АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЙ

В твердом состоянии атомы металлов и сплавов образуют правильную пространственную кристаллическую решетку. Наибольшее распростране­ние имеют кубическая объемно центрированная, кубическая гранецентри-рованная и гексагональная решетки (рисунок 18.1).

Пространственные кристаллические решетки образуются при переходе металла из жидкого состояния в твердое, т. е. кристаллизации. Каждый ме­талл кристаллизуется при строго индивидуальной температуре.

Некоторые металлы в затвердевшем состоянии при разной температуре обладают способностью изменять кристаллическую структуру. Это явление называется аллотропическим превращением. Оно сопровождается выделе­нием или поглощением теплоты. Железо имеет четыре аллотропические формы: α-Fe, β-Fe, γ-Fe, δ-Fe. Практическое значение имеют α-Fe и β -Fe Отличие δ -Fe и β -Fe от α -Fe состоит в величине межатомного расстояния и в β -Fe отсутствуют магнитные свойства.

в))а а))а б))а

Кривая охлаждения чистого железа (рисунок 18.2) показывает, что при температуре 1539 °С железо переходит из жидкого состояния в твердое, кристаллизуясь в виде δ-Fe с решеткой объемно центрированного куба. Дальнейшие кристаллические превращения будут происходить в твердом состоянии. При температуре 1401 °С происходит превращение железа в -Fe с кубической гранецентрированной решеткой, которая при 898 °С перехо­дит в α-Fe с кубической объемно центрированной решеткой. Далее при температуре 768 °С α-Fe приобретает магнитные свойства.

При совместной кристаллиза­ции нескольких элементов обра­зуются сплавы в виде механиче­ских смесей, твердых растворов, химических соединений.

Механические смеси получа­ются при раздельной кристаллиза­ции составляющих. Каждый ком­понент сохраняет свои свойства. Свойство сплава будет средним между элементами, входящими в его состав.

Твердые растворы бывают рас­творами замещения и внедрения. В твердом растворе замещения атомы одного компонента частич­но замещаются атомами другого в узлах его кристаллической решетки. Они образуются при совместной кристаллизации металлов. В твердом растворе внедрения атомы одного из компонентов размещаются в междоузлиях (пус­тотах) кристаллической решетки другого. Они образуются при совместной кристаллизации металла и неметалла.

Химические соединения образуются при химическом взаимодействии компонентов. Например, в сплавах железа с углеродом получается карбид железа (цементит) 3Fe + С = Fe₃C.

Зависимость между строением сплава, его составом и температурой описывается диаграммами состояния. Они строятся экспериментально по критическим точкам на кривых охлаждения сплавов. По диаграммам можно определить механические, физические и химические свойства сплавов, что позволяет назначать режимы термической обработки, сварки, обработки давлением.

Имеются основные типы диаграмм состояний (рисунки 18.3–18.5). Диа­граммы состояний I типа относятся к сплавам, когда их компоненты А и В неограниченно растворяются друг в друге в жидком состоянии и не раство­ряются в твердом.

Такой является диаграмма состояний сплава свинец-сурьма (см. рисунок 18.3).

Рисунок 18.3 – Кривые охлаждения и диаграмма состояния сплавов свинца и сурьмы

На кривых охлаждения чистых металлов имеется по одной критической точке, соответствующей переходу металлов из жидкого состояния в твер-

дое. Для свинца – 327 °С (точка А) и для сурьмы – 631 °С (точка В). Ниже этих точек свинец и сурьма находятся в твердом состоянии. На кривых ох­лаждения сплавов Pb–Sb имеется две критические точки – начала и конца их затвердевания (точка С – конец затвердевания свинца и сурьмы). Чистые металлы состоят из однородных зерен. Кривые охлаждения сплавов отличаются от кривых затвердевания чистых металлов. Вначале из расплавлен­ной массы выделяется один из компонентов, а затем, после достижения определенной концентрации, происходит окончательное затвердевание ме­талла.

Затвердевание сплавов Pb-Sb при количестве Sb менее 13 % начинается при температурах, соответствующих верхним критическим точкам с выпа­дением кристаллов свинца. С понижением температуры их содержание уве­личивается, а оставшийся расплав обогащается сурьмой. При 245 °С (ниж­ние критические точки) содержание сурьмы достигает 13 % и при после­дующем охлаждении происходит одновременная кристаллизация свинца и сурьмы. Образуется эвтектика – механическая равномерно распределенная смесь кристаллов свинца и сурьмы. Если сурьмы содержится больше 13 %, затвердевание сплавов начинается с образования кристаллов сурьмы, при достижении ее концентрации 13 % затвердевание происходит с образовани­ем эвтектик.

При построении диаграммы состояний сплавов верхние и нижние кри­тические точки переносят на координатные оси температура – состав спла­ва. Линия АСВ, соединяющая критические точки начала затвердевания, называется ликвидусом. Линия DCE, соединяющая точки конца затвердева­ния, называется солидусом. В точке С линии ликвидуса и солидуса пересе­кутся. Сплав, отвечающий этой точке, будет самым легкоплавким из всех возможных сплавов РЬ и Sb. Он называется эвтектическим.

По диаграмме состояний II типа (см. рисунок 18.4) затвердевают сплавы с неограниченной растворимостью как в жидком, так и в твердом состоянии.

По диаграмме состояний III типа (см. рисунок18.5) затвердевают сплавы с неограниченной растворимостью в жидком виде и ограниченной – в твер­дом. Они не образуют химических соединений.

