонтанной деформации /2/ является возникновение метастабильных водородонасыщенных зон на границе у ^ а превращения железа. 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.
2. Материалы и методы исследования
Материалом для исследования служило карбонильное железо технической чистоты с 0,03 и 0,06% С.
Образцы для испытаний (цилиндры диаметром 0,005 м., длина рабочей части 0,025 м.) крепились в обойму из нержавеющей стали.
Размер печи выбирали из расчета, что зона термо-циклирования вокруг полиморфных превращений будет совпадать с рабочей частью образца. Температура печи измерялась термопарой ВР5/ВР20 с точностью 10К. Температурный интервал циклирования: 1120-1220К и 1570-1720К, скорость нагрева и охлаждения: 2 - 2,5 К/с.
Опыты проводили в аргоне высокой чистоты (объемная доля аргона 99,997%) и водорода (содержание примесей 0,007 объемных процента). Давление в автоклаве измерялось манометром с классом точности
0,1. Эксперименты проводились при давлении 0,1 МПа.
Изучение влияния растягивающей нагрузки на формоизменение образцов карбонильного железа, за один цикл превращения, проводилось при радиальном и аксиальном градиентах температуры в образцах.
Величина внешней механической нагрузки задавалась калиброванными грузами.
3. Результаты и обсуждение
В условиях радиального градиента температуры в образце, независимо от атмосферы в печи (аргон, водород) величина деформации при полиморфном превращении пропорциональна величине одноосного растягивающего напряжения. Существует линейная зависимость между относительной деформацией и приложенным напряжением. Без внешней механической нагрузки формоизменение при а-у переходе отсутствует.
Полученные результаты согласуются с экспериментами для условий динамической сверхпластичности. Влияния водорода на деформацию при радиальном движении фронта а-у превращения не обнаружено.
Прямые а^у и обратные у^а 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 а-^у превращений. В водороде обнаружено увеличение деформации на порядок, изменение нагрузки от 0 до 0,3 МПа мало влияет на величину относительного удлинения.
Для определения деформации за один цикл а-^у превращения (при аксиальном градиенте температур) были поставлены дополнительные эксперименты. Деформация за цикл определялась как сумма деформаций, получаемых при нагреве (а^у превращение) и охлаждении (у^а превращение). При динамической сверхпластичности (в условиях аксиального градиента температуры) а^у превращение вызывает сокращение длины, у^а - удлинение.
Замена атмосферы печи на водород, при прочих равных условиях, не оказывает заметного влияния на деформацию при нагреве (а^у превращение). Кривые охлаждения обратимы только до начала у^а превращения, а затем характер удлинения резко отличается от деформации в инертной атмосфере. При наличии водорода в металле, в момент полиморфного превращения, наблюдается необратимый «скачок» деформации.
После замены водорода на инертную атмосферу, образец продолжает деформироваться. Только многократная промывка печи аргоном способствует затуханию деформации и установлению ее на уровне динамической сверхпластичности. Подобный эффект можно объяснить тем, что для диффузии водорода из металла требуется некоторое время.
В атмосфере водорода основное влияние на интенсивность формоизменения оказывает градиент температуры, т.е. температурно-скоростные условия на фронте у^а превращения карбонильного железа. Это указывает на принципиальное отличие явления спонтанной деформации в атмосфере водорода от динамической сверхпластичности. Теории пластичности рас-
сматривают 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 (а-Бе) и исчезающей фазой (у- Fe), что и приводит к спонтанному формоизменению при аксиальном градиенте температуры в образце.
Можно предположить, что процесс формоизменения при термоциклиро-вании у температур полиморфного превращения имеет двойственную природу. При нагреве (а^у переход) наблюдается деформация, контролируемая изменением объема при фазовом превращении, при охлаждении (у^а переход) деформация определяется диффузионными процессами на границе превращения. Многократные полиморфные превращения при аксиальном градиенте в образце, протекающие нормальным диффузионным механизмом, вызывают остаточную деформацию.
Исследования были проведены и в более широком интервале температур, охватывающих у-8 превращение карбонильного железа. До температуры а^у превращения образцы удлиняются, в интервале превращения их длина сокращается, в у- области наклон кривой деформация-температура становится более крутым, в момент у^8 превращения образцы скачкообразно удлиняются. Если сравнивать с объемным эффектом в отсутствии растворенного водорода (в инертной атмосфере), то при у^8 переходе наблюдается увеличение удлинения. Объяснить наблюдаемый эффект ростом величины изменения объема при полиморфном превращении нельзя. Видимо, такое поведение, связано с перераспределенем водорода между растущей и исчезающей фазой, подобно тому, как это происходит во время охлаждения при у^а превращении. Последующее охлаждение приводит к сокращению длины образцов в момент 8^у перехода. Однако эффект спонтанной деформации при высоких температурах более «размытый». После 100 циклов в интервале у^8 превращений эффект аномальной спонтанной деформации был в три раза меньшим, чем в интервале а^у превращений.
4. Выводы
1.Зависимость относительного удлинения образцов карбонильного железа в момент а^у и у^8 превращений в инертной атмосфере пропорциональна приложенной нагрузке;
2. В атмосфере водорода, при аксиальном градиенте температуры в образце наблюдается иной механизм формоизменения, который определяется температурно-скоростными условиями на фронте у ^ а или у ^ 8 превращения.
Литература
1. Пуарье Ж.П. Высокотемпературная пластичность кристаллических тел : пер. с фр. - М.: Металлургия, 1982. - 272 с.
2. Шаповалов В.И. Влияние водорода на структуру и свойства Бе-С сплавов / В.И.Шаповалов.- М.: Металлургия, 1982.-232 с.
........................................................................................................Е
