Кристаллическое строение металлов

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Конспект лекций

 

 

Челябинск

Издательство ЮУрГУ

УДК 620.22(075.8)

Г82

 

 

Одобрено

учебно-методической комиссией энергетического факультета

Рецензенты:

Б.К. Сеничкин, В.М. Мустакимова

 

 

Г82	Грибанов, А.И. Материаловедение: конспект лекций/ А.И. Грибанов. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. – 71 с.
	ISBN
	В конспекте лекций рассмотрены кристаллическое строение металлов, процессы кристаллизации, пластической деформации, рекристаллизации и диаграммы состояний. Приведены данные о составе и свойствах чугунов и сталей. Описаны основные виды термической обработки. Рассмотрены виды, структура и свойства огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Конспект лекций предназначен для студентов заочной формы обучения специальности «Промышленная теплоэнергетика», изучающих дисциплину «Материаловедение».
	УДК 620.22(075.8)
ISBN	Ó Издательство ЮУрГУ, 2008.

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение – наука, изучающая металлические и неметаллические материалы, применяемые в технике, и объективные зависимости их свойств от химического состава, строения (структуры) и способа обработки.

Решение многих технических проблем, связанных с уменьшением массы машин и приборов, повышением их надёжности и работоспособности во многом зависит от развития материаловедения. Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии. Но материаловедение развивается в основном экспериментально. Поэтому разработка новых методов исследования строения и физико-механических свойств материалов способствует развитию материаловедения.

Значительный вклад в развитие науки о материалах внесли русские и советские учёные. П.П. Аносов (1799–1851 гг.) установил связь между строением стали и её свойствами. Д.К. Чернов (1839–1921 гг.) открыл полиморфизм стали. Н.С. Курнаков (1860–1941 гг.) занимался разработкой методов физико-химического исследования и классификацией сложных фаз в металлических сплавах.

Большой вклад в развитие материаловедения внесли зарубежные учёные: А. Ле-Шателье (Франция), Р. Аустен (Англия), М. Лауэ и П. Дебай (Германия) и др.

 

 

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

 

Общая характеристика и структурные методы исследования металлов

 

Существуют две разновидности твёрдых тел, отличающиеся своими свойствами, кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела при нагреве остаются твёрдыми до вполне определённой температуры. У них переход из твёрдого состояния в жидкое и наоборот происходит при температуре плавления или кристаллизации.

Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идёт в обратном направлении.

Различие в свойствах кристаллических и аморфных тел объясняется различием их атомно-кристаллического строения. В аморфных телах атомы, как в твёрдом состоянии, так и в жидком в пространстве располагаются хаотично. В этих телах может быть только «ближний» порядок, то есть только на небольших участках наблюдается закономерность расположения атомов. В кристаллических телах в твёрдом состоянии атомы располагаются упорядоченно во всём объёме, то есть существует «дальний» порядок.

В зависимости от применяемых методов изучения строения материалов и размеров структурных составляющих различают: макроструктуру, микроструктуру и субструктуру (тонкую структуру).

Макроструктура – строение металла или сплава, видимое невооружённым глазом или при небольших увеличениях (с помощью лупы).

Микроструктура – строение металла или сплава, выявленное с помощью оптического или электронного микроскопа (увеличение до двух тысяч раз в оптических и до 10⁵…10⁶ раз – в электронных).

Субструктура описывает расположение элементарных частиц в кристалле и электронов в атомах. Изучается дифракционными методами (рентгенография, электронография, нейтронография) [1].

 

Дефекты кристаллического строения

В реальных кристаллах нет идеально правильного расположения атомов во всём объёме кристалла. Всегда имеются нарушения правильности расположения атомов. Эти нарушения называются дефектами кристаллического строения (ДКС). Они делятся на: 1) точечные; 2) линейные; 3) поверхностные.

Точечные дефекты

Размеры точечного дефекта близки к межатомному расстоянию. К точечным дефектам относятся вакансии и межузельные атомы. Вакансиями называют узлы кристаллической решётки, в которых отсутствуют атомы. Межузельным называется атом, расположенный между узлами кристаллической решётки (рис. 1.4).

