Закономерности роста зерен металлов и сплавов при высоких температурах » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Закономерности роста зерен металлов и сплавов при высоких температурах

18.05.2021

Изучение закономерностей роста зерен различных металлов и сплавов при нарастающих температурах, а также в изотермических условиях представляет не только теоретический, но и значительный практический интерес. Получаемые экспериментальные данные могут быть использованы для назначения рациональных, научно обоснованных режимов нагрева для обработки давлением (прокатка, штамповка, ковка и др.), химико-термической и термической обработки. Особенно большое значение имеет исследование кинетики роста зерен стали. Подбор методами высокотемпературной металлографии оптимальных температур нагрева стали для разных технологических процессов, не вызывающих чрезмерного увеличения размеров зерен, практически проведен нами в содружестве с рядом промышленных предприятий и дал положительные результаты. Один из примеров применения данной методики — использование результатов изучения закономерностей роста зерен сталей 18ХГТ и 30ХГТ для установления наиболее производительной технологии скоростной цементации шестерен. Такие изыскания проведены нами для московского автозавода им. Лихачева и их результаты опубликованы в книге А.Д. Ассонова.

При исследованиях роста зерен путем наблюдения за поверхностью образца было необходимо установить корреляцию между расположением «канавок» по границам зерен, выявляемых при высоких температурах, и расположением границ зерен под поверхностной зоной образца. На рис. 149 помещены две микрофотографии, снятые с одного и того же участка поверхности образца аустенитной стали 4Х14Н14В2М. Образец был выдержан в вакууме при 1150° С в течение 1 часа и затем охлажден до комнатной температуры со средней скоростью около 10 °С/сек. Приведенные на рис. 149 микрофотографии иллюстрируют строение образца после проведения опыта (а) и после удаления тонкого поверхностного слоя полировкой и химического травления (б). Сопоставляя эти снимки, можно заметить полное совпадение границ зерен, видимых на поверхности образца и имеющихся под поверхностью. В отдельных зернах, выявленных химическим травлением, обнаружены двойники, часть которых, например отмеченные стрелками на рис. 149, б, не были заметны при рассматривании поверхности образца (рис. 149, а) и возникли, по-видимому, в процессе охлаждения.

Значительный интерес представляет исследование закономерностей протекания собирательной рекристаллизации аустенита при прямом наблюдении за одним и тем же участком на поверхности образца.

В проводившихся ранее работах по изучению изменения размеров зерен аустенита при нагреве процесс роста зерен аустенита обычно рассматривали как непрерывный, протекающий с постепенно возрастающей скоростью по мере повышения температуры. Были предприняты попытки установить математическую связь между скоростью роста зерен аустенита и скоростью нагрева. При этом предполагалось, что характер изменения размеров зерен подчиняется сравнительно простой математической закономерности.

Ряд экспериментальных работ, выполненных автором совместно с Е.И. Антиповой, позволил установить, что кинетика процесса рекристаллизации аустенита разных сталей может быть различной. Эти работы проводились на описанной выше установке при непосредственном наблюдении в микроскоп за поверхностью образца, подвергаемого высокотемпературному нагреву и выдержке в вакууме.

Можно считать установленным, что на характер процесса рекристаллизации аустенита основное влияние оказывает химический состав стали, ее предварительная деформация и термическая обработка, (которые могут вызвать фазовый (внутренний) наклеп, создающий большие внутренние напряжения и приводящий при определенных условиях к быстрому «скачкообразному» росту зерен.

Прямым наблюдением в микроскоп за одним и тем же участком образца при различных постепенно повышающихся температурах установлено, что существуют по крайней мере четыре различные кинетики процесса рекристаллизации.
Закономерности роста зерен металлов и сплавов при высоких температурах

На рис. 150 приведен схематический график, иллюстрирующий наблюдаемые в микроскоп закономерности рекристаллизации аустенита. Например, кривая 1 характеризует процесс рекристаллизации, протекающий в виде монотонного увеличения размера зерен аустенита, постепенно ускоряющегося по мере роста температуры. Такая кинетика наблюдается преимущественно при исследовании микростроения отожженных образцов, имеющих минимальные остаточные напряжения внутри зерен или на их границах. В ряде случаев процесс рекристаллизации по данной кинетике протекает и в деформированных образцах, что может свидетельствовать о возможности монотонного роста зерен даже при наличии внутренних напряжений. Необходимо обратить внимание на некоторую особенность процесса рекристаллизации аустенита, проявляющуюся в виде «скачкообразного» увеличения размера зерен при определенной «критической» температуре. При этом изменение температуры всего лишь на несколько градусов приводит к возрастанию площади зерен в плоскости шлифа во много десятков и даже сотен раз. Такое изменение размеров зерен, иллюстрируемое кривой 2 на рис. 150, объясняется преодолением определенного энергетического барьера. На этот процесс скачкообразного роста размеров зерен, возможно, оказывает влияние наклеп, возникающий в зернах в процессе предварительной термической и механической обработки.

