Строение идеальных кристаллов. Типы кристаллических решеток. Параметры, характреистики.
Кристаллическое строение металлов.
Металлы (Ме) являются поликристаллическими веществами, т.е. они состоят из большого числа кристаллов.
Кристаллическое состояние – твердое состояние вещества.
Кристалл – атомно-молекулярная структура, отличающаяся фиксированным упорядоченным расположением атомов.
Кристаллическая решетка – группа атомов, упорядоченно расположенных относительно друг друга. В кристалле ячейки повторяются многократно по всем направлениям.
Тип ячейки определяет строение и свойства кристалла в целом, а свойства каждого из этих кристаллов определяет свойства всего кристалла в целом.
Идеальный кристалл, 1) кристалл совершенной структуры, лишенный всех дефектов строения (см. Дефекты в кристаллах), которые неизбежны в реально существующих кристаллах. И. к. является теоретической моделью, широко используемой в теории твёрдого тела.
В твердых телах атомы могут размещаться в пространстве двумя способами:
Аморфные вещества обладают формальными признаками твердых тел, т.е. они способны сохранять постоянный объем и форму. Однако они не имеют определенной температуры плавления или кристаллизации.
Атомы совершают относительно своего среднего положения колебания с частотой около 1013 Гц. Амплитуда этих колебаний пропорциональна температуре.
Благодаря упорядоченному расположению атомов в пространстве, их центры можно соединить воображаемыми прямыми линиями. Совокупность таких пересекающихся линий представляет пространственную решетку, которую называют кристаллической решеткой.
Внешние электронные орбиты атомов соприкасаются, так что плотность упаковки атомов в кристаллической решетке весьма велика.
Кристаллические твердые тела состоят из кристаллических зерен - кристаллитов. В соседних зернах кристаллические решетки повернуты относительно друг друга на некоторый угол.
В кристаллитах соблюдаются ближний и дальний порядки. Это означает наличие упорядоченного расположения и стабильности как окружающих данный атом ближайших его соседей (ближний порядок), так и атомов, находящихся от него на значительных расстояниях вплоть до границ зерен (дальний порядок).
а) б)
Рис. 1.1. Расположение атомов в кристаллическом (а) и аморфном (б) веществе
Вследствие диффузии отдельные атомы могут покидать свои места в узлах кристаллической решетки, однако при этом упорядоченность кристаллического строения в целом не нарушается.
Пластинчатая деформация. Роль дислокаций в упрочнении. Наклеп.
Наклеп
В процессе деформации пара движущихся дислокаций порождает сотни и сотни новых, в результате этого плотность дислокаций повышается, что и приводит к упрочнению (повышению предела прочности) - рис.4.
Рисунок 4. Изменение прочности в зависимости от плотности дислокаций (высокопрочная сталь)
Упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой.
Пластическая деформация вносит существенные изменения в строение металла. Кристаллическая структура пластически деформированного металла характеризуется не только искажением кристаллической решетки, но и определенной ориентировкой зерен - текстурой.
Беспорядочно ориентированные кристаллы под действием деформации поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации (рис.5).
С увеличением деформации степень текстурованности возрастает и при больших степенях деформации достигает 100%, т.е. все зерна оказываются одинаково ориентированными.
Не следует думать, что в результате деформации зерно измельчается. В действительности оно только деформируется, сплющивается и из равноосного превращается в неравноосное (в виде лепешки, блина), сохраняя ту же площадь поперечного сечения.
Рисунок 5. Изменение микроструктуры при пластической деформации поликристалла
Холодная и горячая деформация. Термомеханическая обработка.
Термическая обработка
Классификация видов термообработки. Отжиг. Закалка. Отпуск и старение.Термообработка сплавов, не связанная с фазовыми превращениями, с переменной растворимостью компонентов, с эвтектоидным превращением. Превращения аустенита при охлаждении: перлитное, мартенситное, бейнитное. Виды термической обработки сталей.