 

а) б) в)

 

Рис. 1.4. Точечные дефекты:

а – вакансия; б – схема перемещения вакансии по кристаллу;

в – межузельный атом

 

Вакансии чаще всего образуются при переходе атомов из узла решётки на поверхность и реже в результате их перехода в междоузлие. Точечные дефекты возникают в результате теплового движения атомов. При любой температуре всегда имеются атомы, у которых кинетическая энергия больше среднего для данной температуры значения. Эти атомы могут преодолеть потенциальный барьер, создаваемый соседними атомами, и выйти из своего узла на поверхность или в междоузлие. В плотноупакованных решётках вакансий гораздо больше, чем межузельных атомов. Вакансии легко перемещаются по кристаллу. Чем выше температура, тем больше количество вакансий и меньше время нахождения их в одном узле решётки. При температуре, близкой к температуре плавления (t_пл), количество вакансий может достигнуть ~1 % по отношению к числу атомов в кристалле. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решётки [2].

Линейные дефекты

Основным видом линейных ДКС являются дислокации. Они бывают краевые и винтовые.

Мысленно надрежем идеальный кристалл и в образовавшуюся щель вставим дополнительную атомную полуплоскость (экстраплоскость). Такой «клин» искажает кристаллическую решетку. Это искажение особенно значительно у края экстраплоскости. Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости называют краевой дислока цией (рис. 1.5).

 

а) б)

 

Рис. 1.5. Краевая дислокация (а) и расположение атомов

в области дислокации (б)

 

Вокруг дислокации решётка упруго искажена. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают , если в нижней – то отрицательной и обозначают . В поперечном сечении кристалла нарушение в правильности расположения атомов, вызванные дислокацией, распространяются на несколько периодов решётки, а в направлении, перпендикулярном сечению, на многие тысячи межатомных расстояний.

Дислокации при приложении небольшого касательного усилия легко перемещаются. Экстраплоскость в результате незначительного смещения перейдёт в полную плоскость кристалла, а её функции будет выполнять соседняя плоскость. Дислокации одинакового знака отталкиваются, а разного знака притягиваются. Дислокации возникают в процессе кристаллизации, пластической деформации и т.п. Они оказывают большое влияние на свойства металлов [2].

Плотностью дислокаций называют суммарную длину дислокаций S l в единице объёма V:

, см^–2.

У отожженных металлов r =10⁶…10⁸ см^–2. После большой холодной пластической деформации r =10¹¹…10¹² см^–2. Попытка увеличить плотность дислокаций свыше 10¹¹…10¹² см^–2 приводит к появлению трещин и разрушению металла.

Особенно велико влияние дислокаций на прочность металлов. При значительном увеличении плотности дислокаций и уменьшении их подвижности прочность увеличивается в несколько раз по сравнению с отожженными металлами [3].

Поверхностные дефекты

К поверхностным ДКС относятся: 1) границы зёрен; 2) границы субзёрен.

Поликристалл содержит огромное число мелких зёрен. Границы зёрен представляют собой переходную область, в которой кристаллическая решётка одного зерна с определённой ориентировкой в пространстве плавно переходит в решётку другого зерна с иной ориентировкой (рис. 1.6, а).

 

 

а) б)

 

Рис. 1.6. Поверхностные дефекты:

а – большеугловая граница (q – угол разориентировки);

б – малоугловая граница

 

Граница между зёрнами имеет ширину 1…5 нм. На границе нарушена правильность расположения атомов. Границы зёрен называют большеугловыми, так как кристаллографические направления в соседних зёрнах образуют углы (q), достигающие десятков градусов.

Каждое зерно металла состоит из отдельных блоков или субзёрен. Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения, в которой отсутствуют дислокации. Малоугловая граница между субзёрнами представляет собой стенку дислокаций (рис. 1.6, б).

Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства металлов. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения.

Строение сплавов

Сплавы – материалы, содержащие не менее двух элементов. Сплавы получают в результате сплавления, спекания, плазменного напыления, электролиза и т.п. Они имеют более сложное строение. В славах элементы могут по-разному взаимодействовать между собой, образуя различные фазы. Фазой называется однородная обособленная часть сплава, имеющая одинаковый состав, строение и свойства.

В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия могут образовываться следующие фазы: 1) жидкие растворы; 2) твёрдые растворы; 3) химические соединения; 4) промежуточные фазы, которые имеют признаки как твердых растворов, так и химических соединений.

