Термическое равновесие
Термическое равновесие в дуговом промежутке будет полным, если частота появления всех возможных энергетических состояний удовлетворяет распределению Максвелла - Больцмана. В плотной среде столба дуги столкновения между частицами приводят к быстрому установлению локального равновесного состояния. Напротив, в разреженной плазме, где столкновения частиц происходят редко, могут длительное время существовать неравновесные состояния.
Понятие термодинамической равновесности предполагает, что состояние вещества полностью определяется его химическим составом и какими-либо двумя термодинамическими параметрами. Одним из них всегда служит температура Г, общая в данном случае для электронов и тяжелых частиц. Другим может быть плотность или давление. Обычно это именно давление, ибо даже в условиях, когда плазма участвует в каких-то движениях, движения эти происходят медленно по сравнению со скоростью звука и давление, следовательно, быстро выравнивается в пространстве.
В зависимости от состава стали и сварочного термического цикла может произойти смешанное превращение, т. е. несколько последовательно следующих друг за другом видов превращений, например: бейнитное и мартенситное; ферритное, перлитное и бейнитное (механизм и кинетика этих превращений рассмотрены в разд. 12.8.1).
|
Мфп! |
|
^фпі б Рис. 12.45. Типовая схематизированная диаграмма АРА низколегированных сталей (а) и фазовый состав структуры в зависимости от скорости охлаждения w^/s (б): |
В результате статистической обработки экспериментальных данных дилатометрических исследований получены математические модели, позволяющие рассчитать параметры типовой диаграммы АРА для низколегированных сталей. На схеме диаграммы АРА (рис. 12.45) цифрами отмечены позиции, соответствующие типовым температурам и скоростям охлаждения. Ниже приведены модели для расчета этих параметров (соотношения (12.55), позиции 1-13):
7фП. н, Тфп. к» Тм. н и Гм к - температуры начала и конца феррито-перлитного (ФП) и мар - тенситного (М) превращений; w$nь и ^мп2 - критические скорости ох
лаждения (w^/sX при которых образуются соответственно 5 и 95 % и 5 и 90 %
позиция 1 (10)
7фп. н = 862,141 - 81 ,749• Мп - 55,316 • Сг - 97,518 • Мо -
-11,117 ■ Ni -185,28 • V - 367,375 • С2 - 7,881 • Мп2 +
+ 7,763 • Сг2 + 2764,267 • V2 +141,801 • С • Мп - -62,501 • Мп • Si + 72,565 • Мп • Сг+60,979 • Мп • Мо - - 21,627 • Мп • Ni - 88,157 • Мп • V - 67,722 • Si • Сг - - 852,215 • Si • V -494,502 • Мо • V;
позиция 2 (9,13)
7фП к = 620 + 479,13-С - 80,49 • Мп - 382 • V -
- 495,5 • С2 +19,36 • Мп2 -12 • Сг2 - 54,63 • Мо2 +
+1574,4-V2-54,11 C-Ni-57,94 Mn-Cr+
+36,12 • Сг • Мо +125,14 • Сг • V - 641,55 • Мо - V;
позиция 9
|
(12.55) |
Тб. н = Тфп. к!