Рисунок 3.8. Обозначение критических точек сталей
Перлит вплоть до температуры Ас1 сохраняет пластинчатое строение. При достижении температуры Ас1 в сталях начинается превращение перлита в аустенит. Кристаллы аустенита зарождаются преимущественно на межфазных поверхностях раздела феррита с цементитом. Превращение состоит из двух параллельно идущих процессов: полиморфного a ® gпревращения и растворения цементита в g -Fе. Полиморфное превращение идет с более высокой скоростью, поэтому по завершению превращения аустенит сохраняет неоднородность по углероду, для устранения которой требуется определенное время.
В стали эвтектоидного состава перекристаллизация заканчивается после завершения превращения перлита в аустенит. В до- и заэвтектоидных сталях после перехода перлита в аустенит в структуре сохраняются избыточные структурные составляющие - феррит и вторичный цементит соответственно.
В доэвтектоидных сталях при нагрев от АС1 до АС3 происходит превращение избыточного феррита в аустенит, в заэвтектоидных сталях при нагреве от АС1 до АСm растворение продукта распада избыточного цементита в аустените. Оба процесса сопровождаются диффузией углерода, приводящей к выравниванию концентрации и небольшому укрупнению зерен аустенита.
Превращения аустенита при различных переохлаждениях.При изучении системы Fe-C мы рассматривали фазовые превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении из аустенитного состояния.
Увеличивая скорость охлаждения стали, а также, вводя в сталь легирующие элементы, можнозначительно повысить степень переохлаждения аустенита, т. е. температуру его превращения. Процессы распада переохлажденного аустенита подразделяют на два типа.
1. Диффузионный - перлитное и промежуточное (бейнитное).
2. Бездиффузионный, или сдвиговой - мартенситное.
Перлитное превращение аустенита. Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость превращения представляют графически в виде диаграмм. Эти диаграммы строят в координатах температура превращения - время и называют С - диаграммы.
Основные закономерности перлитного превращения рассмотрим на примере эвтектоидной стали. Изотермический распад аустенита эвтектоидной стали происходит в интервале температур от Аr1 (720°С) до Мн (250°С), где Мн - температура начала мартенситного превращения.
На диаграмме (рис. 3.11) можно выделить следующие области 1 - область устойчивого аустенита (для стали, содержащей 0,8% С, выше АС1,), 2 - область переохлажденного аустенита, 3 - область начавшегося, но еще не закончившегося превращения А® П, 4 - область закончившегося превращения А® П, 5 - область начавшегося, но еще не закончившегося мартенситного превращения (между Мн - Мк), 6 - мартенситная область (ниже Мк)
Область, расположенная слева от кривой начала распада аустенита (область переохлажденного аустенита), определяет продолжительность инкубационного периода, характеризующую устойчивость переохлажденного аустенита. С увеличением степени переохлаждения его устойчивость быстро уменьшается, достигая минимума (для эвтектоидной стали около 550°С), и далее вновь возрастает.
Рис. 3.11. С - диаграмма эвтектоидной стали
В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области превращения: перлитную(переохлаждение до 500°С), мартенситную(переохлаждение ниже Мн - для эвтектоидной стали ниже температуры 240°С) и область промежуточного (бейнитного) превращения (переохлаждение для эвтектоидной стали в интервале от 500 до 240°С).
Рассмотрим структуры, образующиеся при диффузионном превращении аустенита.
При температуре 650 - 700°С образуется перлит. При перлитном превращении на границах зерен аустенита в результате полиморфного g®a превращения формируются зародыши феррита. Ввиду малой растворимости углерода в феррите вблизи него увеличивается концентрация углерода, и создаются условия для зарождения цементита. В результате образования пластинок цементита соседние участки аустенита обедняются углеродом, что в свою очередь приводит к образованию пластинок феррита. Перлит растет в виде колоний чередующихся пластин феррита и цементита.
