Сущность аллотропических (полиморфных) превращений металлов на примере кривой охлаждения для чистого железа и их использование

1.Сущность аллотропических (полиморфных) превращений металлов  на примере кривой охлаждения  для чистого железа и их  использование.

Мы привыкли смотреть на твердое тело как на что - то неизменяемое. В действительности, это не так. Некоторые металлы, будучи уже в твердом состоянии, могут претерпевать при определенных температурах изменения в своем строении. Изменения, которые происходят в строении металла, находящегося в твердом состоянии, называются аллотропическими превращениями. Сущность этих превращений заключается в том, что у некоторых металлов (железо, олово, титан и др.) при определенной температуре наблюдается перестройка атомов из одного типа кристаллической решетки в другой. Способность металла при одном и том же химическом составе иметь различное строение, а следовательно и свойства, носит название полиморфизма (многообразие).

Аллотропические превращения имеют многие металлы: железо, олово, титан и др. Например, железо в интервале температур 911 -1392°С имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) г-Fe,  в интервалах до 911°С и от 1392 до 1539°С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) - б-Fe. Аллотропические формы металла обозначаются буквами а, в, г и т. д. Существующая при самой низкой температуре аллотропическая форма металла обозначается через букву б, которая в виде индекса добавляется к символу химического элемента металла и т. д.                                                                                            Аллотропическое превращение при нагревании происходит с поглощением тепла, а при охлаждении — с его выделением. Как в процессе нагревания, так и в процессе охлаждения аллотропическое превращение происходит с некоторым запаздыванием. Например, температура превращения ос-модификации в р, происходящего при нагревании, будет всегда выше температуры превращения модификации В в а, происходящего при охлаждении. Это явление называется гистерезисом. Оно характерно для аллотропических превращений.

Самый распространенный в технике металл — железо. Оно имеет аллотропические превращения. Их легко проследить, если рассмотреть процесс охлаждения жидкого железа до комнатной температуры. На рис. 1 показана кривая охлаждения чистого железа.

До 1539° С происходит плавное остывание жидкого железа. На кривой охлаждения при этой температуре появляется площадка; железо затвердевает и выделяется скрытая теплота кри-14 сталлизации. Пока все железо не затвердеет, температура не изменяется. В интервале 1539—1392° С температура плавно снижается. Здесь железо имеет кристаллическую решетку объемно-центрированного куба Fe6 (б — железо).

При 1392° С на кривой охлаждения появляется вторая площадка, связанная с аллотропическим превращением б-железа в у-железо. Оно сопровождается выделением тепла, поэтому на кривой охлаждения появляется площадка; у-железо имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба. При алло-тропическом превращении исчезают старые зерна и появляются новые.

Следующая площадка на кривой охлаждения наблюдается при 911° С. Она вызвана превращением у-железа в а-железо. Кристаллическая решетка из гранецентрированной кубической опять перестраивается в объемноцентрированную, которая существовала ранее в интервале 1539—1392° С. Далее структура а-железа сохраняется до самых низких температур.

Последняя площадка на кривой охлаждения при 768° С связана с превращением особого рода. При этой температуре не происходит изменения в кристаллической решетке и не появляются новые зерна. Тепловой эффект связан не с изменением строения кристаллической решетки, а с перестройкой электронных оболочек атомов. Выше этой температуры железо парамагнитно (немагнитно), ниже — ферромагнитно (магнитно). Парамагнитное а-железо называют иногда В-железом.

Одновременно с изменением типа кристаллической решетки меняются и свойства металла. Этим явлением широко пользуются в технике для придания металлам требуемых свойств.

2. Превращенияаустенита  при изотермической выдержке 700°С ,650°С  и при охлаждении до 20°С  со скоростью выше критической.

Аустенит является устойчивым только при температуре выше 727°С (точка Ar1). При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния (ниже точки Ar1), аустенит становится неустойчивым - начинается его превращение. Такое превращение может начаться только лишь при некотором переохлаждении аустенита. Для случая эвтектоидной углеродистой стали аустенит превратится в перлит, т. е. в механическую смесь феррита и цементита. При этом, с одной стороны, чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение и тем быстрее будет происходить превращение аустенита в перлит. С другой стороны, это превращение сопровождается диффузионным перераспределением углерода и чем ниже температура переохлаждения, тем медленнее протекает процесс диффузии, что в свою очередь замедляет превращение аустенита в перлит. Такое противоположное действие обоих названных факторов (переохлаждения и диффузии) приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, достигая при определенной величине переохлаждения максимума, а затем убывает.

