Сущность аллотропических превращений в металлах

Обновлено: 16.05.2024

Аллотропией, или полиморфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные кристаллические формы. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называют аллотропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превращение сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки. Аллотропические превращения имеют многие металлы: железо, олово, титан и др.

Файлы: 1 файл

Аллотропи металлов.docx

Аллотропия металлов

аллотропический физический свойство металл

Аллотропией, или полиморфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные кристаллические формы. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называют аллотропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превращение сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки. Аллотропические превращения имеют многие металлы: железо, олово, титан и др. Например, железо в интервале температур 911 -1392°С имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) г-Fe (рис. 7). В интервалах до 911°С и от 1392 до 1539°С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) - б-Fe. Аллотропические формы металла обозначаются буквами а, в, г и т. д. Существующая при самой низкой температуре аллотропическая форма металла обозначается через букву б, которая в виде индекса добавляется к символу химического элемента металла и т. д.

При аллотропических превращениях происходит изменение свойств металлов - изменение объема металлов (особенно характерно для олова) и растворимости углерода (характерно для железа).

Методы изучения строения металлов

Изучение строения металлов и сплавов производится методами макро- и микроанализа, рентгеновского, а также дефектоскопии (рентгеновской, магнитной, ультразвуковой).

Методом макроанализа изучается макроструктура, т. е. структура, видимая невооруженным глазом или с помощью лупы, при этом выявляются крупные дефекты: трещины, усадочные раковины, газовые пузыри и т. д., а также неравномерность распределения примесей в металле. Макроструктуру определяют по изломам металла, по макрошлифам. Макрошлиф - это образец металла или сплава, одна из сторон которого отшлифована, тщательно обезжирена, протравлена и рассматривается с помощью лупы с увеличением в 5 -10 х .

Микроанализ выявляет структуру металла или сплава по микрошлифам, приготовленным так же, как и для макроанализа, но дополнительно отполированным до зеркального блеска. Шлифы рассматривают в отраженном свете под оптическим микроскопом при увеличении до 3000 х . Из-за различной ориентировки зерен металла они травятся не в одинаковой степени и под микроскопом свет также отражается неодинаково. Границы зерен благодаря примесям травятся сильнее, чем основной металл, и выявляются более рельефно. В сплаве структурные составляющие травятся также различно. В электронном микроскопе рассматривают реплику - слепок с особо тонкой структуры блоков, фрагментов, дислокации при увеличениях до 100000 х . Этот важнейший анализ определяет размеры и форму зерен, структурные составляющие, неметаллические включения и их характер (трещины, пористость и т. д.), качество термической, обработки. Зная микроструктуру, можно объяснить причины изменения свойств металла.

С помощью рентгеновского анализа изучают атомную структуру металлов, типы и параметры кристаллических решеток, а также дефекты, лежащие в глубине. Этот анализ, основанный на дифракции (отражении) рентгеновских лучей рядами атомов кристаллической решетки, позволяет обнаружить дефекты (пористость, трещины, газовые пузыри, шлаковые включения и т. д.), не разрушая металла. В местах дефектов рентгеновские лучи поглощаются меньше, чем в сплошном металле, и поэтому на фотопленке такие лучи образуют темные пятна, соответствующие форме дефекта.

Для исследования структуры металла и дефектов изделий широко применяют гамма-лучи, которые проникают в изделие на большую глубину, чем рентгеновские.

Магнитным методом исследуют дефекты в магнитных металлах (сталь, никель и др.) на глубине до 2 мм (трещины различного происхождения, неметаллические включения и т. д.). Для этого испытуемое изделие намагничивают, покрывают его поверхность порошком железа, осматривают поверхность и размагничивают изделие. Вокруг дефекта образуется неоднородное поле, вследствие чего магнитный порошок повторяет очертания дефекта. Другой метод - магнитный индукционный - часто используют для оценки полноты структурных превращений в сплавах (изделиях) после их термической обработки.

Ультразвуковым методом осуществляется эффективный контроль качества металла изделий и заготовок практически любых размеров. В импульсных ультразвуковых дефектоскопах ультразвуковая волна от щупа - излучателя распространяется в контролируемом изделии и при встрече с каким-либо дефектом отражается от него. При этом отраженные волны принимаются, усиливаются и передаются на показывающий индикатор. Ультразвук используют для контроля качества роторов, рельсов, поковок, проката и других изделий при необходимости сохранения целостности изделий.

Физические и химические свойства

Физические свойства. К физическим свойствам металлов относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.

Цветом называют способность металлов отражать световое излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розово-красный цвет, алюминий - серебристо-белый.

Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плотности все металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м 3 ) и тяжелые. Плотность имеет большое значение при создании различных изделий. Например, в самолето- и ракетостроении стремятся использовать более легкие металлы и сплавы (алюминиевые, магниевые, титановые), что способствует снижению массы изделий.

