атомов углерода как горофильного элемента, хотя при этом следует иметь в виду, что при температуре нагрева выше 500 °С эффект сегрегации значительно уменьшается.

Кроме поверхностей раздела фаз существенную роль играют области структур с повышенным уровнем свободной энергии — скопления дислокаций, участки локального искажения кристаллической решетки в результате внедрения атомов.

С повышением температуры превращения при высоких скоростях нагрева (при перенагреве) свободная энергия системы возрастает настолько, что число центров зарождения у~фазы увеличивается за счет их образования в областях структуры с меньшей плотностью дислокаций. Свободная энергия, существующая вокруг этих зон, исчезая при превращении, передается зародышу новой фазы, понижая энергию его образования. Отмеченное подтверждается тем обстоятельством, что при быстром нагреве стали аустенит образуется в первую очередь вокруг деформированных участков а-фазы, термодинамический потенциал которых выше, чем у недеформированной сс-фазы, из-за наличия большого количества дефектов кристаллического строения и низкой устойчивости с термодинамической точки зрения. В то же время при медленном нагреве (со скоростью до 1 °С/мин) в результате исчезновения искажений решетки в образцах с различной исходной структурой образуется примерно одинаковое количество аустенита, так как при этом участками зарождения у-фазы становятся поверхности раздела фаз.

Легирующие элементы резко снижают интенсивность образования -у-фазы и существенно повышают энергию активации диффузии углерода в аустените. Граница раздела а- и у-фгз движется со скоростью, пропорциональной изменению свободной энергии системы. Легирующие элементы уменьшают скорость роста зерна аустенита. Полагают, что скорость у а-превращения определяется скоростью зарождения новой фазы, а рост устойчивых зародышей — скоростью диффузии углерода. По данным работы [41], скорость движения границы аустенитного зерна при 740 °С в стали с 0,56 % С составляет 0,1 мкм/с.

Для аналитической оценки кинетических параметров процессов полиморфных превращений в сталях можно воспользоваться известным. уравнением А. Н. Колмогорова

1 — ехр

— J G (%) ф (т) á% о

где V (т) — объемная доля новой фазы в момент времени в; У0 — исходная объемная доля фазы; в (т) — скорость роста центров кристаллизации; р (т) — объем, занятый центром новой фазы в момент времени в.

Решение уравнения (5.1) , полученное М. Аврами, записывается в следующем виде [33]:

е = 1 — ехр (—kz)n,(5.2)

где е = V (t)/V„ — относительная объемная доля новой фазы; К — кинетический параметр (константа скорости реакции), зависящий от G и скорости образования новой фазы; %■ — длительность превращения; п — показатель степени.

По величине показателя п судят о преимущественном типе и механизме зарождения.

Константа скорости реакции

k = k0 ехр (—nQIRT),(5.3)

где k0 и Q — эффективная частота и кажущаяся энергия активации процесса соответственно; jR — универсальная газовая постоянная.

Значения кинетических параметров процесса структурообра-зования определяют двойным логарифмированием уравнения (5.2) с учетом выражения (5.3)i

ln [- ln (1 - V (t)/V0)1 = л ln k0 -jgr + n ln %.(5.4)

Зависимости ln [—ln (1 — V (t)/V0)1 от l/T представляют собой прямые линии с углом наклона, равным п.

Зависимость ln [—ln (1 — V (r)/Ve)] от \IRT при фиксированном т. используется для определения параметров Q и k0.

Расчетные значения параметров, характеризующих механизм и кинетику образования аустенита при нагреве стали 20, приведены в работе [22].

Для закаленного состояния, характеризующегося структурой е повышенной плотностью дислокаций, скорость зарождения центров кристаллизации оказалась в десятки раз больше данной скорости для отожженного состояния, а скорость роста примерно в 3 раза меньшей. Значения Q, равные 132,3 и 130,6 кДж/моль соответственно для закаленной и отожженной сталей, снижаются до 105,4 кДж/моль для предварительно деформированной стали 20.

Опубликованные в литературе данные о механизме и кинетике образования аустенита относятся главным образом к условиям термообработки, когда максимальная температура нагрева не превышает 950 °С, а скорости нагрева находятся в интервале 0,052 (нагрев стали толщиной 200 мм) — 0,4 °С/с (нагрев стали толщиной 40 мм). Скорости нагрева при сварке сталей указанных толщин составляют 7,5 (двухпроходная ЭШС с РТЦ стали толщиной 200 мм) и 30°С/с (ЭШС с ГПМ стали толщиной 40 мм). При дуговой сварке под флюсом интенсивность нагрева металла в ЗТВ сварных соединений достигает сотен градусов в секунду. В связи с этим необходимо проводить соответствующие исследования с целью определения кинетических параметров в условиях быстро изменяющихся температур, характерных для соответствую-