非等温奥氏体化动力学模型

来源:中国人民武装警察部队学院作者:张芳

根据形核长大理论,考虑加热速度的影响,建立了非等温条件下奥氏体化动力学模型。通过试验分析得到了不同加热速度下Cr5钢奥氏体化动力学曲线,研究了加热速度对相变过程的影响。通过对试验数据的回归分析,建立了Cr5钢奥氏体化动力学模型,并提出了加热速度与相变表观激活能的半经验函数关系。对比试验结果表明,所建立的模型和试验实测数据吻合较好。

近年来,关于热处理过程数值模拟有很多报道。这些研究一般利用叠加准则和经典的Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov(JMAK)方程对淬火过程相转变进行分析,对奥氏体化过程报道很少。而金属热塑性成形及热处理时需要将材料加热至奥氏体化温度以上,某些材料要求部分奥氏体化以获得双相钢,因此,有必要对奥氏体化过程进行定量描述。相变动力学模型是对相变过程进行分析的难点。

JMAK 方程用来描述扩散型等温相变和结晶过程,自叠加准则提出后,被用于分析非等温相变过程。但近来一些报道指出利用JMAK 方法计算非等温相变所得结果与实际试验结果不一致,考虑JMAK 方法的使用条件限制,一些学者对相变动力学模型进行改进。Liu. F利用解析方法对相变过程进行分析。徐祖耀教授考虑冷却速度对相变的影响,认为叠加准则中的叠加常数不是1,而是一个与速度相关的函数。Satyam等人通过试验发现加热速度对相变表观激活能有一定的影响,并建立了加热速度与表观激活能的函数关系,S. B. Singh 等人利用这一关系成功预测了非等温条件下奥氏体向铁素体的转变。因此建立奥氏体化动力学方程时需要考虑温度历史即加热速度的影响。

本文针对加热过程中相变特点,根据形核长大理论,考虑加热速度对相变过程的影响,建立奥氏体化动力学模型。通过对Cr5 钢连续加热奥氏体化相变过程进行分析,确定加热速度与相变表观激活能的函数关系,并对相变动力学模型的有效性进行了试验验证。

1、相变动力学计算模型

奥氏体化相变属于扩散型相变,相变过程受形核和长大速度的控制。由平衡态组织向奥氏体转变时,奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体两交界处或珠光体团边界上形成。奥氏体形核动力是新旧相体积自由能差,忽略相变应变能时相变临界形核功ΔG* 为。

相变计算

利用上述动力学模型(式13)对Cr5轧辊钢在不同加热速度下的相变过程进行计算,计算结果如图5所示。图5 中还给出了相应的加热速度下奥氏体体积分数的试验测定结果,在不同加热速度下计算结果均与试验结果吻合较好。可见,该模型在较少的参数下(仅4个待定参数) 就能较为准确地反映实际奥氏体化相变过程,可实现实际生产过程的在线控制。

奥氏体体积分数计算结果与试验结果对比

图5 奥氏体体积分数计算结果与试验结果对比

本模型获得的表观激活能与加热速度的对数线性关系与文献所得结果一致,所建立模型能很好地反映实际奥氏体化过程。但表观激活能与加热速度关系为半经验函数关系,今后需要对此进行更为深入地分析和试验研究。

结论

提出了一种奥氏体化相变动力学模型,该模型考虑加热速度对相变表观激活能的影响。通过试验获得了所建立的动力学模型中的相关参数,发现相变表观激活能与加热速度对数呈线性关系。并以Cr5 轧辊钢为例,利用该模型分析计算了不同加热速度下的奥氏体化过程,计算结果与试验结果吻合较好。所建立模型可以利用较少参数反映实际相变过程,方便工业控制。