Как влияет степень переохлаждения на структуру металла при кристаллизации

Обновлено: 04.10.2024

приходящуюся на единицу объема V кристалла. Размерность плотности дислокаций см/см 3 или см -2 . В исходном состоянии плотность дислокаций в металлах около 10 6 - 10 3 . После пластической деформации плотность дислокаций значительно возрастает и может составлять 10 11 - 10 12 , что соответствует примерно 1 млн. километров дислокаций в 1 см 3 !

Плотность дислокаций определяется экспериментально по специальным методикам и при очень большом увеличении. Подсчитывается число выходов дислокаций на единицу площади поверхности металла.

Использование теории дислокаций позволило объяснить многие вопросы, связанные с изменением прочности металлов и сплавов.

ЛЕКЦИЯ 2

ПРОЦЕССЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Рассмотрим термодинамические условия кристаллизации. Энергетическое состояние любой системы характеризуется определенным запасом внутренней энергии. Свободной энергией является такая составляющая внутренней энергии, которая в изотермических условиях может быть превращена в работу. Величина свободной энергии изменяется при изменении температуры:

F = U - TS, где

F — свободная энергия, U — полная внутренняя энергия системы, Т — температура, S — энтропия.

Согласно второму закону термодинамики всякая система стремится к минимальному значению свободной энергии. Любой самопроизвольный процесс идет только в том случае, если новое состояние более устойчиво, т.е. обладает меньшим запасом свободной энергии. Процесс кристаллизации подчиняется этому же закону. Металл затвердевает, если меньшей свободной энергией обладает твердое состояние, и плавится в том случае, когда меньшей свободной энергией обладает жидкое состояние.

Изменение свободной энергии жидкого и твердого состояния при изменении температуры показано на рис.2.1. С повышением температуры величина свободной энергии обоих состояний уменьшается, но закон изменения свободной энергии различен для жидкого и твердого состояний вещества.


Рис. 2.1. Влияние температуры на изменение свободной энергии

жидкого и твердого состояния.

Различают теоретическую и реальную температуру кристаллизации. Tт — теоретическая, или равновесная температура кристаллизации, при которой Fж = Fmв. При этой температуре равновероятно существование металла как в жидком, так и в твердом состояниях. Реальная же кристаллизация начнется только тогда, когда этот процесс будет термодинамически выгоден системе

для чего необходимо некоторое переохлаждение. Температура, при которой практически идет кристаллизация, называется реальной температурой кристаллизации Тр. Разность между теоретической и реальной температурами кристаллизации называется

степенью переохлаждения: ΔT=Tт ‑ Тр.

Чем больше степень переохлаждения ΔT, тем больше разность свободных энергий ΔF, тем интенсивнее будет идти кристаллизация.

Последовательность формирования кристаллов в процессе кристаллизации одинакова для всех металлических материалов независимо от их состава и включает в себя следующие стадии:

1 стадия кристаллизации — зарождение центров (зародышей) кристаллизации (рис.2.2, а). Вокруг образовавшихся центров начинают расти кристаллы. Одновременно в жидкой фазе образуются новые центры кристаллизации.


Рис.2.2. Последовательные стадии кристаллизации.

2 стадия кристаллизации — образование главной оси -- оси первого

порядка (рис.2.2, б). Главная ось кристаллизации определяет направление будущего кристалла. Увеличение общей массы затвердевшего металла происходит как за счет возникновения новых центров кристаллизации, так и за счет роста уже существующих.

3 стадия кристаллизации – образование осей кристаллизации 2 и 3 порядка, перпендикулярных к главной оси (рис. 2.2., а, б и рис. 2.3). Такая структура формирует основу будущего кристалла. Ее называют дендритной структурой (древовидный, древообразный).

4 завершающая стадия кристаллизации – кристаллизация межосного пространства (рис.2.2, г и рис. 2.4).


Рис. 2.3. Схема дендритной структуры

(1, 2, 3 – оси кристаллизации 1, 2, 3 порядка).

На первых стадиях кристаллизации образовавшиеся кристаллы (зерна) растут свободно и имеют почти правильную форму. Затем при соприкосновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается. Дальнейший рост кристаллов продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ оставшегося жидкого металла. В результате на завершающей стадии процесса кристаллизации строение кристаллов (зерен) получает неправильную форму (рис.2.2, г и рис.2.4).