Нередко процесс рекристаллизации сопровождается не одним, а двумя резкими скачкообразными возрастаниями величины зерен (кривая 3 на рис. 150). Такое изменение размеров зерен может быть связано с преодолением двух энергетических барьеров, соответствующих различным температурам. При этом до двух определенных значений температуры происходит медленный, постепенный рост зерен аустенита, проявляющийся в увеличении одних зерен за счет уменьшения соседних. Затем, после достижения известного температурного интервала порядка нескольких градусов, возникают условия, при которых отдельные зерна, обладающие, по-видимому, наиболее благоприятно ориентированным расположением кристаллической решетки, «присоединяют» к себе большие участки соседних зерен и даже целые зерна. Такое двукратное скачкообразное увеличение размеров зерен аустенита при определенных значениях температуры происходит в образцах, предварительно прошедших механическую обработку давлением и термическую обработку и не подвергавшихся отжигу для снятия остаточных напряжений.

Представляет интерес особенность процесса рекристаллизации аустенита, проявляющаяся в виде закономерности, иллюстрируемой кривой 4 (рис. 150). При этом в начале нагрева повышение температуры вызывает некоторое увеличение размеров зерен, а затем при достижении определенного значения температуры внутри отдельных крупных зерен аустенита возникают новые, более мелкие зерна, которые образуются как бы из новых центров кристаллизации. Последующее повышение температуры всего на несколько градусов вызывает резкое увеличение размеров этих новых зерен, тогда как после прохождения этого температурного интервала дальнейшее повышение температуры приводит к медленному возрастанию размеров зерен аустенита.

На рис. 151 приведена серия микрофотографий, снятых при различных температурах с одного и того же участка поверхности образца стали 45, содержащей 0,43% С.

На рис. 151, а показана поверхность образца после 30-мин. выдержки при 900°. На этом снимке видны отмеченные стрелками три отпечатка алмазной пирамиды, нанесенные на приборе типа ПМТ-3 при нагрузке 100 г до установки образца в вакуумную камеру. Средняя величина зерен аустенита, определенная при этой температуре по методу С.А. Салтыкова, составляет около 715 мк2.

Повышение температуры нагрева рассматриваемого образца до 950 °C и выдержка при этой температуре в течение 10 мин. приводят к увеличению размера зерен до 805 мк2, тогда как при 1000 °C (выдержка 10 мин.) величина зерен аустенита резко возрастает более чем в 20 раз и составляет около 9400 мк2 (рис. 151, б).

Дальнейшее повышение температуры до 1050 °C и выдержка в течение 10 мин. вызывают увеличение размеров зерен до 13 800 мк2 (рис. 151, в).

Микрофотографии, приведенные на рис. 151, г и д, снимали соответственно при 1100 и 1200° после 10-мин. выдержки при каждой температуре. Средняя площадь зерен возросла до 18350 и 37300 мк2. Дальнейшее повышение температуры всего на 50 °C (до 1250 °С) и выдержка в течение 10 мин. (рис. 151, е) вызывают второй «скачок» в увеличении площади зерен: при этой температуре средняя площадь зерен возрастает почти в 10 раз и составляет 357 500 мк2. В поле наблюдения видна только часть образовавшегося в результате рекристаллизации крупного зерна, часть границы которого отмечена на рис. 151, е стрелками.

По рис. 151 можно проследить за перемещением границ отдельных зерен в новые положения по мере повышения температуры. Так, зерно, отмеченное стрелкой с черным кружком на рис. 151, б, постепенно уменьшается (рис. 151, в, г и д), «поедается» своими соседями, а зерно в зоне расположения трех отпечатков алмазной пирамиды увеличивается в размерах.

Характер процесса рекристаллизации аустенита высоколегированной (имеющей более высокую температуру рекристаллизации) стали марки ЭИ395 при повышении температуры можно видеть из рис. 137, б: при определенной температуре размеры зерен аустенита уменьшаются, а затем быстро растут. В участке образца, снятом при 1150 °C, выявлены широкие границы крупных зерен аустенита. Внутри этих зерен можно заметить следы старых границ зерен, существовавших ранее, при более низкой температуре. В зоне, отмеченной стрелкой и имевшей температуру 1180 °С, видны очерченные тонкими границами новые зерна, возникшие при этой температуре и образовавшиеся как бы из новых центров кристаллизации. Увеличение температуры всего на 20 °C (до 1200 °C) приводит к резкому увеличению этих новых зерен. В табл. 21 приведены средние величины площади зерен аустенита в ряде исследованных нами сталей, подсчитанные по методу С.А. Салтыкова.

На рис. 152 помещена серия микрофотографий, снятых в процессе изотермической выдержки при 1200 °C с одного и того же участка поверхности образца стали Э1Х18Н9. Стрелками на рис. 152, а отмечены отпечатки алмазной пирамиды, нанесенные на образец до проведения опыта. Рассматривая микрофотографии (рис. 152, а—и), можно заметить миграцию границ отдельных зерен, а также образование в результате рекристаллизации новых, более крупных зерен. На рис. 153 приведен график, иллюстрирующий закономерность увеличения средней площади зерен во время опыта. Эту площадь подсчитывали по методу С.А. Салтыкова.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: