Кривая нагрева чистого металла

Термические кривые нагрева и охлаждения металлов

Процесс кристаллизации.

Аллотропические превращения в металлах.

Классификация металлов.

Тема 1. Строение и кристаллизация металлов.

Вопросы:

2. Кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решёток.

1. Большое число различных металлов, кото­рые применяют в технике, можно разделить на черные и цветные.

Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления, относитель­но высокую твердость и во многих случаях обладают по­лиморфизмом.

Цветные металлы имеют красную, желтую, белую окраску; обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления; для них характерно отсутст­вие полиморфизма.

К черным металлам относят железо и его сплавы, к цветным – все остальные металлы и их сплавы.

В зависимости от содер­жания углерода чёрные сплавы делят на стали и чугуны.

Сталями называют сплавы железа с углеродом, в которых углерода содержится до 2,14%, а чугунами – свыше 2,14%.

Цветные металлы подразделяют на тяжелые (медь, свинец, олово, никель и др.), легкие (алюминий, магний и др.), редкие (молибден, вольфрам, ванадий и др.) и благородные (золото, платина, серебро).

2.Все тела состоят из атомов. Тела, в кото­рых атомы расположены беспорядочно, называют аморф­ными (стекло, канифоль, воск, смола и др.). Кристалли­ческие тела (все металлы и метал­лические сплавы), характеризуются упорядоченным рас­положением атомов. В металлах и металлических спла­вах атомы находятся в узлах пространственных кристал­лических решеток.

В процессе кристаллизации металлов и сплавов могут образовываться кристаллические решетки разного типа. Наиболее распространенными являются объемно- центрированная кубическая (К, V, Сr, Fе_α, Мо, W), гранецентрированная кубическая (Аl, Fe_γ, Ni, Сu, Аg, Аu, Рb) и гексагональная решетки (Ве, Мg, Со, Zn, Тi). Гранецентрированная кубическая и гексагональная решетки характеризуются наиболее плотной упаковкой атомов и их компактным размещением (рис.1).

Расстояния между соседними атомами в кристаллической решетке (параметр решётки) исключительно малы. Для их измерения пользуются особой единицей – ангстремом (А°), который ра­вен 1А° = 10 -8 см, или наномет­ром (1 нм = 10-9 см).

Рис. 1. Расположение атомов в крис­таллических решетках:

а – объемно-центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная

3.Некоторые металлы в твердом состоянии (железо, марганец, кобальт и др.) в зависимости от температуры нагрева могут иметь кристаллические решетки различ­ного строения и, следовательно, обладать различными свойствами. Это явление называется аллотропией, или полиморфизмом. Кроме того, известен полиморфизм под влиянием температуры и давления. При нагреве до 2000 °С и давлении

10 10 Па углерод в форме графита перекристаллизовывается в алмаз.

Аллотропические формы принято обо­значать буквами греческого алфавита: альфа, бета, гамма и т. д.

К металлам, не претерпевающим аллотропических превращений в твердом состоянии при нагревании и охлаждении, относятся алюминий, магний, медь и др. Большое число технически важных металлов (олово, цинк, никель, кобальт и др.) подвержено аллотропиче­ским изменениям.

4.Кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах и сплавах при переходе из жидкого состояния в твёрдое (первичная кристаллизация), а также перекристаллизация в твёрдом состоянии (вторичная кристаллизация).

Про­цесс кристаллизации металла складывается из двух эле­ментарных процессов: образования центров кристалли­зации (зародышей) и роста кристаллов из этих центров. При температуре кристаллизации в жидком металле сначала образуются центры кристаллизации, причем их роль играют разные примеси, мельчайшие шлаковые и неметаллические включения. После образования заро­дышей атомы жидкого металла, расположенные беспо­рядочно, начинают располагаться вокруг этих зароды­шей и образуют кристаллы правильной геометрической формы. Так как кристаллизация начинается одновремен­но во многих местах и рост кристаллов идет по всем направлениям, то смежные кристаллы, сталкиваясь меж­ду собой, мешают свободному росту каждого. Это при­водит к тому, что кристаллы приобретают неправильную внешнюю форму, несмотря на их упорядоченное внутрен­нее строение. Кристаллы неправильной формы принято называть кристаллитами, полиэдрами, или зернами. Образовавшиеся реальные кристаллы имеют те или иные несовершенства (дефекты) кристал­лического строения, которые принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные), объемные (трехмерные).