Рис. 2.4. Схема кристаллизации металла.

Таким образом, в результате кристаллизации в металлических материалах образуется зернистая структура (рис.2.3, г и рис.2.4).

Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зернометалла.

В свою очередь на образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения и степень переохлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем мельче зерно.

Реальный процесс получения металла в больших объемах (называются слитки) показан на рис.2.5.


Рис. 2.5. Строение слитка.

Рассмотрим строение слитка в твердом состоянии. Слитки получают охлаждением в металлических формах (изложницах). Кристаллизация начинается у поверхности изложницы, где самый большой отвод тепла и самая высокая степень переохлаждения. Здесь образуются самые мелкие кристаллы. Это I зона кристаллизации -- мелкозернистая корка(рис.2.5, 1).

II зона кристаллизации — зона столбчатых кристаллов (рис.2.5, 2) связана с направленным отводом тепла — перпендикулярно к стенкам изложницы. При этом скорость охлаждения уменьшается и образуются более крупные зерна.

III зона кристаллизации -- зона равноосных кристаллов. Их главные оси не имеют одинаковой направленности и эти зерна являются самыми крупными по объему слитка, так как в центре слитка самая низкая скорость охлаждения.

Таким образом, металл после завершения кристаллизации (его называют литой металл), независимо от объема металла, имеет неоднородную структуру. Такую неоднородность металла называют зональной.

Контрольная работа 1 Вариант 13

Как влияет степень переохлаждения на величину зерна при кристаллизации?
Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Тп. Разность между температурами Тп и Тк, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени
переохлаждения:
ΔТ=Тп-Тк.
Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью v, показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 – Кривые охлаждения металла при кристаллизации (v1 При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре близкой к равновесной Тп. На термической кривой при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка в падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при охлаждении.
С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые υ2, υ3) и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации.
Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость роста их, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.
При небольшой скорости переохлаждения ΔТ (малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.
Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.

Какие процессы протекают при нагреве деформированного металла выше температуры рекристаллизации? Как изменяются при этом структура и свойства?
Рекристаллизация является диффузионным процес­сом и протекает неравномерно, одни зерна зарождаются и растут раньше, другие позднее. После рекристаллиза­ции металл состоит из новых равноосных зерен. Более высокий нагрев приводит к развитию собирательной ре­кристаллизации, т. е. к росту одних рекристаллизованных зерен за счет других, более мелких. Чем выше тем­пература нагрева, тем интенсивнее идет собирательная рекристаллизация, так как с повышением температуры диффузионные процессы протекают быстрее и создаются условия для образования крупнозернистого металла. Собирательная рекристаллизация также протекает не­равномерно и практически начинается значительно рань­ше, чем закончится рекристаллизация обработки.


Рисунок 1 – Схема влияния на величину рекристаллизованного зерна температуры (а) и продолжительности нагрева (б)
Размер рекристаллизованного зерна оказывает боль­шое влияние на свойства металла. Наилучшее сочетание прочности и пластичности наблюдается в мелкозерни­стых сталях. На величину рекристаллизованного зерна оказывает влияние температура рекристаллизационного отжига (рисунок 1, а), продолжительность процесса (рисунок 1, б), степень предварительной деформации и химический состав металла. Чем выше темпера­тура отжига и длительнее процесс, тем больше размер рекристаллизованного зерна.

Рисунок 2– Схема влияния температуры на механические свойства и структуру деформированного металла
При нагреве по достижении температуры начала рекристаллизации (tнр) предел прочности и особенно предел текучести резко снижаются, а пластичность увеличивается. В процессе собирательной рекристаллизации механические свойства практически не изменяются. Более высокий нагрев сопровождается дальнейшим ростом зерна и уменьшением пластичности вследствие перегрева.


Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,6% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?
Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).
При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидко­го раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллиза­ции сплавов с содержанием углерода до 0,1% заканчи­вается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раст­вора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.
При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67% углерода, при темпера­турах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристал­лизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.
Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических — аустенит + ледебурит, эвтектических — ледебурит и заэвтектических — цементит (первичный)+ледебурит.
Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.
Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.
Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.
В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].
Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.
Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.
Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит + перлит и заэвтектоидные – перлит + цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.
В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит + цементит).
Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.
Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:
C = K + 1 – Ф,
где С – число степеней свободы системы;
К – число компонентов, образующих систему;
1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);
Ф – число фаз, находящихся в равновесии.
Сплав железа с углеродом, содержащий 0,6% С, называется доэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – Феррит + Перлит.

а) б)
Рисунок 3: а-диаграмма железо-цементит, б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,6% углерода

Что такое нормализация? Используя диаграмму состояния железо-цементит, укажите температуру нормализации стали 45 и стали У12. Опишите превращения, происходящие в сталях при выбранном режиме обработки, получаемую структуру и свойства.
Нормализацией называется нагрев доэвтектоидной стали до температуры выше Ас3, а заэвтектоидной – выше Аcm на 40-50°С с последующим охлаждением на воздухе. При нормализации происходит перекристаллизация стали, устраняющая крупнозернистую структуру, полученную при литье или ковке. В результате охлаждения на воздухе распад аустенита на ферритно-цементитную смесь происходит при более низких температурах, а, следовательно, повышается дисперсность смеси.
Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали.
Для среднеуглеродистой стали 45 нормализацию применяют вместо закалки и высокого отпуска (улучшения). Механические свойства при этом понижаются, но уменьшается деформация изделий по сравнению с получаемой при закалке. Критическая точка Ас3 стали 45 равна 770ºС. Поэтому температура нагрева в соответствии с определением нормализации составляет 810-820ºС. При этой температуре имеем структуру аустенита (100%). При снижении температуры до Аr3 начинают появляться первые зерна феррита. При дальнейшем снижении температуры до Аr1 из аустенита будут образовываться только зерна феррита, а содержание углерода в остающемся аустените будет увеличиваться и при температуре Аr1 достигнет 0,8%. При снижении температуры ниже Аr1 из аустенита будет образовываться перлит.
Сталь 45 после нормализации имеет структуру перлита и феррита. Механические свойства стали 45 после нормализации: σВ = 610 МПа; σТ = 360 МПа; δ = 16%; ψ = 40%; KCU = 0,5 МДж/м2.
В заэвтектоидной стали У12 нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. Критическая точка Асm стали У12 равна 820ºС. Поэтому температура нагрева в соответствии с определением нормализации составляет 850-860ºС. При этой температуре имеем структуру аустенита (100%). При снижении температуры до Аrm начинают появляться первые зерна цементита. При дальнейшем снижении температуры до Аr1 из аустенита будут образовываться только зерна цементита, а содержание углерода в остающемся аустените будет уменьшаться и при температуре Аr1 достигнет 0,8%. Ускоренное охлаждение на воздухе способствует тому, что цементит не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали. При снижении температуры ниже Аr1 из аустенита будет образовываться перлит.
Сталь У12 после нормализации имеет структуру перлита и цементита. Твердость HB стали У12 после нормализации 2690-3410 МПа


Режущий инструмент требуется обработать на максимальную твердость. Для его изготовления выбрана сталь У13А. Назначьте режим термической обработки, опишите структуру и свойства стали.
Термической обработкой, обеспечивающей получение максимальной твердости инструментальной стали У13А, является закалка с последующим низким отпуском.

Сталь У13А в исходном (отожженном) состоянии имеет структуру зернистого перлита, низкую твердость (HB 170-180) и хорошо обрабатывается резанием. Отжиг проводится при температуре 760-780ºС.
Температура закалки инструментальной стали У13А равна 760-780ºС, т.е. несколько выше Ас1, но ниже Асm для того, чтобы в результате закалки сталь получала мартенситную структуру и сохраняла мелкое зерно и нерастворенные частицы вторичного цементита. Закалку проводят в водных растворах солей. Структура стали У13А после закалки мартенсит + цементит.
После закалки для снятия напряжений и стабилизации структуры и размеров изделия подвергают низкому отпуску. Температура нагрева составляет 160-180ºС. Средой нагрева могут служить мало, расплав селитры, щелочи. Структура стали У13А после отпуска отпущенный мартенсит + цементит.
В результате сталь имеет твердость 61-63 HRC.
Углеродистую сталь У13А можно использовать в качестве режущего инструмента только для резания материалов с малой скоростью, так их высокая твердость сильно снижается при нагреве выше 190-200ºС.

