СПОСОБ ОБРАБОТКИ Fe-C СПЛАВОВ В АТМОСФЕРЕ ВОДОРОДА
Толстенко А.В., Бедин А.С. (ДГАУ, г.Днепропетровск, Украина)
The article considers question of change of microstrukture of Fe-C alloys (below 0,2%С ) in g-d transformation in atmosphere of hydrogen. Effect of reduction of microstrukture caused by the hydrogen and the gradient of temperature.
Изменение микроструктуры Fe-C сплавов (до 0,2 %С), изучалось при более высоких температурах, в интервале g-d превращения, учитывая, что g-a и g-d переходы происходят с противоположными по знаку градиентами температур в образцах.
Исследования проводились на установке, позволяющих автоматически термоциклировать с различными скоростями нагрева и охлаждения в вакууме, в аргоне высокой чистоты (объемная доля аргона 99,997%) и в водороде (содержание примесей до 0,007%). Образцы для испытаний имели вид цилиндров длиной 0,02м. и диаметром 0,009 м., а также параллелепипедов длиной 0,02 м. и со стороной 0,009 м., в которые на 1/3 длины зачеканивалась термопара ВР-5/ВР-20. В качестве материалов исследования применяли: карбонильное железо технической чистоты с 0,03% С и 0,06%С, армко-железо технической чистоты (0,1%С), сталь 20.
Методика определения деформации образцов карбонильного железа (при аксиальном градиенте температуры и отсутствии нагрузки) за цикл нагрев-охлаждение в атмосфере водорода была применена в интервале a-g и g-d температур. До температуры a®g превращения образец удлиняется, в интервале превращения его длина сокращается. В g-области наклон кривой деформация-температура становится более крутым, в момент g®d превращения образец скачкообразно удлиняется.
Если сравнивать с объемным эффектом в отсутствии растворенного водорода, то при g®d переходе наблюдается увеличение удлинения. Объяснить наблюдаемый эффект ростом величины изменения объема при g®d превращении нельзя. Такое поведение связано со скачкообразным понижением растворимости водорода в железе / 2 /. Многократное термоциклирование в атмосфере водорода должно сказаться на поведении образцов из карбонильного железа.
Термоциклирование у температуры g-d превращения осуществлялось при давлении атмосферы в печи до 5 МПа ( в водороде и аргоне ).Средняя скорость нагрева и охлаждения в интервале 1570-1720 К была соответственно 2,0 и 2,5 К/с. Выдержка при максимальной температуре не превышала 10 с. Количество циклов менялось от 1 до 100.
На поверхности образцов после многократного термоциклирования в водороде наблюдали рельеф, отсутствующий в инертной атмосфере (в аргоне высокой чистоты).
Исходная микроструктура после однократного нагрева до 1270 К и охлаждения до 295 К заметно не менялась ни в водороде, ни в аргоне. Иная картина наблюдалась после g-d превращения. В зависимости от атмосферы в печи, при прочих равных условиях, происходили следующие микроструктурные изменения. Однократное g-d превращение железа в атмосфере водорода вызывает измельчение исходного размера зерна в 3-4 раза. В инертной среде после первого цикла размеры и форма зерен практически не меняются, возрастая с увеличением количества циклов.
Для определения причин, вызвавших эффект измельчения зерен в поликристаллическом железе при нагреве до 1720К в атмосфере водорода, были проведены дополнительные опыты. Нагрев проводили до 1270К, 1570К, 1630К, 1650К, 1670К, 1720К, с соблюдением установленных температурно-скоростных условий, как при нагреве, так и при охлаждении. После нагрева до 1270К, 1570К, и 1630К, 1650К изменение размера зерна зерен не обнаружено. После нагрева до 1670К, 1720К происходит измельчение микроструктуры. Таким образом, эффект связан с g-d перестройкой кристаллической решетки железа и наличием растворенного в ней водорода.
Влияние давления водорода на относительное изменение среднего размера зерна изучалось при давлениях – 0,1МПа, 1,0 МПа, 3,0 МПа, 5,0МПа. С увеличением давления эффект возрастает, стабилизируясь в районе 3,0 МПа (d/d0= 0,3).
Влияние скорости нагрева и охлаждения от 1 до 3 К / с при многократном термоциклировании в интервале температур 1570-1730 К и давлении водорода 3 МПа не обнаружено.
Эффект измельчения зерен проявлялся на железе технической чистоты с содержанием углерода до 0,1 %. Испытания на промышленной стали вызывали увеличение исходного размера зерен, что связано с обезуглероживанием и возникновением химической неоднородности по сечению образцов.
Прямые (a®g, g®d) и обратные (g®a, d®g) полиморфные превращения в железе отличаются не только величиной, но и направлением объемных эффектов, что наблюдается в атмосфере аргона при аксиальном градиенте температуры в образце. В момент a®g перехода сокращение длины составляло в среднем 0,6%, при g®d наблюдали удлинение на 0,5%. Обратные полиморфные превращения вызывали удлинение на 0,6% (g®a) и сокращение длины на 0,5% за цикл (d®g). В атмосфере водорода остаточное удлинение 0,3% наблюдается при g®a переходе, при g®d - 1%. Многократные g-a превращения вызывали накопление остаточной деформации с удлинением образцов, в то время как многократные g-d превращения – сокращение длины исходных образцов.
Выводы.
1. При g-d перестройке кристаллической решетки железа и наличии растворенного в ней водорода наблюдается измельчение исходной микроструктуры /3/.
2. Эффект уменьшения размера зерна вызван наличием водорода, градиентом температуры, направлением полиморфного превращения.
3. Изменения микроструктуры, связаны с тем, что формоизменение образцов наблюдалось при g®a превращении с понижением температуры, при g®d - с повышением. Соответственно, превращения происходят с противоположными по знаку градиентами температур в образцах.
Литература
1. Федюкин В.К. Метод термоциклической обработки металлов./ 2-е изд., перераб., доп. – Л.: Издательство Ленинградского университета.- 1984. – 192 с.
2. Шаповалов В.И. Влияние водорода на структуру и свойства железоуглеродистых сплавов. – М.: Металлургия, 1982. – 232 с.
3. Способ обработки металлов. Толстенко А.В., Бедин А.С., Когут И.М./ Патент № 91065 Украина.- Бюл. №12. - 2010.