Наиболее распространены точечные. К ним относят вакансии (узлы в кри­сталлической решетке, свободные от атомов), межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристалличе­ской решетки), а также примесные атомы, (рис.2).

Рис. 2. Точечные дефекты в кристаллической решетке:

а – вакансия; б – межузельный атом; в – примесный атом внедрения

5.При наблюдении за охлаждением и нагре­вом чистого металла могут быть построены кривые ох­лаждения и нагревания в координатах температура – время. Горизонтальный участок а кривой соответст­вует температурной остановке – температуре затверде­вания или расплавления чистого металла.

Вследствие поглощения металлом скрытой теплоты плавления температура остается постоянной (t_пл), что отмечено на графике горизонтальным участком кривой нагревания (рис. 3, а). Только после того как металл рас­плавился полностью, его температура повышается по наклонному участку кривой.

Рис. 3. Кривые нагревания и охлаждения чистого металла, аморф­ного тела и сплава:

а – кривая нагревания; б – кривая охлаждения без переохлаждения; в – кривая с переохлаждением; г – кривая с петлей переохлаждения; д – кривая охлаждения аморфного тела; е – кривая охлаждения сплава

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Превращения, происходящие в железе и стали при нагреве и охлаждении

Строение стали

Внимательно всмотревшись в излом металла, ясно можно увидеть, что он представляет собой нагромождение (совокупность) отдельных кристаллов (зерен), крепко сцепленных между собой. Мельчайшей частицей металла, как и всякого другого вещества, является атом. В элементарных ячейках, из которых состоят кристаллы железа, атомы расположены в определенном порядке. Это расположение изменяется в зависимости от температуры нагрева. При любой температуре ниже 910° атомы в ячейках кристаллов располагаются в виде куба, образуя так называемую кристаллическую решетку альфа-железа. В этом кубе восемь атомов расположены в углах решетки и один в центре.

При нагреве свыше 910° происходит перегруппировка атомов и кристаллическая решетка представляет собою форму куба с четырнадцатью атомами; условно ее называют решеткой гамма-железа. При температуре 1390° решетка гамма-железа перестраивается в решетку с девятью атомами, носящую название дельта-железо. Эта решетка отличается от решетки альфа-железа несколько большим расстоянием между центрами атомов и сохраняется до момента расплавления железа, т. е. до 1535° (Рис. 1).

Перестройка кристаллической решетки при медленном охлаждении происходит в обратном порядке: дельта-железо при 1390° превращается в гамма-железо, а гамма-железо при 898° превращается в альфа-железо.

Рис. 1. Строение кристаллической решетки: а — альфа и дельта железа; б — гамма железа.

Критические точки превращения

На рис.2 показаны кривые охлаждения и нагревания чистого железа. Как видно из этих кривых, в процессе перестройки одной решетки в другую, а также при расплавлении и затвердевании железа происходят температурные остановки, являющиеся результатом выделения дополнительного количества тепла при охлаждении и поглощении дополнительного количества тепла при нагревании.

Рис. 2. Кривые охлаждения и нагрева чистого железа.

Температурные остановки, при которых происходят перестройки решеток, называются критическими температурами или критическими точками и обозначаются А_rпри охлаждении и А_с при нагревании. В точках А_r2и А_с2,не происходит перестройка атомной решетки, а изменяются магнитные свойства железа. При температуре выше 768° железо теряет способность притягиваться магнитом. При очень малой скорости нагревания и охлаждения критические точки А _с3и А_r3не совпадают друг с другом на 12°. При увеличении скорости охлаждения несовпадение критических точек увеличивается, так как температура значительно снижается и железо переохлаждается. Это явление, носит название гистерезис.