Контрольная работа 1 Вариант 29


Как влияет скорость охлаждения на строение кристаллизующегося металла? Объясните сущность воздействия.
С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации.
Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов зависят от степени переохлаждения. Как видно из рисунка, число зародышей скорость роста их при равновесной температуре кристаллизации Тs равны нулю. При увеличении степени переохлаждения они возрастают и достигают максимума. При больших степенях переохлаждения число центров кристаллизации и скорость роста равны нулю, так как при низких температурах диффузионная подвижность атомов мала, а тем самым уменьшена способность системы к превращению.
Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость их роста, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.
Влияние степени переохлаждения на число зародышей (1) и скорость их роста (2)

Рисунок 1 – Влияние степени переохлаждения на число зародышей (1) и скорость их роста (2)
При небольшой степени охлаждения ΔТ (малой скорости переохлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.

Какая термическая обработка применяется после холодной пластической деформации для устранения наклепа? Обоснуйте выбор режима (на примере алюминия)
Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.
Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности как первоначальную операцию перед холодной обработкой давлением (для придания материалу наибольшей пластичности), как промежуточный процесс между операциями холодного деформирования (для снятия наклепа) и как окончательную (выходную) термическую обработку (для придания полуфабрикату или изделию необходимых свойств).
Нагрев деформированного металла ведет к повышению подвижности атомов, и среди вытянутых зерен идет интенсивное зарождение и рост новых равновесных свободных от напряжений зерен. Новые зерна растут за счет старых, вытянутых, до их столкновения друг с другом и до полного исчезновения вытянутых зерен. При нагреве по достижении температуры начала рекристаллизации предел прочности и особенно текучести резко снижаются, а пластичность увеличивается. Для устранения наклепа необходим отжиг. Основные цели отжига: перекристаллизация стали (измельчение зерна), снятие внутренних напряжений, снижение твердости и улучшение обрабатываемости.
Наименьшую температуру начала рекристаллизации, при которой протекает рекристаллизация и происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации. Эта температура не является постоянной физической величиной. Для данного металла (сплава) она зависит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, величины зерна до деформации и т. д.
Температура начала рекристаллизации металлов, подвергнутых значительной деформации, для технически чистых металлов составляет примерно 0,4 Тпл (правило А.А. Бочвара), для чистых металлов снижается до (0,1. 0,2)Тпл, а для сплавов твердых растворов возрастает до (0,5. 0,6)Тпл.
Температура начала рекристаллизации алюминия:
Тп.р.=(660+273)0,4-273=100°С.


Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,5% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?
Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).
При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидко­го раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллиза­ции сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчи­вается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раст­вора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.
При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при темпера­турах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристал­лизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.
Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит + ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный) + ледебурит.
Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.
Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.
Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.
В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].
Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.
Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит + цементит третичный и называются техническим железом.
Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит + перлит и заэвтектоидные – перлит + цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.
В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит + цементит).
Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.
Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:
C = K + 1 – Ф,
где С – число степеней свободы системы;
К – число компонентов, образующих систему;
1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);
Ф – число фаз, находящихся в равновесии.
Сплав железа с углеродом, содержащий 1,5% С, называется заэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – перлит + цементит.

Рисунок 2: а – диаграмма железо-цементит, б – кривая охлаждения для сплава, содержащего 1,5% углерода

С помощью диаграммы состояния железо-карбид железа определите температуру нормализации, отжига и закалки стали 45. Охарактеризуйте эти режимы термической обработки и опишите структуру и свойства после каждого вида обработки.
Отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30-50°С выше температуры, соответствующей точке Ас3 (для стали 45 Ас3 = 790°С), выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении.
При медленном охлаждении стали приближаются к фазовому и структурному равновесию. Структура после отжига – феррит + перлит. После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность.
Основные цели отжига: перекристаллизация стали (измельчение зерна), снятие внутренних напряжений, снижение твердости и улучшение обрабатываемости.
Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас3 на 40-50 °С, в непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, прокатке, ковке или штамповке. Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска.
Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-цементитной структуры и увеличивает количество перлита или, точнее, сорбита или троостита. Это повышает прочность и твердость нормализованной средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной.
Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.
Температура точки Ас3 для стали 45 составляет 755°С.
Доэвтектоидные стали для полной закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура нагрева стали под полную закалку, таким образом, составляет 800-840°С. Структура стали 45 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.