позиция 3 (8)
Тм и = 562 - 660 • С - 23,3 • Мп - 35 • Сг -10 • Мо -
|
позиция 8' позиция 4 (11) позиция 12 |
-17,5-Ni-9,4 Cu-3-V +291-С2 + 2,5-Сг2 -0,17-Мо"
Тб. н Тм.„ при Тм н > 350 °С; 7б. н = 350 °С при 7’м. н < 350 °С;
^м. к а ^м. н -(120 + 270 С); Тб. к = Тмм — (7^ н — 350);
n Si Мп Сг Мо Ni Си V
г R = С +— +----------- +— +---------- +— +— + — + 5 В;
|
позиция 5 ПОЗИЦИЯ 6 |
экв 24 6 5 4 10 15 14
^м2 —3,217СЭКр ; ж* м2 «1,3 wM2',
а>М1* 0,343 с££16; да мі * 0,75 wM;
Щп2 ~ 0,1 ®фп 1; W 'фп2 « 0,75 Жфп2 •
Здесь содержание химического элемента в %; Тфп. Н’ ^фп. К’ Н>
Тек, 7м. н? Гм. к - температуры начала и конца соответственно фер - рито-перлитного, бейнитного и мартенситного превращений, °С; wH - средняя скорость нагрева, °С/с; wy5 - скорость охлаждения в диапазоне 600...500 °С, °С/с; t%/5 - время охлаждения от 800 до 500 °С (^8/5 ж 225!w 6/5), с; г^М2 и wM соответствуют 90 и 5 % мартенсита; w'M2 и а/мі соответствуют 94 и 1 % мартенсита; ®fyn2 и ШфП1 соответствуют 95 и 5 % феррито-перлита; w^n2 и Шфп1 соответствуют 99 и 1 % феррито-перлита.
Модели, реализованные в компьютерных программах, позволяют оперативно строить компьютерные диаграммы АРА. Пример такой диаграммы АРА для стали 15Х2МФА представлен на рис. 12.46.
Расчет по приведенным моделям возможен для сталей, имеющих содержание легирующих элементов в следующих пределах
|
0,008 0,002-0,04 0,002-0,04 0,001-0,05 0,001-0,01 до 0,40 до 1,0 |
|
Углерод......... 0,03-0,45 Титан.............. до 0,80 Бор........... Кремний........ 0,03-1,5 Медь............... до 1,20 Сера......... Марганец....... 0,15-2,0 Ванадий.......... до 0,80 Фосфор... Хром............ до 3,0 Ниобий........... до 0,20 Азот......... Никель........... до 4,0 Цирконий.... до 0,20 Кислород Молибден до 1,0 Алюминий.. 0,01 -1,10 Церий...... Вольфрам...... до 0,8 Кобальт.......... до 0,50 Иттрий ... |
Процентные содержания мартенсита (М) и феррито-перлитной смеси (ФП) в промежуточных интервалах скоростей охлаждения
г^мЬ * ^м2 и 1 * * • ^фп2 можно приближенно рассчитать, исполь
зуя зависимость Авраами, описывающую кинетику полиморфных превращений:
(12.56)
(12.57)
где кш кфп, пы и Ифп - экспериментальные или расчетные константы.
AC3=886.73
|
1(Г2 10"1 1 10 102 103 104 105 Время охлаждения от 800 до 500° С (tg/s), с а |
АС1=815.12
|
Структура, % Температура, |
Тмн : 353.2 °С Тмк : 194.0 °С
W6/5 : 1.5 °С/с Т8/5 : 150 с
С=0.170
Si=0.250
Мп=0.520
Сг=2.800
Ni=0.000
Мо=0.680
Си=0.000
|
Скорость охлаждения (ffitys), °С/с ■ . ■ І і ті..і - і lLi ші - і і хі jmJ___________________ і_ піни)-------------- 1, Liliiul---- 10 102 103 104 105 Время охлаждения от 800 до 500° С (*8/5)> с б |
Сэкв=1.019
s'o %
І^ФП
34.3 % 60.7 %
W6/5 : 1.50 °С/с
Т8/5 : 150 с
Рис. 12.46. Компьютерная диаграмма АРА для стали 15Х2МФА
Содержание бейнита (Б) при заданной скорости охлаждения определяется как дополнение к количеству мартенсита до 95 % или феррито-перлитной смеси (ФП) до 100 %.
Рассчитать коэффициенты пи к можно с использованием критических СКОрОСТеЙ ОХЛаЖДеНИЯ (WM2, ®'фпіХ взятых из
диаграмм АРА для анализируемых сталей, по соотношениям:
|
3,3475 |
|
(12.58) |
0,1054.
|
w. |
|
МІ |
In
|
4,067 Л |
|
2,9957 ®’фп1 |
|
(12.59) |
|
^фп ~ |
|
лфп |
|
>12 |
|
In |
|
W, |
фп1