Температурой плавления называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие металлы (вольфрам 3416° С, тантал 2950°С, титан 1725°С. и др.) и легкоплавкие (олово 232°С, свинец 327°С, цинк 419,5°С, алюминий 660°С). Температура плавления имеет большое значение при выборе металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектрических приборов и других изделий. В единицах СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К).

Теплопроводностью называют, способность металлов передавать тепло от более нагретых к менее нагретым участкам тела. Серебро. медь, алюминий обладают большой теплопроводностью. Железо имеет теплопроводность примерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять раз меньше, чем медь. Теплопроводность имеет большое значение при выборе материала для деталей. Например, если металл плохо проводит тепло, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образуются трещины. Некоторые детали машин (поршни двигателей, лопатки турбин) должны быть изготовлены из материалов с хорошей тeплопpoводностью. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/ (м*К).

Тепловым расширением называют способность металлов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться при охлаждении. Тепловое расширение характеризуется коэффициентом линейного расширения б = (l2 -l 1)/ [l 1 (t 2 - t 1)], где l 1 и l 2 длины тела при температурах t 1 и t 2. Коэффициент объемного расширения равен 3 б. Тепловые расширения должны учитываться при сварке, ковке и горячей объемной штамповке, изготовлении литейных форм, штампов, прокатных валков, калибров, выполнении точных соединений и сборке приборов, при строительстве мостовых ферм, укладке железнодорожных рельс.

Теплоемкостью называют способность металла при нагревании поглощать определенное количество тепла. В единицах СИ имеет размерность Дж/К. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величине удельной теплоемкости - количеству тепла, выраженному в больших калориях, которое требуется для повышения температуры 1 кг металла на 1°С (в единицах СИ - Дж/(кг.К).

Электрическая проводимость оценивается в системе СИ в сименсах (См), удельная электропроводность - в См/м.

Электросопротивление выражают в Омах (Ом), а удельное электросопротивление - в Ом/м.

Хорошая электропроводность необходима, например, для токоведущих проводов (медь, алюминий). При изготовлении электронагревателей приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (нихром, константан, манганин). С повышением температуры металла его электропроводность уменьшается, а с понижением - увеличивается.

Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью или магнитной постоянной, т. е. способностью металлов намагничиваться. В единицах СИ магнитная постоянная имеет размерность Гн/м. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, называемые ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.

Химические свойства. Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем быстрее он разрушается. Химическое разрушение металлов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды называют коррозией.

Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаростойкими или окалиностойкими. Такие металлы применяют для изготовления деталей, которые эксплуатируются в зоне высоких температур.

Сопротивление металлов коррозии, окалине-образованию и растворению определяют по изменению массы испытуемых образцов на единицу поверхности за единицу времени.

Химические свойства металлов обязательно учитываются при изготовлении тех или иных изделий. Особенно это относится к изделиям или деталям, работающим в химически агрессивных средах.

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо прежде всего учитывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.

Напряжение - величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация - изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза (рис. 8).

В действительности материал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения. По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат - нагрузки, приложенные к образцу.

Прочность - способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности материала является также удельная прочность - отношение предела прочности материала к его плотности. Предел прочности у в (временное сопротивление) - это условное напряжение в Па (Н/м 2 ). соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца: у в = P max / F о, где Рmах - наибольшая нагрузка, Н; Fо - начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, м 2 .

Истинное сопротивление разрыву S к - это напряжение, определяемое отношением нагрузки Рк в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения образца после разрыва F к (S к = Р к/ F к).

Предел текучести (физический) у т - это наименьшее напряжение (в МПа), при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки:

у т = Р т F о, где Р т - нагрузка, при которой наблюдается площадка текучести, Н.

Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких материалов определяют предел текучести (условный), при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от расчетной длины образца: у 0,2 = P 0,2 / F 0.

Упругость - способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Р уп оценивают пределом пропорциональности у пц и пределом упругости у ун.

Предел пропорциональности у пц - напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией образца у пц = Р пц / Р 0.

Предел упругости (условный) у 0,05 - это условное напряжение в Мпа, соответствующее нагрузке, при которой остаточная деформация впервые достигает 0,05 %, от расчетной длины образца lo: у 0,05 = P 0,05 / F 0, где P 0,05 - нагрузка предела упругости, Н.

Пластичность, т.е. способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.

Относительное удлинение (после разрыва) д - это отношение приращения (l k - lo) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине lo, выраженное в процентах: д = ((1к -1о)/1о] 100 %.

Относительное сужение (после разрыва) Ш - это отношение разности начальной и минимальной площадей (Fo - Fк) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади Fo поперечного сечения, выраженное в про центах: Ш = [( F 0 - F k) / Fо] 100%.

