Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.

При повышении температуры металла в процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние – возврат и рекристаллизация.

Возврат. Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки.

Процесс частичного разупрочнения и восстановления свойств называется отдыхом (первая стадия возврата). Имеет место при температуре

Т = (0,25... 0,3)Т_пл.

Возврат уменьшает искажение кристаллической решетки, но не влияет на размеры и форму зерен.

Полигонизация – процесс деления зерен на части: фрагменты, полигоны в результате скольжения и переползания дислокаций.

При температурах возврата возможна группировка дислокаций одинаковых знаков в стенки, деление зерна малоугловыми границами (рис. 8.2).

Рисунок 8.2 - Схема полигонизации: а – хаотическое расположение краевых дислокаций в деформированном металле; б – дислокационные стенки после полигонизации.

В полигонизированном состоянии кристалл обладает меньшей энергией, поэтому образование полигонов — процесс энергетически выгодный. В результате понижается прочность на (10…15) % и повышается пластичность (рис. 8.3). Изменений в микроструктуре не наблюдается (рис. 8.4 а).

Рисунок 8.3 - Влияние нагрева деформированного металла на механические свойств

Рисунок 8.4 - Изменение структуры деформированного металла при нагреве

При нагреве до достаточно высоких температур подвижность атомов возрастает и происходит рекристаллизация.

Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.

Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности. Также снижается электросопротивление и повышается теплопроводность.

1 стадия – первичная рекристаллизация заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен.

2 стадия – собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен.

Движущей силой является поверхностная энергия зерен. При мелких зернах поверхность раздела большая, поэтому имеется большой запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние.

Температура начала рекристаллизации связана с температурой плавления Т_рек = αТ_пл, для металлов α = 0,4; для твердых растворов α = 0,5... 0,8.

На свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации.

С повышением температуры происходит укрупнение зерен, с увеличением времени выдержки зерна также укрупняются. Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации 3…10 %. Такую деформацию называют критической. Такая деформация нежелательна перед проведением рекристаллизационного отжига.

Практически рекристаллизационный отжиг проводят для малоуглеродистых сталей при температуре 600…700 °С, для латуней и бронз – 560…700 °С, для алюминевых сплавов – 350…450 °С, для титановых сплавов – 550…750 °С.

Лекция 9.

Железоуглеродистые сплавы. Диаграмма состояния железо – углерод. Структуры железоуглеродистых сплавов. Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов. Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов.

Диаграмма состояния железо – углерод.

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники.

Начало изучению диаграммы железо – углерод положил Чернов Д.К. в 1868 году. Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода.

Диаграмма железо - углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит - Fe₃C. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму - по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 5 %, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего 6.67% углерода.

Диаграмма состояния железо – цементит представлена на рисунке 9.1.

Рисунок 9.1 - Диаграмма состояния железо - цементит

Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов.

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539 °С± 5 °С.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911° С и 1392° С. При температуре ниже 911° С существует Fe_α с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392° С устойчивым является Fe_γ с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392° С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется Fe_δ или высокотемпературное Fe_α. Высокотемпературная модификация Fe_α не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911° С превращения Fe_α ↔ Fe_γ обозначают точкой A₃, а температуру 1392° С превращения Fe_α ↔ Fe_γ - точкой А₄.

При температуре ниже 768^o С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768° С обозначается А₂.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – σ_в = 250 МПа, предел текучести – σ _т = 120 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – δ = 50%, а относительное сужение – ψ = 80%). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 °С, плотность – 2,5 г/см³) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 °С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

3. Цементит (Fe₃C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (~1550 °С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217 ° С.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую пластичность.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит (Ф) Fe_α (C) – твердый раствор внедрения углерода в α-железо.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную ~ 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727^o С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392^o С существует высокотемпературный феррит (δ), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499^o С (точка J)

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердостьσ– 130 НВ, предел прочности – σ_в = 300 МПа) и пластичен (относительное удлинение – δ = 30%), магнитен до 768 °С.

3. Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железо.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727° С (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147° С (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение — δ = 40... 50%), парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4. Цементит – характеристика дана выше.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (Ц_I), цементит вторичный (Ц_II), цементит третичный (Ц_III). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов.

Линия АВСD – ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита (δ), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного.

