Потенциал деформации

Науглероживающую способность цементующей атмосферы характеризуют так называемым углеродным потенциалом, т. е. содержанием углерода в поверхностном слое металла, находящегося в равновесии с атмосферой. Это, .например, значит, что если углеродный потенциал атмосферы при данной температуре 0,8, то эта атмосфера будет науглероживать стали с меньшим содержанием углерода, но концентрация на поверхности не превысит 0,8%, а для высокоуглеродистых сталей (% О0,8) она будет обезуглероживающей. Поэтому при газовой цементации строго следят за составом цементующей атмосферы не только чтобы не было образования сажи, но и чтобы избежать пересыщения цементуемой стали углеродом.

Автоматизация всего цикла, охватывающего взаимосвязь между температурой и продолжительностью процесса, привела к системе программного управления скоростью нагрева и охлаждения. Наиболее важными работами последнего времени являются исследования и автоматизация самих процессов, протекающих в объеме металлов и сплавов при нагреве и охлаждении, например мартенситного превращения; установление предельной концентрации углерода в поверхностном слое при цементации (углеродный потенциал атмосферы) и др.

Для сокращения длительности процесса в промышленности широко используют газовую цементацию, при которой углеродный потенциал атмосферы вначале поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностном слое детали 1,2—1,3 % С (активный период), а затем его снижают до 0,8 % (диффузионный период).

При прокатке металла, имеющего температуру выше температуры рекристаллизации, ослабляются причины,, вызывающие упрочнение — искажение кристаллической решетки, остаточные напряжения. Сопротивление металла деформации в процессе прокатки остается на исходном уровне, не снижается пластичность. Чем выше температура нагрева металла под прокатку, тем меньше деформирующее усилие и выше пластичность. Однако-чрезмерно повышать температуру нагрева не рекомендуется. При температуре нагрева, близкой к температуре плавления стали, наблюдается быстрый рост зерен, что приводит к снижению пластичности и разрушению металла при небольших деформациях. При повышенной температуре нагрева стали в окислительной атмосфере наблюдается явление пережога — окисление границ зерен, что также приводит к разрушению металла. Пережог происходит тем легче, чем выше температура металла и чем больше окислительный потенциал атмосферы в печи. Особенно подвержены пережогу хромони-келевые стали, что в определенной степени объясняется

Науглероживающую способность цементующей атмосферы характеризуют так называемым углеродным потенциалом, т. е. содержанием углерода в поверхностном слое металла, находящегося в равновесии с атмосферой. Это, .например, значит, что если углеродный потенциал атмосферы при данной температуре 0,8, то эта атмосфера будет науглероживать стали с меньшим -содержанием углерода, но концентрация на поверхности не превысит 0,8%, л для высокоуглеродистых сталей (% С>0,8) она будет обезуглероживающей. Поэтому при газовой цементации строго следят за составом цементующей атмосферы не только чтобы не было образования сажи, но и чтобы избежать пересыщения цементуемой стали углеродом.

В первом случае науглероживающий потенциал атмосферы увеличивается с понижением температуры и с повышением значения постоянной равновесия, а во втором случае науглероживающий потенциал увеличивается с повышением температуры и с понижением значения постоянной равновесия.

При постоянной температуре скорость диффузии в сильной степени зависит от граничных условий. Скорость и степень насыщения будут тем больше, чем больше перепад Концентрации насыщающего элемента по диффузионному слою. Покажем это на примере (рис. 16). Концентрация диффундирующего элемента на поверхности Q> одинакова для стали состава GJ и С2. Однако за данный отрезок времени общая толщина диффузионного слоя (рис. 16, а) и количество продиффун-дировавшего элемента (заштрихованная площадь под кривыми) у стали состава Q оказались больше [8]. Это связано с тем, что для стали Ct перепад концентрации (ДС] = С„ — Су) больше, чем для стали С2 (ДС2 = С0 — С2). Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности С0, тем больше толщина диффузионного слоя на стали данного состава Сг (рис. 16, б). В связи с этим для сокращения длительности газовой цементации углеродный потенциал атмосферы вначале поддерживают высоким: 1 ,2 — 1 ,3% С (выше предела растворимости Стах), чтобы получить большой перепад концентрации (химического потенциала). На втором этапе устанавливается пониженный потенциал, величина которого опреде-

Азотный потенциал атмосферы можно регулировать, разбавляя аммиак водородом, продуктами диссоциации аммиака (N2 + На), азотом, аргоном и т. д.

Косвенный метод контроля и регулирования углеродного потенциала заключается в отборе из генератора или печи пробы газа и анализе ее на содержание одного из компонентов газовой смеси. Возможность применения косвенного метода основана на том, что углеродный'потенциал эндотермической атмосферы, в которой количество газов СО, Н2 и N2 практически постоянно, можно регулировать изменением содержания одного из трех газов: Н2О, СО2иСН4- В практических условиях углеродный потенциал атмосферы измеряют и регулируют либо по

Углеродный потенциал атмосферы можно рассчитать по кислородному потенциалу (О2-потенциалу), если известны температура и концентрация СО в атмосфере [4].

