Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 178_Физическое материаловедение_6 том
.pdf
251
превращения изменяется и
в результате изотермиче-
ского распада образуются
уже не перлитоподобные
структуры, а промежуточ-
ная (между перлитным и
мартенситным превраще-
ниями) структура, которая
представляет собой иголь-
чатый троостит (бейнит).
Бейнит (различают
верхний ∆Т > 350 °С и
нижний ∆Т < 350 °С бей-
нит) представляет собой
также ферритно-цементит-
ную смесь, но в отличие от
пластинчатого перлита
(сорбита, троостита) его
структура характеризуется
перистым (цементит в виде
изолированных узких ча-
стиц) или игольчатым (це-
ментит очень тонкий и
ориентированный) видом.
При еще больших скоростях (v > v
кр
)охлаждения аустенита, ко-
гда ∆Т ≥ 500 °С и диффузионное перераспределение компонентов
стали не успевает осуществляться, аустенит не распадается, а ис-
пытывает сдвиговое аллотропическое превращение без изменения
состава, так называемое мартенситное превращение (см. рис.25.13).
Мартенсит − пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe,
который обозначают α′ или М (рис. 25.14). Превращение γ α′
протекает бездиффузионно. Предельная концентрация углерода в
мартенсите может достигать 2,14 %. Решетка α′ близка к решетке
α-Fe, но представляет собой объемноцентрированный тетраэдр
(ОЦТ). В структуре мартенсита атомы углерода занимают октаэд-
рические поры в решетке γ-Fe (в твердых растворах внедрения уг-
лерода в α-Fe атомы С занимают тетраэдрические поры) и сильно
Рис. 25.13. С-диаграмма с мартенситными
точками для стали с содержанием углерод
а
0,8 %: А − устойчивый аустенит; А
п
− пере-
охлажденный аустенит; А
ост
− остаточный
аустенит; М − мартенсит; Ф − феррит;
К − карбид (Fe
3
С)
252
ее искажают (рис. 25.15).
Следовательно, чем больше
углерода в мартенсите, тем
больше тетрагональность
решетки, т.е. отношение
осей с/а >1.
Практически изменение
с/а от концентрации угле-
рода (С, %) в мартенсите
подчиняется закону
с/а = 1 + 0,046 С. (25.4)
Кристаллы мартенсита
ориентационно связаны с
решеткой аустенита, из ко-
торого они и образуются
путем небольшого коллективного сдвига атомов на расстояния, не
превышающие межатомные, поэтому скорость их роста в разных
кристаллографических направлениях неодинакова. По этой же
причине кристаллы α′ имеют форму пластин (на самом деле − это
вытянутые линзообразные выделения, однако на шлифах они вы-
глядят как пластины или тонкие иглы).
Рис. 25.15. Деформация Бейна при перестройке решетки ГЦК ОЦК:
а − сдвоенная обычная элементарная ячейка в ГЦК решетке (атомы С находятся в
октаэдрических междоузлиях); б − выделенная ОЦТ решетка с отношением с/а =
2=
≈ 1,41; в − ОЦТ решетка мартенсита (атомы углерода занимают только окта-
эдрические междоузлия по оси с || [001]), возникающая в результате деформации
решетки, показанной на (б): сжатия по оси с и растяжения по осям а и b до
с/а ≈ 1,08
Рис. 25.14. Типичный вид структуры ма
р
-
тенсита (сталь 30ХН5М), полученный по-
сле выдержки при температуре 1100 °С в
течение 4 ч и охлаждения на воздухе
253
С помощью дифракционных методов
1
удается найти близкие
или почти совпадающие кристаллографические направления плос-
костей решеток аустенита и формирующегося мартенсита. Так, ис-
ходя из рис. 25.15 ориентационную связь между решетками γ и α′
можно записать в виде
(001)
α′
|| (001)
γ
; [110]
α′
|| [100]
γ
. (25.5)
Такое ориентационное соотношение наблюдалось в очень тон-
ких пленках (фольгах) и известно как соотношение Бейна.
В массивных образцах стали с содержанием 0,5−1,4 % С мар-
тенситные пластины находятся в следующем ориентационном со-
отношении с аустенитом, известном как соотношение Курдю-
мова−Закса:
(101)
α′
|| (1
1
1)
γ
; [11
1
]
α′
|| [
1
01]
γ
. (25.6)
В сплаве Fe−30% Ni установлено соотношение вида
(101)
α′
|| (1
1
1)
γ
; [10
1
]
α′
|| [
1
12]
γ
. (25.7)
Это соотношение, известное как соотношение Нишиямы, как и
соотношение (25.5), связано с деформацией Бейна (см. рис.25.15) и
отличается от соотношения (25.6) не очень сильно.