Сущность аллотропических (полиморфных) превращений металлов на примере кривой охлаждения для чистого железа и их использование

Мы привыкли смотреть на твердое тело как на что - то неизменяемое. В действительности, это не так. Некоторые металлы, будучи уже в твердом состоянии, могут претерпевать при определенных температурах изменения в своем строении. Изменения, которые происходят в строении металла, находящегося в твердом состоянии, называются аллотропическими превращениями. Сущность этих превращений заключается в том, что у некоторых металлов (железо, олово, титан и др.) при определенной температуре наблюдается перестройка атомов из одного типа кристаллической решетки в другой. Способность металла при одном и том же химическом составе иметь различное строение, а следовательно и свойства, носит название полиморфизма (многообразие).

Прикрепленные файлы: 1 файл

Аллотропические превращения.docx

1.Сущность аллотропических (полиморфных) превращений металлов на примере кривой охлаждения для чистого железа и их использование.

Мы привыкли смотреть на твердое тело как на что - то неизменяемое. В действительности, это не так. Некоторые металлы, будучи уже в твердом состоянии, могут претерпевать при определенных температурах изменения в своем строении. Изменения, которые происходят в строении металла, находящегося в твердом состоянии, называются аллотропическими превращениями. Сущность этих превращений заключается в том, что у некоторых металлов (железо, олово, титан и др.) при определенной температуре наблюдается перестройка атомов из одного типа кристаллической решетки в другой. Способность металла при одном и том же химическом составе иметь различное строение, а следовательно и свойства, носит название полиморфизма (многообразие).

Аллотропические превращения имеют многие металлы: железо, олово, титан и др. Например, железо в интервале температур 911 -1392°С имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) г-Fe, в интервалах до 911°С и от 1392 до 1539°С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) - б-Fe. Аллотропические формы металла обозначаются буквами а, в, г и т. д. Существующая при самой низкой температуре аллотропическая форма металла обозначается через букву б, которая в виде индекса добавляется к символу химического элемента металла и т. д. Аллотропическое превращение при нагревании происходит с поглощением тепла, а при охлаждении — с его выделением. Как в процессе нагревания, так и в процессе охлаждения аллотропическое превращение происходит с некоторым запаздыванием. Например, температура превращения ос-модификации в р, происходящего при нагревании, будет всегда выше температуры превращения модификации В в а, происходящего при охлаждении. Это явление называется гистерезисом. Оно характерно для аллотропических превращений.

Самый распространенный в технике металл — железо. Оно имеет аллотропические превращения. Их легко проследить, если рассмотреть процесс охлаждения жидкого железа до комнатной температуры. На рис. 1 показана кривая охлаждения чистого железа.

До 1539° С происходит плавное остывание жидкого железа. На кривой охлаждения при этой температуре появляется площадка; железо затвердевает и выделяется скрытая теплота кри-14 сталлизации. Пока все железо не затвердеет, температура не изменяется. В интервале 1539—1392° С температура плавно снижается. Здесь железо имеет кристаллическую решетку объемно-центрированного куба Fe6 (б — железо).

При 1392° С на кривой охлаждения появляется вторая площадка, связанная с аллотропическим превращением б-железа в у-железо. Оно сопровождается выделением тепла, поэтому на кривой охлаждения появляется площадка; у-железо имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба. При алло-тропическом превращении исчезают старые зерна и появляются новые.

Следующая площадка на кривой охлаждения наблюдается при 911° С. Она вызвана превращением у-железа в а-железо. Кристаллическая решетка из гранецентрированной кубической опять перестраивается в объемноцентрированную, которая существовала ранее в интервале 1539—1392° С. Далее структура а-железа сохраняется до самых низких температур.

Последняя площадка на кривой охлаждения при 768° С связана с превращением особого рода. При этой температуре не происходит изменения в кристаллической решетке и не появляются новые зерна. Тепловой эффект связан не с изменением строения кристаллической решетки, а с перестройкой электронных оболочек атомов. Выше этой температуры железо парамагнитно (немагнитно), ниже — ферромагнитно (магнитно). Парамагнитное а-железо называют иногда В-железом.

Одновременно с изменением типа кристаллической решетки меняются и свойства металла. Этим явлением широко пользуются в технике для придания металлам требуемых свойств.

Алотропичечские изменения железа

Содержание

1.Введение…………………………………………………………………………. 3
2.Практическое значение аллотропических превращений железа. 4
3.Железоуглеродистые сплавы. 4
4.Заключение. 8
5.Список используемой литературы. 9

Аллотропические изменения железа.doc

2.Практическое значение аллотропических превращений железа. ..4

3.Железоуглеродистые сплавы. . . . 4

5.Список используемой литературы. . . 9

Мы привыкли смотреть на твердое тело как на что - то неизменяемое. В действительности, это не так. Некоторые металлы, будучи уже в твердом состоянии, могут претерпевать при определенных температурах изменения в своем строении. Изменения, которые происходят в строении металла, находящегося в твердом состоянии, называются аллотропическими превращениями. Сущность этих превращений заключается в том, что у некоторых металлов (железо, олово, титан и др.) при определенной температуре наблюдается перестройка атомов из одного типа кристаллической решетки в другой. Способность металла при одном и том же химическом составе иметь различное строение, а следовательно и свойства, носит название полиморфизма (многообразие).

