Типы кристаллических решеток.

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.

Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Элементарная ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.

Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

- размеры рёбер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решётки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определёнными.

- углы между осями ().

- координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.

- базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

- плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74)

Рис.1.1. Схема кристаллической решетки

Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа;

- примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;

- базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;

- объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;

- гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней

Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

Основными типами кристаллических решёток являются:

- Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1.2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, )

- Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1.2б), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Ag, Au, )

- Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

- простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

- плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).

24. Структурные состовляющие железноуглеродистых сплавов.

Основными компонентами, от которых зависит структура и свойства железоуглеродистых сплавов, являются железо и углерод. Чистое желе­зо - металл серебристо-белого цвета; температура плавления 1539°С. Железо имеет две полиморфные модификации: α и γ. Модификация α существует при температурах ниже 911°С и выше 1392°С; γ-железо — при 911-1392°С.

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие.

1. Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Рас­творимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость - 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначи­тельную твердость (НВ 80-100) и прочность (σв=250 МПа), но высокую пластичность (δ=50%; ψ=80%).

2. Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% - при 727°С. Эта температура является ниж­ней границей устойчивого существования аустенита в железоуглеро­дистых сплавах. Аустенит имеет твердостьНВ 160-200 и весьма пласти­чен (δ =40-50%).

3. Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (кар­бид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ-800), хрупок и практически не обладает пластичностью. Цементит неустойчив и в оп­ределенных условиях распадается, выделяя свободный углерод в виде графита по реакции Fe3C→3Fe+C.

4. Графит - это свободный углерод, мягок (НВ-3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, шаровидной и др.). С изме­нением формы графитовых включений меняются механические и тех­нологические свойства сплава.

5. Перлит (П) - механическая смесь (эвтектоид, т.е. подобный эвтек­тике, но образующийся из твердой фазы) феррита и цементита, со­держащая 0,8% углерода. Перлит может быть пластинчатым и зернис­тым (глобулярным), что зависит от формы цементита (пластинки или зерна) и определяет механические свойства перлита. При комнатной тем­пературе зернистый перлит имеет предел прочности σв =800МПа; отно­сительное удлинение δ =15%; твердость НВ 160. Перлит образуется сле­дующим образом. Пластинка (глобула) цементита начинает расти или от границы зерна аустенита, или центром кристаллизации является неме­таллическое включение. При этом соседние области объединяются уг­леродом и в них образуется феррит. Этот процесс приводит к образова­нию зерна перлита, состоящего из параллельных пластинок или глобулей цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.

6. Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цемен­тита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердостьНВ 600-700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727°С аустенит превра­щается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре

Диаграмма состояния железо — цементит (в упрощенном виде):

А — аустенит, П — перлит, Л — ледебурит, Ф — феррит, Ц — цементит

ниже 727"С ледебу­рит представляет собой уже не смесь аустенита с цементом, а смесь пер­лита с цементитом.

Помимо перечисленных структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды — соединения с кислородом, азо­том, серой и фосфором. На их основе могут образовываться новые струк­турные составляющие, например фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С. Она образуется при больших содержаниях фосфора в чугуне. При содержании фосфора около 0,5—0,7% фосфидная эвтектика в виде сплошной сетки выделяется по границам зерен и повышает хрупкость чугуна.

Диаграмма состояния железо - цементит. В диаграмме состояния желе­зо — цементит (Fe—Fe3C) рассматриваются процессы кристаллизации железоуглеродистых сплавов (стали и чугуна) и превращения в их струк­турах при медленном охлаждении от жидкого расплава до комнатной тем­пературы. Диаграмма (рис. 14) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14до 6,67% — чугуном.

Диаграмма состояния Fe—Fe3C представлена в упрощенном виде. Первичная кристаллизация, т.е. затвердевание жидкого сплава начинается при температурах, соответствующих линии ликвидуса ACD. Точка А на этой диаграмме соответствует температуре 1539° плавления (затвердевания) железа, точка D - температуре ~ 1600°С плавления (затвердевания) цементита. Линия солидуса АЕСР соответствует температурам конца за­твердевания. При температурах, соответствующих линии АС, из жидко­го сплава кристаллизуется аустенит, а линии CD — цементит, называе­мый первичным цементитом. В точке С при 1147° С и содержании угле­рода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит (первичный), образуя эвтектику — ледебурит. При темпера­турах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием уг­лерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. На линии солидуса ECF сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% окончательно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита) и структур, образовавшихся ранее из жидкого сплава, а именно: в интер­вале 2,14—4,3% С — аустенита, а в интервале 4,3—6,67% С цементита пер­вичного (см.рис. 14).

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержани­ем углерода до 2,14%, т.е. в сталях, образуется однофазная структура — аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14%, т.е. в чугунах, при первичной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

Вторичная кристаллизация (превращение в твердом состоянии) про­исходит при температурах, соответствующих линиям GSE, PSK и ОРО. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода же­леза из одной аллотропической модификации в другую (у в а) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С пониже­нием температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита.

В области диаграммы AGSE находится аустенит. При охлаждении спла­вов аустенит распадается с выделением феррита при температурах, соответствующих линии GS, и цементита, называемого вторичным, при тем­пературах, соответствующих лини и SE. Вторичным называют цементит, выделяющийся из твердого раствора аустенита, в отличие от первичного цементита, выделявшегося из жидкого расплава. В области диаграммы GSP находится смесь феррита и распадающегося аустенита. Ниже ли­нии GР существует только феррит. При дальнейшем охлаждении до тем­ператур, соответствующих линии PQ , из феррита выделяется цементит (третичный). Линия PQ показывает, что с понижением температуры

Микроструктура:

а - доэвтектоидная сталь - феррит (светлые участки) и перлит (темные участ­ки) при 500^х увеличении, б — эвтектоидная сталь — перлит (1000'), в — заэвтектоидная сталь - перлит и цементит в виде сетки (200')

растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02% при 727°С до 0,005% при комнатной температуре.

В точке S при содержании 0,8% углерода и температуре 727°С весь аустенит распадается и превращается в механическую смесь феррита и цементита—перлит. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной (рис. 15, б). Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода называ­ют доэвтектоидными (рис. 15, а), а от 0,8 до 2,14% углерода -заэвтектоидными (рис. 15, в).

При температурах, соответствующих линии PSK, происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием пер­лита, представляющего собой механическую смесь феррита и цементита. Линию PSK называют линией перлитного превращения.

При температурах, соответствующих линии SE, аустенит насыщен уг­леродом, и при понижении температуры из него выделяется избыточный углерод в виде цементита (вторичного).

Вертикaль DFKL означает, что цементит имеет неизменный химичес­кий состав. Меняется лишь форма и размер его кристаллов, что сущест­венно отражается на свойствах сплавов. Самые крупные кристаллы цементита образуются, когда он выделяется при первичной кристалли­зации из жидкости.

Белый чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим (рис. 16). Белые чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода, называют доэвтектическими, а от 4,3 до 6,67% углерода — заэвтектическими.

Микроструктура белого чугуна при 500^х увеличении:

а — доэвтектический чугун — перлит (темные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не виден), б—эвтектический чугун —ледебурит (смесь пер­лита и цементита), в - заэвтектический чугун - цементит (светлые пластины) и ледебурит

По достижении температуры 727°С (линия PSK) аустенит, обеднен­ный углеродом доэвтектоидного состава (0,8% углерода), превращается в перлит. После окончательного охлаждения доэвтектические белые чугуны состоят из перлита, ледебурита (перлит + цементит) и цементита (вторичного). Чем больше в структуре такого чугуна углерода, тем мень­ше в нем перлита и больше ледебурита.

Белый эвтектический чугун (4,3% углерода) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита. Белый заэвтектический чугун, со­держащий более 4,3% углерода, после окончательного охлаждения со­стоит из цементита (первичного) и ледебурита. Следует отметить, что при охлаждении ледебурита ниже линии PSK входящий в него аустенит пре­вращается в перлит, т.е. ледебурит при комнатной температуре представ­ляет собой уже смесь цементита и перлита. При этом цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое стро­ение ледебурита является причиной его большой твердости (НВ>600) и хрупкости.

Диаграмма состояния железо — цементит имеет большое практичес­кое значение. Ее применяют для определения тепловых режимов терми­ческой обработки и горячей обработки давлением (ковка, горячая штам­повка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Ее используют также в литейном производстве для определения температуры плавления, что необходимо для назначения режима заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы.

25. Кривая охлаждения железа. Модификация железа в железоуглеродистых сплавах.

На рис.2 показаны кривые охлаждения и нагревания чистого железа. Как видно из этих кривых, в процессе перестройки одной решетки в другую, а также при расплавлении и затвердевании железа происходят температурные остановки, являющиеся результатом выделения дополнительного количества тепла при охлаждении и поглощении дополнительного количества тепла при нагревании.

Рис. 2. Кривые охлаждения и нагрева чистого железа.

Температурные остановки, при которых происходят перестройки решеток, называются критическими температурами или критическими точками и обозначаются А_rпри охлаждении и А_с при нагревании. В точках А_r2и А_с2,не происходит перестройка атомной решетки, а изменяются магнитные свойства железа. При температуре выше 768° железо теряет способность притягиваться магнитом. При очень малой скорости нагревания и охлаждения критические точки А _с3и А_r3не совпадают друг с другом на 12°. При увеличении скорости охлаждения несовпадение критических точек увеличивается, так как температура значительно снижается и железо переохлаждается. Это явление, носит название гистерезис.

При нагревании и охлаждении стали происходит также перестройка атомной решетки, но температуры критических точек не постоянны. Они зависят от содержания углерода и легирующих примесей в стали, а также от скорости нагревания и охлаждения.

Превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении

В сталях, нагретых до аустенитного состояния, при весьма медленном охлаждении произойдут обратные превращения, а именно:

а) в стали с содержанием углерода 0,83% аустенит превратится в перлит;

б) в стали с содержанием углерода 0,4% сначала из аустенита начнет выделяться феррит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит и

в) в стали с содержанием углерода 1,2% сначала из аустенита выделится цементит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит.

Даже при весьма медленном охлаждении температура распада аустенита не совпадает с теми температурами, при которых аустенит образовался при нагревании. Чем скорость охлаждения больше, тем больше становится гистерезис, т. е. разница между критическими температурами (точками) при нагревании и охлаждении.

Превращения, происходящие в стали при быстром охлаждении

Как указывалось выше, при быстром охлаждении не успевает произойти превращение аустенита в перлит с выделением избыточного феррита или цементита, а в зависимости от скорости охлаждения аустенит превращается в новые структуры - мартенсит, троостит или сорбит. Сталь с этими структурами отличается от сталей со структурами перлита и феррита повышенной твердостью, прочностью и уменьшенной пластичностью. Если углеродистую сталь, нагретую выше критических температур, охладить очень быстро, то аустенит превратится в мартенсит и это превращение начнется лишь при температуре около 200°. При несколько меньшей скорости охлаждения образуется структура троостит, а при еще меньшей — сорбит.

В производственных условиях при охлаждении углеродистой инструментальной стали в воде образуется мартенсит, при охлаждении в масле — троостит и при охлаждении в струе воздуха -сорбит. На рис. 6 показаны микроструктуры закаленной стали.

Рис. 6. Микроструктура закаленной стали:

а — игольчатый мартенсит;

б — сорбит.

В легированных сталях, благодаря присутствию специальных элементов, для образования мартенсита не требуется столь большой скорости охлаждения, как для углеродистых сталей, и мартенсит образуется при охлаждении в масле, а для быстрорежущих сталей — и при охлаждении на воздухе.

Троостит и сорбит можно получить не только в результате ускоренного охлаждения, нои путем нагрева закаленной стали, имеющей структуру мартенсита, до температуры ниже A_с1, т. е. путем отпуска стали. В этом случае троостит получается при нагреве стали до 400°, а сорбит—при нагреве до 650°. При нагреве до промежуточных температур получаются смешанные структуры: при нагреве от 250—400° — мартенсит и троостит и при нагреве от 400—650° — троостит и сорбит. В производственных условиях троостит и сорбит получают путем отпуска закаленной стали.

Превращения, происходящие в стали при охлаждении в среде, имеющей температуру выше 200° (изотермическое превращение)

Если деталь, нагретую выше критической точки, поместить в среду, имеющую температуру от 700 до примерно 200°, и выдержать в ней до выравнивания температуры по всему сечению, то аустенит превратится в ту структуру, которая соответствует превращению при данной температуре.

О поведении стали при изотермической обработке, выборе температуры и времени выдержки судят по кривым изотермического превращения, построенным для разных марок стали.

Рис. 7. Диаграмма изотермического превращения аустенита углеродистой стали.

