Full Text

Введение Широкое применение методов дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) [1-10] показало определенную ограниченность наших представлений о структурно-фазовых превращениях в металлических сплавах [11-16]. Это поставило вопрос о необходимости расширения такого рода исследования на новых материалах. В развитие этого в настоящей работе методом ДСК проведено изучение калориметрических эффектов при нагреве и охлаждении сталей Ст40 и 38Х2МЮА в межкритическом интервале температур (МКТИ). Кроме того, проведено исследование влияния азотирования на фазовые превращения в азотированном слое при нагреве выше критической точки Ас3 и последующем охлаждении с этой температуры. Такие объекты впервые стали предметом изучения методами ДСК. Методика проведения исследования Объектом исследования служили образцы из стали 38Х2МЮА. Для исследования влияния азота [17] на фазовые превращения были изготовлены цилиндрические образцы из стали 38Х2МЮА, прошедшие закалку с последующим газовым азотированием. Газовое азотирование проводилось при температуре 540 °С и выдержке 52 ч, обеспечивающей глубину слоя азотирования 0,55-0,65 мм. Далее с поверхности на глубину 0,3 мм (a-фаза + e-фаза и γ`-фаза) была снята стружка, которая и была объектом исследования в данной работе. Металлографические исследования глубины азотированного слоя проводили на поперечных микрошлифах с помощью оптического микроскопа Axiovert 40 МАТ, оснащенного фотокамерой и программой анализа изображений Thixomet PRO. Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) осуществлена на высокочувствительном калориметре STA 449 Jupiter фирмы Netzsch. Поскольку, как известно [18-21], на результаты ДСК оказывает влияние множество трудно контролируемых факторов, проводилось сглаживание экспериментальных кривых полиномом 6-8-й степеней. Обработка экспериментальных данных по ДСК реализована с использованием программного обеспечения Proteus Analyses и пакета Fityk. Экспериментальные результаты и их обсуждение На рис. 1, а представлена зависимость сигнала ДСК от температуры при нагреве стали 38Х2МЮА. При температуре 765 °C наблюдается особенность, которая отсутствует при нагреве в этом температурном интервале стали Ст40 с приблизительно тем же содержанием углерода [22]. Характер изменения в этой области температур второй производной (см. рис. 1, а) сигнала ДСК по температуре (DDДСК) позволяет отнести эту особенность к фазовому переход второго рода - переходу от ферромагнитного к парамагнитному состоянию. Температура такого перехода для железа равна 768 °С. Для обычной углеродистой стали температура этого превращения находится выше точки Ас1 и потому на ДСК-зависимостях не проявляется. При дальнейшем повышении температуры на ДСК-зависимости регистрируется (см. рис. 1, а) хорошо выраженный эндотермический эффект, связанный с обратным перлитным превращением и растворением в последующем избыточного феррита. По-видимому, эти два процесса накладываются друг на друга, что приводит к некоторому размытию эндотермического пика и завершению процесса в МКТИ при 870 °С. По данным нашего калориметрического анализа, температуры начала превращения (786 °С) и его завершения (873 °С) близки к приводимым в литературе [21] температурам точек Ас1 и Ас3 - соответственно 800 и 865 °С. Минимум эндотермического пика (807,2 °С) и температура максимума DDДСК (806,4 °С) различаются на 0,8°, что позволяет достаточно уверенно отнести это превращение к фазовому превращению нонвариантного типа [23]. Однако это различие не настолько мало, чтобы не предполагать действие еще одного механизма превращения, реализуемого в МКТИ, например растворение избыточной фазы - феррита. При охлаждении (рис. 1, б) на ДСК-зависимости фиксируется особенность, связанная с началом выделения из аустенита феррита (т. Аr3). По данным ДСК, этот процесс начинается при 764 °С. Справочные значения Аr3 для этой стали 740 °С. При дальнейшем охлаждении начинает развиваться активный экзотермический процесс, связанный, как мы предполагаем, с переходом сохранившегося аустенита в перлит. Он заканчивается при 663 °С. Справочное значение Аr1 для этой стали дается как 665 °С. Существенно, что количество тепла, которое расходуется на переход стали в аустенитное состояние (24 Дж/г), оказывается заметно меньше, чем выделение тепла при обратном переходе стали из аустенитного состояния в ферритно-карбидную смесь (37 Дж/г). Максимальная скорость распада аустенита достигается при температуре 689 °С. Ситуация принципиально меняется при нагреве этой стали, содержащей азот (рис. 2, а). Начиная приблизительно с 620 °С наблюдается заметная потеря веса образцами (рис. 3), которая продолжается вплоть до температуры 1000 °С, т.