Способность одного и того же металла образовывать несколько разных кристаллических структур называется полиморфизмом. Различные структурные модификации одного и того же металла называют аллотропическими модификациями, а такие превращения под воздействиями температуры или давления называют аллотропическими превращениями. Данное свойство имеет важное значение для техники, так как оказывает влияние на поведение металлов и сплавов при их нагреве и охлаждении во время термической обработки и при эксплуатации деталей в машинах.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки. Железо имеет две полиморфные модификации αFe (ферит) и γFe (аустенит). Модификация α-железа существует при температурах ниже 910°С и выше 1392°С. В интервале температур 1392–1539°С α-железо иногда обозначают как δ-железо.

При полиморфном превращении кристаллы (зерна) новой полиморфной формы растут в результате неупорядоченных, взаимно связанных переходов атомов через границу фаз. Отрываясь от решетки исходной фазы (например, Fe), атомы по одиночке или группами присоединяются к решетке новой фазы ( Fe), и, как следствие этого, граница зерна α-модификации передвигается в сторону зерна -модификации, «поглощая» исходную фазу. Кристаллическая решетка из объемноцентрированной кубической (ОЦК) перестраивается в гранецентрированную кубическую (ГЦК). Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зерен исходных кристаллитов. Вновь образующиеся кристаллы закономерно ориентированы по отношению к кристаллам исходной модификации.

При полиморфных превращениях металлов основное значение имеет температура. Линия PSK - линия эвтектоидного превращения, на которой заканчивается процесс вторичной кристаллизации. Линия PS - линия нижних критических точек А1. Линия GSE - начало процесса вторичной кристаллизации твердого раствора. Линия GS - линия верхних критических точек А3; она показывает температуру начала выделения феррита из аустенита. Линия SE - показывает температуру начала выделения вторичного цементита и является линией, определяющей предельную растворимость углерода в аустените. Превращение одной аллотропической формы в другую происходит при постоянной температуре, называемой температурой полиморфного превращения, и сопровождается тепловым эффектом, подобно явлениям плавление-затвердевание или испарение-конденсация. Это связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки. На диаграмме «Fe-Fe3C» линия PSK - линия эвтектоидного превращения, на которой заканчивается процесс вторичной кристаллизации. Линия PS - линия нижних критических точек А1. Линия GSE - начало процесса вторичной кристаллизации твердого раствора. Линия GS - линия верхних критических точек А3; она показывает температуру начала выделения феррита из аустенита. Линия SE - показывает температуру начала выделения вторичного цементита и является линией, определяющей предельную растворимость углерода в аустените.

Практическое значение аллотропических превращений железа очень велико, в частности с ними связано большинство видов термической обработки стали. Процесс образования кристаллов из жидкого металла называют первичной кристаллизацией. Превращения, протекающие в твердом металле, называют вторичной кристаллизацией. В процессе термической обработки стали, происходит изменение кристаллического строения в определенном интервале температур, ограниченном нижней A1 и верхней А3 критическими точками. Основными видами термической обработки с применением полиморфных превращений-отжиг II рода, нормализация и закалка. Основные задачи первых двух видов термообработки перекристаллизация стали и устранение внутренних напряжений или исправление структуры. Закалка- термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава. Таким образом полиморфные превращения (процесс вторичной кристаллизации) имеет важное практическое значение и дает возможность изменять свойства и структуру стали при термообработке.

Железоуглеродистые сплавы состава 2,14 – 4.3 %С называются доэвтектическими белыми чугунами. Рассмотрим процесс кристаллизации и фазовых превращений сплава с содержанием углерода 3,%. Выше температуры линии ликвидуса АС (1300°С) в равновесии будет находится только одна фаза-жидкость (Ж). От температуры несколько ниже линии ликвидус АС до 1147 °С из жидкости выделяются кристаллы аустенита (А). Состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус, стремясь к эвтектическому, а твердой по линии солидус, стремясь к составу точки Е. При температуре 1147 °С концентрация жидкой фазы достигает точки С (4,3 %С), а аустенита – точки Е (2,14 %С). Из жидкости эвтектического состава образуется смесь аустенита и цементита – ледебурит 1147 °С.

Таким образом, ниже эвтектической линии ЕСF структура характеризуется избыточными кристаллами аустенита и эвтектикой (ледебуритом). При охлаждении от 1147 до 727 °С состав аустенита непрерывно меняется по линии ЕS, при этом выделяется цементит вторичный (Цвторичн.). Вторичный цементит выделяется как из избыточного аустенита, так и из аустенита эвтектики. Однако, если вторичный цементит, выделяющийся из аустенита эвтектики, присоединяется к эвтектическому цементиту, то из избыточного аустенита он выделяется в виде оболочек вокруг дендритов аустенита и представляет собой самостоятельную структурную составляющую.

