 |
Определение микроструктуры и фазового состава сплавов различных систем
|
|
|
|
Особенности строения механических смесей, твердых растворов, химических соединений
Строение металлического сплава зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. При образовании сплавов в процессе их затвердевания возможно различное взаимодействие компонентов.
В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:
1) механические смеси;
2) химические соединения;
3) твердые растворы.
Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.
Сплавы механические смеси образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов входящих в него компонентов (рис. 38). В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов.
Рис. 38. Схема микроструктуры механической смеси
Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.
Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между компонентами могут изменяться. Они являются кристаллическими веществами.
Рис. 39. Схема микроструктуры твердого раствора
Характерной особенностью твердых растворов является наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов при сохранении типа решетки растворителя.
|
|
|
Твердый раствор состоит из однородных зерен (рис. 39).
В сплавах в твердых состояниях имеют место процессы перекристаллизации, обусловленные аллотропическими превращениями компонентов сплава, распадом твердых растворов, выделением из твердых растворов вторичных фаз, когда растворимость компонентов в твердом состоянии меняется с изменением температуры.
Превращения перекристаллизации называют фазовыми превращениями в твердом состоянии.
При перекристаллизации в твердом состоянии образуются центры кристаллизации и происходит их рост.
Обычно центры кристаллизации возникают по границам зерен старой фазы, где решетка имеет наиболее дефектное строение, и где имеются примеси, которые могут стать центрами новых кристаллов. У старой и новой фазы, в течение некоторого времени, имеются общие плоскости. Такая связь решеток называется когерентной связью. В случае различия строения старой и новой фаз превращение протекает с образованием промежуточных фаз.
Текстура деформации.
Пластическая деформация металлов и сплавов как тел поликристаллических, имеет некоторые особенности по сравнению с пластической деформацией монокристалла.
Деформация поликристаллического тела складывается из деформации отдельных зерен и деформации в приграничных объемах. Отдельные зерна деформируются скольжением и двойникованием, однако взаимная связь зерен и их множественность в поликристалле вносят свои особенности в механизм деформации.
Плоскости скольжения зерен произвольно ориентированны в пространстве, поэтому под влиянием внешних сил напряжения в плоскостях скольжения отдельных зерен будут различны. Деформация начинается в отдельных зернах, в плоскостях скольжения которых возникают максимальные касательные напряжения. Соседние зерна будут разворачиваться и постепенно вовлекаться в процесс деформации. Деформация приводит к изменению формы зерен: зерна получают форму, вытянутую в направлении наиболее интенсивного течения металла (поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации). Изменение структуры при деформации показано на рис. 40.
|
|
|
Металл приобретает волокнистое строение. Волокна с вытянутыми вдоль них неметаллическими включениями являются причиной неодинаковости свойств вдоль и поперек волокон. Одновременно с изменением формы зерен в процессе пластической деформации происходит изменение ориентировки в пространстве их кристаллической решетки.
Когда кристаллические решетки большинства зерен получают одинаковую ориентировку, возникает текстура деформации.
а б в
Рис. 40. Изменение структуры при деформации: а - до деформации; б - после обжатия на 35%; в - после обжатия на 90%
Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла: возврат и рекристаллизация.
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 низких температурах подвижность атомов мала, поэтому состояние наклепа может сохраняться неограниченно долго.
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.
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 и не препятствует образованию текстуры деформации.
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. 41).
|
|
|
В полигонизированном состоянии кристалл обладает меньшей энергией, поэтому образование полигонов — процесс энергетически выгодный.
Процесс протекает при небольших степенях пластической деформации. В результате понижается прочность на (10…15) % и повышается пластичность (рис. 42). Границы полигонов мигрируют в сторону большей объемной плотности дислокаций, присоединяя новые дислокации, благодаря чему углы разориентировки зерен увеличиваются (зерна аналогичны зернам, образующимся при рекристаллизации). Изменений в микроструктуре не наблюдается (рис. 43, а). Температура начала полигонизации не является постоянной. Скорость процесса зависит от природы металла, содержания примесей, степени предшествующей деформации.
а
б
Рис. 41. Схема полигонизации: а – хаотическое расположение краевых дислокаций в деформированном металле; б – дислокационные стенки после полигонизации.
Рис. 42. Влияние нагрева деформированного металла на механические свойства
а б в
Рис. 43. 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. Различают две стадии рекристаллизации:
1 стадия – первичная рекристаллизация (обработки) 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.
|
|
|
Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Система стремится перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической решеткой.
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= аТ пл,
где для металлов а =0,4;
для твердых растворов а =0,5…0,8;
для металлов высокой чистоты а =0,1…0,2.
На свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. В результате образования крупных зерен при нагреве до определенной температуры начинает понижаться прочность и, особенно значительно, пластичность металла.
Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации (рис. 44).
Рис. 44. Влияние предварительной степени деформации металла на величину зерна после рекристаллизации
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. И такая деформация нежелательна перед проведением рекристаллизационного отжига.
Практически рекристаллизационный отжиг проводят для малоуглеродистых сталей при температуре 600…700oС, для латуней и бронз – 560…700oС, для алюминиевых сплавов – 350…450oС, для титановых сплавов – 550…750oС.
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. Микроструктуры сплавов представлены на рис. 45. Структура таких сплавов после окончания кристаллизации состоит или из зерен феррита (рис. 45, а), при содержании углерода менее 0,006 %, или из зерен феррита и кристаллов цементита третичного, расположенных по границам зерен феррита (рис. 45, б), если содержание углерода от 0,006 до 0,02 %.
Углеродистыми сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие 0,02…2,14 % углерода, заканчивающие кристаллизацию образованием аустенита.
|
|
|
Они обладают высокой пластичностью, особенно в аустенитном состоянии.
Структура сталей формируется в результате перекристаллизации аустенита. Микроструктуры сталей представлены на рис. 46.
а б
Рис. 45. Микроструктуры технического железа: а – содержание углерода менее 0,006%;
б – содержание углерода 0,006…0,02 %
По содержанию углерода и по структуре стали подразделяются на доэвтектоидные (0,02%< C <0,8%), структура феррит + перлит (П+Ф) (рис. 46, а); эвтектоидные (C =0,8%), структура перлит (П), перлит может быть пластинчатый или зернистый (рис. 46, б и 46, в); заэвтектоидные (0,8%< C <2,14%), структура перлит + цементит вторичный (П + ЦII), цементитная сетка располагается вокруг зерен перлита.
а б в г
Рис. 46. Микроструктуры сталей: а – доэвтектоидная сталь (Ф+П); б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит);
г – заэвтектоидная сталь (П+ЦII)
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 рис. 47.
а б в
Рис. 47. Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектический белый чугун (П+Л+ЦII);
б – эвтектический белый чугун (Л); в – заэвтектический белый чугун (Л+ЦI).
По количеству углерода и по структуре белые чугуны подразделяются на: доэвтектические (2,14%< C <4,3%), структура перлит + ледебурит + цементит вторичный (П+Л+ЦII); эвтектические(C=4,3%), структура ледебурит (Л) (рис. 47, б); заэвтектические (4,3%< C <6,67%), структура ледебурит + цементит первичный (Л+ЦI) (рис. 47, 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.
Фазовый состав сталей и чугунов при нормальных температурах один и тот же, они состоят из феррита и цементита. Однако свойства сталей и белых чугунов значительно различаются. Таким образом, основным фактором, определяющим свойства сплавов системы железо – цементит, является их структура.
Эксплуатационные и технологические свойства
Эксплуатационные свойства.
Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.
1. Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.
2. Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.
3. Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.
4. Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.
5. Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.
6. Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.
Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий.
При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью учитывать механические, технологические и эксплуатационные свойства.
Технологические свойства.
Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.
1. Литейные свойства.
Характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.
Жидкотекучесть – характеризует способность расплавленного металла заполнять литейную форму.
Усадка (линейная и объемная) – характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объем в процессе затвердевания и охлаждения. Для предупреждения линейной усадки при создании моделей используют нестандартные метры.
Ликвация – неоднородность химического состава по объему.
2. Способность материала к обработке давлением.
Это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь.
Она контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным.
Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб.
Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.
3. Свариваемость.
Это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества. Оценивается по качеству сварного шва.
4. Способность к обработке резанием.
Характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству поверхностного слоя.
|
|
|