Твёрдыми растворами называют фазы, в которых атомы одного элемента располагаются внутри кристаллической решётки другого элемента, не изменяя типа кристаллической решётки. Элемент, решётка которого сохраняется в твёрдом растворе, называется растворителем, а другой – растворимым.

Различают твёрдые растворы замещения (рис. 1.7, а) и внедрения (1.7, б). При образовании твёрдых растворов замещения атомы растворённого элемента замещают часть атомов растворителя в узлах его кристаллической решётки.

 

а) б)

 

Рис. 1.7. Схема твёрдого раствора замещения (а) и внедрения (б)

 

Атомы растворённого элемента могут замещать любые узлы решётки растворителя. Твёрдые растворы замещения образуют элементы, атомные радиусы которых отличаются не более чем на 15 %.

Растворимость элементов в твёрдом растворе уменьшается при увеличении различия в атомных радиусах сплавляемых элементов и их валентности. При образовании твёрдых растворов замещения возможна и неограниченная растворимость. Это происходит, когда при любом соотношении сплавляемых элементов все разнородные атомы размещаются в узлах общей пространственной решётки (например: медь с золотом, медь с никелем, германий с кремнием.)

Многие твёрдые растворы замещения могут находиться в упорядоченном состоянии, то есть атомы растворителя и растворённого элемента занимают определённые узлы кристаллической решётки. Такие растворы называют упорядоченными или «сверхструктурами».

В твёрдых растворах внедрения атомы растворенного элемента располагаются в междуузлиях, то есть в порах. Такие растворы образуют переходные металлы с неметаллами, имеющими небольшой атомный радиус (Н, N, C, B).

Твёрдые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость. Если растворитель имеет ГЦК или ГПУ решётку, то растворимость больше, так как в этих решётках радиус поры = 0,41 R, где R – радиус атома растворителя. В ОЦК решётке растворимость путём внедрения мала, так как размер пор не превосходит 0,29R.

Образование твёрдых растворов приводит к искажению кристаллической решётки, причем для твёрдых растворов внедрения это искажение больше. Искажение кристаллической решётки делает сплавы более прочными по сравнению с чистыми металлами, но при этом сплавы сохраняют достаточно высокую пластичность. Твёрдые растворы являются основой большинства промышленных сплавов [3].

Химические соединения

Химические соединения, встречающиеся в металлических сплавах, очень разнообразны. Они отличаются от твёрдых растворов следующими признаками: 1) имеют строго определённый состав и химическую формулу A _m B _n, где А и В – соответствующие элементы, n и m – простые числа; 2) кристаллическая решётка химического соединения отличается от решёток компонентов, образующих соединения; 3) свойства химических соединений сильно отличаются от свойств образующих элементов; 4) они имеют постоянную температуру плавления; 5) образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

В отличие от твёрдых растворов химические соединения обычно образуются между элементами, которые имеют большое различие в строении атомов и кристаллических решёток.

Наилучшие механические свойства имеют те сплавы, основой которых являются твёрдые растворы с залегающими в них мелкодисперсными твердыми частицами химических соединений или промежуточных фаз. Чем больше в сплаве таких частиц, тем выше его твёрдость и прочность, но ниже пластичность и вязкость.

 

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

 

Переход металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. При кристаллизации система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией. Изменение свободных энергий жидкого F_ж и твердого F_тв металла зависит от температуры (рис. 2.1).

Выше температуры Т ₀ более устойчив жидкий металл. Он имеет меньший запас свободной энергии, а ниже этой температуры более устойчив твердый металл. Температуру Т ₀ называют равновесной температурой кристаллизации. При этой температуре одновременно могут сосуществовать жидкая и твердая фаза.

Рис. 2.1. Изменение свободных энергий F жидкого и твёрдого

металла с температурой

 

Процесс кристаллизации при этой температуре еще не начинается. Он может протекать только при переохлаждении металла ниже Т ₀. Разность между температурами Т ₀ и Т_к называется степенью переохлаждения

D Т = Т ₀ – Т_к.

Кривые охлаждения, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью, показаны на рис. 2.2.

 

Рис. 2.2. Кривые охлаждения металла

при кристаллизации.

Скорости охлаждения n ₁< n ₂< n ₃

При очень медленном охлаждении степень переохлаждения D Т небольшая и процесс кристаллизации протекает при температуре, близкой к равновесной Т ₀. С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает. При затвердевании очень чистых металлов степень переохлаждения может быть большой, но для технически чистых она не превышает 10…30 °С.

