CS266157B1

CS266157B1 - Způsob stanoveni relativní rychlosti degradace mechanických vlastnosti precipitačně zpevněných oceli

Info

Publication number: CS266157B1
Application number: CS866319A
Authority: CS
Inventors: Venanc Ing Csc Walder
Original assignee: Venanc Ing Csc Walder
Priority date: 1986-09-01
Filing date: 1986-09-01
Publication date: 1989-12-13
Also published as: CS631986A1

Abstract

Řešení se týká způsobu stanovení relativní rychlosti degradace mechanických vlastností precipitačně zpevněných ocelí přímo úměrně růstu střední velikosti částic karbidické fáze v závislosti na teplotě. Podstata spočívá v tom, že se nejprve stanoví rychlost růstu střední velikosti částic karbidické fáze při libovolné teplotě z intervalu provozních teplot oceli, provede se chemická izolace karbidické fáze a stanoví její podíl v oceli, poté se difrakční analýzou určí typ karbidické fáze, stechiometrické koeficienty a karbidotvorný kov, chemickou analýzou se určí koncentrace karbidotvorného kovu v oceli, podíl karbidotvorného kovu v izolátu a jeho koncentrace v tuhém roztoku, jakož i koncentrace uhlíku v tuhém roztoku. Poté se stanoví rychlost růstu střední velikosti částic pro určitou teplotu.

Description

Vynález se týká způsobu stanovení relativní rychlosti degradace mechanických vlastností precipitačně zpevněných ocelí v závislosti na teplotě, přímo úměrné růstu střední velikosti částic karbidické fáze.

Při použití ocelí při zvýšených teplotách dochází ke ztrátě plasticity, houževnatosti a k růnlu jejich křehkosti. Nrjvýznamnějňím důvodem ke změně těchto materiálových vlastností a tím ke zhoi?u*nl užitných pa i. aino t i ů, Je růst stíední velikosti částic pi culpl Lačně zpevňující karbidické fáze, neboř tento růst je spojen se zmenšováním počtu částic, zvětšováním jejich střední vzdálenosti, a tím se snížením pevnostních vlastností. Nejprokazatelněji se zvětšení vzdálenosti částic 1 projeví na snížení precipitačního zpevnění 6^, a to ve zjednodušení podle vztahu 6 = k^/1, ^de k^ je konstanta úměrnosti. Vzájemná střední vzdálenost Částic 1 je dána množstvím částic v jednotce objemu a středním poloměrem Částic r podle zjednodušeného vztahu 1 = (2N r)^2, Jestliže se uváží, že při zhrubnutí karbidické * —3 fáze, kdy střední poloměr roste na úkor zmenšujících se malých částic, platí N_v =k₂r , kde k₂ je konstanta úměrnosti, pak vzájemným dosazením lze prokázat, že příspěvek precipitačního zpevnění, jež tvoří v případě precipitačně zpevněných ocelí významnou část meze kluzu, je nepřímo úměrný střední velikosti částice r podle vztahu 5^ = k₂ Vžkg/r. Snižování pevnostních vlastností i dalších mechanických vlastností v souvislosti s růstem střední velikosti částic precipitačně zpevňující karbidické fáze bylo již mnohokráte prokázáno. Rychlost růstu střední velikosti karbidů a tedy zprostředkovaně i relativní rychlost degradace mechanických vlastností je závislá především na typu karbidické fáze, na difuzní rychlosti a koncentraci karbidotvorného kovu precipitačně zpevňující karbidické fáze a na koncentraci uhlíku v oceli.

