The 25 reference contexts in paper M. Semenov Yu., М. Семенов Ю. (2016) “Закономерности зарождения частиц легированного цементита при науглероживании теплостойких сталей // Laws of alloyed cementite particles nucleation during heat-resistant steels carburizing” / spz:neicon:technomag:y:2014:i:5:p:340-350

  1. Start
    572
    Prefix
    И.П.Бардина» Введение В связи с высокими эксплуатационными требованиями, предъявляемыми к зубчатым передачам газотурбинных двигателей (ГТД) последних поколений, при изготовлении зубчатых колес для агрегатов авиационных силовых установок применяются комплекснолегированные теплостойкие стали типа 16Х3НВФМБ-Ш и 20Х3МВФ-Ш (табл.)
    Exact
    [1]
    Suffix
    . Дальнейший рост нагрузочно-скоростных характеристик ГТД обусловил промышленное внедрение особо теплостойкой дисперсионно-твердеющей стали 13Х3Н3M2ВФБ [2] (см. табл.). Таблица. Комплексно-легированные теплостойкие стали Марка стали Легирующие элементы, % по массе Максимальная теплостойкость, °С С Si Mn Cr Ni W Mo V Nb 16Х3НВФМБ (ВКС-5) 0,14-0,19 0,6-0,8 0,4-0,7 2,63,0 1,01,5 1,0
    (check this in PDF content)

  2. Start
    734
    Prefix
    передачам газотурбинных двигателей (ГТД) последних поколений, при изготовлении зубчатых колес для агрегатов авиационных силовых установок применяются комплекснолегированные теплостойкие стали типа 16Х3НВФМБ-Ш и 20Х3МВФ-Ш (табл.) [1]. Дальнейший рост нагрузочно-скоростных характеристик ГТД обусловил промышленное внедрение особо теплостойкой дисперсионно-твердеющей стали 13Х3Н3M2ВФБ
    Exact
    [2]
    Suffix
    (см. табл.). Таблица. Комплексно-легированные теплостойкие стали Марка стали Легирующие элементы, % по массе Максимальная теплостойкость, °С С Si Mn Cr Ni W Mo V Nb 16Х3НВФМБ (ВКС-5) 0,14-0,19 0,6-0,8 0,4-0,7 2,63,0 1,01,5 1,01,4 0,4-0,6 0,350,55 0,10,2 300 20Х3МВФ 0,15-0,20 0,170,37 0,250,50 2,43,3 ≤ 0,50 0,30,5 0,350,55 0,600,85 - 250 13Х3Н3M2В ФБ (ВКС-10) 0,10-0,15 0,1
    (check this in PDF content)

  3. Start
    2467
    Prefix
    Рис. 1. Микроструктура диффузионного слоя теплостойкой стали 16Х3НВФМБ-Ш после вакуумной цементации: (1) - активная карбидная зона; (2) - зона специальных карбидов Согласно традиционным представлениям
    Exact
    [3]
    Suffix
    , крупные некогерентные выделения, такие как частицы легированного, в основном, хромом цементита, образуются на границах зерен, как правило, в виде разорванной или сплошной сетки. Вместе с тем металлографическими методами установлено, что в теплостойких сталях, содержащих 3 % и более хрома, легированный цементит при соблюдении заданного режима ХТО (т.е. при температуре менее 980 °C) образуетс
    (check this in PDF content)

  4. Start
    2952
    Prefix
    Вместе с тем металлографическими методами установлено, что в теплостойких сталях, содержащих 3 % и более хрома, легированный цементит при соблюдении заданного режима ХТО (т.е. при температуре менее 980 °C) образуется в виде глобулярных частиц (см. рис. 1), которые, как было предположено в работах
    Exact
    [4, 5]
    Suffix
    , образуются внутри зерен по дислокационному механизму. Рис. 2. Микроструктура цементованного слоя модельного сплава на основе железа, содержащего 1 % Cr, подвергнутого цементации [4] Принципиальное значение механизма зарождения частиц цементита обусловлено крайне негативным влиянием цементитной сетки по границам зерен на контактную выносливость диффузионных слоев (ее кратным сниже
    (check this in PDF content)

  5. Start
    3136
    Prefix
    и более хрома, легированный цементит при соблюдении заданного режима ХТО (т.е. при температуре менее 980 °C) образуется в виде глобулярных частиц (см. рис. 1), которые, как было предположено в работах [4, 5], образуются внутри зерен по дислокационному механизму. Рис. 2. Микроструктура цементованного слоя модельного сплава на основе железа, содержащего 1 % Cr, подвергнутого цементации
    Exact
    [4]
    Suffix
    Принципиальное значение механизма зарождения частиц цементита обусловлено крайне негативным влиянием цементитной сетки по границам зерен на контактную выносливость диффузионных слоев (ее кратным снижением), в связи с чем цементитная сетка является недопустимым дефектом при цементации.
    (check this in PDF content)