                                                                                                                        Рис. 2 Диаграмма изотермического превращения эвтектоидной стали: 
А – аустенит, П – перлит, С – сорбит, Т – троостит, Б – бейнит, М – мартенсит                                                      Процесс превращения аустенита в перлит экспериментально проводят при постоянной температуре, т. е. в изотермических условиях. Для этого образцы из стали нагревают до температуры, при которой ее структура состоит из однородного аустенита, а затем быстро переносят в термостаты с заданной температурой. 
Превращение аустенита при постоянной температуре обобщается и изображается наглядно в виде диаграммы изотермического превращения (рис. 2). Эта диаграмма строится на основе исследований при постоянных температурах (700, 650, 550°С и т. д.). По горизонтальной оси диаграммы наносят время в логарифмической шкале: 1, 10, 100, 1000, 10 000 и 100 000 с. Это дает возможность проследить превращения, протекающие за промежуток от долей секунды до суток и более. По вертикальной оси откладывают температуру. Далее на диаграмме проводят жирные С-образные линии, отвечающие полученным экспериментальным путем точкам изотермического превращения аустенита. В этой стали распад аустенита происходит в интервале температур от Ас1 до Мн (температуры начала мартенситного превращения, см. гл. V). Левая кривая I соответствует началу, а правая кривая II - окончанию распада аустенита. 
Стальной образец охлаждают до 700°С и выдерживают его при этой температуре. В течение некоторого промежутка времени до точки а (пересечение горизонтали, соответствующей 700°С с кривой I) в аустените превращений не происходит. Этот период времени называют инкубационным. 
На диаграмме изотермического превращения в зависимости от степени переохлаждения различают три температурные области превращения: перлитную, бейнитную и мартенситную. В точке а начинается перлитное превращение. Диффузионный распад аустенита продолжается до точки b (пересечение горизонтали 700°С с кривой II), где происходит превращение аустенита в перлит. Перлит образуется при распаде аустенита при малых степенях переохлаждения в области температур от Ас1 до 650°С. Твердость перлита НВ 160. Если охлаждать образец до 650°С, т. е. до точек начала a1 и конца b1 распада аустенита, то инкубационный период и период распада аустенита уменьшаются, в результате чего образуется структура сорбит. 
Перлитом (рис. 3, а) называют механическую смесь кристаллов феррита и цементита; сорбитом (рис. 3, 6) - более мелкую (дисперсную), чем перлит, механическую смесь феррита и цементита. Сталь, в которой преобладает структура сорбита, обладает высокой прочностью и пластичностью. 
При охлаждении образца до 500°С, до точек распада а2 и b2, аустенит превращается в троостит. Троостит (рис. 3, в) представляет собой очень тонкую смесь феррита и цементита; отличается от перлита и сорбита очень высокой степенью дисперсности составляющих. Сталь со структурой троостита обладает повышенной твердостью (НВ 330-400), достаточной прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью. 
Таким образом, основным фактором, определяющим структуру и свойства аустенита, является температура превращения. Если на С-образную кривую нанести лучи (термические линии охлаждения), то получим следующую схему (рис. 4). При медленном охлаждении образца луч v1, пересечет кривые I и II в точках a1 и b1. При этих температурах происходит превращение аустенита в перлит. 
При большей скорости охлаждения луч v2 пересечет кривые в точках а2 и b2 и аустенит полностью превратится в сорбит. При еще больших скоростях охлаждения луч v3 проходит через точки а3 и b3 и образуется новая структура - троостит. 
Далее по мере ускорения процесса охлаждения лучи будут все круче (линии v4 и v5) и первое превращение аустенита в троостит не успеет закончиться. Оставшаяся часть переохлажденного аустенита (точки а4 и а5) начнет превращаться в троостит с мартенситом.

Рис. 3. Микроструктура перлита (а), сорбита (б), троостита (в) при 7500х увеличении

Рис. 4. Кривые охлаждения стали на диаграмме изотермического распада аустенита

Наконец, при наибольших скоростях охлаждения, когда луч vкр касается кривой I (начала распада аустенита) и пересекает горизонталь Мн, в стали получается только мартенсит. Скорость охлаждения, при которой в закаливаемой стали из аустенита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. Чтобы закалить сталь, ее охлаждают со скоростью, не меньшей, чем критическая (например, v6). 
Мартенситное превращение в отличие от перлитного имеет бездиффузионный характер. Мартенсит является основной структурой закаленной стали. Он имеет высокую твердость, зависящую от содержания углерода в стали. Чем больше содержится углерода в мартенсите, тем выше твердость стали. Так, например, для стали с содержанием 0,4% углерода твердость мартенсита составляет HRC 52-54, а для стали с содержанием углерода 1,0% - HRC 62-64. Мартенсит имеет совершенно отличную от других структур природу. При резком переохлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора (аустенита) в виде частичек цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. В этом случае происходит только перестройка решетки γ-железа в решетку α-железо. Атомы углерода остаются в решетке α-железа (мартенсите) и поэтому сильно ее искажают. 
Такую искаженную кристаллическую решетку называют тетрагональной (рис. 5), в которой один параметр с больше другого а и, следовательно, отношение параметров с/а>1. Степень искаженности (тетрагональности) зависит от содержания углерода в стали: она тем выше, чем больше углерода в стали. Следовательно, мартенсит представляет собой твердый раствор углерода в α-железе, которое способно растворять очень небольшое количество углерода (до 0,02%), а в мартенсите углерода столько, сколько его содержится в аустените этой стали, поэтому мартенсит является α-твердым раствором, перенасыщенным углеродом.

Рис. 5. Кристаллическая ячейка мартенсита: 
1 – атомы железа, 2 – атомы углерода

                                      Рис. 6. Микроструктура мартенсита при 1000х увеличении

Мартенсит имеет характерное игольчатое строение (рис. 6, а). Чем мельче зерна аустенита, тем мельче получаются иглы мартенсита (рис. 6, 6). Такая структура характерна для правильно закаленной стали. 
Для аустенитно-мартенситного превращения характерно то, что оно происходит в интервале температур. Начинается превращение при температуре Мн, а заканчивается при более низкой температуре Мк (рис. 7). Чем больше в стали углерода, тем ниже температура точек Мн и Мк. При содержании углерода более 0,6% мартенситное превращение оканчивается при температурах ниже нуля. Поэтому, для того, чтобы в высокоуглеродистых сталях получить большее количество мартенсита, их следует охлаждать до температур ниже нуля. Однако при температуре конца мартенситного превращения (точка Мк) не происходит полного образования мартенсита. Аустенит А частично остается не превращенным в мартенсит и называется остаточным аустенитом. В конструкционных углеродистых сталях остаточный аустенит составляет ~5%. Закаленные высокоуглеродистые стали содержат большее количество остаточного аустенита - до 12%.

Рис. 7. Влияние содержания углерода на температуру начала и конца мартенситного превращения

При аустенитно-мартенситном превращении изменяется объем образующихся структур. Максимальный объем имеет структура мартенсита, меньший объем - структура троостита, еще меньший - сорбита и перлита и самый минимальный объем имеет структура аустенита. 
Бейнитное (промежуточное) превращение при изотермической выдержке углеродистых сталей происходит в интервале температур ~500-250°С с образованием структуры, называемой бейнитом. Это превращение характеризуется сочетанием как перлитного (диффузионного), так и мартенситного (бездиффузионного) превращения. Начинается бейнитное превращение с перераспределения углерода в аустените. Благодаря этому в аустените образуются обогащенные и обедненные углеродом участки. Цементит выделяется в участках, обогащенных углеродом, в результате чего образуются участки аустенита, обедненные углеродом. В этих участках, а также в уже имеющихся участках, обеднениях углеродом, идет мартенситное превращение, а затем распад цементита, в результате чего образуется ферритоцементитная смесь. 
При температуре изотермической выдержки более 350°С образуется верхний бейнит (~НВ 450) с перистым строением, напоминающим строение перлита, при температуре изотермической выдержки менее 350°С образуется нижний бейнит (~НВ 550), имеющий игольчатое строение, похожее на строение мартенсита.