Ниже 727 °С весь аустенит: и избыточный, и тот, который входит в состав эвтектики – претерпевает эвтектоидное превращение, при котором образуется перлит. Таким образом, ниже 727 °С структура доэвтектического белого чугуна с содержанием углерода 3,0% характеризуется следующими структурными составляющими: избыточным перлитом (бывшим аустенитом), ледебуритом превращенным, состоящим из перлита и цементита и цементитом вторичным. Чем ближе состав сплава к эвтектическому, тем больше в нем эвтектики – ледебурита.

При 900°С в сплаве с содержанием углерода 3,0% в равновесии находится 2 фазы: аустенит и цементит (Fe3C). Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава (точка b), проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.

Отрезки данной линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз. С точек пересечения горизонтальных линий (конод) с соответствующими линиями диаграммы (точки a и c) опускаем перпендикуляры на ось концентраций. В состав аустенита будет входить 1,5% углерода, в состав цементита 6,67% углерода.

Находим процентное соотношение содержания фаз

где ab и bc-длины отрезков. Таким образом при температуре 900°С в равновесии будет 68% аустенита и 32% цементита.

Сталь Х05 заэвтектоидная, так как содержит более 0,8% углерода. Для получения заданных свойств (высокой твердости) заэвтектоидную сталь необходимо нагревать до температуры несколько выше точки Ас1 (на 30 - 40°С) для перехода феррито-карбидной смеси в твердый раствор и охладить со скоростью выше критической для превращения аустенита в мартенсит. После закалки необходимо провести низкий отпуск (при температуре 150°С) для снятия остаточных внутренних напряжений. Особенности термической обработки заэвтектоидной стали связаны с тем, что структура ее состоит из перлита и цементита, имеющего твердость выше мартенсита; поэтому переводить цементит в твердый раствор нагреванием стали выше критической точки Ас3, если он имеет зернистую форму, нецелесообразно. Это обусловлено тем, что мартенсит имеет твердость меньшую чем цементит. Кроме этого, при закалке структура заэвтектоидной - стали, закаленной с температуре несколько выше точки Ас1, состоит из мартенсита с рассеянными в нем зернами цементита. Данная структура обеспечивает максимальную твердость и износоустойчивость стали.

Рис. Выбор температуры нагрева под закалку

Рис. График термической обработки заэвтектоидной инструментальной стали.

Исходная структура высокоуглеродистой стали Х05 до нагрева под закалку – перлит + карбиды. Критические точки для стали Х05: Аc1=730ºС, Аc3=800ºС. До температуры Аc1 сохраняется исходная структура. При температуре Аc1 происходит превращение перлита в аустенит с содержанием углерода 0,8%. При нагреве выше точки Ас1 происходит растворение цементита в аустените (в соответствии с линией SE). Увеличение температуры выше точки Асm вызывает рост зерна аустенита. Оптимальный режим нагрева под закалку для заэвтектоидных сталей составляет Ас1 + (30÷50º), т.е. для Х05 – 760-780ºС. При этом после закалки (охлаждения со скоростью выше критической) имеем мелкое зерно, обеспечивающее наилучшие механические свойства стали Х05 .Перед закалкой проводят сфероидизирующий отжиг для получения оптимальной структуры. После закалки проводят низкий отпуск для снятия закалочных напряжений.

1. Адаскин А.М. Материаловедение (металлообработка): учеб. Пособие / А.М. Адаскин, В.М. Зуев.- 6-е изд.стер.- М.: Изд. Центр «Академия», 2009.- 288с.

2. Гольчевская Н.Ю., Гольчевский В.Ф. Материаловедение /Серия «Учебник, учебные пособия».- Иркутск: ИрГТУ, 2008.- 428 с.

3. Материаловедение и термическая обработка металлов. Лахтин Ю.М.-М.: Металлургия, 1983.-359с

4. Материаловедение в схемах-конспектах: Учебное пособие/Под ред. И.Ю. Ульяниной.- М.: МГИУ, 1999. – 103 с.

Кристаллизация металлов

Если взять большой кристалл ( существуют методы выращивания крупных кристаллов), вырезать из него несколько одинаковых по размеру, но различно ориентированных образцов и испытать их свойства, можно иногда наблюдать значительную разницу в свойствах отдельных образцов. Например, при испытании различных образцов из кри­сталла меди относительное удлинение изменяется от 10 до 55 %, а предел прочности -от 140 до 350 МПа. Это свойство кристаллов называютанизотропностью.

Анизотропность кристаллов определяется характером расположения атомов в кристаллической ре­шетке.

Аморфные тела изотропны, т. е. все их свойства одинаковы во всех направлениях; излом аморфного тела всегда имеет неправиль­ную, искривленную, так называемую раковистую форму.

Металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят из множе­ства кристаллов, кристаллическая решетка которых по-разному ориентирована, поэтому свойства литого металла приблизительно одинаковы по всем направлениям; это называют квазиизотропностью.

Аллотропия металлов. Аллотропия металлов (или полиморфизм)-свойство перестраивать решетку при определенных температурах в процессе нагрева и охлаждения - присуща многим металлам (железу, марганцу, никелю, олову, титану, ванадию и др.). Каждое аллотропическое превращение происходит при определенной тем­пературе (например, одно из превращений железа происходит при температуре 911 о С, ниже которой! атомы составляют решетку цен­трированного куба, а выше — решетку гранецентрированного куба).

Структура, имеющая ту или иную решетку, называется алло­тропической формой или модификацией. Различные модификации обозначают греческими буквами α, β, γ и т. д., причем буквой α обозначают модификацию, существующую при температурах ниже первого аллотропического превращения. Аллотропические превра­щения сопровождаются отдачей (уменьшением) или поглощением (увеличением) энергии.

Кристаллизацией называется образо­вание кристаллов в металлах и сплавах при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация), а также пере­кристаллизация в твердом состоянии (вторичная кристаллизация) при их охлаждении. К вторичной кристаллизации относятся пере­кристаллизация из одной модификации в другую (полиморфные превращения), распад твердых растворов, распад или образование химических соединений.

Пространственные кри­сталлические решетки образуются в металле при пере­ходе его из жидкого состояния в твердое. Этот процесс на­зывается кристаллизацией. Превращения, связанные с кристаллизацией, в значительной степени определяют свойства металлов. Впервые процессы кристаллизации были изучены в 1878 г. Д. К. Черновым. Сущность крис­таллизации состоит в следующем: в жидком металле ато­мы непрерывно движутся, по мере понижения темпера­туры движение замедляется, атомы сближаются и груп­пируются в кристаллы, которые называют центрами кри­сталлизации. Далее к этим центрам присоединяются вновь образующиеся кристаллы. Одновременно появляются но­вые центры. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации и ро­ста кристаллов вокруг этих центров.


На рис. 3 показан механизм кристаллизации. Первона­чально рост кристаллов не встречает препятствий (рис. 3, а - в) и они сохраняют правильность строения решетки. При дальнейшем росте кристаллы сталкиваются (рис. 3, г - е ) и образовавшиеся группы кристаллы имеют уже непра­вильную форму, но сохраняют правильность решетки внутри каждого кристалла. Такие кристаллы называют зернамиили кристаллитами На рис. 3, е приведены границы зерен различных размеров.

Процесс кристаллизации металла представляют в виде кривых в координатах температура - время, которые автоматически вычер­чиваются самописцем, связанным с термоэлектрическим пирометром. Пирометр представляет собой милливольтметр 2 (рис. 4), подклю­ченный к термопаре. Термопару 3 (две разнородные проволоки, спа­янные концами) погружают в расплавленный металл 4. Возника­ющий при этом термоток пропорционален температуре металла, стрелка милливольтметра отклоняется, указывая эту температуру по шкале 1.Температура, соответствующая какому-либо превращению в металле, называется критической точкой.

Превращения в металлах и сплавах в твердом состоянии

Превращения в металлах и сплавах в твердом состоянии по своей физической сущности во многом напоминают кристаллизацию жидких металлов. Эти превращения называют фазовой перекристаллизацией, а при их исследованиях используют те же подходы в отношении механизмов и кинетики формирования новой фазы, включая образование зародышей и последующий их рост.

В чистых металлах основными превращениями в твердом состоянии являются аллотропические (полиморфные), а также магнитные превращения. В сплавах превращения в твердом состоянии дополняются целым рядом превращений, таких как эвтектоидное, перитектоидное, растворение и выделение избыточных фаз и др. Их изучение потребует знания диаграмм фазового равновесия и будет кратко рассмотрено позже.

Аллотропическим (полиморфным) превращением называют изменение пространственной решетки кристаллического тела. В качестве примеров аллотропических превращений можно привести превращение низкотемпературной аллотропической формы a - Fe с объемно-центрированной кубической решеткой в высокотемпературную форму g - Fe с гранецентрированной кубической решеткой, при температуре 911 °С и последующее превращение при температуре 1392 °С g - Fe в d - Fe с объемно-центрированной кубической решеткой, аналогичной a - Fe. Аналогичные превращения можно наблюдать в титане, цирконии и т.д. В титане и цирконии низкотемпературной аллотропической формой являются a - Ti, a - Zr с гексагональной плотноупакованной решеткой. При температуре выше 882° С для титана и 862° С для циркония образуются b - Ti и b - Zr, обладающие объемно-центрированной решеткой.