При температуре кристаллизации наблюдается горизонтальная площадка (остановка падения температуры). Образование ее объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации.

Процесс кристаллизации начинается с образования внутри жидкой фазы кристаллических зародышей, которые являются центрами кристаллизации. Затем происходит рост зародышей.

Чаще всего в процессе кристаллизации образуются разветвленные (древовидные) кристаллы, получившие название дендритов. При образовании кристаллов их развитие идет в направлении, перпендикулярном к плоскостям с максимальной плотностью упаковки атомов. Сначала образуются длинные ветви, которые называют осями первого порядка. Одновременно с удлинением осей первого порядка перпендикулярно к ним начинают расти оси второго порядка. На осях второго порядка растут оси третьего порядка и т.д. В последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендритов (рис. 2.3).

Дендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся друг с другом. Затем заполняются межосные пространства. Дендриты превращаются в кристаллы неправильной формы, которые называют кристаллитами или зернами.

 

а) б)

 

Рис. 2.3. Схема строения дентдрита (а) и вид дендритной структуры на шлифе (б)

 

Кристаллизация характеризуется двумя параметрами: ЧЦ – число зародышевых центров, которые возникли в единице объема жидкого металла за единицу времени; СР – скорость роста, то есть путь, проходимый растущей гранью кристалла за единицу времени.

Зародыши могут образовываться как в определенных объемах жидкости, так и на посторонних твердых частицах, присутствующих в жидком металле.

Первый способ образования зародышевых центров называется самопроизвольным, а второй – несамопроизвольным.

В жидком состоянии атомы беспорядочно перемещаются вследствие теплового движения. Но в жидкости есть небольшие группировки атомов с таким расположением, как в решетке кристалла. Эти группировки неустойчивы – они распадаются и появляются снова. При переохлаждении наиболее крупные из них становятся устойчивыми и способными к росту. Эти группировки являются зародышевыми центрами при самопроизвольной кристаллизации. Но самопроизвольное зарождение кристаллов в жидком металле затруднено.

Чаще зародышевые центры образуются на посторонних твердых частицах, присутствующих в жидком металле.

Размер зерен при затвердевании определяется соотношением количества возникающих зародышей и скорости их роста. Чем больше ЧЦ и меньше СР, тем мельче образовавшиеся кристаллы. Оба параметра связаны с перемещением атомов и поэтому зависят от температуры.

При небольших степенях переохлаждения количество зародышевых центров мало. В результате затвердевания формируется крупнозернистая структура. С увеличением степени переохлаждения число зародышевых центров растет более интенсивно по сравнению со скоростью роста. Поэтому получаются более мелкие кристаллы. Следовательно, чем больше скорость охлаждения при кристаллизации, тем мельче получается зерно. Для получения мелкого зерна в жидкий металл часто вводят специальные примеси. Этот процесс называют модифицированием [1].

 

Разрушение металлов

 

Разрушение – это процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части.

Разрушение может быть хрупким или вязким. Механизм зарождения трещин одинаков при хрупком и вязком разрушении. Чаще всего микротрещина возникает из-за скопления дислокаций перед препятствием (границы зёрен, всевозможные включения и т.д.).

При своем росте трещина окаймлена узкой зоной пластической деформации. На создание этой зоны затрачивается дополнительная энергия (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Схема образования трещин

 

Вязкое и хрупкое разрушение различаются между собой размерами этой зоны. При вязком разрушении размеры этой зоны больше и на её образование затрачивается много энергии. Поэтому скорость распространения трещины небольшая. При хрупком разрушении зона пластической деформации небольшая и скорость распространения трещины достигает 2500 м/с. Поэтому хрупкое разрушение называют «внезапным» или «катастрофическим» разрушением.

С точки зрения микроструктуры разрушение может быть транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она происходит по границам зёрен. При распространении трещины по телу зерна может происходить как вязкое, так и хрупкое разрушение. Межзеренное разрушение всегда является хрупким [2]. Хрупкое и вязкое разрушения имеют различные изломы. После хрупкого разрушения излом кристаллический блестящий. Вязкое разрушение, как было отмечено выше, происходит после значительной пластической деформации, которая искажает форму зерен. Поэтому излом – волокнистый матовый.

