Материаловедение

Оглавление

1. Система «железо  -цементит» 3

2. Механизм скольжения  и двойникования металлов 8

3. Строение и особенности  свойств неметаллических (полимерных) материалов 13

4. Литература. 20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Система «железо-цементит»

Равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры описывает  диаграмма состояния железо - углерод. На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 1) на оси ординат отложена температура, на оси абсцисс - содержание в сплавах углерода до 6,67%, то есть до такого количества, при котором  образуется цементит Fе3С. По диаграмме  состояния системы железо - углерод  судят о структуре медленно охлажденных  сплавов, а также о возможности  изменения их микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства. На диаграмме  состояния Fe - Fе3С приняты международные обозначения. Сплошными линиями показана диаграмма состояния железо - цементит (метастабильная, так как возможен распад цементита), а пунктирными - диаграмма состояния железо - графит {стабильная).

Рассматриваемую диаграмму  правильнее считать не железоуглеродистой (Fe - С), а железоцементитной (Fe - Fе3С), так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода.

Компоненты системы железо и углерод - элементы полиморфные. Основной компонент системы - железо.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может образовать химическое соединение - цементит Fе3С или присутствовать в сплавах в виде графита.

В системе железо-цементит (Fe - Fе3С) имеются следующие фазы: жидкий раствор. твердые растворы - феррит и аустенит, а также химическое соединение - цементит.

Феррит может иметь  две модификации - высоко- и низкотемпературную. Высокотемпературная модификация d-Fe и низкотемпературная - a-Fe представляют собой твердые растворы углерода, соответственно, в d- и a- железе. 

а-диаграмма железо-цементит, б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,7% углерода

 

Предельное содержание углерода в a-Fe при 723°С -0,02%, а при 20°С - 0,006%.  Низкотемпературный феррит a-Fe по свойствам близок к чистому железу и имеет довольно низкие механические свойства, например, при 0,06% С:

s = 250 МПа;

d - 50%;

y= 80%;

твердость - 80...90 НВ.

Аустенит g-Fe - твердый раствор углерода в g-железе. Предельная растворимость углерода в g-железе 2,14%. Он устойчив только при высоких температурах, а с некоторым примесями (Мn, Сг и др.) при обычных (даже низких) температурах. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Твердость аустенита 160...200 НВ.

Цементит Fе3С - химическое соединение железа с углеродом, содержащее 6,67% vглерода. Между атомами железа и углерода в цементите действуют металлическая и ковалентная связи. Температура плавления ~1250°С. Цементит является метастабильной фазой; область его гомогенности очень узкая и на диаграмме состояния он изображается вертикалью. Время его устойчивости уменьшается с повышением температуры: при низких температурах он существует бесконечно долго, а при температурах, превышающих 950°С, за несколько часов распадается на железо и графит. Цементит имеет точку Кюри (210°С) и обладает сравнительно высокими твердостью (800 НВ и выше) и хрупкостью. Прочность его i растяжение очень мала (s =40 МПа).

В системе железо - цементит имеются две тонкие механические смеси фаз - эвтектическая (ледебурит) и эвтектоидная (перлит).

Ледебурит является смесью двух фаз g-Fe + Fе3С, образующихся при 1130°С в сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67%С, и наблюдается визуально как структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, главным образом, чугунов. Ледебурит обладает достаточно высокими прочностью (НВ>600) и хрупкостью.

Перлит (до 2,0%С) представляет собой смесь a-Fe + Fе3С (в легированных сталях -карбидов), образующуюся при 723°С и содержании углерода 0,83% в процессе распада аустенита, и наблюдается визуально как структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Механические свойства перлита зависят от формы и дисперсности частичек цементита (прочность пластинчатого перлита несколько выше, чем зернистого):

s=800...900 МПа; 

d< 16%;

НВ 180..,220.

Диаграмма состояния Fe - Fе3С (рис. 1) является комбинацией диаграмм простых типов. На ней имеются три горизонтали трехфазных равновесий: перитектического (1496°С), эвтектического (1147°С) и эвтектоидного (727°С).

Все линии на диаграмме  состояния соответствуют критическим  точкам, то есть температурам, при которых  происходят фазовые и структурные  превращения в железоуглеродистых сплавах.

Линия ABCD - линия начала кристаллизации сплава (ликвидус), линия AHJECF - линия  конца кристаллизации сплава (солидус).

В области диаграммы HJCE находится  смесь двух фаз: жидкого раствора и аустенита, а в области CFD - жидкого  раствора и цементита. В точке С при содержании 4,3%С и температуре 1130°С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь - ледебурит. Ледебурит присутствует во всех сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67%С (чутуны).

Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,0%С).

В области диаграммы AGSF находится  аустенит. При охлаждении сплавов  аустенит распадается с выделением по линии GS феррита, а по линии SE - вторичного цементита. Линии GS и PS имеют большое  практическое значение для установления режимов термической обработки  сталей. Линию GS называют линией  верхних  критических точек, а линию PS -нижних критических точек.

В области диаграммы GSP находится  смесь двух фаз - феррита и распадющегося аустенита, а в области диаграммы SEE' - смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита.

В точке S при содержании 0,8%С и при температуре 723°С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита - перлит.

Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и образованию  перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры  не происходит.

Структурные превращения  в сплавах, находящихся в твердом  состоянии, вызваны следующими причинами: изменением растворимости углерода в железе в зависимости от температуры  сплава (QP и SE), полиморфизмом железа (PSK) и влиянием содержания растворенного  углерода на температуру полиморфных  превращений (растворение углерода в железе способствует расширению температурной  области существования аустенита  и сужению области феррита).

Диаграмма стабильного равновесия Fe - Fе3С, обозначенная на рис. 1 пунктиром, отображает возможность образования высокоуглеродистой фазы - графита - на всех этапах структурообразования в сплавах с повышенным содержанием углерода. Диаграмма состояния стабильной системы железо - графит отличается от метастабильной системы железо-цементит только в той части, где в фазовых равновесиях участвует высокоуглеродистая фаза (графит или цементит).

На диаграмме состояния  различают две области: стали  и чугуны. Условия принятого разграничения - возможность образования ледебурита (предельная растворимость углерода в аустените):

• стали - до 2,14% С, не содержат ледебурита;

• чугуны - более 2,14% С, содержат ледебурит.

В зависимости от содержания углерода (%) железоуглеродистые сплавы получили следующие названия:

• менее 0,83 - доэвтектоидные стали;

• 0,83 - эвтектоидные стали;

• 0,83...2 - заэвтектоидные стали;

• 2...4,3 - доэвтектические чугуны;

• 4,3...6,67 - заэвтектические чугуны.

Сплавляя железо с углеродом и варьируя содержание компонентов, получают сплавы с различными структурой и свойствами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Механизм скольжения  и двойникования металлов

Деформацией называется изменение  формы и размеров тела под действием  внешних усилий. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические деформации остаются после окончания действия внешних сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов металлов от положений равновесия; в основе пластических деформаций лежат необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия. Механизм пластической деформации рассмотрим на примере деформации монокристалла. Пластическая деформация в монокристалле осуществляется путем сдвига одной его части относительной другой. Сдвиг вызывают касательные напряжения, когда их значение превышает критическое tк.

Имеется две разновидности  сдвига: скольжение и двойникование (рис.1).

 

Рис. 1. Схемы пластической деформации скольжения (а) и двойникования (б)

При скольжении одна часть  кристалла смещается параллельно  другой части вдоль плоскости, которая  называется плоскостью скольжения или  сдвига (рис. 1а). Скольжение – основной вид сдвига в металле и сплавах. Деформация двойникованием представляет собой перестройку части кристалла в новое положение, зеркально симметричное к его недеформированной части (рис. 1б). Плоскость зеркальной симметрии называют плоскостью двойникования. При двойниковании атомные плоскости кристалла 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 и его роль возрастает, когда скольжение затруднено. Механизм двойникования сложен и в дальнейшем не рассматривается.

Деформация скольжения развивается  по плоскостям и направлениям, на которых  плотность атомов максимальна. Плоскость  скольжения вместе с направлением скольжения, принадлежащим этой плоскости, образует систему скольжения.

