Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов (1024694), страница 35

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 35)

происходит только при достаточнойнасыщенности слоя углеродом (см. рисунок 4.1), поэтому нулевые242значенияконцентрацийцелесообразнозаменитьустановленнымиэкспериментально CMinMe и CMinC (рисунок 4.4).Рисунок 4.4 – Модель карбидообразования по механизму внутреннегонауглероживания II рода: концентрационные кривые углерода (С) исильного карбидообразующего элемента (Me); lK – расстояние отповерхности металла до фронта сформировавшихся частиц специальныхкарбидов; здесь и далее: х – расстояние от поверхностиПоскольку DMeMe<<DCC, то с достаточной достоверностью можнопринять, что в области движения фронта выделения частиц специальныхкарбидов концентрация Me будет определяться их стоком в образующуюсяфазу. Следовательно, ключевое значение для расчета количества карбидовимеет результат решения системы (4.1) – концентрационная криваяуглерода в твердом растворе.

Кроме того, поскольку значение ∆GH извыражения (4.3) применительно к зарождению специальных карбидоввесьмавеликопосравнениюсослучаемобразованиячастицлегированного цементита, то зарождение всех дисперсных выделенийможно принять одномоментным.

В связи с этим вполне допустимосчитать, что объемная доля специальныхмассовогобаланса,включающего:а)карбидов зависит только отисходнуюконцентрацию243легирующего элемента; б) определяемую скоростью диффузии текущуюнасыщенность твердого раствора углеродом; в) эмпирические константыCMinMe и CMinC; г) соотношение массовых долей карбидообразующегометалла и углерода в образующемся химическом соединении. Размерныехарактеристики специальных карбидов изменяются в сравнительнонебольшихпределах,невыходящихзапределыпогрешностикинетического расчета их роста [267].При определении последовательности образования специальныхкарбидов с повышением насыщенности слоя углеродом принимали вовниманиепоследовательныйрядэлементов.Специальныекарбидыактивностикарбидообразующихвыделяютсявследующейпоследовательности: соединения на основе ниобия, ванадия, вольфрама,молибдена и хрома, который, как указано выше, образует помимолегированного цементита также некоторое количество карбидов типаMe7C3 и Me23C6.Алгоритм, основанный на явном конечно-разностном методерешения указанных выше расчетных соотношений, формализовали вприкладном программном средстве [329] на алгоритмическом языке ObjectPascal в интегрированной среде Embarcadero Delphi.Вприкладноепрограммноесредствовключенинтерфейс,обеспечивающий наглядное (графическое и табличное) представлениерезультатов расчета (рисунок 4.5).

Прикладное программное средство даетвозможность c необходимой точностью рассчитать: 1) распределениеконцентраций углерода по толщине диффузионного слоя; 2) содержаниеосновных карбидообразующих легирующих элементов в твердом растворена различном расстоянии от поверхности; 3) объемную долю карбиднойфазы и средний размер ее частиц на протяжении активной карбиднойзоны; 4) изменение концентрации углерода и объемной доли карбидов наповерхности в ходе процесса.

Основные параметры диффузионного слоя244представлены как после полной термической обработки, так и послеактивной стадии завершающего цикла.Кроме того расчетная программа дает возможность прогнозироватьпрочностные характеристики в каждой точке по глубине слоя: пределтекучести на сдвиг, предел изгибной и контактной выносливости всоответствии с методикой, приведенной в главе 2 настоящей работы.Таким образом, предоставляется возможность, изменяя число цикловво вводимых исходных данных, определять расчетным путем химическийи фазовый состав диффузионного слоя, соответствующий любой стадиикаждого цикла химико-термической обработки, а также несущуюспособность упрочненного слоя (см. рисунок 4.5).4.3 Проверка адекватности модели вакуумной цементации теплостойкихсталейКак указано выше, в результате проведенных расчетов дляконкретных вариантов режимов получены распределения концентрацийуглерода, а также основных легирующих элементов (Cr, W, Mo) на всейпротяженности диффузионного слоя от поверхности вглубь металла.Кроме того, выполнен расчет объема выделяющейся карбидной фазыв приповерхностной зоне, а также среднего размера частиц цементита испециальных карбидов.Сопоставлены концентрационные кривые углерода, полученные дляодностадийных режимов науглероживания в атмосферах ацетилена сэкспериментальными данными (рисунок 4.6).