  6. Start
    3748
    Prefix
    Известно, что сетка образуется и при недостаточном содержании хрома в стали (рис. 2). Одновременно принятый механизм зарождения частиц цементита оказывает существенное влияние на расчет скорости зародышеобразования и, как следствие, размера образующихся карбидных частиц
    Exact
    [4]
    Suffix
    , являющегося важной характеристикой диффузионного слоя. Таким образом, решение задачи о приоритетном механизме зародышеобразования является частью решения общей задачи построения универсальной математической модели цементации комплексно-легированной стали.
    (check this in PDF content)

  7. Start
    4424
    Prefix
    Особое значение решение данной задачи принимает в связи с ожидаемым в перспективе увеличением требуемой теплостойкости до 600 °С и выше, следствием чего явится необходимость применять в дальнейшем стали, содержащие до 10 % хрома
    Exact
    [6]
    Suffix
    . Ранее решение подобной задачи было выполнено отечественными учеными в 1990-х годах [7], однако ввиду недостаточной производительности вычислительной техники того времени возникла необходимость в упрощении расчетного алгоритма за счет внесения существенных допущений в физическую модель.
    (check this in PDF content)

  8. Start
    4512
    Prefix
    Особое значение решение данной задачи принимает в связи с ожидаемым в перспективе увеличением требуемой теплостойкости до 600 °С и выше, следствием чего явится необходимость применять в дальнейшем стали, содержащие до 10 % хрома [6]. Ранее решение подобной задачи было выполнено отечественными учеными в 1990-х годах
    Exact
    [7]
    Suffix
    , однако ввиду недостаточной производительности вычислительной техники того времени возникла необходимость в упрощении расчетного алгоритма за счет внесения существенных допущений в физическую модель.
    (check this in PDF content)

  9. Start
    5029
    Prefix
    Кроме того проведение точных расчетов было затруднено ввиду отсутствия результатов тонких экспериментальных исследований флуктуаций концентрации карбидообразующих элементов, существенным образом влияющих на закономерности карбидообразования, которые стали доступны исследователям в настоящее время
    Exact
    [8]
    Suffix
    . Полученные новые данные расширяют имеющиеся представления о процессах карбидообразования в сталях, легированных хромом, и дают возможность с большей достоверностью устанавливать механизмы зарождения цементитной фазы при цементации.
    (check this in PDF content)

  10. Start
    5634
    Prefix
    Вместе с тем, на данный момент в научной литературе отсутствуют соответствующие современному уровню знаний о фазовом составе карбидной фазы в теплостойких сталях расчетные исследования процесса зародышеобразования цементитной фазы в сталях, легированных хромом. В этой связи, в качестве цели настоящей работы принята задача проверки, выдвинутой в работах
    Exact
    [4,5]
    Suffix
    теоретической гипотезы и определения наиболее вероятного механизма зарождения частиц легированного цементита при цементации расчетным путем. Методика численного эксперимента Скорость зарождения частиц новой фазы определяли по формуле [9]: exp,*       kT Gg kT h INHii (1) где Ni – количество возможных мест зарождения по принятому механизму; h – постоянная Планка; k – постоянная Бо
    (check this in PDF content)

  11. Start
    5872
    Prefix
    В этой связи, в качестве цели настоящей работы принята задача проверки, выдвинутой в работах [4,5] теоретической гипотезы и определения наиболее вероятного механизма зарождения частиц легированного цементита при цементации расчетным путем. Методика численного эксперимента Скорость зарождения частиц новой фазы определяли по формуле
    Exact
    [9]
    Suffix
    : exp,*       kT Gg kT h INHii (1) где Ni – количество возможных мест зарождения по принятому механизму; h – постоянная Планка; k – постоянная Больцмана; T – температура; GH – энергия активации образования зародыша по данному механизму; g* – энергия перехода атома через границу раздела фаз.
    (check this in PDF content)

  12. Start
    6340
    Prefix
    – количество возможных мест зарождения по принятому механизму; h – постоянная Планка; k – постоянная Больцмана; T – температура; GH – энергия активации образования зародыша по данному механизму; g* – энергия перехода атома через границу раздела фаз. Температуру вакуумной цементации приняли равной 940 °C. Энергию активации образования зародыша закритического размера рассчитывали по формуле
    Exact
    [9]
    Suffix
    :   , 3 16 2 23 K KK Hi g v GK    (2) Ki - коэффициент пропорциональности, отражающий влияние дефекта кристаллического строения на уменьшение энергетического порога зарождения; vK - объем образующейся карбидной фазы, приходящийся на 1 атом углерода; K - удельная поверхностная энергия границы раздела -Fe и Fe3C; gK - изменение свободной энергии Гиббса, приходящееся на 1 атом углер
    (check this in PDF content)