е. даже в чисто аустенитной области. Началу этого процесса отвечает появление на ДСК-кривых некоторой эндотермической особенности, которая, как мы предполагаем, связана с протеканием эвтектоидной реакции в системе Fe-N [24]. Косвенным подтверждением этому может служить регистрация в этой температурной области на DDДСК-зависимости максимума с близкими к ДСК температурами соответствующих друг другу экстремумов на этих зависимостях. При дальнейшем нагреве во всем температурном интервале, при котором регистрируется основная потеря веса образца, а это охватывает практически весь температурный интервал МКТИ, отсутствуют на ДСК-кривой особенности, которые можно отнести к протеканию обратного перлитного превращения и растворению избыточного феррита. Правда, некоторая аномалия при температуре, близкой к точке Кюри (см. рис. 2, а и рис. 1, а), все-таки наблюдается. а б Рис. 1. Изменение сигнала ДСК при нагреве (а) и охлаждении (б) стали 38Х2МЮА до азотирования: 1 - ДСК-сигнал; 2 - вторая производная ДСК-сигнала а б Рис. 2. Изменение сигнала ДСК при нагреве (а) и охлаждении (б) азотированного слоя стали 38Х2МЮ: 1 - ДСК-сигнал; 2 - вторая производная ДСК-сигнала При этом следует обратить также внимание на то, что первая производная сигнала TG по температуре во многом напоминает ход зависимости ДСК в этом интервале температур (см. рис. 3 и рис. 2, а). Это свидетельствует о тесной связи калориметрических эффектов при нагреве с кинетикой выхода азота из навески. Рис. 3. Изменение массы навески при нагреве азотированного слоя стали 38Х2МЮА: 1 - потеря массы образца (TG); 2 - первая производная сигнала TG Из полученных термографических данных можно оценить количество вышедшего из стали азота. В данном конкретном случае весовое содержание азота в стали лежит в интервале 1,9-2,2 %. Как видно из рис. 2, а, протекающие в МКТИ при нагреве азотированного слоя процессы сопровождаются выделением значительной тепловой энергии (264 Дж/г). Этого явления в других сталях не зафиксировано [25]. Как и предполагалось, ДСК-зависимости при охлаждении будут иметь свои особенности (рис. 2, б). На них можно отметить область температур начала превращения в МКТИ при охлаждении из аустенитного состояния (около 856 °С) и интервал температур развития перлитного превращения. По характеру изменения в этом температурном интервале DDДСК и в данном случае механизм перлитного превращения демонстрирует признаки фазового перехода первого рода. Однако температура завершения процесса перехода определяется неоднозначно (см. рис. 2, б). Судя по всему, она близка к 620 °С. Тепловой эффект превращения при охлаждении азотированной стали оказался равным 36 Дж/г, что практически совпадает с тепловым эффектом при охлаждении этой стали, не подвергавшейся азотированию. Максимальная скорость протекания процесса при 700 °С. Следует отметить, что при повторном нагреве азотированного образца (после выхода азота) сохраняется частичное подавление фазового превращения при нагреве. Потеря массы навески в этом случае не наблюдается. Заключение Впервые получены данные по ДСК-анализу стуктурно-фазовых превращений при нагреве и охлаждении в МКТИ стали 38Х2МЮА. Обнаружено заметное влияние содержащегося в стали азота на фазовые трансформации при нагреве азотированной стали, а именно потеря веса образца и отсутствие на ДСК-кривой особенностей, которые можно отнести к протеканию обратного перлитного превращения и растворению избыточного феррита. Введение азота не позволяет регистрировать эндотермические эффекты при нагреве стали в МКТИ из-за развития активного экзотермического эффекта, величина которого в несколько раз превышает величину эндотермического эффекта при нагреве не содержащей азот стали такого же состава. При нагреве азотированной стали обнаружен эндотермический эффект, обусловленный развитием обратного эвтектоидного превращения в соответствии с диаграммой состояния Fe-N. После аустенитизации и выхода азота из стали, при ее последующем охлаждении не происходит полного возврата к состоянию, типичному для не содержащей азота стали, температурная область фазовых превращений расширяется, а температура завершения процесса определяется неоднозначно.

About the authors

M. A Dyshlyuk

Perm National Research Polytechnic University

L. V Spivak

Perm National Research Polytechnic University; Perm State University

Yu. N Simonov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 65

PDF (Russian) - 46

Refbacks

• There are currently no refbacks.