Установлено, что расчетныеконцентрационные кривые углерода отклоняются не более чем на 0,1 %.Рисунок 4.5 – Отображение на экране компьютера технологических факторов ХТО (исходные данные), атакже характеристик диффузионного слоя и его несущей способности (результаты расчета) в ходе работыприкладной программы, реализующей модель вакуумной цементации комплексно-легированнойтеплостойкой стали 16Х3НВФМБ-Ш по периодическому режиму245246Рисунок 4.6 – Экспериментальные (значки) и расчетные концентрационные кривые углерода при вакуумной цементации стали 16Х3НВФМБ-Шпри 940 °С по одностадийным режимам (без стадий диффузионноговыравнивания) при разной продолжительности насыщения: 1 – 15 мин;2 – 30 мин; 3 – 60 минИсключение составляет концентрация углерода на поверхности, гдерасчетные и экспериментальные значения различаются в пределах 0,2 %.Таким образом, точность расчета находится в пределах практическойвоспроизводимости результатов вакуумной цементации комплекснолегированных сталей по заданным факторам технологического процесса,достигаемой в производственной практике [267].Удовлетворительная сходимость экспериментальных и расчетныхрезультатов расчета насыщенности диффузионного слоя углеродомполучена и при моделировании периодических циклических режимов(рисунок 4.7), а также при расчете результатов вакуумной цементации по247одномуизапериодическихвариантовтехнологическогорежима(рисунок 4.8) [267, 327].Рисунок 4.7 – Экспериментальные(значки)ирасчетныеконцентра-ционные кривые углерода при вакуумной цементации стали 16Х3НВФМБШ при 940 °С по периодическим циклическим режимам: 1 – а = 2 мин,τп = 20 мин, N = 14 (число циклов); 2 – а = 2 мин, τп = 10 мин, N = 20;3 – а = 2 мин, τп = 6 мин, N = 38Вполне удовлетворительнаясходимость экспериментальных ирасчетных данных достигнута также при расчете объемной доликарбиднойфазыиразмерачастицкарбидацементитноготипа(рисунок 4.9).

Несколько большее относительное отклонение при расчетеэтих параметров диффузионного слоя от экспериментальных данных, чемпри расчете концентрационных кривых, обусловлено, в основном,погрешностьюопределениячисламествозможногообразованиязародышей в уравнении (4.4), которое по понятным причинам может бытьоценено только приблизительно [267].248Рисунок 4.8 – Экспериментальные (значки, два эксперимента) и расчетныеконцентрационные кривые углерода при вакуумной цементации стали16Х3НВФМБ-Ш при 940 °С по апериодическому циклическому режиму4.4 Закономерности формирования карбидной фазы при цементациитеплостойких сталейКак показано в работах [113, 279, 218], форма образующихся частицизбыточной фазы, как и их размер, зависят от степени пересыщениятвердого раствора и, соответственно, от энергии Гиббса образованияхимическогосоединения.карбидообразующихПрилегирующихуменьшенииэлементов,аравноконцентрациизамедлениинасыщения отмечается увеличение размеров образующихся частиц.Этирезультатытакжевытекаютизсовместногорешениясоотношений, описывающих скорость зарождения и роста частицлегированного цементита (4.3-4.4) [268].Входящая в выражение (4.3) энергия активации образованиязародыша закритического размера равна [187]:249pK, %Рисунок 4.9 – Объемная доля карбидной фазы (а) и средний диаметркарбидных частиц (б) при вакуумной цементации стали 16Х3НВФМБ-Шпри 940 °С по периодическим циклическим режимам: 1, 1 – а = 2 мин,τп = 10мин,N = 20;2, 2–а = 2мин,τп = 6мин,N = 38;1, 2 – экспериментальные данные; 1, 2 – расчетные данные2316  v K   KGH  K i,3 g   g K 2(4.7)где Ki (0 <Ki <1) – некоторый коэффициент, при дислокационноммеханизмезарождениязависящийотсоотношения(g - gK)/Kиявляющийся безразмерной величиной, равной 0,4-0,7, уменьшающейся с250увеличением (g - gK); vK – объем карбидной фазы, приходящийся на 1 атомуглерода; K – поверхностная энергия границы раздела карбидной иаустенитной фаз; (g - gK) – разность свободных энергий Гиббса твердогораствора и карбидной фазы, приходящаяся на 1 атом углерода, которую внастоящей работе рассчитывали исходя из принципа аддитивности вкладасоответствующих удельных долей атомов железа и хрома в образующемсякарбиде.

При этом вклад хрома в энергетический выход реакциикарбидообразования, приходящийся на 1 атом (или 1 моль), превосходитсоответствующий вклад железа более чем в 25 раз (при расчете былииспользованы данные [317] для 950 °С).Поэтому, согласно формуле (4.7), при уменьшении концентрациихрома снижается энергетический выход реакции карбидообразования,увеличивается энергия зародышеобразования и, как следствие из (4.3),замедляется зарождение частиц новой фазы. Одновременно, насыщениетвердого раствора при низких концентрациях хрома вследствие малогоколичества центров роста новой фазы приводит к увеличению размероввыделившихся частиц за счет ускорения их диффузионного роста.

Крометого увеличению частиц способствует замедление насыщения твердогораствора углеродом, так как при этом уменьшается степень егопересыщенияи,следовательно,энергетическийвыходреакциикарбидообразования.Одновременно, при снижении концентрации карбидообразующихэлементов (в рассматриваемом случае хрома), вместо равноосных частицсферической и кубической формы, характерных для процессов, идущих сбольшим значением изменения свободной энергии, образуются у границзерен дендриты и волокна [321]. Согласно [330], такие структуры, видимыев сечении шлифа насыщенного металла, могут в реальном объеме являтьсядвухмерными плоскими формами.251К аналогичным выводам приводят проведенные численные инатурные эксперименты, направленные на исследование зарождениячастицлегированногоцементитавжелезныхсплавахсразнойконцентрацией хрома.Экспериментально установлено [13, 268], что при содержании хромаменее 3 % при цементации образуется карбидная сетка по границам зерен(рисунок 4.10а).

Характеристики

Список файлов диссертации