Хрупкому разрушению способствуют следующие основные факторы: 1) понижение температуры; 2) повышение скорости деформации; 3) концентраторы напряжений; 4) структурные факторы (размер зерна, выделение хрупких фаз по границам зёрен и т.д.); 5) повышение прочности, как правило, увеличивает склонность к хрупкому разрушению; 6) размеры изделия, чем они больше, тем больше вероятность хрупкого разрушения.

Понижение температуры обуславливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление называется хладноломкостью. Интервал температур, в котором происходит переход от вязкого разрушения к хрупкому, называют порогом хладноломкости.

Для определения порога хладноломкости проводят сериальные испытания на ударную вязкость. Температура, при которой работают изделия из металлов, должна значительно превышать порог хладноломкости.

 

ДЕФОРМИРОВАННОГО МЕТАЛЛА

Возврат и полигонизация

Деформированный металл обладает повышенной энергией и поэтому термодинамически неустойчив. В таком металле протекают диффузионные превращения, приводящие его в более устойчивое состояние. При комнатной температуре они происходят очень медленно, но с повышением температуры ускоряются.

При нагреве до сравнительно низких температур (ниже 0,2…0,3 Т_пл) начинается процесс возврата. Возвратом называют изменение тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, то есть форма и размеры зёрен при возврате не изменяются.

В процессе возврата различают две стадии. При более низких температурах (ниже 0,2 Т_пл) протекает первая стадия, которую называют отдыхом. При отдыхе происходят уменьшение количества точечных дефектов, в основном вакансий, и небольшая перегруппировка дислокаций.

Вторая стадия возврата – полигонизация. При полигонизации в пределах каждого зерна образуются новые малоугловые границы. Они возникают в результате перемещения дислокаций. В результате зерно делится на субзёрна – полигоны, которые свободны от дислокаций. Полигонизация происходит не всегда и наблюдается при нагреве до более высоких температур (0,25…0,3 Т_пл).

 

Рекристаллизация

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зёрен с меньшим количеством дефектов кристаллического строения. В результате рекристаллизации вместо деформированных зёрен образуются новые, равноосные зёрна.

Рекристаллизация происходит при более высоких температурах и состоит из трёх стадий: 1) первичная (обработки); 2) собирательная; 3) вторичная.

При первичной рекристаллизации происходит возникновение зародышевых центров (зародышей). Из них начинается рост новых зёрен с меньшим количеством дефектов кристаллического строения. Зародыши новых зёрен возникают в тех участках старых деформированных зёрен, где кристаллическая решётка наиболее сильно искажена, то есть главным образом на границах зёрен. В дальнейшем эти зародыши растут за счёт диффузии к ним атомов деформированных зёрен. Первичная рекристаллизация заканчивается тогда, когда полностью исчезают старые деформированные зёрна (рис. 4.1).

Наименьшая температура нагрева, при которой зарождаются новые зёрна, называется температурой рекристаллизации (Т_рек). Она зависит от многих факторов. С увеличением степени деформации Т_рек понижается.

Если металлы подвергаются значительной деформации, то для технически чистых металлов Т_рек»0,4 Т_пл, для чистых металлов Т_рек»0,1…0,2 Т_пл, а для твёрдых растворов Т_рек»0,5…0,6 Т_пл.

 

а) б) в) г)

 

Рис. 4.1. Изменение микроструктуры деформированного металла при нагреве:

а – деформированный металл; б – начало первичной рекристаллизации

(стрелками показаны появившиеся рекристаллизованные зёрна);

в – завершение первичной рекристаллизации;

г – развитие собирательной рекристаллизации

 

Первичная рекристаллизация полностью снимает наклёп, то есть прочностные свойства деформированного металла снижаются, а пластические повышаются. В результате свойства металла становятся примерно такими, какими они были до деформации.

После завершения первичной рекристаллизации при дальнейшем нагреве металла происходит рост одних рекристаллизованных зёрен за счёт других. Этот процесс называют собирательной рекристаллизацией. Собирательная рекристаллизация связана с тем, что увеличение зёрен уменьшает свободную энергию металла за счёт уменьшения поверхностной энергии. Чем крупнее зёрна, тем меньше суммарная поверхность границ. Рост зёрен происходит за счёт перехода атомов одного зерна через границу к другому. В результате одни зёрна исчезают, а другие становятся более крупными. С повышением температуры скорость роста зёрен увеличивается. Для разных зёрен скорость роста различна, но соизмерима между собой. Поэтому большого отличия в размерах зёрен после собирательной рекристаллизации не наблюдается [2].