В целом совпадающие направления плоскостей аустенита и вы-
деляющегося из него мартенсита зависят от многих факторов, но, в
первую очередь, от состава аустенита и деформации.
Мартенситное превращение происходит в определенном интер-
вале температур: оно начинается при охлаждении до температуры
М
н
(температура начала превращения) и заканчивается при темпе-
ратуре М
к
(температура конца превращения) (см.рис. 25.13). По-
ложения точек М
н
и М
к
не зависят от скорости охлаждения и обу-
словлены химическим составом аустенита: чем больше в аустените
углерода, тем ниже М
н
и М
к
(см. рис. 25.5,а). Все легирующие эле-
менты, кроме Со и Аl, также понижают мартенситные точки: Мn и
Сr сильно, Мо и W − незначительно, a Ni занимает промежуточное
положение (рис. 25.5,б). Отсюда следует, что выбором состава ле-
гирующих элементов можно до такого уровня понизить температу-
ру М
н
, что при комнатной температуре удается зафиксировать
1
Физическое материаловедение. − Т. 1. П. 1.8.
254
аустенитную структуру. Этот принцип и используется для получе-
ния аустенитных сталей.
Мартенситное превращение часто не протекает до конца и в
структуре стали при комнатной температуре имеется остаточный
аустенит. Поэтому в закаленных сталях, имеющих точку М
к
ниже
20 °С, всегда присутствует остаточный аустенит. Например, в
сплавах Fe−С, не содержащих других легирующих элементов, при
концентрации С менее 0,6 % весь аустенит превращается в мартен-
сит, а при концентрации С более 0,6 % часть аустенита остается,
причем в стали с 0,6−1,0 % С количество остаточного аустенита не
превышает 10 %, а в стали с 1,3−1,5 % С оно достигает 30−50 %.
Если в сталях содержатся другие легирующие элементы, понижа-
ющие мартенситные точки
(например, как в стали 10X18Н8),
количество остаточного аустени-
та может достигать 80−100 %.
Типичная структура аустенитно-
мартенситной стали приведена на
рис. 25.16, где в микроструктуре
закаленной стали в виде светлых
полей между темными иглами
мартенсита присутствует оста-
точный аустенит.
Характерной особенностью
мартенсита является его высокая
твердость и прочность. Напри-
мер, твердость мартенсита с со-
держанием 0,6−0,8 % С в 6 раз
выше твердости феррита, а
σ
в
≈ 2600÷2800 МПа, что на по-
рядок превышает предел прочно-
сти феррита. Вместе с тем мар-
тенсит обладает низкой пластич-
ностью, поэтому при высоком
содержании углерода (более
0,35−0,4 %) мартенситная сталь
разрушается хрупко.
Рис. 25.16. Микроструктура высоко-
углеродистой стали после выдержки
при температуре 1100 °С в течение
30 мин и охлаждения (закалки) в
ледяной соленой воде. Превращение
не закончено: между выделениями
пластинчатого мартенсита (темный)
находятся большие области оста-
точного аустенита (светлый)
255
Как и все пересыщенные твердые растворы, мартенсит неустой-
чив (метастабилен) и распадается даже при небольшом нагреве
(Т < 200 °С). Остаточный аустенит также метастабилен, его распад
идет при Т ≥ 200 °С. При нагреве (отпуске) закаленной стали в ин-
тервале температур до
1
c
A
происходит распад М и А
ост
с образова-
нием при полном их распаде ферритно-цементитной смеси, т.е.
М + А
ост
→
отпуск
Ф + Ц. При этом с ростом температуры идут
процессы, приведенные в табл. 25.2.
Таблица 25.2
Процессы, идущие при нагреве в закаленной стали
Температура,
°С
Процесс
Ниже 150
М → М
отп
+ ε-карбид; уменьшается тетрагональность, из
мартенсита закалки выделяется ε-карбид железа (Fe
х
C, веро-
ятно, по составу близок к Fe
2
C), формируется мартенсит от-
пуска (М
отп
) с несколько меньшей концентрацией углерода.
Выделяющиеся карбидные частицы имеют форму тонких
пластинок толщиной всего в несколько атомных слоев и
длиной в несколько десятков нанометров.
150−300 1. Выделяются ε-карбиды из М, происходит укрупнение кар-
бидов за счет притока атомов С. Частицы карбидов когерент-
ны с матрицей. Мартенсит еще больше обедняется углеро-
дом. Образующуюся структуру называют отпущенным мар-
тенситом. На верхней границе температурного интервала
отношение с/а → 1.
2. Распадается остаточный аустенит А
ост
→ М
отп
+ ε, проис-
ходит, по-существу, бейнитное превращение.
300−400
1. Завершается выделение углерода из мартенсита, проис-
ходит нарушение когерентности и обособление решеток
феррита и карбидов. Одновременно протекает карбидное
превращение, которое завершается образованием цементита
(ε−Fe
х
C → Fe
3
C) и сфероидизацией карбидов.
2. Происходит снятие (релаксация) внутренних напряжений,
возникающих при закалке в результате мартенситного пре-
вращения. Формирующуюся в результате структуру называ-
ют трооститом отпуска (тонкая Ф−Ц-смесь).
400−500 Коагуляция и сфероидизация карбидов,
d ∼ 10 нм.
256
Продолжение табл. 25.2
Температура,
°С
Процесс
500−680
Продолжается коагуляция и сфероидизация карбидов,
~100d
нм.
727 (A
c
1
)
Образуется грубая Ф−Ц структура (диаметр карбидных ча-
стицd ∼ 300 нм), называемая зернистым перлитом.
После медленного охлаждения структура стали состоит из двух
фаз − феррита и цементита (см. рис. 25.7). Количество цементита
возрастает, а феррита уменьшается пропорционально содержанию
углерода (рис. 25.17,а). С увеличением содержания углерода
возрастают твердость, пределы прочности и текучести и уменьша-
ются пластичность и ударная вязкость (рис. 25.17,б). Кроме того,
повышение концентрации углерода приводит к возрастанию хлад-
ноломкости стали и
расширяет пере-
ходный интервал
от вязкого к хруп-
кому состоянию
(рис. 25.17).
Рис. 25.17. Влияние кон-
центрации углерода на
количество присутству-
ющих в стали фаз (а) и
на механические свой-
ства стали (б)
257
25.3.2. Влияние углерода на структуру
Fe
−
Сr и Fe
−
Cr
−
Ni сталей
Концентрация углерода в хромистом феррите (α-твердом рас-
творе Сr в Fe) невелика − примерно такая же, как и в α-Fe; в γ-Fe
растворимость достигает значительной величины (см. рис. 25.7).
Однако в хромоникелевом γ-твердом растворе (аустените) раство-
римость углерода существенно снижается (рис. 25.18); особенно
мала растворимость углерода при температуре ниже 600−700 °С −
по данным последних
работ ее можно при-
нять равной 0,01 %.
Важное значение
углерода для металли-
ческих сплавов состо-
ит в том, что с боль-
шинством металлов
он образует карбиды −
химические соедине-
ния, обладающие в
той или иной степени
металлическими свой-
ствами. Количество
карбидов, а также их
дисперсность подда-
ются регулированию
путем изменения со-
става сплава и терми-
существенно влияет
на механические свойства. На основании этого широко применяет-
ся так называемое карбидное упрочнение сталей и сплавов.
В углеродистых сталях, содержащих углерода более 0,02 %, по-
является карбидная фаза Fe
3
C (цементит) со сложной тетрагональ-
ной кристаллической решеткой, элементарная ячейка которой
включает 16 атомов. Карбид железа способен образовывать твер-
дые растворы, так как атомы С могут частично замещаться атома-
ми неметаллов: N, О (оксикарбонитриды, оксикарбиды); в сложно-
Рис. 25.18. Растворимость углерода
в хромоникелевой стали с 18 % Сr и 8 % Ni
258
легированных сталях атомы железа в карбиде Fe
3
C частично заме-
щаются атомами Сr, Мо, W и другими легирующими элементами.