При нагревании и охлаждении стали происходит также перестройка атомной решетки, но температуры критических точек не постоянны. Они зависят от содержания углерода и легирующих примесей в стали, а также от скорости нагревания и охлаждения.

На рис. 3 представлена диаграмма состояния углеродистой стали при медленном охлаждении и нагревании.

Рис.3. Диаграмма состояния углеродистых сталей.

Структура стали

Структурой стали называется внутреннее ее строение. Углерод в стали находится в виде химического соединения с железом, и это соединение называется — цементит. Кроме цементита, в стали имеется феррит, представляющий собой почти чистое железо. В зависимости от содержания углерода большая или меньшая часть феррита находится в механической смеси с цементитом, образуя новую структуру — перлит. Если небольшой кусок металла прошлифовать, отполировать и протравить в специальном реактиве, то под микроскопом можно различить структуры. Ниже приводится описание структур железоуглеродистых сплавов.

Аустенит представляет собою твердый раствор углерода и других элементов в гамма-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в ау-стените — это 2%. Аустенит образуется при затвердевании жидкой стали и при нагреве твердой стали выше критических температур.

В обычных сталях аустенит устойчив только лишь при температуре выше критических точек. При охлаждении, даже самом быстром, с этих температур аустенит превращается в другие структуры. При комнатной температуре аустенит полностью сохраняется в ряде марок нержавеющих сталей, в высокомарганцовистой стали и в незначительном количестве остается при закалке некоторых марок инструментальной и конструкционной сталей.

Аустенит мягок, пластичен, тягуч, мало упруг. Твердость его по Бринелю находится в пределах 170—220.

Аустенит немагнитен, обладает невысокой электропроводностью.

Феррит представляет собой твердый раствор углерода и других элементов в альфа-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в феррите, это 0,04%. Феррит устойчив при температурах ниже критической точки A_C1. Он выделяется из аустенита при медленном охлаждении последнего ниже A_6i. Феррит мягок, сильно тягуч. Твердость HB= 60—100. Феррит магнитен до 768°. Свыше этой температуры он теряет магнитные свойства.

Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом Fe₃C—карбид железа. Цементит содержит углерода 6,67%. Выделяется из жидкого и твердого раствора при медленном охлаждении. Цементит весьма тверд и хрупок. Твердость его НB= 800—820. Он магнитен до 210°. Выше этой температуры цементит теряет магнитные свойства.

Перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита. Он образуется из аустенита при медленном его охлаждении. Температура превращения аустенита в перлит 723°С. При весьма медленном переходе через эту температуру цементит образуется в виде зерен (глобулей), и тогда перлит называется зернистым. При более быстром охлаждении цементит приобретает форму пластинок, и такой перлит называется пластинчатым. При весьма быстром охлаждении в результате значительного переохлаждения аустенита вместо перлита получаются другие структуры, о которых речь будет ниже.

Перлит магнитен, прочен и пластичен. Твердость его находится в пределах от 160 до 230 кг/мм 2 по Бринелю. При обработке резанием наиболее чистую поверхность дает структура зернистого перлита.

Мартенсит образуется в результате весьма быстрого охлаждения (закалки) аустенита. При быстром охлаждении успевает произойти перестройка кристаллической решетки гамма-железа в решетку альфа-железа, выделение же углерода в карбид железа не успевает произойти, и он весь остается растворенным в решетке альфа-железа. Так как нормально альфа-железо может растворить в себе не более 0,04% углерода, то такой раствор называют пересыщенным. Он отличается весьма большой твердостью (свыше R_c= 60) и хрупкостью. Следует указать, что решетка альфа-железа, получающаяся в результате закалки, имеет искаженную форму. Так, размеры ее граней не одинаковы — в одном направлении они удлинены за счет других (см. рис. 4). Такая решетка называется тетрагональной. Чем больше в стали углерода, тем больше тетрагональность решетки и тем более велики внутренние напряжения. При нагревании до температур 100—200° тетрагональность мартенсита уменьшается, форма кристаллической его решетки приближается к форме правильного куба, и вместе с этим уменьшаются внутренние напряжения. Мартенсит магнитен.

Рис. 4. Строение кристаллической решетки стали, закаленной на мартенсит.

Троостит представляет собой высокодисперсную (мелкораздробленную) смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с замедленной против закалки скоростью или в результате нагрева (отпуска) мартенсита в пределах 250—400°.

При нагреве закаленной стали происходит постепенное выделение углерода из кристаллической решетки с образованием карбидов. Троостит менее прочен, более пластичен, чем мартенсит. Твердость его НB330—400. При охлаждении аустенита в горячих средах в интервале 250—400° (изотермическое превращение аустенита) происходит образование игольчатого троостита, несколько более прочного, чем обычный троостит.

Сорбит представляет собой дисперсную смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с небольшой скоростью или при нагреве (отпуске) мартенсита до 400—650°. Карбиды сорбита более крупные, чем троостита. Сорбит пластичен, вязок и магнитен. Твердость НВ 270—320.

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита. Он содержит углерода 4 3% Образуется ледебурит при затвердевании жидкого сплава с содержанием углерода свыше 2%. Ледебурит хрупок.

На рис. 5. представлены фотоснимки структур стали с различным содержанием углерода.

Структура стали с содержанием углерода 0,83% состоит из сплошного перлита и называется эвтектоидной; при меньшем содержании углерода структура стали состоит из перлита и феррита и носит название доэвтектоидной, а при большем содержании углерода — из перлита и цементита и называется заэвтектоидной. Температура 723°, при которой перлит переходит в аустенит, также называется критической и обозначается Ас.

Для того чтобы доэвтектоидную и эвтектоидную сталь полностью отжечь, нормализовать или закалить, их нужно нагреть до такой температуры, при которой они перешли бы в аустенитное состояние.

Рис. 5. Микроструктура отожженной углеродистой стали:

а — с содержанием углерода -0,1%

б — с содержанием углерода -0,85%

в — с содержанием углерода -1,1%

Превращения, происходящие в стали при нагревании

По диаграмме на рис. 3 можно проследить за изменениями структуры трех разных марок стали при нагревании:

1. Сталь с содержанием углерода 0,83%. Структура стали представляет собой перлит. При температуре 723° в точке A_с1 перлит переходит в аустенит.
2. Сталь с содержанием углерода 0,4%. Структура стали представляет собой перлит и феррит. При температуре 723° в точке К₁ перлит переходит в аустенит, и по мере повышения температуры происходит растворение свободного феррита в аустените. При пересечении линии GS в точке К2 закончится растворение феррита и структура будет полностью состоять из аустенита. Для этой стали точка К₁на диаграмме будет нижней критической точкой Ас1,а К₂— верхней критической точкой А_с1,.
3. Сталь с содержанием углерода 1,2%. Структура стали представляет собой перлит и цементит. При температуре 723° в точке Pi перлит переходит в аустенит, и при дальнейшем повышении температуры происходит постепенное растворение цементита в аустените. При пересечении линии SEв точке Р2 это растворение закончится. Для этой стали точка Р1 явится нижней критической точкой Ас1, а точка Ρ2 — верхней критической точкой, которая для заэвтектоидных сталей обозначается Асm.

Линия на диаграмме, обозначенная буквами GS, соответствует окончанию растворения феррита в аустените в доэвтектоидных сталях, а линия SE соответствует окончанию растворения цементита в аустените в заэвтектоидных сталях.

Следует указать, что заэвтектоидные стали при операциях термической обработки не нагревают выше линии А_cт(такая высокая температура нагрева приведет к перегреву и ухудшению свойств стали), а ограничиваются нагревом выше первой критической точки A_Cl, что полностью обеспечивает получение необходимых свойств.

Превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении

В сталях, нагретых до аустенитного состояния, при весьма медленном охлаждении произойдут обратные превращения, а именно:

а) в стали с содержанием углерода 0,83% аустенит превратится в перлит;

б) в стали с содержанием углерода 0,4% сначала из аустенита начнет выделяться феррит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит и

в) в стали с содержанием углерода 1,2% сначала из аустенита выделится цементит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит.

Даже при весьма медленном охлаждении температура распада аустенита не совпадает с теми температурами, при которых аустенит образовался при нагревании. Чем скорость охлаждения больше, тем больше становится гистерезис, т. е. разница между критическими температурами (точками) при нагревании и охлаждении.

Превращения, происходящие в стали при быстром охлаждении

Как указывалось выше, при быстром охлаждении не успевает произойти превращение аустенита в перлит с выделением избыточного феррита или цементита, а в зависимости от скорости охлаждения аустенит превращается в новые структуры — мартенсит, троостит или сорбит. Сталь с этими структурами отличается от сталей со структурами перлита и феррита повышенной твердостью, прочностью и уменьшенной пластичностью. Если углеродистую сталь, нагретую выше критических температур, охладить очень быстро, то аустенит превратится в мартенсит и это превращение начнется лишь при температуре около 200°. При несколько меньшей скорости охлаждения образуется структура троостит, а при еще меньшей — сорбит.

В производственных условиях при охлаждении углеродистой инструментальной стали в воде образуется мартенсит, при охлаждении в масле — троостит и при охлаждении в струе воздуха -сорбит. На рис. 6 показаны микроструктуры закаленной стали.

Рис. 6. Микроструктура закаленной стали:

а — игольчатый мартенсит;

В легированных сталях, благодаря присутствию специальных элементов, для образования мартенсита не требуется столь большой скорости охлаждения, как для углеродистых сталей, и мартенсит образуется при охлаждении в масле, а для быстрорежущих сталей — и при охлаждении на воздухе.

Троостит и сорбит можно получить не только в результате ускоренного охлаждения, нои путем нагрева закаленной стали, имеющей структуру мартенсита, до температуры ниже A_с1, т. е. путем отпуска стали. В этом случае троостит получается при нагреве стали до 400°, а сорбит—при нагреве до 650°. При нагреве до промежуточных температур получаются смешанные структуры: при нагреве от 250—400° — мартенсит и троостит и при нагреве от 400—650° — троостит и сорбит. В производственных условиях троостит и сорбит получают путем отпуска закаленной стали.

Превращения, происходящие в стали при охлаждении в среде, имеющей температуру выше 200° (изотермическое превращение)

Если деталь, нагретую выше критической точки, поместить в среду, имеющую температуру от 700 до примерно 200°, и выдержать в ней до выравнивания температуры по всему сечению, то аустенит превратится в ту структуру, которая соответствует превращению при данной температуре.

О поведении стали при изотермической обработке, выборе температуры и времени выдержки судят по кривым изотермического превращения, построенным для разных марок стали.

Рис. 7. Диаграмма изотермического превращения аустенита углеродистой стали.

На рис. 7 дан вид диаграммы изотермического превращения в стали. На горизонтальной оси отложено время начала и конца превращения, а на вертикальной— температура, при которой оно происходит. Линия А _с соответствует переходу аустенита в перлит, а линия М_н — образованию мартенсита из аустенита. На кривой I начинаются, а на кривой II заканчиваются структурные превращения.

Если углеродистую инструментальную сталь, нагретую до 800°, поместить в масло, расплавленную соль или щелочь при температуре 250°, в ней образуется игольчатый троостит с высокой твердостью R_c=45—55. Если эту же сталь охладить в среде, имеющей температуру свыше 600°, в ней образуется перлит и такая сталь легко обрабатывается на станках. При охлаждении стали в среде с промежуточными температурами образуются структуры троостита и сорбита с соответствующей твердостью.

Изотермический отжиг нашел большое применение при термической обработке инструментальных сталей как процесс, резко уменьшающий время по сравнению с другими видами отжига.

Изотермическая закалка в инструментальном деле применяется редко из-за недостаточной для инструмента твердости, достигаемой при этом процессе.

Источник:
Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.
Каменичный И.С. Практика термической обработки инструмента. Киев, 1959 г.

Источник