Dosavadní praxe při stanovování rychlosti růstu střední velikosti karbidických částic při rozdílných teplotách a tím i relativní rychlost degradace mechanických vlastností je založena na rozsáhlém opakovaném proměřování částic před a po dlouhodobém žíhání minimálně. při dvou teplotách Tg a T₂, přičemž pro zvýšení přesnosti je toto proměřování částic včetně dlouhodobého žíhání zapotřebí provést pro větší počet teplot. Rychlost růstu střední velikosti částic a tím i relativní rychlost degradace mechanických vlastností pro libovolnou teplotu Τ_χ se stanoví podle.vz rychlost růstu střední velikosti částic při livobolné teplotě Τ_χ rychlost růstu střední velikosti částic při teplotě dlouhodobého žíhání Tj teplota dlouhodobého žíhání libovolná zvolená teplota, pro níž je stanovována relativní rychlost degradace kde i je ^ři

Tg je

Τ_χ je mechanických vlastností

-3 -1

R je plynová konstanta 8,314.10 kJ mol ^Qef ^efektivní aktivační energie rychlosti růstu střední velikosti částic kde pro Q_g^ platí vztah kde Q ef ^Qef

R Tg T₂ (T₂ - T ) ²in^je efektivní aktivační energie rychlosti růstu velikosti částic

CS 266 157 Bl . -3 — 1

R ]e plynová konstanta 8,314.10 kJ mol

Tj je jedna teplota dlouhodobého žíhání 'I’₂ je druhá teplota dlouhodobého žíhání ř₂ je rychlost růstu střední velikosti částic při teplotě dlouhodobého žíhání T₂ ř| je rychlost růstu střední velikosti částic při teplotě dlouhodobého žíhání

Nevýhodou tohoto postupu je zejména nezbytnost měření velikosti částic před a po dlouhodobém žíhání pro dvě a více teplot, což je velmi pracné a časově náročné. Navíc dlouhodobé žíhání při dvou a více teplotách je náročné na elektrickou energii a obsluhu zařízení. Dosavadní způsob nerespektuje skutečnost, že rychlost růstu střední velikosti částic je významně závislá na koncentraci karbidotvorného kovu a uhlíku v oceli, neboli teplotní závislost rychlosti růstu stanovena dosavadním způsobem vyhovuje pouze pro jednu studovanou tavbu daného chemického složení a pro jiné tavby téhož typu oceli i s nepatrně změněnou koncentrací uhlíku a karbidotvorného kovu precipitačně zpevňující karbidické fáze tato teplotní závislost nevyhovuje a musí se stanovit znovu. Další nevýhodou je, že dosavadní způsob je téměř nepoužitelný pro případ, kdy při provozním využívání oceli dochází ke změně koncentrace uhlíku nebo karbidotvorného kovu v této oceli.

Uvedené nevýhody odstraňuje způsob stanovení relativní rychlosti degradace mechanických vlastností precipitačně zpevněných ocelí v závislosti na teplotě, přímo úměrné růstu střední velikosti částic karbidické fáze, podle vynálezu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že se nejprve stanoví rychlost růstu střední velikosti částic dané precipitačně zpevňující karbidické fáze, a to pouze pro jednu teplotu Tp jež se volí v intervalu provozních teplot dané oceli s respektováním charakteru karbidické reakce, která se uplatňuje při hrubnutí této fáze při provozním použití. Dále se provede chemická izolace karbidické fáze oceli a vážením stanoví její podíl v oceli. Difrakční analýzou se určí typ precipitačně zpevňující fáze, stechiometrické koeficienty^ a a karbidotvorný kov, čímž i jeho molekulová hmotnost M^. Chemickou analýzou oceli se určí celková koncentrace karbidotvorného kovu v oceli C^. Mimoto se chemickou analýzou izolátu stanoví podíl daného karbidotvorného kovu v izolátu a odečtením odpovídající koncentrace daného kovu v izolátu od celkové koncentrace tohoto kovu v oceli se stanoví jeho koncentrace v tuhém roztoku C_M· Z této hodnoty C_M se pomocí známé hodnoty součinu rozpustnosti stanoví koncentrace uhlíku v tuhém roztoku, která pak v součtu s koncentrací uhlíku v dané precipitačně zpevňující fázi vstupuje do závěrečného vztahu pro aktivační energii jako součtová koncentrace uhlíku C_c· Poté se podle vztahu střední velikosti částic při teplotě Τ_χ střední velikosti částic při libovolné teplotě dlouhodobého kde i je rychlost růstu řj je rychlost růstu žíhání Tj z intervalu provozních teplot _f je efektivní aktivační energie rychlosti růstu střední velikosti částic