В последнем случае легированный карбид в общем виде обознача-
ют формулой М
3
С и называют карбидом цементитного типа. В
хромистых сталях карбид цементитного типа может включать до
20 % атомов Сr [карбид (Fe, Cr)
3
C]. Он образуется, как правило, в
сталях с содержанием Сr не выше 2 % и называется легированным
цементитом. При повышенном содержании Сr (примерно от 2 до
10 %) образуется специальный карбид (Сr, Fe)
7
C
3
. При еще боль-
ших содержаниях Сr (более 10 %) образуется карбид (Cr, Fe)
23
C
6
(рис. 25.19 и 25.20, а).
Рис. 25.19. Политермиче-
ский разрез системы Fe−Cr
при содержании 0,1 % С:
К
с
− карбид цементитного
типа (Fe, Cr)
3
C, растворя-
ющий до 20 % хрома; К
1
−
карбид с ГЦК решеткой
(Cr, Fe)
23
C
6
(в равновесии с
α-твердым раствором, со-
держащим 6,5 % Сr, карбид
имеет состав 34,4 % Fe +
60,1
% Cr + 5,5 % С); К
2
−
карбид с ГПУ кристалли-
ческой решеткой (Cr,
Fe)
7
C
3
(в равновесии с
α-твердым раствором,
содержащим 6,5 % Сr,
карбид имеет состав
27,3
% Fe + 63,8 % Сr +8,9 %
С, а с α-твердым раство-
ром, содержащим 0,75
%
Сr, состав карбида 53,8
%
Fe
+ 37,6 % Cr + 8,8 % С)
Диаграмма состояния системы Сr−С (рис. 25.21) характеризует-
ся ограниченной растворимостью углерода в хроме (в твердом со-
стоянии). Максимальная растворимость достигает порядка 0,4 %
при эвтектической температуре 1535 °С и резко уменьшается с по-
нижением температуры − при 900 °С она не превышает 0,003 %.
259
В диапазоне 900−1500 °С
растворимость углерода в
твердом Сr описывается выра-
жением lg C = 3,55 − 6060/T, где
С − концентрация углерода,
ат. %; Т − температура, К.
Рис. 25.20. Изотермические сечения
(при 20 °С) диаграмм состояния:
а − Fe−C−Cr;
б − Fe−C−Mo; в−Fe−C−W
Надежно установлено существование трех карбидов хрома:
Сr
23
С
6
со сложной ГЦК решеткой с 116 атомами в элементарной
ячейке (а = 1,065 нм); Сr
7
С
3
с гексагональной кристаллической ре-
шеткой с 80 атомами в элементарной ячейке (а =1,401 нм, с =
=
0,452 нм) и Сr
3
С
2
с орторомбической (а =1,147 нм, b = 0,554 нм,
с = 0,283 нм) решеткой. Соединение Сr
7
С
3
плавится конгруэнтно
при 1765 °С, а карбиды Сr
23
С
6
и Сr
3
С
2
образуются по перитектиче-
260
ским реакциям соответственно при 1775 и 1810 °С. Карбид Сr
23
С
6
и
α-твердый раствор (рис. 25.21) образуют эвтектику при 1535 °С, а
Сr
7
С
3
и Сr
3
С
2
−
при 1725 °С.
Из рис. 25.19
следует, что введ-
ение 0,1 % С в
систему Fe−Сr,
кроме образова-
ния карбидных
фаз, приводит к
расширению об-
ласти существо-
вания γ-фазы до
14 % Сr, а двух-
фазной (α + γ)-об-
ласти примерно
до 25 % Сr. Хо-
рошо известно,
что при содержа-
нии 0,4 % С од-
нофазная γ-об-
ласть расширяется
до 18 % Сr, а двухфазная − до 28 % Сr. Таким образом, введение
углерода в железохромистые сплавы расширяет области составов
мартенситных и полуферритных (двух- или трехфазных, например,
аустенитно-ферритных, ферритно-мартенситных и др.) сталей и
увеличивает возможность изменения их свойств путем термиче-
ской обработки.
В хромоникелевом аустените практически весь углерод идет на
образование карбидных фаз. Благодаря высокому содержанию Сr
(около 18 %) и небольшому количеству С (обычно примерно 0,1 %)
карбидные фазы имеют структуру карбидов типа М
23
С
6
.
В сталях, содержащих значительное количество углерода (до
0,5 %), легирование хромом способствует увеличению температу-
ры эвтектоидного превращения
1
(точка )
c
A
− при содержании
12−14 % Сr она равна 820−850 °С. Одновременно в эвтектоиде
Рис. 25.21. Диаграмма состояния системы Сr−С
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)