На рисунке 18.6 приведена диаграмма состояний сплавов железо-цементит.

Углерода в цементите – 6,67 %. При большем его количестве сплавы приобретают повышенную хрупкость и практического применения не имеют.

По диаграмме судят о структуре медленноохлажденных сплавов и их эксплуатационных свойствах. Изменяя режимы нагрева и охлаждения, по­лучают различные структуры железоуглеродистых сплавов, отличающихся по механическим свойствам.

Феррит – твердый раствор углерода в α-Fe. Он содержит при 723 °С примерно 0,02 % и при 20 °С примерно 0,006 % углерода. Пластичен; твер­дость 60–80 НВ; по свойствам близок к чистому железу.

Цементит (карбид железа Fe₃C) – химическое соединение с содержани­ем углерода 6,67 %. Температура его плавления 1600 °С, твердость около 800 НВ. Очень хрупок, при нагреве распадается.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-Fe. При 1147 °С может содержать углерода до 2,14 %, при 727 °С – 0,8 %. Твердость 170–200 НВ.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, содержащая 0,83 % углерода. Она образовалась в результате распада аустенита при 723 °С.

Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита с содержанием углерода 4,3 %. Образовалась при 1130 °С. При охлаждении аустенит, вхо­дящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит. Имеет высокую твердость 700 НВ, хрупкий.

Графит – разновидность углерода. Мягкий, хрупкий. Встречается в се­рых и ковких чугунах.

Железоуглеродистые сплавы со строением, приведенным на диаграмме, подразделяются на стали и белые чугуны. Стали содержат углерода до 2,14 %, чугуны – более 2,14 %.

При содержании углерода до 0,83 % стали называются доэвтектоидны-ми, при – 0,83 % – эвтектоидными, при 0,83–2,14 % – заэвтектоидными. Чу­гуны при содержании углерода от 2,14 до 4,3 % называются доэвтектиче-скими, при 4,3–6,7 % – заэвтектическими.

Стали затвердевают при температурах, ограниченных линиями ликви­дуса АС и солидуса АЕ. Из жидкого сплава кристаллизуется аустенит.

Чугун с содержанием углерода 4,3 % затвердевает при температуре не­много ниже 1147 °С. При этом образуется эвтектика, состоящая из макси­мально насыщенного углеродом аустенита (2,14 %) и цементита и называемая ледебуритом.

Затвердевание заэвтектических чугунов с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % начинается по линии ликвидуса CD. Вначале из жидкого сплава выделяются тонкие пластинчатые кристаллы первичного цементита. При этом, с понижением температуры по линии ликвидуса CD, в жидкости уменьшается количество углерода. При 1147 °С концентрация углерода становится 4,3 % и сплав затвердевает с образованием ледебурита.

Дальше линии солидуса AECF превращения происходят в твердом со­стоянии из-за полиморфизма железа и разной растворимости углерода в нем при понижении температуры.

При 910 °С γ-модификация железа должна переходить в α-модифи-кацию. В кристаллической решетке γ-Fe содержится углерод, поэтому при медленном охлаждении при 727 °С в сплаве еще остается аустенит с содер­жанием углерода 0,83 %. При дальнейшем понижении температуры при распаде аустенита образуются феррит и цементит.

Линия GS на диаграмме состояний сплавов представляет собой критиче­ские точки начала образования феррита. При большем содержании углерода перекристаллизация γ-Fe в α-Fe происходит при более низкой температуре. При температуре ниже 727 °С аустенит распадается с образованием перли­та. Линия РК называется линией перлитовых превращений. Ниже этой ли­нии доэвтектоидные стали состоят из феррита и перлита.

При охлаждении заэвтектоидных сталей по линии ES из твердого рас­твора (аустенита) выделяется цементит. Его называют вторичным аустени-том в отличие от первичного аустенита, образующегося из жидкого раство­ра при содержании в сплаве более 4,3 % углерода. На линии перлитовых превращений в аустените содержится 0,8 % углерода, который при после­дующем охлаждении распадается с образованием перлита.

По линии GPQ происходит изменение растворимости углерода в α-Fe при снижении температуры. Из феррита выделяется углерод, химически взаимодействующий с железом, который называется третичным. Раствори­мость его при 0 °С – 0,006 %.

Вышеприведенная диаграмма сплавов Fe–Fe₃C получена при их медлен­ном охлаждении. При быстром же охлаждении феррит или цементит не ус­певают полностью выделиться из аустенита к моменту образования перли­та. Аустенит распадается частично, а при особых условиях вообще не рас­падается, в остывшей стали можно получить структуру аустенита.

Структурами распада аустенита являются мартенсит, троостит и сорбит.

Мартенсит представляет собой твердый раствор углерода в α-Fe с ис­каженной решеткой. Образуется при очень быстром охлаждении. Имеет игольчатую структуру, твердость 600–700 НВ. Мартенситовая структура характерна для закаленных сталей.

Троостит – дисперсная смесь частиц цементита и феррита и представля­ет следующую стадию распада аустенита. Встречается в виде неправильных участков игольчатого строения и сопровождается образованием мартенсита и сорбита. Образуется путем умеренной закалки стали на мартенсит. Твер­дость 350–500 НВ.

Сорбит представляет собой переходную структуру между трооститом и перлитом. Она получается более ускоренным, по сравнению с перлитом, охлаждением стали или отпуском закаленной стали при 500–600 °С. Его твердость 250–350 НВ.

Дата добавления: 2014-09-29; просмотров: 900; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!