В отличие от первичной, собирательная рекристаллизация не связана с пластической деформацией. Она происходит при нагреве любого металла, в том числе и недеформированного.

В некоторых случаях происходит вторичная рекристаллизация. При вторичной рекристаллизации также происходит рост одних зёрен за счёт других. Но небольшое количество зёрен растёт с несоизмеримо бόльшей скоростью по сравнению с остальными. В результате вторичной рекристаллизации образуется множество относительно мелких зёрен и небольшое число очень крупных.

После вторичной рекристаллизации наблюдается сильная разнозернистость, которая способствует снижению механических свойств металлов.

ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

Железо

Железо – металл сероватого цвета. Атомный номер 26. Чистое железо содержит 99,999 % Fe, технические сорта 99,8…99,9 %. Температура плавления железа 1539 °С. Железо является полиморфным металлом.

До 911 °С – кристаллическая решётка ОЦК (Fe _α),

911…1392 °С – кристаллическая решётка ГЦК (Fe _γ),

1392…1539 – кристаллическая решётка ОЦК (Fe _α,Fe _δ).

До температуры 768 °С α -железо ферромагнитно, выше парамагнитно. Температуру 768 °С, при которой происходит переход от ферромагнитного состояния к парамагнитному, называют точкой Кюри и обозначают А₂ . Плотность α- железа – 7,68 г/см³ .

Критическую точку перехода α γ при температуре 911 °С обозначают при нагреве Ас₃, а при охлаждении Аr₃ . Критическую точку перехода γ α при температуре 1392 °С обозначают при нагреве Ас₄, а при охлаждении Аr₄.

Железо, как и другие чистые металлы, обладает низкой твёрдостью и прочностью, но высокой пластичностью и вязкостью. Железо со многими элементами образует твёрдые растворы, причём с металлами – твёрдые растворы замещения, с неметаллами, в том числе с углеродом, – твёрдые растворы внедрения.

Твёрдый раствор внедрения углерода в α -железе называют ферритом. Он имеет ОЦК решётку.

Твёрдый раствор внедрения углерода в γ -железе называют аустенитом. Он имеет ГЦК решётку.

Растворимость углерода в γ -железе больше, чем в α -железе.

Углерод

Углерод – неметаллический элемент с атомным номером 6. Плотность углерода 2,5 г/см³. Температура плавления ~3500 °С. Углерод имеет две модификации: графит и алмаз. Графит имеет слоистую гексагональную решётку. Он очень мягок, имеет металлический блеск и низкое электросопротивление.

Железо с углеродом образует три химических соединения: 1) Fe₃С (6,67 % С, остальное Fe). Это химическое соединение – карбид железа называется цементит; 2) Fe₂С (9,68 % С, остальное Fe); 3) FeС (21, 5% С, остальное Fe) (рис. 5.2.).

 

Рис. 5.2. Диаграмма состояния Fe–С

 

Диаграммы состояний, в которых имеются химические соединения, можно разбить на несколько самостоятельных диаграмм, считая эти соединения компонентами этих диаграмм.

Следовательно, диаграмму Fe–C можно разбить на четыре части: 1) Fe–Fe₃C; 2) Fe₃C–Fe₂C; 3) Fe₂C–FeC; 4) FeC–С.

Так как в промышленности в основном применяют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до ~5 %, то наибольший интерес представляет первая диаграмма Fe–Fe₃C (железо–цементит).

Цементит

Цементит – химическое соединение железа с углеродом. Содержит 6,67 % С. Цементит имеет сложную ромбическую решётку. Температура плавления цементита точно не определена из-за его распада при нагреве (t_пл»1252 °С). Цементит слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при температуре 210 °С. Он имеет высокую твёрдость и хрупкость. В цементите могут растворяться другие элементы. Такой цементит называют легированным. Цементит является неустойчивым химическим соединением и может разлагаться на железо и углерод. Это процесс называется графитизацией.