Перлитную структуру оценивают по средней суммарной толщине соседних пластинок феррита и цементита. Если превращение происходит при более высоких температурах, образуется сравнительно грубая смесь кристаллов с межпластиночным расстоянием 0,5-0,7мкм; такую смесь называют собственно перлитом. При 640-590°С межпластиночное расстояние 0,3-0,4 мкм такую структуру называют сорбитом. При температуре превращения 550°С-580 межпластиночное расстояние 0,1-0,2 мкм; структуру называют трооститом Указанное деление перлитных структур условно, так как дисперсность увеличивается монотонно. С увеличением дисперсности структур перлитного типа возрастают прочность и твердость стали; наилучшее сочетание прочности, пластичности и вязкости имеет структура сорбита.
Мартенситное превращение аустенита. На схеме диаграммы изотермического превращения (см. рис. 3.11) условно показана область мартенситного превращения (ниже МН). Условно потому, что в подавляющем большинстве сталей мартенситное превращение в изотермических условиях не развивается. Согласно правилу фаз, С=2-2+1=1, так как в равновесии находятся только 2 фазы – аустенит и мартенсит. Поэтому мартенситное превращение протекает при непрерывном охлаждениив интервале температур от Мн до Мк. Малейшая изотермическая выдержка в этом интервале температур приводит к стабилизации аустенита, т. е. превращение не доходит до конца, и кроме мартенсита в структуре наблюдается так называемый остаточный аустенит. Для получения мартенситной структуры аустенит углеродистых сталей необходимо очень быстро и непрерывно охлаждать, применяя для этого холодную (лучше соленую) воду. Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы подавить диффузионные процессы и образование перлитных и бейнитных структур.
Мартенсит - неравновесная фаза - пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в ОЦК-Fе. Кристаллы мартенсита, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали (5000 м/с). Росту кристаллов мартенсита препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита.
Акад. Г. В. Курдюмов дал классическое определение мартенситному превращению: “Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные”. При этом перестройка решетки происходит по тем кристаллографическим плоскостям исходной модификации, которые по строению одинаковы, а по параметрам близки к определенным плоскостям кристаллической решетки образующей фазы, т. е. выполняется принцип структурного и размерного соответствия. Для мартенситного превращения характерно, что растущие кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы. При нарушении когерентности решеток интенсивный упорядоченный переход атомов из аустенита в мартенсит становится невозможным, и рост кристалла мартенсита прекращается.
В процессе мартенситного превращения углерод остается в твердом растворе, искажая кристаллическую решеткуFe-a, так как растворимость его в Fе-aзначительно меньше, чем в Fе-g. .Мартенсит имеет тетрагональную пространственную решетку. Свойства мартенсита зависят от количества растворенного в нем углерода. Мартенсит имеет очень высокую твердость равную или превышающую НRС 60 при содержании углерода больше 0,4%С.
Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита. В интервале температур промежуточного превращения аустенит распадается с образованием структур, называемых бейнитом (бейнит представляет собой двухфазную смесь кристаллов феррита и цементита). Основная особенность промежуточного превращения состоит в том, что полиморфный переход происходит по мартенситному механизму.
Предполагают, что превращение в данном участке объема начинается с перераспределения углерода, в результате которого одни зоны зерен аустенита обедняются, а другие обогащаются углеродом. С уменьшением количества растворенного углерода повышается температура мартенситного превращения, поэтому мартенситное превращение происходит в первую очередь в обедненных углеродом зонах g-твердого раствора. В зонах твердого раствора, обогащенных углеродом, происходит карбидообразование:выделение очень мелких (в виде коротких палочек) кристаллов цементита. По мере обеднения аустенита углеродом развивается полиморфное превращение по сдвиговому механизму; g-твердый раствор к моменту полиморфного превращения не полностью освобождается от растворенного углерода, поэтому кристаллы Fe-a, имеющие форму очень тонких пластин, несколько пересыщены углеродом.
