Материаловедение и технология конструкционных материалов

50 Раздел I. Материаловедение

краевые (линейные) дислокации возникают вследствие появле­ ния в кристалле неполной атомной плоскости, которая называ­ ется экстраплоскостью (плоскость ABED). Линия AD, т.е. край экстраплоскости, и будет краевой дислокацией. Длина дислока­ ций может достигать размера всего кристалла, в поперечном же сечении размеры дефекта невелики и не превышают несколь­ ких межатомных расстояний.

Образование дислокаций происходит обычно в процессе пер­ вичной кристаллизации. Однако при пластической деформации, термической обработке и других процессах плотность дислокаций может существенно изменяться, оказывая очень сильное влияние на механические свойства металлов и сплавов. Наиболее простой и наглядный способ образования дислокаций в кристалле — сдвиг (см. рис. 2.3, б). Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относительно нижней на одно межатомное расстояние и зафик­ сировать положение, когда сдвиг охватил не всю плоскость сколь­ жения, а только ее часть ADCF, то граница AD между участком, где скольжение уже произошло, и участком в плоскости сколь­ жения, в котором скольжение еще не произошло, и будет линей­ ной дислокацией .

Поверхностные дефекты (рис. 2.3, в) представляют собой поверхности раздела (границы) между отдельными зернами и суб­ зернами в поликристаллическом металле. Зерна разориентированы, повернуты относительно друг друга на несколько градусов. По границам зерен скапливаются дислокации и вакансии, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. К поверхностным дефектам относятся двойники (симметрично переориентированные области кристаллической решетки) и де­ фекты упаковки (локальные изменения расположения плотно упакованных плоскостей в кристалле).

Объемные дефект^, представляют собой поры, макротрещи­ ны и другие подобные несплошности металла.

Кристаллизация металлов

Кристаллизация обусловлена стремлением системы при оп­ ределенных условиях перейти к энергетически более устойчи­ вому состоянию с меньшей свободной энергией F. На рис. 2.4 показана зависимость изменения свободной энергии F для жид­

кой и твердой фаз от изменения температуры Т системы. Мень­ шей свободной энергией вещество в жидком состоянии обладает при температуре выше, а в твердом — ниже теоретической температуры плавления (точка Ts). В реальных условиях про­ цесс кристаллизации не может начаться при температуре Ts, так как при данной температуре система находится в состоянии равновесия (РжFT). Для того чтобы процесс кристаллизации начался, жидкость необходимо охладить ниже точки Т„. Темпе­ ратура, при которой реально начинается процесс кристаллизации, называется фактической температурой кристаллизации (Гкр). Разность между теоретической температурой Tsи реальной темпе­ ратурой Ткр, при которой протекает кристаллизация, называется

степенью переохлаждения системы АТ. При нагреве переход из твердого в жидкое состояние также начинается при опреде­ ленной степени перегрева системы АТ.

Рис. 2.4. Изменение свободной энергии F металла в жидком (Fx) и твердом (FT) состоянии в зависимости от температуры Т

Выделяют два вида кристаллизации:

□первичная — переход металла из жидкого состояния в твер­ дое с образованием кристаллической структуры;

□вторичная — образование новых кристаллов в твердом кри­

сталлическом веществе.

Кристаллизацию металлов и сплавов исследуют с помощью термического анализа, суть которого заключается в регистра­ ции температуры системы через равные промежутки времени. Для этого в тигель 1 (рис. 2.5, а) с расплавленным металлом погружают термоэлектрический термометр (термопару) 2, под­ ключенный к регистрирующему потенциометру 3. На основа-

Рис. 2.5. Кристаллизация металлов:

а — схема установки для регистрации процесса; б — кривая охлаждения и схема процесса кристаллизации (L — жидкое состояние; а — твердое состояние)

нии полученных данных в координатах температура — время строят кривую охлаждения (рис. 2.5, б), которая отражает по­ следовательность протекания процесса кристаллизации.

На рис. 2.6, а приведены кривые охлаждения металла при кристаллизации с различной скоростью охлаждения.