  13. Start
    6932
    Prefix
    Изменение свободной энергии Гиббса рассчитывали следующим образом: 3236, K(,)3CrCCrFeCFeCCrFe gggXgX (3) где XFe, XCr - атомные концентрации железа и хрома в зародыше легированного цементита, соответственно. В работе
    Exact
    [4]
    Suffix
    установлено, что при общем содержании хрома в стали около 3 % (см. табл.), его средняя концентрация в легированном цементите составляет около 6 %. Таким образом, величины XFe и XCr являются неизвестными.
    (check this in PDF content)

  14. Start
    7300
    Prefix
    Таким образом, величины XFe и XCr являются неизвестными. Вероятно, что в момент зарождения частицы карбида железа и хрома XCr существенно превосходит 6 %, т.к. в результате анализа дифракции рентгеновских лучей в работе
    Exact
    [8]
    Suffix
    установлено, что в сталях, содержащих около 1,5 % хрома, в легированном цементите были выявлены флуктуации концентрации Cr до 21,4 % Необходимо отметить, что для хрома в стали численные значения атомных и массовых концентраций практически совпадают.
    (check this in PDF content)

  15. Start
    7659
    Prefix
    лучей в работе [8] установлено, что в сталях, содержащих около 1,5 % хрома, в легированном цементите были выявлены флуктуации концентрации Cr до 21,4 % Необходимо отметить, что для хрома в стали численные значения атомных и массовых концентраций практически совпадают. Значение изменения энергии Гиббса на 1 моль углерода при реакциях образования Fe3C и Cr23C6 представлено в работе
    Exact
    [10]
    Suffix
    . Данные значения пересчитали на 1 атом углерода (gK). В работе [11] предложена формула для расчета удельной свободной энергии границы раздела Al и WC по поверхностной энергии алюминия, а также приведенным на 1 атом соответствующего элемента химическим потенциалам вольфрама и углерода.
    (check this in PDF content)

  16. Start
    7726
    Prefix
    1,5 % хрома, в легированном цементите были выявлены флуктуации концентрации Cr до 21,4 % Необходимо отметить, что для хрома в стали численные значения атомных и массовых концентраций практически совпадают. Значение изменения энергии Гиббса на 1 моль углерода при реакциях образования Fe3C и Cr23C6 представлено в работе [10]. Данные значения пересчитали на 1 атом углерода (gK). В работе
    Exact
    [11]
    Suffix
    предложена формула для расчета удельной свободной энергии границы раздела Al и WC по поверхностной энергии алюминия, а также приведенным на 1 атом соответствующего элемента химическим потенциалам вольфрама и углерода.
    (check this in PDF content)

  17. Start
    8272
    Prefix
    Упростив эту формулу и заменив поверхностную энергию алюминия на поверхностную энергию железа, а поверхностную энергию карбида вольфрама - на поверхностную энергию карбида молибдена, получили выражение: ln, 2 FeFe а KKakT F N  (4) где K и Fe - поверхностные энергии карбида Fe3C, среднее значение K = 2,67 Дж/м2
    Exact
    [12]
    Suffix
    , и -Fe, рассчитанная по формуле Гилмана, соответственно, Fe = 1,31 Дж/м 2 ; Nа - количество корреспондирующих атомов двух фаз; F - площадь границы, приходящиеся на Nа атомов; aFe - термодинамическая активность железа.
    (check this in PDF content)

  18. Start
    9014
    Prefix
    элементов и углерода, подчиняется закону Рауля: aFeFe,x где xFe - атомная концентрация железа в стали, xFe ≈ 0,95, то aFe ≈ 0,95 и ln0, 2 аFeakT F N в результате расчета по формуле (4) получили K≈1,36 Дж/м 3 . Установление значений Ni (оценочно) и vK не вызывает затруднений. Неизвестные величины g* и Ki определили в соответствии с соотношениями, рекомендованными в работе
    Exact
    [9]
    Suffix
    . При зернограничном механизме карбидообразования коэффициент Ki зависит только от соотношения удельных поверхностных энергий границы зерен аустенита  и границы раздела фаз K [9]: . 22 3 2 2 1 3                  KK Ki         (5) Оценка влияния энергии дислокации на скорость зарождения частиц новой фазы определяется критериальным коэффициентом aD [9]: 
    (check this in PDF content)