Tj je teplota dlouhodobého žíhání v intervalu provozních teplot

Τ_χ je libovolná teplota z intervalu provozních teplot, pro níž je stapovována relativní rychlost degradace mechanických vlastností

-3 -1 '

R je plynová konstanta 8,314.10 kJ mol

CS 266 157 Bl určí rychlost růstu střední velikosti částic ΐ_χ pro libovolnou teplotu T , přičemž pro efektivní aktivační energii rychlosti růstu střední velikosti částic platí

kde Q _f je efektivní aktivační energie rychlosti růstu střední velikosti částic

Q_d je známá hodnota aktivační energie difúze karbidotvorného kovu dané karbidické fáze

P je známá hodnota rovnovážného součinu rozpustnosti dané karbidické fáze je známá hodnota entalpie tvorby dané karbidické fáze z tuhého roztoku hodnocené oceli •yj, je stechiometrický koeficient uhlíku dané karbidické fáze

Q ) je symbol pro binomické koeficienty

J^e stechiometrický koeficient karbidotvorného kovu dané karbidické fáze

M_c je molekulová hmotnost uhlíku

M.. je molekulová hmotnost karbidotvorného kovu dané karbidické fáze M

C„ je koncentrace karbidotvorného kovu v tuhém roztoku hodnocené oceli M

C?ie součet koncentrace kovu v tuhém roztoku a kovu v dané karbidické fázi M je součet koncentrace uhlíku v tuhém roztoku á v dané karbidické fázi i je přirozené číslo vzrůstající od 0 až po horní hranici

Pro skupinu taveb téhož typu oceli s rozdílnými koncentracemi karbidotvorného kovu precipitačně zpevňující karbidické fáze a uhlíku se stanoví jak výchozí hodnota rychlosti růstu střední velikosti částic tak difrakční analýza izolátu pouze pro jedinou tavbu z této skupiny.

K výhodám způsobu stanovení relativní rychlosti degradace mechanických vlastností precipitačně zpevněných ocelí podle vynálezu pro libovolnou teplotu patří podstatně menší pracnost při vyhodnocování velikosti částic, úspora energie, neboť postačí jediné dlouhodobé žíhání při jadiné teplotě. Další významná přednost způsobu dle vynálezu spočívá v možnosti stanovit rychlost rustu středních velikostí částic nejen pro různé teploty, ale i pro tavby sice téhož typu oceli, avšak s rozdílnými koncentracemi uhlíku a karbidotvorného kovu dané precipitačně zpevňující karbidické fáze. V takovém případě postačí pomocí chemické analýzy stanovit koncentraci uhlíku a karbidotvorného kovu precipitačně zpevňující karbidické fáze v oceli a v dané fázi. Způsob dle vynálezu s výhodou použít . i pro případy, kdy ke změně koncentrace uhlíku a karbidotvorného kovu dochází v průběhu pracovního využívání oceli, což jinými způsoby nelze provést. Ke změně koncentrace těchto prvků může dojít zejména působením okolního pracovního prostředí jako například v tekutém sodíku. Způsob i ve velmi zjednodušeném provedení poskytuje citlivě obraz o relativní rychlosti degradace mechanických vlastností ocelí při rozdílných pracovních teplotách.

Dále uvádíme konkrétně příklad provedení způsobu dle vynálezu.