 

5.2. Диаграмма состояния железо-цементит (Fe–Fe₃C)

(метастабильное равновесие)

На диаграмме состояния Fe–Fe₃C даны фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (рис. 5.3).

 

 

Рис. 5.3. Диаграмма состояния Fe–Fe₃C

 

Точка А (1539 °С) соответствует температуре плавления железа, а точка D (1252 °С) – температуре плавления цементита. Точки N (1392 °С) и G (911°С) соответствуют полиморфным превращениям железа (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Характерные точки диаграммы состояния Fe–Fe₃C

 

Обозначение точки	Температура, °С	Концентрация углерода, %	Обозначение точки	Температура, °С	Концентрация углерода, %
A			E		2,14
N			C		4,3
D		6,67	F		6,67
H		0,1	G
J		0,16	P		0,02
B		0,51	S		0,8
–	–	–	K		6,67

 

Принято следующее обозначение фаз на диаграмме:

1) неограниченный жидкий раствор углерода в железе – L, Ж.

2) аустенит – Fe _γ (С), γ, А.

3) феррит – Fe _α (С), α, Ф.

4) цементит – Fe₃C, Ц.

Геометрическое место точек, соответствующих началу кристаллизации всех сплавов, называется лúквидус (линия ABCD) (см. рис. 5.3.).

Геометрическое место точек, соответствующих концу кристаллизации всех сплавов, называется сóлидус (линия AHJECF) (см. рис. 5.3).

Для того, чтобы определить, какие фазы находятся в равновесии в двухфазных областях диаграммы, необходимо через любую точку внутри этой области провести горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими эту область на диаграмме. Тогда точки пересечения покажут фазы, находящиеся в этой области. Эту горизонтальную линию называют конóдой (bd) (см. рис. 5.3.).

При анализе диаграмм состояний применяют несколько правил, в том числе:

1) правило концентраций.

Оно служит для определения химического состава, то есть концентраций фаз в двухфазных областях диаграммы. Для определения концентраций фаз нужно через заданную точку данной области провести коноду. Проекции концов коноды на ось концентраций покажут химический состав этих фаз.

Точка b ₁ покажет химический состав аустенита (А) в точке а (см. рис. 5.3.).

Точка d ₁ покажет химический состав жидкой фазы (Ж) в точке а (см. рис. 5.3.).

2) правило рычага (правило отрезков).

Служит для определения количественного соотношения фаз в двухфазных областях диаграммы состояния.

Через заданную точку диаграммы также необходимо провести коноду.

Обозначим: Q – количество сплава; Q_Ж – количество жидкой фазы; Q_А – количество аустенита.

Тогда справедливо , (см. рис. 5.3).

Приняв значение Q =1 или Q =100 % и измерив величины соответствующих отрезков на диаграмме состояния, можно определить значения Q_Ж и Q_А в долях от единицы или процентах.

На диаграмме имеются три горизонтальные линии, на которых происходят особые превращения.

а) Линия HJB (1499 °С) – перитектическое превращение.

Перитектическим называют такое превращение, когда жидкая фаза вступает во взаимодействие с ранее образовавшейся из неё твёрдой фазой, в результате чего образуется новая твёрдая фаза.

Ж_В + Ф_Н → А_J.

Это превращение происходит при постоянной температуре 1499 °С и постоянных концентрациях фаз.

б) Линия ECF (1147 °С) – эвтектическое превращение.

Эвтектическим называют такое превращение, когда из одной жидкой фазы одновременно кристаллизуется две твёрдые фазы.

Ж_С → А_Е +Ц_F.

Это превращение также происходит при постоянной температуре и строго определённой концентрации фаз. Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом (Л), А_Е+Ц_F=Л.

Ледебурит – это не фаза, а структурная составляющая, содержащая две фазы.

Под структурными составляющими понимают обособленные части сплава, имеющие при микроструктурном исследовании своё строение с присущими им характерными особенностями.

в) Линия PSK (727 °С) – эвтектоидное превращение.

Эвтектоидным называют такое превращение, когда из одной твёрдой фазы одновременно образуется две новые твёрдые фазы.

А_S → Ф_Р+Ц_К.

Это превращение также происходит при постоянной температуре и постоянной концентрации фаз.

Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом (П), Ф_Р+Ц_К=П. Перлит также, как и ледебурит, не фаза, а структурная составляющая.

Сплавы железа с углеродом, в которых со