Верхний участок кривой охлаждения показывает понижение температуры жидкого металла. При температуре, соответствую­ щей горизонтальному участку, происходит процесс затвердевания жидкого металла. Выделение скрытой теплоты кристаллизации способствует сохранению постоянной температуры в течение всего времени, необходимого для завершения процесса. Нижний участок кривой соответствует охлаждению закристаллизовав­ шегося металла. Тонкой горизонтальной линией на диаграмме показано значение теоретической температуры кристаллиза­ ции Ts. Из рис. 2.6 видно, что по мере увеличения скорости охла­ ждения (Vx < V2 < V3) степень переохлаждения расплава возраста­ ет и кристаллизация начинается при более низких температурах. Период кристаллизации при этом сокращается.

Основы теории кристаллизации были разработаны более 100 лет назад основоположником науки о металлах — металловедения — Д.К. Черновым, который установил, что кристаллизация состо­ ит из двух процессов: зарождения мельчайших частиц твердого

Рис. 2.6. Влияние скорости охлаждения на процессы кристаллизации: а — кривые охлаждения чистого металла; б — влияние степени переохла­ ждения АТ на скорость зарождения (СЗ) и скорость роста (СР)

вещества, называемых зародышами или центрами кристалли­ зации, и роста кристаллов из этих центров. При охлаждении металла ниже Т3в различных участках жидкого металла образу­ ются устойчивые, способные к росту кристаллические зародыши. С понижением температуры расплава количество зародышей возрастает. В реальных условиях центры кристаллизации обра­ зуются на тугоплавких неметаллических включениях.

Рост кристалла заключается в том, что к поверхности зароды­ шей присоединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно, сохраняя правиль­ ную геометрическую форму. При столкновении растущих кристал­ лов их форма нарушается, и в дальнейшем рост продолжается только там, где есть свободный доступ к расплаву. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы. Такие кристаллы называются зернами. Размер зерен зависит от ско­ рости зарождения центров кристаллизации (СЗ) и скорости рос­ та кристаллов (СР). На рис. 2.6, б показана зависимость этих параметров от степени переохлаждения расплава.

На рис. 2.7 приведены кривые охлаждения и нагрева железа, характеризующие его полиморфные превращения. При темпе­ ратурах ниже 911 °С и выше 1392 °С железо имеет объемноцентрированную кубическую решетку и обозначается Fea. При темпе­ ратурах 911...1392 °С оно имеет гранецентрированную кубиче­ скую решетку и обозначается Fer Высокотемпературную моди­ фикацию Fea иногда обозначают Fe6.

При температуре 768 °С (точка Кюри) происходит изменение магнитных свойств железа: ниже 768 °С оно магнитно, выше — немагнитно (немагнитное a -железо иногда называют р-железом).

Основные сведения о металлических

Вмашиностроении чистые металлы не находят широкого при­ менения, так как в большинстве случаев они не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств. Чаще используют металлические сплавы — вещес!тва, состоя­ щие из двух и более элементов. Элементы, из которых образован сплав, называют его компонентами.

Компонентами могут быть химические элементы (металлы

инеметаллы) или устойчивые химические соединения.

Вжидком состоянии компоненты сплава в большинстве слу­ чаев полностью растворимы друг в друге и представляют собой жидкий раствор (рис. 2.8, а), в котором атомы различных эле­ ментов равномерно перемешаны друг с другом. При кристалли­

зации компоненты сплава вступают во взаимодействие, от харак­ тера которого зависит его строение. Наиболее часто встречаются твердые растворы, химические соединения и механические смеси.

Твердым раствором называется вещество, состоящее из двух или более компонентов, один из которых, сохраняя кристалли­ ческую решетку, является растворителем, а другой (или другие) распределяется в кристаллической решетке растворителя, не из­ меняя ее типа.

Микроструктура твердого раствора в условиях равновесия представляет совершенно однородные и одинаковые по составу зерна и похожа на структуру чистого металла. В зависимости от характера распределения атомов растворенного вещества в кри-

4 7 1 4 7 ! тГ

Рис. 2.8. Фазы в металлических сплавах:

а — жидкий раствор L; б — твердый раствор a -замещения; в — твердый раствор a -внедрения; г — химическое соединение А пВ т; д — механиче­ ская смесь А и В

сталлической решетке растворителя различают твердые растворы замещения (рис. 2.8, б) и внедрения (рис. 2.8, в). Растворимость в твердом состоянии ^южет быть неограниченной и ограниченной. При неограниченной растворимости возможна любая концентра­ ция (от 0 до 100 %) растворенного вещества (при концентрации более 50 % растворенное вещество становится растворителем).