В чем преимущества и недостатки поверхностного упрочнения стальных изделий при нагреве токами высокой частоты по сравнению с упрочнением методом цементации? Назовите марки стали, применяемые для этих видов обработки.
Сущность поверхностной закалки состоит в том, что поверхностные слои детали быстро нагреваются выше критических точек и создается неравномерное распределение температуры по телу детали. Если нагрев прервать и провести быстрое охлаждение, то слой металла, нагретый выше АС3, получит полную закалку; слой, нагретый выше АС1, но ниже АС3 получит неполную закалку, а сердцевина нагревается ниже АС1 и не претерпевает никаких превращений при охлаждении.
Для индукционной закалки применяют конструкционные стали 35, 45, У6, 35Х, 40Х, 30ХМ, 55П и т. д.
Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом. Цементации подвергают детали из низкоуглеродистых сталей (содержащие углерода до 0,25%)
Поверхностная закалка менее продолжительна, чем химико-термическая обработка. Если продолжительность поверхностной закалки равна или меньше длительности смежных операций механической обработки, то возможен перевод термической обработки из термических цехов в общий поток механического цеха. Это позволяет более полно осуществить автоматизацию технологического процесса.
При поверхностной закалке для каждой детали необходимо изготовить свой индуктор и подобрать свой режим обработки. Поэтому поверхностная закалка с индукционным нагревом рентабельна при серийном производстве однотипных деталей, как, например, в автомобильной промышленности.
После закалки ТВЧ сталь, содержащая 0,4%С, имеет твердость поверхности HRC 54-58. После цементации низкоуглеродистой стали поверхностный слой имеет твердость HRC 60-63.

Контрольная работа 1 Вариант 22


Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Тп. Разность между температурами Тп и Тк, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения:
ΔТ=Тп-Тк.
Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью v, показаны на рисунке 1.

При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре близкой к равновесной Тп. На термической кривой при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка в падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при охлаждении.
С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые v2, v3) и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации.
Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость роста их, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.
При небольшой скорости переохлаждения ΔТ (малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.
Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.


Что такое относительное удлинение? Как определяется эта характеристика механических свойств металла?
Относительное удлинение δ представляет собой отношение приращения длины образца после его разрыва к первоначальной расчетной длине l0 и выражается в процентах:

Пластичность – свойство твердых тел необратимо деформироваться под действием механических нагрузок. Отсутствие или небольшое значение пластичности называется хрупкостью.
Характеристики пластичности определяют при статических испытаниях. Статическими называют испытания, при которых прилагаемая нагрузка возрастает медленно и плавно. Чаще применяют испытания на растяжение, позволяющие по результатам одного опыта установить нескольких важных механических характеристик металла или сплава. Для испытания на растяжение используют стандартные образцы (ГОСТ 1497-84). Машины для испытания снабжены прибором, записывающим диаграмму растяжения (рисунок 2).


Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 4,0% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?
Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).
При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидко­го раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллиза­ции сплавов с содержанием углерода до 0,1% заканчи­вается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раст­вора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.
При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при темпера­турах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристал­лизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.
Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит + ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный) + ледебурит.
Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.
Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.
Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.
В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8% образуется эвтектоидная смесь, состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].
Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.
Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точка Q), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.
Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит + перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.
В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит + цементит).
Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.
Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:
C = K + 1 – Ф,
где С – число степеней свободы системы;
К – число компонентов, образующих систему;
1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);
Ф – число фаз, находящихся в равновесии.
Сплав железа с углеродом, содержащий 4,0%С, называется доэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре перлит + цементит + ледебурит.

а) б)
Рисунок 3: а — диаграмма железо-цементит, б — кривая охлаждения для сплава, содержащего 4,0% углерода


Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 450 НВ. Укажите, как этот режим называется, опишите сущность превращений и какая структура получается в данном случае?
Изотермической обработкой, необходимой для получения твердости 450 НВ, является изотермическая закалка.
Изотермическая закалка выполняется так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительна. При такой выдержке происходит изотермический распад аустенита с образованием бейнита. Продолжительность выдержки в закалочной среде зависит от устойчивости переохлажденного аустенита при температурах выше Мн и определяется по диаграмме изотермического превращения аустенита для каждой марки стали. В качестве охлаждающих сред при изотермической закалке применяют расплавленные соли (например, 55% KNO и 45% NaNO2) или расплавленные щелочи (20% NaOH и 80% KOH). Добавка 5–10 % воды в расплав щелочей и солей увеличивает скорость охлаждения.

Рисунок 4 – Диаграмма изотермического превращения аустенита стали У8
Нижний бейнит по сравнению с продуктами распада аустенита в перлитной области (перлит, троостит) имеет более высокую твердость и прочность при сохранении высокой пластичности.

Что такое нормализация? Используя диаграмму состояния железо-цементит, назначьте температуру нормализации любой доэвтектоидной и любой заэвтектоидной стали. Опишите превращения, происходящие в сталях при выбранном режиме обработке, получаемую структуру и свойства.
Нормализацией называется нагрев доэвтектоидной стали до температуры выше Ас3, а заэвтектоидной – выше Аcm на 40-50°С с последующим охлаждением на воздухе.
При нормализации происходит перекристаллизация стали, устраняющая крупнозернистую структуру, полученную при литье или ковке. В результате охлаждения на воздухе распад аустенита на ферритно-цементитную смесь происходит при более низких температурах, а, следовательно, повышается дисперсность смеси.
Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали.
Для среднеуглеродистой стали 45 нормализацию применяют вместо закалки и высокого отпуска (улучшения). Механические свойства при этом понижаются, но уменьшается деформация изделий по сравнению с получаемой при закалке. Критическая точка Ас3 стали 45 равна 770ºС. Поэтому температура нагрева в соответствии с определением нормализации составляет 810-820ºС. При этой температуре имеем структуру аустенита (100%). При снижении температуры до Аr3 начинают появляться первые зерна феррита. При дальнейшем снижении температуры до Аr1 из аустенита будут образовываться только зерна феррита, а содержание углерода в остающемся аустените будет увеличиваться и при температуре Аr1 достигнет 0,8%. При снижении температуры ниже Аr1 из аустенита будет образовываться перлит.
Сталь 45 после нормализации имеет структуру перлита и феррита. Механические свойства стали 45 после нормализации: σВ = 610 МПа; σТ = 360 МПа; δ = 16%; ψ = 40%; KCU = 0,5 МДж/м2.
В заэвтектоидной стали У12 нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. Критическая точка Асm стали У12 равна 820ºС. Поэтому температура нагрева в соответствии с определением нормализации составляет 850-860ºС. При этой температуре имеем структуру аустенита (100%). При снижении температуры до Аrm начинают появляться первые зерна цементита. При дальнейшем снижении температуры до Аr1 из аустенита будут образовываться только зерна цементита, а содержание углерода в остающемся аустените будет уменьшаться и при температуре Аr1 достигнет 0,8%. Ускоренное охлаждение на воздухе способствует тому, что цементит не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали. При снижении температуры ниже Аr1 из аустенита будет образовываться перлит.
Сталь У12 после нормализации имеет структуру перлита и цементита. Твердость HB стали У12 после нормализации 2690-3410 МПа.

Закономерности кристаллизации металлов

При значении температуры, равной ТS, жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура ТS – равновесная, или теоретическая, температура кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже значения температуры ТS. Температура, при значении которой практически начинается кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации (Τкр).

Охлаждение жидкости ниже значения равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения ΔΤ:

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения).

Рассмотрим переход металла из жидкого состояния в твердое. При нагреве всех кристаллических тел наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое. Такая же граница существует при переходе из жидкого состояния в твердое.

Кристаллизация – это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит термодинамически к более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно описать с помощью кривых охлаждения в координатах время τ– температура Т (рис. 3.2).