CS 266 157 Bl

Ocel obsahující v hmotnostním množství 0,13 % uhlíku, 0,59 % manganu, 0,29 % křemíku, 0,017 % fosforu, 0,029 % síry, 0,65 % chrómu, 0,53 % molybdenu, 0,33 % vanadu, 0,02 % niobu a zbytek železo byla po provozním tepelném zpracování ve výchozím stavu krátkodobé žíhána 100 hodin při teplotě 650 °C. V tomto stavu vzorku oceli byly proměřeny velikosti částic vyskytující no procipitačně zpevňující karbidirké fázn, a to karbidu vanadu typu <i .ii Ickym pi ůmA t ován ím byla stanovena stíední velikost částic před dlouhodobým žíháním. Poté byl vzorek - z praktických důvodů uchování dokladu o karbidické fázi před dlouhodobým žíháním jen část vzorku, nebo jiný vzorek téže tavby, téhož chemického složení a po stejném tepelném zpracování - dlouhodobě žíhán při teplotě shodné s teplotou krátkodobého žíhání, to jest 650 °C po dobu 2 000 hodin. Obdobně jako u vzorku před dlouhodobým žíháním byly poté proměřeny velikosti částic a stanovena jejich střední velikost. Z takto získaných dvou středních velikostí částic byla určena rychlost růstu střední velikosti částic karbidické fáze dané oceli při teplotě 650 °C, a to řggg °_c “ 0,003 nm h Dále bylo rentgenografickou analýzou potvrzeno, že se jedná o karbidickou fázi čímž byly dány následující hodnoty. Stechiometrické koeficienty se rovnají = 4,^= 3, molekulové hmotnosti jsou = 51, M_c = 12, entalpie tvorby dané karbidické fáze “ 539,736 kJ mol \ Rovnovážný součin rozpustnosti pro danou karbidickou fázi činí podle literatury a experimeno -14 tálního ověření pro teplotu 650 C P = 2,62.10 a aktivační energie difúze vanadu = 259,2 kJ mol . Z chemické analýzy oceli a izolátu z této oceli ze vzorku před dlouhodobým žíháním byly získány tyto výsledky a závěry. Koncentrace vanadu v oceli je = 0,33 hmotnostních %, koncentrace vanadu v dané karbidické fázi je 0,30 hmotnostních %. Toto množství vanadu váže v karbidické fázi 0,052 9 hmotnostních % uhlíku a koncentrace vanadu v tuhém roztoku této oceli je = 0,33 - 0,30 = 0,03 hmotnostních %. Jelikož pro rovnovážný součin rozpustnosti dané fáze platí P = C_M ⁴.C_C ³, pak z toho vyplývá, že koncentrace uhlíku v tuhém roztoku této oceli v daném stavu je = 3,18.10 ³ hmotnostních %. Součet koncentrace -2 -3 uhlíku v dané karbidické fázi a v tuhém roztoku této oceli je C_r « 5,29.10 + 3,18.10 ~ = 5,6.10 hmotnostních %, ostatní uhlík je obsažen v jiných fázích a na růst dané precipitačně zpevňující fáze nemá významný vliv. Binomický koeficient pro i = 0 je roven 1, 3 3 3 ^U pro i = 1 je (p roven 3, pro i = 2 je (₂) roven 3 a pro i = 3 je (₃) roven 1. S uplatněním uvedených hodnot a vztahu (2) se určí hodnota efektivní aktivační energie střední velikosti . karbidické fáze Q _f = 324,5 kJ mol^-1. Rychlost růstu střední velikosti částice dané precipitačně zpevňující karbidické fáze při libovolné teplotě z intervalu provozních teplot této oceli T , a tím i relativní rychlost degradace mechanických vlastností se stanoví podle vztahu (1).

a) Pro případ Τ_χ = 700 °C a řg₅₀°_c = 0<003 nm h^-1, jak bylo stanoveno, ř₇₀₀o_c = = 0,026 '3 nm h’¹

b) Pro případ Τ_χ =600 °C a ř _Ř50 o_c = 0,003 nm h^-1, jak bylo stanoveno, ř ₆θθ o_c = = 0,000 3 nm h^-1 .

Rychlosti růstu střední velikosti částic pro obě teploty stanovené způsobem podle vynálezu nevykazují rozdílu proti hodnotám určeným experimentálně. Relativní rychlost degradace mechanických vlastností při teplotě 700 °C vzhledem k rychlosti degradace při teplotě 650 °C je 8,76, relativní rychlost degradace mechanických vlastností při teplotě 600 °C vzhledem k rychlosti degradace při teplotě 650 °C je 0,1.