  19. Start
    9194
    Prefix
    Неизвестные величины g* и Ki определили в соответствии с соотношениями, рекомендованными в работе [9]. При зернограничном механизме карбидообразования коэффициент Ki зависит только от соотношения удельных поверхностных энергий границы зерен аустенита  и границы раздела фаз K
    Exact
    [9]
    Suffix
    : . 22 3 2 2 1 3                  KK Ki         (5) Оценка влияния энергии дислокации на скорость зарождения частиц новой фазы определяется критериальным коэффициентом aD [9]:   , 21 22 2           KK K iD v Gbg Ka   (6) где (aD) - некоторая функция, определенная на интервале от 0 до 1, (0)=1, при aD→1: (aD)→0; G - модуль сдвига, b -
    (check this in PDF content)

  20. Start
    9361
    Prefix
    При зернограничном механизме карбидообразования коэффициент Ki зависит только от соотношения удельных поверхностных энергий границы зерен аустенита  и границы раздела фаз K [9]: . 22 3 2 2 1 3                  KK Ki         (5) Оценка влияния энергии дислокации на скорость зарождения частиц новой фазы определяется критериальным коэффициентом aD
    Exact
    [9]
    Suffix
    :   , 21 22 2           KK K iD v Gbg Ka   (6) где (aD) - некоторая функция, определенная на интервале от 0 до 1, (0)=1, при aD→1: (aD)→0; G - модуль сдвига, b - вектор Бюргерса,  - коэффициент Пуассона.
    (check this in PDF content)

  21. Start
    10393
    Prefix
    В целях проверки гипотезы о механизме зарождения провели расчет скоростей зародышеобразования частиц легированного цементита по зернограничному и дислокационному механизмам. Расчеты проводились при помощи разработанной прикладной программы на языке Object Pascal в интегрированной среде Embarcadero Delphi XE5. Результаты исследований и их обсуждение Согласно
    Exact
    [9]
    Suffix
    минимальная наблюдаемая скорость зарождения составляет 10 6 м -3 с -1 . Проведенными расчетами по формулам (1-6) установили, что такая скорость зарождения возникает при образовании флуктуаций хрома не менее 40 % ат.
    (check this in PDF content)

  22. Start
    10854
    Prefix
    (XCr ≥ 0,40). При средней концентрации в стали хрома 3 % данное значение не дает оснований сомневаться в его достоверности, так как, как сказано выше, при среднем содержании Cr в стали порядка 1,5 % в работе
    Exact
    [8]
    Suffix
    выявлены флуктуации концентрации, доходящие до 20 %. Необходимо отметить, что атомный радиус хрома практически не отличается от атомного радиуса железа, что является основной причиной хорошей растворимости хрома в цементите.
    (check this in PDF content)

  23. Start
    11887
    Prefix
    В этой связи, атомы хрома, являющегося достаточно сильным карбидообразующим легирующим элементом, диффундируют в дефектные области под влиянием градиента концентрации углерода. Данный эффект хорошо изучен и описан, в частности, в работах
    Exact
    [13, 14]
    Suffix
    . Как показали проведенные расчеты, при скорости зарождения цементита, равной 106 м-3с-1, aD = 0,92. При этом, зарождение происходит по дислокационному механизму, зародышеобразование на границах зерен практически отсутствует (его скорость составляет около 10 -19 м -3 с -1 ).
    (check this in PDF content)

  24. Start
    12217
    Prefix
    При этом, зарождение происходит по дислокационному механизму, зародышеобразование на границах зерен практически отсутствует (его скорость составляет около 10 -19 м -3 с -1 ). Таким образом, теоретически обоснованная в работе
    Exact
    [5]
    Suffix
    гипотеза о преимущественно дислокационном механизме зарождения частиц легированного цементита в теплостойких сталях подтверждена результатами численного эксперимента. Следует отметить, что при возникновении флуктуаций концентрации хрома порядка 45 %, параметр aD превосходит 1,0 и скорость зародышеобразования резко возрастает.
    (check this in PDF content)

  25. Start
    13826
    Prefix
    С учетом установленных положений о влиянии сегрегаций хрома на механизм зарождения представляется возможным установить основную причину данного феномена, который до настоящего времени объяснялся исключительно свойством никеля стабилизировать аустенит
    Exact
    [5]
    Suffix
    . Вероятно, что отмеченный эффект обусловлен известным снижением диффузионной подвижности хрома в железе под влиянием никеля, который, таким образом, препятствует образованию флуктуаций концентрации хрома на дефектах кристаллического строения, насыщенных углеродом.
    (check this in PDF content)