Карбиды и нитриды в легированных сталях
К карбидообразующим относятся переходные металлы с недостроенной (/-электронной оболочкой. Чем меньше электронов на оболочке, тем больше сродство к углероду.
В сталях карбидообразующими являются следующие элементы: Fe, Мп, Сг, Mo, W, V, Nb, Ti (элементы перечислены в порядке возрастания их карбидообразующей способности).
При введении в сталь карбидообразующего элемента в небольшом количестве (десятые доли процента; для несильных карбидообразователей — 1 - 2 %) образования карбида этого элемента чаще всего не происходит. В этом случае атомы легирующего элемента частично замещают атомы железа в пространственной решетке цементита; образуется легированный цементит, мало отличающийся по свойствам от обычного цементита.
Карбид марганца не образуется при любых содержаниях марганца.
Формулу легированного цементита записывают обычно как (Fe, Сг)зС или (Fe, Мп)зС или в общем виде МезС. Последняя формула подчеркивает, что в карбидах цементитного типа на три металлических атома приходится один атом углерода.
Сильные карбидообразователи — Mo, W, V, Nb, Ti — образуют с углеродом фазы внедрения. При этом чаще всего карбиды имеют формулу МеС, т.е. на один металлический атом приходится один атом углерода. При известных условиях W и Мо образуют карбиды, более богатые металлом — МегС.
Фазы внедрения, отличающиеся очень высокой тугоплавкостью, практически нерастворимы в аустените.
|
|
|
Для распада и растворения таких карбидов, как TiC, NbC, WC, сталь необходимо нагреть до ~ 1300°С. Вследствие нерастворимости фаз вне-л рения происходит обеднение аустенита углеродом при легировании стали сильными карбидообразователями.
Промежуточное положение по карбидообразующей способности занимает хром, который наиболее широко по сравнению с другими элементами используется как легирующая добавка в сталях.
Хром в низко- и среднелегированных сталях (до 10 %) образует кар оид СГ7С3; в высоколегированных сталях образуется более богатый хромом карбид СггзСб. Карбиды хрома могут растворять железо и легирующие элементы стали в значительном количестве, поэтому часто в общем ии.те формулы этих карбидов записываются как МеуСз и Ме2зСб-
Хром оказывает влияние на карбидообразование при совместном его инелении с молибденом и вольфрамом. При определенном соотношении
114 Глава 4. Влияние химического состава на равновесную структуру сплавов
хрома и молибдена (вольфрама) фазы внедрения (МоС, WC) не образуются, а вместо них появляются сложные карбиды, содержащие хром, молибден (вольфрам) и железо с формулой Ме^С. Карбиды типа Ме^С, в отличие от фаз внедрения, растворимы в аустените, хотя для их растворения требуются еще более высокие температуры и более длительные выдержки, чем для растворения карбидов хрома.
|
|
|
Таким образом, в зависимости от легирующего элемента и его количества в структуре легированных сталей могут встретиться следующие типы карбидов: хорошо растворимые в аустените карбиды типа Мез С, трудно растворимые карбиды типов МеуС^, МегзСб и Ме^С и почти нерастворимые в твердом состоянии карбиды типа МеС.
Аналогичные образования наблюдаются в сталях при достаточном количестве азота. Эти фазы называются нитридами.
Таблица 4-3- Энергии образования AG\$S (свободная
Энергия Гиббса), температуры плавления
И твердость карбидов и нитридов металлов
| Карбид, | ЛГ10 | ^ПЛ ) | HV | Карбид, | AG298, | 'пл J | HV |
| нитрид | кДж/моль | °c | нитрид | кДж/моль | °c | ||
| ZrC | -181,2 | 3550 | 2700 | ZrN | -337 | 2980 | 1510 |
| TiC | -180 | 3140 | 2900 | TiN | -308,2 | 2950 | 1900 |
| ТаС | -159,5 | 3880 | 1800 | TaN | -222,7 | 3090 | 1060 |
| NbC | -139,2 | 3450 | 2200 | NbN | -209,3 | 2050 | 1370 |
| VC | -83,7 | 2530 | 2400 | VN | -157,8 | 2050 | 1520 |
| WC | -35,2 | 2770 | 2085 | ||||
| w2c | -24,5 | 2800 | 1450 | CrN | -85,8 | 1450 | 1080 |
| Mo2C | -23,5 | 2410 | 1480 | Mo2N | -50,2 | 895 | - |
| Сг2зСб | -18,4 | 1380 | 1000 | ||||
| Fe3C | +6,6 | 1260 | -800 | Fe4N | +7,3 | - | - |
В табл. 4.2 и 4.3 приведена информация об образовании карбидов и нитридов в зависимости от положения металлов в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева и степени заполнения их d-электронной оболочки. Наиболее сильные карбидообразователи и нитридообразователи располагаются в левой части табл. 4.2, поэтому при достаточном количестве в стали Ti, V и Nb трудно ожидать образования цементита, а тем более карбидов или нитридов кобальта и никеля при их наличии в стали.
|
|
|
•1.5. Диаграмма состоянии -|ройной сисм-мы
N7
Рис. 4.23. Влияние легирующих элементов на содержание углерода в эвтектоиде |
4.4.3. Влияние легирующих элементовна фазовые превращения сталей
Легирующие элементы, понижающие температуру Аз в безуглеродистых сплавах (Ni и Мп), смещают линии PSK, GS и SE диаграммы Fe-ГезС в сторону более низких температур (см. рис. 4.11).
Легирующие элементы, повышающие температуру Аз в безуглеродистых сплавах оказывают обратное влияние — они смещают линии PSK, GSnSE в сторону более высоких температур. Влияние некоторых легирующих элементов на положение эвтектоидной линии при нагреве показано на рис. 4.22.
В сложнолегированных сталях, содержащих элементы одной и другой групп, смещение критических температур зависит от количественного соотношения этих элементов.
|
|
|
Под влиянием легирования изменяется и положение узловых концентрационных точек диаграммы Fe - ГезС. Важнейшие узловые точки стали — S, указывающая содержание углерода в эвтектоиде (рис. 4.23), и Е, указывающая максимальную растворимость углерода в аустените.
Большинство легирующих элементов уменьшает растворимость углерода в аустените при всех температурах, что равносильно сдвигу линии SE влево, в сторону меньших концентраций углерода.
|
|
|
|
| 2 4 6 8 10 12 14 16 Легирующий элемент, % |
| 8 Ю Легирующий элемент, % Рис. 4.22. Влияние легирующих элементов на температуру Aci |
Максимальная растворимость углерода в аустените (точка Е) наиболее резко уменьшается под влиянием элементов, замыкающих 7-область в безуглеродистых сплавах: Сг, Si, W, V,Ti. Очевидно, что в присутствии
этих легирующих элементов ледебурит в структуре сплава появится при меньших концентрациях углерода, чем в нелегированных железоу! лероди слых сплавах. Например, в стали, легированной 10 11 % Сг, ледебурит появляется в структуре при содержании углерода ~ 1 %. Характерно, что небольшое количество ледебуритной эвтектики при пониженном содержа нии углерода не снижает способности сплава обрабатываться давлением в горячем состоянии, тогда как нелегированный белый чугун (С > 2, 11 %) теряет способность к обработке давлением даже при малых количествах эвтектической составляющей структуры.
В связи с этим легированные стали, содержащие ледебуритную составляющую, относят к сталям, а не к белым чугунам и классифицируют как ледебуритные.
4.5. Диаграмма состояния тройной системы
В отличие от двойных тройные диаграммы позволяют проводить фа ювый и структурный анализ реальных технических сплавов, которые, как правило, являются трех- и более компонентными.
|
|
Моделью тройной системы является трехгранная призма, опирающаяся на равносторонний треугольник. Верхняя часть призмы является поверхностью ликвидуса. В тройной системе, где все три компонен-ia неограниченно растворимы как в жидком, так и в твердом состоянии, поверхность ликвидуса имеет наиболее простой вид — это поверхность чечевичного зерна, обрезанного с трех сторон (рис. 4.24). Во всех остальных случаях эта поверхность оказывается сложной, состоящей из нескольких пересекающихся между собой поверхностей, по-и ому изучение тройных систем пред-мавляет определенные методические iрудности.
| Рис. 4.24. Диаграмма состояния тройной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях |
Основанием трехгранной призмы
является равносторонний треугольник,
на котором отмечаются концентрации
сплавов, боковыми гранями — диаграм
мы состояния двойных систем, а высо-
юй температура. Выбор равносто-
роннею треугольника объясняется тем,
Г)1. Пластическоедеформирование поилние моно- и поликристаллом \ТЛ
|
|
Глава 5
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ДЕФОРМИРОВАННЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
5.1. Пластическое деформирование моно- и поликристаллов
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. Деформации подразделяют на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия приложенных сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов металлов от положений равновесия; в основе пластических — необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия.
Способность металлов пластически деформироваться называется пластичностью. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности, при холодном деформировании повышается прочность. Пластичность обеспечивает конструкционную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов напряжений.
6.1.1. Механизм пластического деформирования
Пластическая деформация в кристалле осуществляется путем сдвига одной его части относительно другой. Сдвиг вызывают касательные напряжения, когда их значение превышает критическое г.
Имеется две разновидности сдвига: скольжение и двойникование. При скольжении одна часть кристалла смещается параллельно другой части вдоль плоскости, называемой плоскостью скольжения или сдвига (рис. 5.1, а). Двойникование представляет собой перестройку части кристалла в новое положение, зеркально симметричное к его недеформирован-пой части (рис. 5.1, 6). Плоскость зеркальной симметрии начинают плоскостью двойни кона ния. При двойни копан и и атомные плоское : и кристалла
А б
Рис. 5.1. Схемы пластической деформации скольжения (а) и двойникования (б)
сдвигаются параллельно плоскости двойникования на разные расстояния. Часть кристалла, в которой в результате двойникования произошла переориентация кристаллической решетки, называют двойником деформации. По сравнению со скольжением двойникование имеет второстепенное значение. Роль двойникования возрастает, когда скольжение затруднено. В металлах с ОЦК и ГЦК решетками двойникование наблюдается лишь при низких температурах или высоких скоростях деформирования. При нормальных условиях в металлах с ГП решеткой деформация развивается как двойникованием, так и скольжением. Механизм двойникования сложен и в дальнейшем не рассматривается.
Скольжение развивается по плоскостям и направлениям, на которых плотность атомов максимальна (рис. 5.2). Плоскость скольжения вместе с направлением скольжения, принадлежащим этой плоскости, образует систему скольжения. Число систем скольжения неодинаково в металлах с разным типом решеток. У металлов с ГЦК решеткой (Си, Al, Ni и др.) скольжение идет по плоскостям {111} в направлениях < ПО >. Четыре плоскости скольжения и три направления скольжения в каждой из них образуют 12 эквивалентных систем скольжения.
Рис. 5.2. Системы скольжения в металлах с ГЦК (а), ОЦК (б) и ГП (в) решетками; плоскости наиболее легкого скольжения чаштрихованы:
/ (112); 2 (123); 3 плоское м. оачиса; 4 пирамидальная плоскость скольжения; .5 призматически*плоские i ь скольжения
|
|
В металлах с ОЦК решеткой скольжение развивается по плоскостям {ПО}, {112} и {123} в направлениях < 111 >. Число систем скольжения в этом случае составляет 48.
У металлов с ГП решеткой при с/а > 1,63 (Mg, Zn) скольжение развивается по плоскости базиса, в которой находятся три эквивалентных направления. Эти металлы менее пластичны, чем металлы с ОЦК и ГЦК решетками. Число систем скольжения может возрасти, если уменьшаются критические напряжения сдвига в других плоскостях.
Увеличение количества систем скольжения сопровождается повышением способности металла к пластическому деформированию. В частности, при с/а < 1,63 у циркония и титана скольжение идет по плоскостям базиса, пирамидальным и призматическим плоскостям (см. рис. 5.2, в), так как значения критических напряжений сдвига в них близки. Поэтому эти металлы более пластичны, чем магний или цинк, у которых скольжение идет только по плоскостям базиса.
Элементарный акт сдвига — это смещение одной части кристалла относительно другой на одно межатомное расстояние (рис. 5.3). В идеальном кристалле в скольжении должны одновременно участвовать все атомы, находящиеся в плоскости сдвига. Для такого синхронного «жесткого» сдвига требуется, как показывают расчеты, критическое касательное напряжение ткр = G/27T и 0,16G (G — модуль упругости при сдвиге). Величину ткр называют теоретической прочностью кристалла. В реальных кристаллах для сдвига на одно межатомное расстояние требуются напряжения около 10~4G, что в 1000 раз меньше теоретического значения. Низкая прочность реальных кристаллов обусловлена их структурным несовершенством.
Пластическое деформирование в реальных кристаллах осуществляется путем последовательного перемещения дислокаций. Дислокация легко движется в той плоскости, в которой находятся дислокационная линия и ее вектор Бюргерса.
Рис. 5.3. Схема перемещения атомов при скольжении краевой дислокации:
Л — — А - плоскость скольжения; светлые точки исходное положение атомов; темные точки положение атомов после сдвига дислокации па одно межа юмкос расстояние
Перемещение краевой дислокации при сдвиге на одно межатомное расстояние представляет собой согласованную перегруппировку атомов около дислокации и не сопровождается диффузионным переносом массы. Под действием касательного напряжения ряд атомов, образующих дислокационную линию, вытесняет ближайший ряд атомов в соседней плоскости. Этому способствуют упругие искажения кристалла около дислокации, облегчающих разрыв старых и образование новых межатомных связей. Как показано на рис. 5.3, при вытеснении ближайшего ряда атомов плоскость кристалла разделяется на две части: одна часть объединяется с избыточной полуплоскостью в целую плоскость, другая — «принимает» дислокацию и становится избыточной полуплоскостью. Перемещаясь каждый раз на величину вектора Бюргерса — одно межатомное расстояние, дислокация, в конце концов, выйдет на поверхность кристалла, и здесь появится ступенька, равная вектору Бюргерса. Так как в плоскости скольжения движутся десятки и сотни дислокаций, то в результате их выхода на поверхность высота ступеньки будет увеличиваться.
Ступенька, видимая под микроскопом, называется линией скольжения. Деформация развивается неоднородно, линии скольжения располагаются на различном расстоянии одна от другой. Группы близко расположенных линий скольжения образуют полосы скольжения.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 2379; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!