Линия AHJECF – линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита (δ). На линии HJB при постоянной температуре 1499°С идет перетектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (δ), в результате чего образуется аустенит:

L+Ф(δ) → А

На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147°С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного:

L_4,3 → эвт.(А+Ц_I)

Эвтектика системы железо — цементит называется ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3% углерода.

При температуре ниже 727°С в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит, его называют ледебурит перлитный (Л_П).

По линии HN начинается превращение феррита (δ) в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии NJ превращение феррита (δ) в аустенит заканчивается.

По линии GS превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.

По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры.

По линии МО при постоянной температуре 768°С имеют место магнитные превращения.

По линии PSK при постоянной температуре 727°С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8% углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного:

А_0,8 →эвт.(Ф+Ц_II)

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии.

Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П), содержит 0,8% углерода.

Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск.

Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования.

По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.

Обозначаются буквой А (от французского arret – остановка):

А₁ – линия PSK (727°С) – превращение П ↔А;

A₂ – линия MO (768°С, т. Кюри) – магнитные превращения;

A₃ – линия GOS (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) — превращение Ф ↔А;

A₄ – линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) — превращение; А↔Ф(δ)

Acm – линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – начало выделения цементита вторичного (иногда обозначается A₃).

Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е А_с1, при охлаждении – букву r, т. е. A_r1.

Структуры железоуглеродистых сплавов

Все сплавы системы железо – цементит по структурному признаку делят на две большие группы: стали и чугуны.

Особую группу составляют сплавы с содержанием углерода менее 0,02% (точка Р), их называют техническое железо. Структура таких сплавов после окончания кристаллизации состоит или из зерен феррита, при содержании углерода менее 0,005 %, или из зерен феррита и кристаллов цементита третичного, расположенных по границам зерен феррита, если содержание углерода от 0,005 до 0,02 %.

Углеродистыми сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие 0,02…2,14 % углерода, заканчивающие кристаллизацию образованием аустенита.

Структура сталей формируется в результате перекристаллизации аустенита. Микроструктуры сталей представлены на рисунке 9.2.

Рисунок 9.2 - Микроструктуры сталей: а – доэвтектоидная сталь (Ф+П); б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь (П+Ц_II).

По содержанию углерода и по структуре стали подразделяются на доэвтектоидные (0.2%<C<0.8%), структура феррит + перлит Ф+П (рис. 9.2 а); эвтектоидные (С = 0,8%), структура перлит (П), перлит может быть пластинчатый или зернистый (Рисунок 9.2 б и 9.2 в); заэвтектоидные (0,8%<C<2.14%), структура перлит + цементит вторичный (П + Ц_II), цементитная сетка располагается вокруг зерен перлита.

По микроструктуре сплавов можно приблизительно определить количество углерода в составе сплава, учитывая следующее: количество углерода в перлите составляет 0,8 %, в цементите – 6,67 %. Ввиду малой ратворимости углерода в феррите, принимается, что в нем углерода нет.

Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14 % (до 6,67 %), заканчивающие кристаллизацию образованием эвтектики (ледебурита), называют чугунами.

Наличие легкоплавкого ледебурита в структуре чугунов повышает их литейные свойства.

Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо – цементит, отличаются высокой хрупкостью. Цвет их излома – серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми чугунами.

Микроструктуры белых чугунов представлены на рисунке 9.3.

Рисунок 9.3 – Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектический белый чугун(П+Л+Ц_II); б – эвтектический белый чугун (Л); в – заэвтектический белый чугун (Л+Ц_I).

По количеству углерода и по структуре белые чугуны подразделяются на: доэвтектические >(2/14%<C<4.3%), структура перлит + ледебурит + цементит вторичный (П+Л+Ц_II); эвтектические (C=4.3%), структура ледебурит (Л) (рис. 9.3 б); заэвтектические (4.3%<C<6.67%), структура ледебурит + цементит первичный (Л+Ц_I) (рис. 9.3 в).

В структуре доэвтектических белых чугунов присутствует цементит вторичный, который образуется в результате изменения состава аустенита при охлаждении (по линии ES). В структуре цементит вторичный сливается с цементитом, входящим в состав ледебурита.

Дата добавления: 2013-12-13