252 / 397
Механики XXI веку. №16 2017 г.
252
отмечается в сталях, содержащих повышенное количество хрома и ванадия. Это позволяет
при прочих равных условиях получать большую эффективную глубину диффузионного слоя.
Весьма важными являются вопросы моделирования микротвердости диффузионных
зон на основе конкретного комплекса их структурных характеристик. Можно предложить
следующую схему моделирования распределения микротвердости по глубине диффузион-
ных зон:
Этап 1 – определяется или рассчитывается (на основе диффузионных законов в кон-
кретных сталях) распределение концентрации азота по глубине диффузионного слоя при за-
данном технологическом режиме.
Этап 2 – вычисляется плотность выделившихся дисперсных частиц по глубине упроч-
ненного слоя.
Этап 3 – определяется распределение средних размеров частиц в сечениях карбонит-
ридного слоя.
Этап 4 – рассчитывается распределение прироста предела текучести по толщине диф-
фузионной зоны.
Этап 5 – определяется прирост поверхностной твердости азотированного слоя.
Этап 6 – окончательно вычисляется распределение твердости по глубине диффузион-
ной зоны для заданного технологического режима насыщения.
По этапу 2 расчетной модели количество выделившихся нитридов
ч
N
в заданном се-
чении диффузионной зоны принимается в виде линейной функции от концентрации азота:
y
y
ч
ч
N N
N N
N N
|
|
|
|
|
| |
|
max
max
(на 1 см
3
объема)
(2)
где |
N
| – текущая концентрация азота в заданной координате слоя; |
N
|
mах
– максималь-
ная растворимость азота в стали; |
N
|
у
– концентрация азота на эффективной границе азотиро-
ванного слоя. В качестве последней принимается толщина слоя
У
д.з
, в котором прирост твер-
дости слоя по сравнению с сердцевиной составляет ΔΗ≈1000 МПа
D
g
g
g
У
c
c
c
зд
)33,0
04,6
35,1
44,3(
2
3
.
,
(3)
где
g
c
– приведенная свободная энергия процесса нитридообразования;
D
– коэффи-
циент диффузии азота в
α
-фазе;
τ
– продолжительность процесса.
Для каждого легирующего элемента величина
N
ч
max
определяется по формуле:
T
ч
A
m
C N
10
0
max
,
(4)
где С
0
– концентрация легирующего элемента в твердом растворе (%, ат);
m
– молеку-
лярная масса элемента;
Т
– температура процесса;
А
и
β
- константы для каждого из леги-
рующих элементов. Расстояние между центрами дисперсных частиц нитридов рассчитыва-
ются согласно выражению:
3
max
1
ч
N
d
.
(5)
По этапу 3 расчетной модели определяется радиус выделившихся частиц, соответст-
вующий заданным технологическим режимам насыщения и химическому составу сталей:
max
3
0
3
4
ч
e
e
N rD
CC
C CD
d
dr
,
(6)
где
С
и
С
0
– исходная концентрация легирующего элемента в твердом растворе и в
нитриде соответственно;
С
е
– концентрация азота на границе "выделение – твердый раствор".
В качестве эффективного коэффициента диффузии легирующих элементов
D*
принимается
так называемое значение средневзвешенного коэффициента по атомной доле в соответствии
с химическим составом стали.