30 Исследование кинетики распада стали Х25 методом

Исследование кинетики распада стали Х25 методом адиабатической
сканирующей калориметрии
к.ф.м.н., доц. Левин В.П.
МГТУ «МАМИ»
Для установления природы механизма, контролирующего распад пересыщенного
твердого раствора необходимо знать соответствующие значения активационных
параметров, контролирующих распад, а также число кинетических элементов,
участвующих в распаде твердого раствора. С помощью сканирующего адиабатического
калориметра SH-3000 измеряли теплоемкость Ср закаленной стали Х25, после
термообработки: выдержка при 1124 К в течении 24 часов и закалки в воду. На рис. 1
приведена температурная зависимости теплоемкости, на которой наблюдается два
максимума теплоемкости – при 673 и 900 К. Минимум теплоемкости обусловлен
распадом твердого раствора: расслоением и образованием зон обогащенных и обедненных
по Cr, выделением из твердого раствора (АВ) и, вероятно, растворением этих зон (ВС) с
последующим образованием σ-фазы (CD) . Процесс выделения АВ характеризуется
теплом q, а ВС – теплом Q. Предполагая, что в узком температурном интервале выделение
тепла происходит с постоянной скоростью, то количество выделившегося тепла при
распаде твердого раствора массы m равно:∆q=Q-q=(C1–C2)m∆Т,(1) где С1,С2–удельная
теплоемкость, соответствующая началу и концу процесса выделения. Скорость
тепловыделения определится выражением dT/dt = (C1–C2)mdТ/dt (2). Степень
превращения α при распаде твердого раствора представим в виде dα/dt=K(T)f(α)n (3) где
K(T) – константа скорости, f(α)- величина зависит только от степени превращения, nпорядок реакции, принимающий как целое, так и дробное значение, α – степень
превращения, которая может изменяться от 0 до 1. Константа скорости реакции зависит от
температуры. Предполагая, что константа скорости подчиняется уравнением Аррениусом,
имеем К(Т) =К0exp(-U/RT) (4), где К0 – константа скорости реакции распада при
бесконечно большой температуре, U-энергия активации, R-универсальная постоянная, Tтемпература. Форма функции f(α) зависит от характера твердой фазы и механизма
реакции. При выборе f(α)- предполагается, что распад твердого раствора протекает в три
стадии: инкубационный период; период при котором центры реакции расширяются
настолько, что существенно увеличивается поверхность раздела между продуктом
реакции и исходным веществом; период распада, когда межфазовая поверхность
начинается уменьшаться и распадаться. В этом случае, как правило, f(α) выбирается в
виде f(α)=(1-α) (5). Для исследования кинетики распада сталей примем, что f(α)
определяется выражением f(α)=(Q-q) (6). Тогда выражение для степени превращения
примет вид dα/dt=K0exp(-U/RT)(Q-q)n (7). Термическое разложение твердых тел
описывается первым порядком n =1. Заменяя степень превращения dα/dt на величину
скорости тепловыделения, получим
dα/dt=dq/dt=(C1-C2)mdT/dt=K0exp(-U/RT)(Q-q) (8). Удельная теплоемкость,
измеряемая калориметром определяется выражением C=P∆τ/m∆T (9), где Р-мощность
внутреннего нагревателя калориметра, ∆τ-время, необходимо для нагрева на ∆T градусов.
Из (9) получим dT/dt=P/Cm (10). Подставим (10) в (8), получим [(C1-C2)/C2][P/(Q-q)]=
K0exp(-U/RT) (11). Логарифмируя (11), получим
ln[(C1-C2)/C2]+ln[P/(Q-q)]= lnK0 – U/RT (12). Построив график зависимости
ln[(C1-C2)/C2]+ln[P/(Q-q)]= f(1/T) (13), определим энергию активации как угловой
коэффициент, а по отрезку на оси ординат – значение К0. Так, для стали Х25 было
получено значение энергии активации ≈ 340 кДж/моль. Это значение близко к энергии
активации замещающего элемента в α-Fe, равное 200-300 кДж/моль [1].
30
Рисунок 1 - Температурная зависимость теплоемкости стали Х25.
Литература
1.К.Дж. Смитлз. Металлы. Справочник. М. Металлургия, 1980, 447 с.
31