Аллотропическое превращение заключается в том, что атомное строение кристаллического тела изменяется при нагреве и охлаждении при переходе через критическую точку. Сам процесс перестройки кристаллической решетки происходит изотермически при постоянной температуре, кривая охлаждения сплава претерпевающая аллотропические превращения, аналогична кривой, наблюдаемой при затвердевании жидкого металла (рисунок 2. 11). Температура перехода называется критической точкой превращения. При температуре (Т0) наблюдается фазовое равновесие двух аллотропических разновидностей.

Рисунок 2.11. Термическая кривая для случая аллотропического при охлаждении Рисунок 2.12. Изменение свободной энергии системы при аллотропическом превращении

Аналогично процессу кристаллизации аллотропическое превращение идет с поглощением тепла при нагреве и выделением его при охлаждении. Аллотропическое превращение (также по аналогии с процессом кристаллизации) происходит путем образования зародышей и их последующего роста, в связи с чем оно протекает всегда с наличием переохлаждения (при охлаждении) и перенагрева при нагреве.

Аллотропическое превращение происходит так же как и процесс кристаллизации, в связи со стремлением системы к уменьшению свободной энергии, и поскольку линии, характеризующие изменения свободной энергии в зависимости от температуры, пересекаются при температуре Т0 (рисунок 2.12). При температурах выше Т0 стабильной является b - фаза, при более низкой температуре стабильной оказывается a - фаза, имеющая меньший запас свободной энергии.

В процессах кристаллизации основным препятствием образования твердых кристаллов являются затраты энергии на образование границы раздела фаз. Это вызывает необходимость переохлаждения для начала процесса кристаллизации.

При аллотропическом превращении кроме энергии, затрачиваемой на образование границы раздела фаз, необходимы дополнительные затраты энергии на преодоление упругого сопротивления твердой фазы, связанные с тем, что полиморфные превращения всегда приводят к изменением объема. Поскольку затраты энергии для образования зародышей при аллотропическом превращении больше, чем при кристаллизации из жидкого состояния, то переохлаждение при превращениях в твердом состоянии должны быть гораздо больше, чем при кристаллизации.

Аллотропические превращения могут протекать по двум механизмам:

1. диффузионным (нормальным) путем,

2. бездиффузионным (мартенситным) путем.

В отдельных металлах эти превращения могут протекать как по одному, так и по другому механизму, что будет зависеть от скорости охлаждения.

Диффузионный механизм аллотропического превращения заключается в том, что атомы, располагающиеся в решетке высокотемпературной модификации путем диффузионного перемещения, занимают новые места, характерные для новой аллотропической формы: низкотемпературной модификации.

Следовательно, развитие диффузионного механизма аллотропического превращения наиболее благоприятно при высоких температурах, обеспечивающих большую скорость диффузионного перемещения атомов. Кроме того, если температура превращения настолько высока, что обеспечивает высокую пластичность, то затраты энергии на преодоление упругого сопротивления тела образованию и росту новой фазы, отличающейся от новой фазы удельным объемом становятся меньше, в связи с чем аллотропическое превращение протекает при минимальном переохлаждении. Зародыши новой фазы появляются на границах зерен старой фазы и на других дефектах кристаллов. В дальнейшем происходит рост этих зародышей за счет перехода атомов из старой фазы в новую. Наряду с этим наблюдается продолжение зарождения новых зародышей образующейся фазы.

При переходе металла из одного кристаллографического состояния в другое происходит не только изменение кристаллической структуры, но и имеет место полный процесс фазовой перекристаллизации, при которой на месте старых зерен образуются совершенно новые зерна с новым расположением границ. Причем на месте старого одного зерна могут возникнуть несколько новых или на месте нескольких старых - одно новое зерно.

Этот процесс зависит, главным образом, от скорости охлаждения и степени переохлаждения, которые в основном определяют количество образующихся в единицу времени центров кристаллизации и скорость роста новой фазы. Чем выше скорость охлаждения и выше степени переохлаждения, тем больше количество центов кристаллизации, тем более дисперсными являются зерна новой фазы.

Поскольку аллотропические превращения происходят в твердой среде, наиболее интенсивно процесс фазовой перекристаллизации будет происходить в том случае, если длина диффузных путей будет минимальной. А это означает, что при образовании зародышей должен соблюдаться принцип структурного и размерного соответствия. Он сформулирован С.Т. Конобеевским и заключается в том, что: "форма и ориентировка зародышей новой фазы при кристаллизации должны соответствовать минимуму поверхностной энергии при данном объеме, а минимум поверхностной энергии обеспечивается при максимальном сходстве в расположении атомов на соприкасающихся гранях старой и новой фаз".


 Рисунок 2.13. Близкие по строению плоскости в решетке ОЦК и в ГЦК решетке

Поэтому зарождение новой фазы начинается на плоскостях, которые являются наиболее сходными у обеих кристаллических решеток. Например, при переходе g - Fe в a - Fe наибольшее сходство имеют плоскости в g - Fe и в a - Fe (рисунок 2.13).