Элементарный акт сдвига – это смещение одной части кристалла относительно другой на одно межатомное расстояние.

Пластическая деформация в реальных кристаллах осуществляется путем последовательного перемещения  дислокаций (рис. 2).

 

Рис. 2. Схема перемещения  краевой дислокации при скольжении (рис. 2).

При постоянно действующем  напряжении дислокация как бы по эстафете передается от одной атомной плоскости  к другой, последовательно вытесняя при этом каждый соседний «правильный» ряд атомов. Процесс повторяется  до тех пор, пока дислокация не выйдет на поверхность кристалла и его  верхняя часть сдвинется относительно нижней части на одно межатомное расстояние (рис. 2г). При этом на поверхности  образуется ступенька в одно межатомное расстояние.

В плоскости скольжения обычно расположены десятки дислокаций. Их последовательное перемещение вдоль  плоскости скольжения развивает  процесс пластической деформации. Высота ступеньки, образующейся при этом на поверхности кристалла, увеличивается  пропорционально числу дислокаций, выходящих на поверхность кристалла. Ступенька, видимая под микроскопом, называется линией скольжения. Группы близко расположенных линий скольжения образуют полосы скольжения.

В процессе деформации возникают  новые дислокации, и их плотность  повышается от 108 до 1012 см –2.

Основная масса промышленных сплавов имеет поликристаллическую  структуру. При деформации поликристаллов деформация зерен начинается сразу  по нескольким системам скольжения и  сопровождается изгибами и поворотами плоскостей скольжения. Пока деформация мала, порядка 1%, зерна деформируются неоднородно в силу их разной ориентации по отношению к приложенной нагрузке. С ростом деформации различия в ориентации между зернами уменьшаются, и изменяется микроструктура: зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения (рис. 3в).

Рис. 3. Изменение микроструктуры поликристаллического металла при  деформации:

а - e = 0%; б - e = 1%; в - e = 40%; г - e = 90%

Внутри зерна повышается плотность дефектов. При значительных деформациях образуется волокнистая  структура, где границы зерен  различаются с трудом (рис. 3г).

В результате холодного пластического  деформирования металл упрочняется, изменяются его физические свойства. Изменение  свойств в результате пластической деформации называют наклепом. В основе упрочнения металла при деформировании лежит, прежде всего, повышение плотности  дислокаций и, как следствие, их взаимное торможение при пересечении дислокаций. Движению дислокаций мешают различные  препятствия – границы зерен, межфазные поверхности, дислокации, пресекающие плоскость скольжения. Через некоторые препятствия  дислокации проходят, но при более  высоких напряжениях. Такими препятствиями  являются, например, пересекающиеся с  плоскостью скольжения дислокации. Границы  зерен являются непреодолимыми препятствиями, перед ними дислокации скапливаются. Каждое скопление дислокаций создает  поле напряжений, отталкивающее приближающуюся дислокацию. Чем больше дислокаций в скоплении, тем сильнее отталкивание и тем труднее деформируется  металл. Когда плотность дислокаций в скоплении достигает определенного  значения, в этом месте зарождается  трещина.

Рис. 4. Зависимость механических свойств от степени деформации

Наклепанный металл запасает 5-10% энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование  дефектов решетки (плотность дислокации возрастает до 109 – 1012 см –2), и на упругие  искажения решетки. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации.

При деформировании увеличиваются  прочностные характеристики (твердость, sв, s0,2, sупр) и понижаются пластичность и вязкость. Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, затем при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно.

С увеличением степени  деформации предел текучести s0,2 растет быстрее временного сопротивления  sв. Обе характеристики у сильно наклепанного металла сравниваются, а удлинение d становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла является предельным; при попытке продолжить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и временное сопротивление sв удается повысить в 1,5 – 3 раза, а предел текучести s0,2 в 3-7 раз.

С ростом степени деформации возрастают удельное электрическое  сопротивление, коэрцетивная сила, понижаются магнитная проницаемость и плотность металла. Наклепанные металлы легче коррозируют и склонны к коррозионному растрескиванию.