Надежным критерием качества химико-термической обработки может быть свойство, одновременно отражающее условия насыщения и последующей термической обработки. Им может быть эффективная толщина насыщенного слоя, оцениваемая для различных групп деталей по расстоянию от поверхности до HV 5EO, а для тяжелонагружаемых шестерен и валов — до HV 600. Эффективную толщину насыщенного слоя для конкретной детали можно выбрать по диаграммам прока-ливаемости этого слоя для данной марки стали, из которой изготовляют деталь. Под прокаливаемостью насыщенного слоя понимается распределение твердости по толщине слоя в зависимости от содержания углерода (или углерода и азота суммарно или раздельно) в этом слое. В качестве примера на рис. 3 приведены такие диаграммы для сталей 25ХГТ и 25ХГНМАЮ или 25ХГНМТ. Сталь 25ХГТ широко используют для средненагруженных деталей трансмиссии: шестерен полуосей, сателлитов и др. Сталь 25ХГНМТ применяют для тяжелонагружаемых деталей машин, таких как ведущие шестерни редукторов задних мостов, детали гипоидных мостов большегрузных автомобилей. Приведенные диаграммы можно использовать при анализе и корректировке режимов химико-термической обработки при отклонениях в технологическом процессе — при изменении загрузки на поддон и номенклатуры деталей, при выходе из строя мешалок закалочного бака, при переходе на другие охлаждающие среды и пр. По ним легко определить для заданной (или получающейся из-за отклонений в технологическом процессе) концентрации углерода скорость охлаждения, обеспечивающую эффективную глубину слоя независимо от твердости поверхности (HV 500, HV 600 или HV 700). И наоборот, при фактических скоростях охлаждения задавать необходимый углеродный потенциал атмосферы.

Углеродный потенциал атмосферы регулируют по содержанию СОв или HgO в атмосфере. Эндотермическая атмосфера в зависимости от точки росы или от содержания СО2 может науглеродить и обезуглеро-дить поверхность стали или находиться с ней в состоянии равновесия, без изменения состава поверхностного слоя. На рис. 40 приведены кривые равновесия между эндотермической атмосферой и содержанием углерода в углеродистой и легированной стали (на рис. 40, а, б потенциал атмосферы определяли по точке росы, а на рис. 40, в — по содержанию СОа).

Потенциал деформации металла . . . •........... 12

Потенциал деформации металла

Появление локальных потенциалов деформации само по себе еще не определяет ускорения электрохимического растворения металла. Действительно, если говорить конкретно об изменении работы выхода иона металла, то следует учесть, что химический потенциал металла складывается из химического потенциала ионного остова и химического потенциала «свободных электронов». Потенциал деформации связан с изменением последней составляющей: численно равен изменению энергии свободного носителя зарядов — электрона, которая является лишь небольшой частью химического потенциала металла Ч Поэтому для изменения работы выхода иона на величину, которая проявится в сдвиге стандартного электродного потенциала (за счет изменения ионного обмена), эквивалентном максимальному значению потенциала деформации, потребуется затратить неизмеримо больше энергии, чем для полученного выше изменения энергии носителя на величину потенциала деформации.

Итак, в качестве физической модели твердого тела для описания механохимических явлений при коррозии металла под напряжением можно принять модель упругого континуума . (имеющего квазисвободные электроны) с дефектами структуры типа дислокаций. В этой модели потенциал деформации, обусловленный средней дилатацией упругодеформированного металла или средним нелинейным расширением дислокаций, реализуется в значениях, практически не влияющих на работу выхода иона металла, но оказывающих воздействие на электромагнитные явления переноса в металле и работу выхода электрона.

Как видно из выражения (135), в отличие от механохимического эффекта потенциал деформации зависит только от пространственно-геометрических параметров, т. е. от размера скоплений п, и не зависит от упрочнения Лт, которое может быть различным в зависимости от природы и характера сил сопротивления перемещению дислокаций.

Подставляя выражение (138) в уравнение (28), находим соответствующий локальный потенциал деформации:

Локальный потенциал деформации, обусловленный действием одного плоского скопления из п копланарных дислокаций, окончательно можно выразить:

Подставляя в выражение (140) типичные численные значения (для приближенной оценки принимаем порядок величин нелинейных упругих постоянных, найденных для меди) е/? = 7 эВ; v = 0,3; г = 10 Ь; /0 = 2Ь; \л =-= 83 ГН/м2 (8300 кгс/мм2); (Р1 + 2и)^ «^ 10~21 м*/Н2 (10" 23 м*/кгс2) находим потенциал деформации для точек М тонкого слоя, примыкающего к поверхности:

Деформация верхнего занятого уровня ДЯ немедленно влечет за собой равную по абсолютной величине деформацию нулевого уровня —Д1е (0) с тем, чтобы не изменился уровень \ае = const [5]. Компенсация происходит замечет перераспределения электронной плотности и добавка к энергии носителя А[ле (0)/е представляет собой возникающий потенциал деформации [5].

где Дф (/•) — потенциал деформации в тонком поверхностном слое.

Выравнивание энергии Ферми (состояние 3) приводит к равному по абсолютной величине и противоположному по знаку искажению низшего уровня Е0 (рис. 30, б), образующему потенциал деформации и нарушающему электронейтральность, т. е, возникает внутренний двойной слой с внешней положительной обкладкой, которая вызывает дополнительное воздействие металла на ориентацию диполей растворителя и адсорбцию ионов электролита. На рис. 30, в схематически показано соотношение зарядов внутреннего двойного слоя и френ-келевского двойного слоя после стабилизации уровня Ферми.