Преобразованием плоскостей g в a и направлений [110] g в [111] a во всем объеме металла протекает рассматриваемое аллотропическое превращение. При этом происходит лишь небольшой поворот кристаллографических направлений, при котором обеспечиваются углы 70°30¢ и 54°45¢ соответствующие расположению атомов в объемно-центрированном кубе.

Форма выделений новой фазы в основном определяется упругой энергией, возникающей при выделении. Если при аллотропическом превращении наблюдается большая степень размерного и структурного соответствия кристаллов старой и новой фаз, упругая энергия системы минимальна, а кристаллы новой фазы имеют форму дисков (пластин). Кроме того, на форму выделяющихся кристаллов оказывает влияние степень анизотропии упругих свойств обеих фаз. Если модули упругости возникающей фазы для всех направлений меньше, чем модули переходной фазы, в этом случае форма выделений - диски или пластины. Если модуль новой фазы только для одного из направлений меньше, чем модуль исходной фазы, то может появиться игольчатая форма выделений.

Появление новой фазы с новым удельным объемом может способствовать развитию сопутствующих процессов, таких как наклеп (фазовый) и рекристаллизации. Кроме того, на развитие аллотропии может оказывать влияние наличие примесей, которые могут играть роль дополнительных зародышевых центров. Все эти дополнительные параметры могут оказать влияние на окончательную структуру и свойства металла, претерпевшего аллотропическое превращение. В результате собирательной рекристаллизации, сопутствующей аллотропическому превращению, происходит укрупнение зерна, причем тем больше, чем выше температура нагрева. В случае же нагрева до температур, лежащих выше критической точки, когда происходит образование зерен новой фазы, но не успевает начаться укрупнение зерна, обычно получается очень маленькое зерно.

Бездиффузионный или мартенситный механизм аллотропического превращения осуществляется при низких температурах, при которых диффузия или самодиффузия почти не осуществляется. Это превращение происходит или в металлах с низкой температурой аллотропического перехода или при сильном переохлаждении высокотемпературной аллотропической формы в металлах с высокой температурой превращения. Так у кобальта, у которого Т0 = 420 °С, аллотропическое превращение идет только бездиффузионным путем. В железе, титане, цирконии и других металлах с высокой температурой Т0 при большом переохлаждении превращение идет бездиффузионным путем, а при малом переохлаждении - диффузионным путем. При мартенситном аллотропическом превращении новая фаза образуется путем кооперативного и закономерного перемещения атомов таким образом, что они сохраняют своих соседей и смещаются по отношению один к другому на расстояния, не превышающие междуатомные. Основное предположение мартенситного превращения заключается в том, что в процессе перехода старой фазы в новую сохраняется сопряженность (когерентность) их пространственных решеток. При наличии когерентности двух фаз поверхностная энергия границы очень мала, что способствует интенсивному росту образовавшихся кристаллов.

Упругая энергия сравнительно велика, она все время возрастает в процессе роста кристалла. Это происходит до тех пор, пока не будет превзойден предел упругости в переходной зоне. При этом в ней происходит пластический сдвиг, нарушающий когерентность кристаллических решеток старой и новой фаз. Возникновение некогерентной границы приостанавливает рост данного кристалла мартенситной фазы. Дальнейшее увеличение количества образующейся фазы происходит путем образования новых зародышей и мгновенного их роста. Скорость роста кристаллов при мартенситном превращении очень велика и достигает скорости звука. Скорость образования центров кристаллизации подчиняется общим закономерностям фазовых превращений. При развитии мартенситного механизма аллотропического превращения участки новой фазы располагаются вдоль определенных кристаллографических плоскостей старой фазы и выглядят под микроскопом в виде иголок или пластин. Это является результатом структурного и размерного соответствия, устанавливающегося между решетками старой и новой фаз.

Важной особенностью мартенситного превращения является то, что в изотермических условиях превращения только часть старой фазы переходит в новую. Дальнейшее превращение может протекать только при понижении температуры. Мартенситное превращение происходит в интервале температур. Различают точки Мн и Мк - начало и конец мартенситного превращения. Во многих случаях превращение не доходит до конца даже при очень низких температурах. Установлено, что мартенситное превращение, как и нормальное - диффузионное обратимо. Образование высокотемпературной формы из низкотемпературной при достаточной степени перенагрева может происходить бездиффузионным путем.

Магнитное превращение, наблюдаемое в ферромагнитных материалах, не является обычным фазовым превращением. Оно не связано с перемещением диффузией атомов, а вызывается только изменением взаимодействия магнитно нескомпенсированных d или f - электронов, обусловливающих возникновение ферромагнетизма. Характер изменения магнитных свойств зависит от физической природы металла. Температура потери магнитных свойств, называемая точкой Кюри, не зависит от скорости нагрева или охлаждения. Эта температура постоянна для каждого металла. Для железа она равна 768° С, никеля - 365- 370° С, кобальта - 1050° С.

Читайте также: