Структурные и фазовые превращения

Основные фазовые превращения стали связаны с перестройкой ее кристаллической структуры и соответствующим изменением свойств. Существуют 3 основных фазы стали: феррит (Ф), аустенит (А)  и цементит (Ц). Феррит и аустенит – это виды раствора углерода в железе. Они различаются устройством кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка феррита – объемоцентрированный куб (ОЦК), это -фаза железа, его атомы расположены в вершинах куба, и еще один атом - в центре куба. Кристаллическая решетка аустенита – гранецентрированный куб (ГЦК), это -фаза железа, его атомы расположены в вершинах куба и в серединах его граней. Цементит  – химическое соединение железа с углеродом.

При нормальной температуре у большинства сталей типичной структурой является перлит (П) – эвтектоидная смесь Ф + Ц. Состав перлита зависит от легирования стали, в углеродистых сталях перлит содержит около 0,81 % углерода. При легировании другими элементами содержание углерода в перлите снижается.

Большинство конструкционных сталей доэвтектоидные, углерода в них меньше чем в перлите, поэтому содержание феррита в них повышено. В заэвтектоидных сталях избыток цементита.

При нагреве происходит переход . Цементит также переходит в аустенит (Ц распадается, и углерод растворяется в А). ГЦК - более плотная упаковка, чем ОЦК, поэтому А при той же температуре имеет плотность выше, чем П. Кроме того, при равных температурах А имеет б о льшую внутреннюю энергию. Переход  сопровождается поглощением энергии (это важно при расчете температуры) и уменьшением объема (это важно при расчете деформаций).

Физические свойства А существенно отличаются от свойств П при той же температуре. При дальнейшем нагреве А ( -железо) превращается в -железо (снова ОЦК), затем плавится (превращается в жидкость). Каждый переход сопровождается поглощением энергии и изменением свойств. В большинстве решаемых задач эти превращения при нагреве не столь важны, так как после расплавления все их следы пропадают. Более важными считаются процессы, происходящие при охлаждении, так как именно они определяют окончательный итог сварки. Мало внимания уделяют и железу, существующему при высокой температуре, когда состояние близко к жидкому. Конечно, существуют задачи, где именно эти процессы важны, но они встречаются реже.

При остывании происходит образование А, затем его распад: .

12.23. Моделирование фазовых превращений

Каждый из рассмотренных физических процессов имеет свои особенности, отражающиеся на методике его моделирования. Вот эти особенности:

1) для решения задачи электропроводности необходимо применять неявную схему, составлять и решать систему уравнений для всего тела (поскольку каждая его точка влияет на все остальные);

2) в процессах теплопроводности и диффузии на каждую точку влияют только соседние точки, поэтому применима явная схема (в каждом уравнении одно неизвестное);

3) фазовые превращения происходят в каждой точке независимо от остальных. Задача упрощается, поскольку в ней не требуется учитывать взаимодействия отдельных точек тела (применять процедуры МКЭ нет необходимости). Но разнообразие и сложность протекающих процессов выше, чем у процессов энергомассопереноса. Как правило, моделирование превращений объединяют с моделированием тепловых процессов в металле.

Теория фазовых превращений разработана применительно к условиям термообработки. Главное внимание уделено процессам, происходящим при охлаждении. Однако диаграммы распада аустенита в изотермических условиях или при охлаждении с постоянной скоростью, разработанные для различных режимов термообработки, трудно применить для сварочных термических циклов, особенно при многопроходной сварке.

Основными разновидностями фаз, возникающих при распаде аустенита, считают феррит, перлит, бейнит (Б) и мартенсит (М). Именно в таком порядке они образуются по мере охлаждения аустенита. Каждое превращение происходит в своем температурном интервале, который зависит от состава легирования стали. У некоторых сталей интервалы соседних превращений перекрываются.

Свойства феррита и перлита близки, поэтому эти две фазы иногда рассматривают совместно (ФП – ферритоперлитная смесь). Ферритное, перлитное и бейнитное превращения - диффузионные, они требуют времени, даже если температура соответствует интервалу превращения. Процесс диффузионного превращения во времени описывает уравнение Аврами (рис. 12.12).

,                                     (12.27)

где p – степень превращения (отношение массы образовавшейся новой фазы к общей массе материала, участвующего в превращении), t - время протекания превращения,  и n - параметры процесса, которые в общем случае зависят от температуры, при которой происходит превращение. При некоторых температурах превращение идет не до конца, тогда доля массы материала, участвующего в превращении, также может зависеть от температуры.

Рис. 12.12. Температурно-временной интервал и кинетика развития фазового превращения аустенита в ферритоперлит: ,  - температуры начала и конца превращения, - экспонента уравнения Аврами

 

За начало превращения принимают появление некоторого фиксированного количества p ₁новой фазы (обычно это 1 % или 5 %). Для экспериментального определения параметров уравнения (12.27) образец быстро охлаждают до заданной температуры, а затем выдерживают при этой температуре. Время от начала выдержки до начала превращения  называется инкубационным периодом. Очевидно, что его значение существенно зависит от p ₁.

В действительности превращение начинается, как только температура образца достигнет температурного интервала превращения, но вначале превращение развивается очень медленно, требуется время на диффузию углерода и образование зародышей новой фазы. По мере роста числа и поверхности зародышей превращение ускоряется, а затем вновь замедляется в связи с исчерпанием распадающейся фазы.

Поскольку между временем и степенью превращения имеется однозначная связь (см. формулу 12.27), можно принять, что текущая скорость превращения зависит не от времени, а от фазового состава (соотношения количества распадающейся и образующейся фаз). Это позволяет перейти к расчетам в условиях произвольного термического цикла. При резком изменении температуры инкубационный период и временной масштаб уравнения Аврами могут измениться, а фазовый состав сохраняется и позволяет рассчитывать кинетику неизотермического процесса. Для этого необходимо продифференцировать уравнение (12.27) по времени, а затем исключить из выражения мгновенной скорости превращения время, подставив его выражение через фазовый состав:

.                         (12.28)

Еще одна гипотеза, подтвержденная анализом имеющихся данных и упрощающая моделирование, состоит в том, что можно принять параметры уравнения Аврами не зависящими от температуры в пределах всего температурного интервала превращения, скорректировав при этом границы данного интервала.

Если времени пребывания стали в интервале превращения недостаточно для полного распада аустенита, то его остаток при дальнейшем охлаждении попадает в следующий интервал, где превращается в другую фазу. В самом нижнем температурном интервале, мартенситном, остатки аустенита от предыдущих превращений переходят в мартенсит. Это превращение бездиффузионное, оно протекает очень быстро и зависит только от температуры.

При нагреве феррит, перлит, бейнит, мартенсит и цементит переходят в соответствующем температурном интервале в аустенит. Скорость этого превращения, в отличие от превращений при охлаждении, резко возрастает по мере повышения температуры.