Процесс кристаллизации чистого металла:

Рис. 3.2. Кривая охлаждения чистого металла: Τтеор – теоретическая температура кристаллизации; Τкр.– фактическая температура кристаллизации
До точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На горизонтальном участке 1–2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением теплоты, которая называется скрытой теплотой кристаллизации. Она компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

Кристаллизация складывается из элементарных процессов – зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. Скорость каждого из процессов зависит от степени переохлаждения (n = ΔΤ) жидкости относительно равновесной температуры т.е. температуры, при которой энергии Гиббса (свободная энергия) жидкого и кристаллического состояний равны. При n = 0 образование зародышей кристаллов (центров кристаллизации) невозможно, поскольку равен нулю движущий фактор процесса (разность энергий Гиббса жидкого и твердого состояний). С увеличением переохлаждения эта разность растет. При этом происходит увеличение скорости возникновения цен
тров (числа центров – ЧЦ, имеет размерность 1/мм³·с) и скорости роста кристаллов (СК, есть скорость увеличения линейных размеров кристалла, размерность этой величины мм/с). Отметим, с увеличением n снижается диффузионная подвижность атомов, это вызывает

Рис. 3.3. Зависимость числа центров кристаллизации (ЧЦ) и скорости роста кристаллов (СК) от степени переохлаждения
торможение обоих элементар-ных процессов (рис. 3.3). При значительном переохлаждении атомы становятся такими малоподвижными, что кристаллизация полностью подавляется.

Число центров кристаллизации ЧЦ и скорость роста кристаллов СК влияют на размер зерна, а следовательно, и на свойства металлов. При небольших значениях n (при малом ЧЦ и большой СК) образуются крупнозернистые структуры. С увеличением переохлаждения структуры измельчаются (ЧЦ возрастает быстрее, чем СК). Как правило, чем мельче зерно, тем выше механические свойства металлов и сплавов (особенно характеристики прочности и пластичности).

От степени переохлаждения зависит критический размер зародыша, т.е. такой минимальный размер, при котором рост зародыша сопровождается снижением энергии Гиббса системы. Зародыши мельче критического неспособны к росту и растворяются в жидкости. Чем больше степень переохлаждения жидкости, тем меньше критический размер зародыша.

Процесс кристаллизации будет осуществляться, когда выигрыш от перехода в твердое состояние больше потери энергии на образование поверхности раздела (рис. 3.4).

Зародыши с размерами, равными и большими критического rk, растут с уменьшением энергии и поэтому способны к существованию.

Рис.3.4. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы

Центры кристаллизации образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело.


Качественная схема процесса кристаллизации может быть представлена количественно кинетической кривой (рис.3.5).

Рис. 3.5. Кинетическая кривая процесса кристаллизации
Процесс вначале ускоряется, пока столкновение кристаллов не начинает препятствовать их росту. Объем жидкой фазы, в которой образуются кристаллы, уменьшается. После кристаллизации 50 % объема металла скорость кристаллизации будет замедляться.

При кристаллизации кристаллы, окруженные со всех сторон жидкостью, имеют более или менее правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов форма нарушается, становится неправильной, так как рост граней на участках соприкосновения прекращается. Такие искаженные кристаллы называют кристаллитами, или зернами. Таким образом, форма и размер образовавшихся в результате кристаллизации зерен определяются условиями столкновения растущих кристаллов.

Условиями для получения мелкозернистой структуры являются: максимальное число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов. Размер зерен при кристаллизации зависит и от числа частичек нерастворимых примесей, которые играют роль готовых центров кристаллизации – оксиды, нитриды, сульфиды. Чем больше частичек, тем мельче зерна закристаллизовавшегося металла.

Стенки изложниц имеют неровности, шероховатости, которые увеличивают скорость кристаллизации. Искусственное введение в жидкий металл тугоплавких мелких частичек, служащих дополнительными центрами кристаллизации или влияющих на их образование, является наиболее прогрессивным методом регулирования размеров зерен, их формы, а следовательно, и, свойств металлов и сплавов и называется модифицированием.

По механизму воздействия различают:

1. Вещества, не растворяющиеся в жидком металле, выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации.

2. Поверхностно-активные вещества, которые растворяются в металле и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.

Читайте также: