2.6. Диаграмма состояния системы железо – цементит

Железо – серебристо-серый полиморфный, ферромагнитный ( т.Кюри 768ºС) металл с плотностью 7860 кг/м³, t_пл = 1539ºС, мягкий (70-80НВ), пластичный, малопрочный (σ_в = 200-250 МПа).

Цементит Fe₃C (карбид железа) – химическое соединение железа с углеродом имеет очень сложную ромбическую решётку с плотной упаковкой атомов. Характер связи между атомами железа – металлический, и это приводит к тому, что цементит обладает металлическими свойствами (электропроводность, металлический блеск и т.д.).

Температура плавления цементита – около 1600ºС, при низких температурах он слабо ферромагнитен (т.Кюри 217ºС). Цементит имеет высокую твёрдость (800НV), но практически нулевую пластичность. Эти свойства являются, вероятно, следствием сложного строения кристаллической решётки цементита.

Цементит способен образовывать твёрдые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: Mn, Cr, W и др. Такой твёрдый раствор на базе цементита называется легированным цементитом.

Цементит – соединение неустойчивое и при определённых условиях распадается с выделением свободного углерода в виде графита.

ДС системы железо – цементит приведена на рис.

Линия ABCD – линия ликвидуса, линия AHJECFD – линия солидуса.

Феррит – твёрдый раствор углерода в α-железе и -железе.

Аустенит – твёрдый раствор углерода в γ-железе.

Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита.

1147ºС

ж_С  А + Ц

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита.

727ºС

А_S  Ф_Р + Ц

Фазы: жидкая, феррит, аустенит, цементит.

Структурные составляющие: феррит, аустенит, перлит, ледебурит, первичный цементит, вторичный цементит.

Лекция 5

3. Основы термической обработки и поверхностного упрочнения сплавов

3.1. Формирование структуры и свойств металлов при деформации

Деформацией называется изменение формы и размеров изделия, происходящее под действием внешних и внутренних сил. Внутренние силы, приводящие к деформации, могут быть вызваны нарушением правильного расположения атомов в кристаллической решётке, обусловленным протеканием различных фазовых превращений. В общем же случае к деформации приводит приложение внешних нагрузок. Если после снятия нагрузки металл возвращается к прежней форме, то это упругая деформация. Когда при устранении внешней нагрузки металл не возвращается к своей прежней форме, деформация называется пластической.

У большинства металлов и сплавов основная часть деформации - пластическая. Пластическая деформация металлов является следствием сдвигов, происходящих внутри и по границам зёрен. Сдвиг происходит по кристаллографическим плоскостям – плоскостям скольжения. Доказано, что плоскостями наилегчайшего сдвига являются плоскости, в которых находится наибольшее количество атомов.

Пластическая деформация может осуществляться:

а) скольжением с последовательным образованием плоскости сдвига;

б) двойникованием, которое заключается в симметричном смещении одной части кристалла относительно другой под действием касательных напряжений.

А А

АА – плоскость двойникования.

Кроме сдвига по плоскостям скольжения происходит поворот смещённых частей зерна в направлении уменьшения угла между плоскостями скольжения и действием силы. Этот поворот объясняется тем, что свободному смещению частей зерна препятствуют соседние зёрна. В результате сдвигов и поворотов зёрна вытягиваются в направлении растягивающих сил. При большой степени деформации зёрна удлиняются настолько, что напоминают волокна, и поэтому такую структуру деформированного металла называют волокнистой. Направление волокон учитывают при конструировании и разработке технологии изготовления детали, т.к. металл становится анизотропным.

С увеличением степени холодной (ниже 0,2Т_пл) деформации, свойства, характеризующие сопротивление деформации (предел прочности, твёрдость и др.) повышаются, а способность к пластической деформации (пластичность) уменьшается. Это явление получило название наклёпа.

Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклёп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, дислоцированных атомов). Повышение плотности дефектов затрудняет движение отдельных новых дислокаций, а следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность.

Наклёп возникает при обработке металлов давлением, резанием, при обкатке роликами, при специальной обработке дробью.

Металлы с ГЦК решёткой упрочняются сильнее, чем с ОЦК.

У металлов и сплавов в определённых условиях деформации может проявляться сверхпластичность.

Под сверхпластичностью понимают способность металла к значительной пластической деформации ( = 10² – 10³%) в определённых условиях при одновременно малом сопротивлении деформированию. Существуют следующие разновидности сверхпластичности.

1. Структурная, которая проявляется при температурах 0,5Т_пл в металлах и сплавах с величиной зерна от 0,5 до 10 мкм и небольших скоростях деформации.

2. Субкритическая (сверхплдстичность превращения), наблюдающаяся вблизи начала фазовых превращений, например, полиморфных.

Возвратом называется процесс частичного восстановления структурного совершенства и свойств деформированных металлов и сплавов при их нагреве ниже температур рекристаллизации. Возврат используется для повышения пластичности наклёпанных металлов и термической стабильности структуры и свойств. Возврат имеет две разновидности:

1. Отдых – снятие искажений решётки в процессе незначительного нагрева (для Fe 300-400ºС). В результате твёрдость и прочность несколько понижаются, а пластичность возрастает.

2. Полигонизация, заключающаяся в том, что беспорядочно расположенные внутри зерна дислокации собираются, образуя сетку и создавая ячеистую структуру, которая может быть устойчивой и затруднить процессы, развивающиеся при более высокой температуре.

При дальнейшем повышении температуры подвижность атомов возрастает, и при достижении определённой температуры (Т_рекр  0,4 Т_пл) образуются новые равноосные зёрна.

Рекристаллизацией называется образование и рост одних зёрен за счёт соседних зёрен той же фазы.

Первичная рекристаллизация заключается в образовании новых зёрен. Это мелкие зёрна, возникающие на поверхности раздела крупных деформированных зёрен. Вновь образующиеся зёрна свободны от дефектов.

Вторичная рекристаллизация (собирательная) заключается в росте зёрен.

В результате рекристаллизации наклёп практически полностью снимается, и свойства приближаются к их исходным значения.