Бейнит, образовавшийся при Т=400-550оС называют верхним бейнитом, он имеет перистое мартенситоподобное строение. Бейнит образованный при более низких температурах называют нижним бейнитом,он имеет пластинчатое строение.
Верхний бейнит отличается от нижнего характером распределения и составом карбидной фазы. Карбидная фаза в верхнем бейните - цементит, а в нижнем - e-карбид, который заменяется цементитом с увеличением времени выдержки. Верхний бейнит имеет неблагоприятное сочетание механических свойств: пониженная прочность из-за сохранения нераспавшегося аустенита сочетается с весьма невысокими пластичностью и вязкостью. Высокой прочностью и одновременно достаточно высокой пластичностью и вязкостью обладает нижний бейнит, а именно бейнит, полученный при Т на 50-100оС выше точки МН.
Виды термической обработки сталей
Температурные области термической обработки сталей приведены на рисунке 3.12.
Отжигом называется нагрев доэвтектоидной стали на 30-40° выше точки АС3 выдержка при данной температуре и медленное охлаждение вместе с печью. Такой отжиг называется полным.
Для заэвтектоидной стали применяют неполный отжиг, заключающийся в нагреве стали на 30-40° выше точки АС1, выдержке при этой температуре и охлаждении с печью.
Рис.3.12. Температуры нагрева стали при отжиге и нормализации: 1- диффузионный отжиг; 2 - рекристаллизационный отжиг; 3 - отжиг для снятия напряжений; 4 - полный отжиг, 5 - неполный отжиг, 6 - нормализация; 1- 3 - отжиг I рода; 4-6 — отжиг II рода.
При отжиге происходит измельчение зерен в результате перекристаллизации. В результате отжига в доэвтектоидной стали получается сетчатая структура в виде перлита, окруженного ферритной сеткой. При отжиге заэвтектоидной стали имеет место измельчение перлитных колоний; цементит не подвергаются изменениям. В связи с тем, что перлит в этих сталях занимает до 90% объема, неполный отжиг дает вполне удовлетворительные результаты. Чем больше углерода и других примесей в стали, тем медленнее нагревают ее при отжиге во избежание возникновения сильных напряжений и образования трещин в металле. Охлаждение вместе с печью протекает со скоростью 0,04-0,05°С/с.
При отжиге температуру ограничивают 30-40°С выше верхней критической точки АС3. Более высокий нагрев приводит к перегреву стали и росту зерен. Перегретая сталь менее прочна, менее пластична и имеет крупнозернистую видманштеттову структуру пластинчатого строения, напоминающего мартенсит. Следствием этого является пониженная прочность стали. Перегрев стали имеет место при превышении точки АС3 более чем на 50°, а нагрев до температур, близких к линии солидуса, приводит к пережогу стали, когда по границам зерен появляются окислы металла. Такую сталь термической обработкой исправить нельзя.
Помимо рассмотренного нормального, при термической обработке стальных изделий применяют и другие виды отжига. Так, только для снятия напряжений производят низкий отжиг путем нагрева ниже температуры АС1, выдержки при ней и охлаждении с печью или на воздухе. Для выравнивания химического состава в стальном литье производят гомогенизирующий или диффузионный, отжиг (нагрев на 200-300° выше точки АС3 и длительная - в течение десятков часов выдержка при этой температуре). Вызываемый этим рост зерна исправляют в дальнейшем нормальным отжигом.
Для уменьшения твердости высокоуглеродистых сталей перед обработкой их на металлорежущих станках производят циклический (маятниковый) отжиг на зернистый перлит или сфероидизацию (нагрев стали немного выше точки АС1 и последующее охлаждение ниже Аr1). Нагрев и охлаждение повторяют 4-5 раз, пластинки цементита принимают сферическую форму, и сталь приобретает структуру зернистого перлита. Аналогичные результаты дает длительный отжиг при температурах, близких к АС1.