Široké použití způsobu stanovení relativní rychlosti degradace mechanických vlastností precipitačně zpevněných ocelí podle vynálezu je v energetickém a chemickém strojírenství, při vývoji ocelí, predikci dlouhodobých vlastností, zejména pak v případech, kdy dochází ke změně koncentrace uhlíku a krabidotvorných kovů. .

Claims

P R E D M Ě T VYNÁLEZU

1. Způsob stanovení relativní rychlosti degradace mechanických vlastností precipitačně zpevněných ocelí přímo úměrné růstu střední velikosti částic karbidické fáze v závislosti im Inplol.*, vyznn ču j f < ( no lim, in no ii vím ku nl iiilovnnóho I ypit ornll nn jpivn ni snoví rychlost růstu střední velikosti částic řj dané karbidické fáze při libovolné teplotě Tj z intervalu provozních teplot této oceli, dále se provede chemická izolace karbidické fáze oceli a vážením stanoví její podíl v oceli, poté se difrakční analýzou určí typ precipitačně zpevňující karbidické fáze, stechiometrické koeficienty uhlíku a karbidotvorného kovu /_M, ^a k^arbid°tvorný kov, čímž i molekulová hmotnost tohoto kovu M_M, a chemickou analýzou oceli určí koncentrace daného karbidotvorného kovu v oceli načež se chemickou analýzou izolátu stanoví podíl daného karbidotvorného kovu v izolátu a odečtením odpovídající koncentrace daného kovu v izolátu od celkové koncentrace tohoto kovu v oceli se stanoví koncentrace daného karbidotvorného kovu v tuhém roztoku C_M, z této hodnoty se pak pomocí známé hodnoty součinu rozpustností stanoví i koncentrace uhlíku v tuhém roztoku, poté se podle vztahu kde ή_χ je rychlost růstu střední velikosti částic při teplotě Τ_χ je rychlost růstu střední velikosti částic při libovolné teplotě dlouhodobého žíhání Tj z intervalu provozních teplot

Q_ef je efektivní aktivační energie rychlosti růstu střední velikosti částic

T| je teplota dlouhodobého žíhání v intervalu provozních teplot

T je libovolná teplota z intervalu provozních teplot, pro níž je stanovována relativní rychlost degradace mechanických vlastností

-3 —1

R je plynová konstanta 8,314.10 kJ mol určí rychlost růstu střední velikosti částic r pro libovolnou teplotu T , přičemž pro efektivní aktivační energii rychlosti X X růstu střední velikosti částic platí

i m’ kde Q_ef je efektivní aktivační energie rychlosti růstu střední velikosti částic

Q_d je známá hodnota aktivační energie difúze karbidotvorného kovu dané karbidické fáze p je známá hodnota rovnovážného součinu rozpustnosti dané karbidické fáze

ΔΗ_κ je známá hodnota entalpie tvorby dané karbidické fáze z tuhého roztoku hodnocené oceli ' je stechiometrický koeficient uhlíku dané karbidické fáze (Λ) je symbol pro binomické koeficienty / je stechiometrický koeficient karbidotvorného kovu dané karbidické fáze

M_c je molekulová hmotnost uhlíku

CS 266 157 Bl

M.. je molekulová hmotnost karbidotvorného kovu dané karbidické fáze M ^J

C„ je koncentrace karbidotvorného kovu v tuhém roztoku hodnocené oceli

M 'í', je součet koncentrace kovu v tuhém roztoku a kovu v dané karbidické fázi M je součet koncentrace uhlíku v tuhém roztoku a v, dané karbidické fázi i je přirozené číslo vzrůstající od 0 až po horní hranici
2 . Způsob stanovení relativní rychlosti degradace mechanických vlastností podle bodu 1 vyznačený tím, že pro skupinu taveb téhož typu oceli s rozdílnými koncentracemi karbidotvorného kovu precipitačně zpevňující karbidické fáze a uhlíku se stanoví výchozí hodnota rychlosti růstu střední velikosti částic a provede difrakční analýza izolátu pouze pro jedinou tavbu z této skupiny.