Полиморфные превращения металлов
Строение стального слитка
Строение слитка не является однородным, т.к. из-за изменения градиента охлаждения по его сечению условия кристаллизации изменяются (рис.).
Рис. Строение стального слитка спокойной стали:
1 – усадочная раковина;
2 – мелкозернистая корка;
3 – зона столбчатых кристаллов;
4 – зона равноосных зерен
Наружная мелкозернистая корка представляет собой мелкие равноосные кристаллы – дендриты, образованные в условиях сильного переохлаждения. Затем следует зона столбчатых дендритных металлов, ориентированных в направлении отвода тепла. Эта зона обладает высокой плотностью и наиболее высоким качеством металла (низкое содержание неметаллических включений, газовых пузырей и т.п.). Однако в стыках (по границам) столбчатых зерен наблюдается повышенная хрупкость, которая устраняется последующей горячей ОМД.
В осевой зоне слитка в условиях слабого градиента формируется зона равноосных зерен – дендритов, в которой повышенное содержание неметаллических включений, примесей газов. Эта зона характеризуется пониженными механическими свойствами.
В верхней части слитка спокойной (раскисленной Mn, Al, Si) стали образуется усадочная раковина из-за разности объема жидкого и твердого металла. Под усадочной раковиной может быть поусадочная рыхлость, осевая пористость и др.
В слитке кипящей стали (раскисленной только Mn) содержатся раковины и газовые пузыри (соты) по всему объему, которые образуются по реакции FeO + C = Fe + CO .
Эти газовые пузыри при горячей ковке или прокатке завариваются диффузионной сваркой. Кипящая сталь, содержащая C<0,25% и Si<0,07%, характеризуется высокой пластичностью и в основном предназначена для деталей, изготовляемых методом холодной пластической деформации.
Слиток характеризуется ликвацией, представляющей собой неоднородность распределения химических элементов. Ликвация подразделяется на:
а) зональную – по объему слитка;
б) дендритную – по объему дендрита;
в) гравитационная - по удельному весу.
Отходы с прибыльной части слитка составляют 10…20%, а с донной – 5…10%.
К основным дефектам слитков относятся: усадочные раковины, газовые пузыри, раковины, неметаллические включения, ликвация, междендритные трещины.
Структура, состоящая из столбчатых кристаллов, также наблюдается и в сварочных швах.
Горячая деформация слитка приводит к вытягиванию зерен по направлению пластичного течения металла. Вместе с зерном вытягиваются и примеси и неметаллические включения, расположенные по границам зерен, образуя волокнистую структуру, которая служит структурным признаком деформированного металла и обусловливает его анизотропию.
Основные понятия в теории сплавов
Система – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения.
В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.
Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения.
Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.
Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.
Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз.
Если вариантность C = 0 (нонвариантная система), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в системе
Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы ( С ). Это правило фаз или закон Гиббса
Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится
где: С – число степеней свободы, К – число компонентов, Ф – число фаз, 1 – учитывает возможность изменения температуры.
Сплавом называется вещество, состоящее из двух или более химических элементов. Элементы, входящие в сплав, называются компонентами
Компоненты сплава могут взаимно растворяться друг в друге, образуя твердые растворы или вступать в химическое взаимодействие, образуя химические соединения в виде карбидов, нитридов, интерметаллидов.
Твердый раствор – сплав, состоящий из двух или более компонентов, из которых один является растворителем, а другие – растворенными элементами (рис.).
Рис. Твердые растворы внедрения (1) и замещения (2)
Твердые растворы замещения могут быть с ограниченной и неограниченной растворимостью компонентов. При неограниченной растворимости все атомы элемента А (растворителя) могут быть заменены атомами В (растворенного элемента).
Неограниченная растворимость возможна при следующих условиях:
-компоненты имеют одинаковые типы кристаллических решеток;
-атомные радиусы компонентов отличаются не более чем на 10–15%;
-компоненты близко расположены друг от друга в периодической таблице, т.е. имеют близкие по строению валентные электронные оболочки.
Химическое соединениехарактеризуется:
-стехиометрическим соотношением атомов AmBn;
-своей кристаллической решетки, отличной от кристаллических решеток составляющих компонентов;
-своей определенной температурой плавления (как у чистых металлов).
В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:
1. механические смеси;
2. химические соединения;
3. твердые растворы.
А) Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Сплав состоит из кристаллов входящих в него компонентов (рис. 1). В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов.
Рис. Схема микроструктуры механической смеси
Б) Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.
Особенности этих сплавов:
1. Постоянство состава, то есть сплав образуется при определенном соотношении компонентов, химическое соединение обозначается Аn Вm.
2. Образуется специфическая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов (2)
3. Ярко выраженные индивидуальные свойства
4. Постоянство температуры кристаллизации, как у чистых компонентов
Рис. Кристаллическая решетка химического соединения
В) Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами.
Характерной особенностью твердых растворов является: наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя.
Твердый раствор состоит из однородных зерен.
Рис. Схема микроструктуры твердого раствора
Классификация сплавов твердых растворов.
По степеням растворимости компонентов различают твердые растворы:
· с неограниченной растворимостью компонентов;
· с ограниченной растворимостью компонентов.
При неограниченной растворимости компонентов кристаллическая решетка компонента растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в кристаллическую решетку растворенного компонента.
Для образования растворов с неограниченной растворимостью необходимы:
1. изоморфность (однотипность) кристаллических решеток компонентов;
2. близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться более чем на 8…13 %.
3. близость физико-химических свойств подобных по строение валентных оболочек атомов.
При ограниченной растворимости компонентов возможна концентрация растворенного вещества до определенного предела. При увеличении концентрации однородный твердый раствор распадается с образованием двухфазной смеси.
По характеру распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы:
· замещения;
· внедрения;
· вычитания.
В растворах замещения в кристаллической решетке растворителя часть его атомов замещена атомами растворенного элемента (рис. а). Замещение осуществляется в случайных местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами.
Рис. Кристаллическая решетка твердых растворов замещения (а), внедрения (б)
При образовании растворов замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атом растворенного элемента больше атома растворителя, то элементарные ячейки увеличиваются, если меньше – сокращаются. Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – важный момент, определяющий изменение свойств. Уменьшение параметра ведет к большему упрочнению, чем его увеличение.
Твердые растворы внедрения образуются внедрением атомов растворенного компонента в поры кристаллической решетки растворителя (рис. б).
Образование таких растворов, возможно, если атомы растворенного элемента имеют малые размеры. Такими являются элементы, находящиеся в начале периодической системы Менделеева, углерод, водород, азот, бор. Размеры атомов превышают размеры межатомных промежутков в кристаллической решетке металла, это вызывает искажение решетки и в ней возникают напряжения. Концентрация не превышает 2-2.5%
Твердые растворы вычитания, образуются на базе химических соединений, при этом возможна не только замена одних атомов в узлах кристаллической решетки другими, но и образование пустых, не занятых атомами, узлов в решетке.
Полиморфные превращения металлов
Представляют собой изменения типа кристаллической решетки в зависимости от температуры. У железа полиморфные превращения происходят при 1392° и 910°С (рис.).
t, с
Рис. Полиморфные превращения железа
При 1539°С из жидкого состояния L образуются кристаллы δ-Fe с ОЦК решеткой, которые при 1392°С превращаются в γ-Fe с ГЦК решеткой. При 910°С происходит превращение γ-Fe в a-Fe (рис. 14). Так как ГЦК решетка более плотно упакованная, чем ОЦК решетка, то превращения γ-Fe ↔ a-Fe сопровождаются увеличением или уменьшением объема металла на 1%
При 768°С у железа, как показал П. Кюри, происходит полная потеря ферромагнитных свойств без изменения типа кристаллической решетки (до 768°С оно ферромагнитное – способно намагничиваться, а свыше 768°С – парамагнитное, немагнитное). При этом несколько изменяются физические свойства (коэффициенты теплоемкости и теплопроводности и др.), что выражается в короткой площадке на диаграмме полиморфного превращения.
При полимерном превращении происходит перекристаллизация металла с образованием новой кристаллической решетки путем появления зародыша и его роста.
Из рис. видно, что кристаллизация и полиморфные превращения железа протекают при постоянной температуре, то есть эти превращения сопровождаются выделением энергии при охлаждении или ее поглощением при нагреве.
Кроме железа, полиморфные превращения проявляются у кобальта (Со), титана (Ti), олова (Sn) и др.
Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 41; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!