Для образования твердых растворов замещения с неограни­ ченной растворимостью необходимо соблюдение следующих ус­ ловий:

□изоморфность (однотипность) кристаллических решеток сплавляемых компонентов;

□близость атомных радиусов компонентов, которые не долж­ ны отличаться больше чем на 8...13 %;

□близость физико-химических свойств компонентов.

Если два компонента сплава не отвечают перечисленным выше условиям, то они могут растворяться друг в друге лишь ограни­ ченно. В реальных сплавах чаще наблюдаются твердые раство­ ры с ограниченной растворимостью.

Химическим соединением (рис. 2.8, г) называют вещество, характерными особенностями которого являются:

□ постоянство состава, выраженное формулой, которая отве­ чает определенному соотношению количеств атомов компонен­ тов А и В в нем;

□наличие нового типа кристаллической решетки, отличаю­ щегося от типов решеток сплавляемых компонентов;

□ярко выраженное существенное изменение всех свойств. В отличие от твердых растворов химические соединения обыч­

но образуются между компонентами, имеющими различия в элек­ тронном строении атомов.

Механическая смесь (рис. 2.8, д) образуется, когда компо­ ненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием химического соединения. При этом образуется двухфазная струк­ тура сплава, представленная чередующимися зернами чистых компонентов А и В.

При изучении явлений, протекающих в металлах и сплавах в процессе их превращений, пользуются понятиями «система», «фаза», «компонент».

Системой называется совокупность фаз, находящихся в рав­ новесии при определенных внешних условиях (температура, давление). Система может быть простой, если она состоит из од­ ного элемента (чистый металл), и сложной — из нескольких элементов (сплав).

Фазой называется однородная по химическому составу и внут­ реннему строению часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела. Фазами могут быть металлы и неметаллы, жидкие и твердые растворы, химические соединения. Однофаз­ ной системой является, например, однородная жидкость, двух­ фазной — механическая смесь кристаллов двух металлов.

2.6. Диаграммы состояния двойных сплавов

Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним закономерности их строения отражаются на диаграммах состояния. Эти диаграммы представляют собой графическое изо­ бражение фазового состояния сплавов в зависимости от темпера­ туры и концентрации компонентов в условиях равновесия и стро­ ятся в координатах температура — состав сплава (рис. 2.9, а).

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условиям равновесия, могут быть

сталлизации f —2 (две фазы — твердая и жидкая), а С = k —f + 1 = = 1 —2 + 1 = 0 . Это означает, что две фазы находятся в равнове­ сии при строго определенной температуре (температуре плавле­ ния), и она не может быть изменена до тех пор, пока одна из фаз не исчезнет.

Подобным образом можно рассчитать число степеней свобо­ ды и для случая кристаллизации сплавов.

Для построения диаграммы используют кривые охлаждения чистых компонентов, образующих систему (в общем случае А и В),

иих сплавов различного состава, полученные методом термиче­ ского анализа (рис. 2.9, б). По кривым охлаждения определяют температуры фазовых превращений — критические точки. На кривых охлаждения I и V чистых компонентов А и В имеется только по одной критической точке, так как кристаллизация чис­ тых металлов протекает при постоянной температуре (см. 2.3).

Процесс кристаллизации сплавов И...IV протекает иначе: сначала в интервале температур между точками 1 и 2, а затем при постоянной температуре (точки 2 и 2'). Ниже этой темпера­ туры происходит охлаждение уже твердого вещества. Первая критическая точка (1), отвечающая началу кристаллизации, называется ликвидус, а вторая (2), отвечающая концу кристал­ лизации, — солидус.

Если полученные температуры нанести на вертикальные ли­ нии для чистых компонентов А и В и выбранных составов сплавов

исоединить одной линией точки, отвечающие началу кристалли­ зации — ликвидус, а другой — точки, отвечающие концу кри­ сталлизации — солидус, то получим диаграмму состояния, пока­ занную на рис. 2.9, а. На этой диаграмме линия АСВ (ликви­ дус) — линия начала затвердевания сплавов. Выше температур этой линии все сплавы данной системы находятся в жидком со­ стоянии. Линия DCE (солидус) — линия конца затвердевания сплавов. При температурах ниже этой линии все сплавы системы находятся в твердом состоянии. Между этими линиями часть сплава находится в твердом состоянии, а часть — в жидком.

Диаграммы состояния позволяют определить состав фаз и их количественное соотношение в условиях равновесия при опре­ деленной температуре; проследить превращения, протекающие при охлаждении и нагревании; определить температуру начала