Нормализацией называется нагрев доэвтектоидной стали выше точки АС3 , а заэвтектоидиой стали - выше точки Аст на 50°, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение на воздухе. Структура нормализованной стали мелкозернистая (за счет измельчения зерен аустенита). Благодаря мелкозернистому строению твердость, прочность и вязкость нормализованной стали выше, чем отожженной. Нормализации подвергают низкоуглеродистую сталь, так как при этом получается незначительное различие в свойствах по сравнению с отжигом, а процесс обходится дешевле.
Закалка-нагрев стали выше критической точки АС1 или АС3, выдержка при этой температуре и последующее быстрое охлаждение в соответствующей среде (воде, масле, воздушной струе). В зависимости от температуры нагрева закалку называютполной и неполной.При полной закалке сталь переводят в аустенитное состояние, т.е. нагревают выше АС3 или Асm, при неполной - нагревают в область межкритических температур.
Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной закалке, оптимальной является температура АС3+30-50оС. Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке. Оптимальная температура АС1+30-50оС. Охлаждение при закалке проще всего осуществляется погружением детали в жидкую среду (вода, масло) Т=20-25оС, однако для избежания коробления или трещин иногда применяют сложную закалку.
Обработка холодом- охлаждение закаленных деталей ниже 20-25оС. Проводится для сталей, МН которых ниже комнатной температуры. Поэтому при закалке образуется остаточный аустенит, который при обработке холодом переходит в мартенсит.
Отпуск закаленных сталей.Нагрев закаленных сталей до температур, не превышающих А1, называют отпуском.
В результате закалки чаще всего получают структуру мартенсита с некоторым количеством остаточного аустенита, иногда - структуру сорбита, троостита или бейнита.
При отпуске происходит несколько процессов. Основной процесс - распад мартенсита, состоящий в выделении углерода в виде карбидов, кроме того, распадается остаточный аустенит, происходит карбидное превращение и коагуляция карбидов, уменьшаются остаточные напряжения.
Фазовые превращения при отпуске принято разделять на три стадии превращения в зависимости от изменения удельного объема стали. В сталях, не содержащих легирующие элементы, первое превращение происходит в интервале температур 80-200оС. второе 20О-260оС, третье 260-380оС.
Первое превращение. Из мартенсита выделяется часть углерода в виде метастабильного e -карбида, имеющего гексагональную решетку и химический состав близкий к Fe2C и когерентный с решеткой мартенсита. Первое превращение с очень малой скоростью идет и без нагрева.
Второе превращение. Одновременно происходит несколько процессов: продолжается распад мартенсита, распадается остаточный аустенит и начинается карбидное превращение. Распад остаточного аустенита происходит по механизму бейнитной реакции: образуется смесь низкоуглеродистого мартенсита и дисперсных карбидов. При температурах около 250оС начинается превращение e -карбида в цементит, при этом когерентность решеток твердого раствора и карбида нарушаются.
Третье превращение. Завершаются распад мартенсита и карбидное превращение. Из мартенсита выделяется весь пересыщающий углерод в виде карбидов, тетрагональность решетки твердого раствора устраняется - мартенсит переходит в феррит. После отпуска при температуре 380-400оС в структуре стали обнаруживается только карбид цементитного типа.
Ферритно-карбидная смесь, образовавшаяся в конце третьего превращения, весьма дисперсна и имеет примерно такую же твердость, как троостит (ее называют трооститом отпуска). Структуру стали, образовавшуюся при температурах первого и второго превращения называют отпущенным мартенситом или мартенситом отпуска.
В интервале температур третьего превращения цементит имеет форму пластин. С повышением температуры происходит коагуляция частицы цементита укрупняются, а форма приближается к сфероидальной. Коагуляция и сфероидизация карбидов происходит с заметной скоростью, начиная с 350- 400оС.
Ферритно-карбидная смесь образовавшаяся при температуре 450-650оС называют сорбитом отпуска. Выше - грубая смесь - зернистый перлит.