На рис. 7 дан вид диаграммы изотермического превращения в стали. На горизонтальной оси отложено время начала и конца превращения, а на вертикальной— температура, при которой оно происходит. Линия А _с соответствует переходу аустенита в перлит, а линия М_н — образованию мартенсита из аустенита. На кривой I начинаются, а на кривой II заканчиваются структурные превращения.

Если углеродистую инструментальную сталь, нагретую до 800°, поместить в масло, расплавленную соль или щелочь при температуре 250°, в ней образуется игольчатый троостит с высокой твердостью R_c=45—55. Если эту же сталь охладить в среде, имеющей температуру свыше 600°, в ней образуется перлит и такая сталь легко обрабатывается на станках. При охлаждении стали в среде с промежуточными температурами образуются структуры троостита и сорбита с соответствующей твердостью.

Изотермический отжиг нашел большое применение при термической обработке инструментальных сталей как процесс, резко уменьшающий время по сравнению с другими видами отжига.

Изотермическая закалка в инструментальном деле применяется редко из-за недостаточной для инструмента твердости, достигаемой при этом процессе.

Модификации железа — рычаг термической обработки

Температура плавления чистого железа составляет 1536 °С. В твердом состоянии чистое железо обладает тремя аллотропическим модификациями, а именно:
— дельта-железо – объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура в интервале от 1392 до 1536 °С;
— гамма-железо – гранецентрированная кубическая кристаллическая структура в интервале от 911 до 1392 °С;
— альфа-железо – объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура при температуре до 911 °С.

Среди всех аллотропических превращений самую важную роль играет превращения альфа → гамма и гамма → альфа. Именно эти превращения дают теоретическую базу для большинства процессов термической обработки.

Железо образует твердые растворы со многими неметаллическими элементами. Оно образует растворы замещения с хромом, никелем, кобальтом и ванадием, тогда как с углеродом образует очень важный раствор внедрения.

Углерод и железо

Растворимость углерода в альфа-железе – феррите – очень незначительная – при комнатной температуре только 0,006 %. В гамма-железе – аустените – растворимость железа на несколько порядков выше – 2,06 % при температуре 1147 °С.

Железо образует с углеродом не только твердые растворы, но металлические соединения. Заместительным соединением железа и углерода является карбид железа – цементит – Fe₃C. Основным свойством карбида железа является его высокая твердость (твердость по Викерсу около 900) и высокая хрупкость. Карбид железа практически не поддается никакой деформации. Температура плавления карбида железа – 1250 °С. Карбид железа не может считаться равновесной фазой. При определенных условиях он распадается на свои компоненты – железо и углерод. Этот углерод – графит – является уже равновесной фазой.

26. Основные свойства железноуглеродистых сплавов: физические механические технологические

Свойства металлов и сплавов (физические, химические, механические, технологические, служебные): Физические свойства. К физическим свойствам металлов и сплавов относится температура плавления, плотность, температурный коэфициет линейного и обьёмного расширения, электросопротивление и теплопроводность.Эти свойства сплавов обусловлены их составом и структурой. Кхимическимсвойствам относятся способность металлов к химическому взаимодействию с агрессивными средами (коррозия). Технологические свойства. Определяют способность материала подвергатся различным методам горячей и холодной обработки. К ним относятся: литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом.Эксплуатационные или служебныесвойства. К ним относятся: коррозионная стойкость, холодостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифринционность. Механические свойства. К ним относят – прочность, пластичность, эластичность, вязкость (ударная), твёрдость, выносливость, износостойкость, ползучесть. Внешняя нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию. Напряжение – это нагрузка (сила – Р), отнесённая к площади поперечного сечения образца (F),Мпа: (P- нагрузка, Мн; F – площадь поперечного сечения, м2). Напряжение вызывает деформацию. Деформация – изменение формы и размеров тела под воздействием внешних сил или в результате физико-механических процессов, возникающих в самом теле. Деформация может быть упругая (изчезающая после снятия нагрузки) и пластическаяя (остающаяся после снятия нагрузки). При увеличении нагрузки упругая деформация переходит в пластическую; при дальнейшем повышении нагрузки происходит разрушение тела. Прочность – это способность твердого тела сопротивлятся деформации или разрушению под действием статистических или динамических нагрузок. Пластичность – это способность материала получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения. Вязкость – свойство материала, которое определяет его способность к поглашению механической энергии при постепенном увеличении пластической деформации вплоть до разрушения материала.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: