Бунин К.П., Баранов А.А. Металлография

Подождите немного. Документ загружается.

К.

П.

БУНИН,

А. А.

БАРАНОВ

МЕТАЛЛОГРАФИЯ

Допущено Министерством высшего

сред-

него специального образования СССР

в ка-

честве учебного пособия

для

студентов

металлургических специальностей вузов

ИЗДАТЕЛЬСТВО

„МЕТАЛЛУРГИЯ"

МОСКВА

1970

УДК

620.18(075.8)

Металлография. Бунин К. П., Баранов А. А

Изд-во

«Металлургия», 1970, 256 с.

В книге рассматривается формирование структуры

металлах и металлических сплавах. Основное внима-

ние

уделяется микроскопической картине кристаллиза-

ции

и структурных изменений в твердом состоянии. Из-

ложены основы металлографии железоуглеродистых

сплавов.

Рекомендуется студентам и аспирантам металлурги-

ческих и машиностроительных вузов в качестве учеб-

ного пособия по курсу «Металлография». Может быть

полезна также работникам металловедческих лаборато-

рий

и заводским инженерам термистам и литейщикам.

Илл.

140. Табл. 6, Библ. 45 назв.

3-11-1

79-70

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 5

Часть I

ФОРМИРОВАНИЕ

СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

ПРИ

КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Глава 1. Строение металлов 7

Диаграммы фазовых состояний металлов 7

2. Электронная структура изолированных атомов 10

3. Электронная структура конденсированных фаз 13

4. Атомное строение конденсированных металлов 18

Глава 2. Кристаллизация металлов 31

1. Зарождение кристаллов

жидкости

2. Рост кристаллов

3. Форма кристаллов

4. Дефекты кристаллов

5. Монокристаллы, поликристаллы, природа границ зерен

.... 53

6. Кристаллизация

из

пара

и при

электролизе

7. Плавление

возгонка металлов

Глава 3. Кристаллизация твердых растворов и промежуточных фаз 61

1. Строение растворов

промежуточных

фаз 61

2. Диаграммы состояния сплавов

3. Зарождение кристаллов твердого раствора

промежуточных

фаз 72

4. Рост кристаллов

твердых

растворов

промежуточных

фаз ... 75

5. Концентрационное переохлаждение

6. Внутрикристаллическая ликвация

7. Безызбирательная кристаллизация

8. Плавление

твердых

растворов

промежуточных

фаз 85

Глава

Эвтектическая

перитектическая кристаллизация

.... 87

Эвтектическая кристаллизация 87

2. Перитектическая кристаллизация '. 94

Глава 5. Формирование

структуры

отливок 100

Структура отливок и диаграммы затвердевания 100

2. Усадочные раковины, поры и ликвация в отливках 104

Часть II

СТРУКТУРНЫЕ

ИЗМЕНЕНИЯ

В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ

КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ

СОСТОЯНИИ

Глава в. Изменения

структуры

после затвердевания, не связанные

фазовыми переходами 107

Гомогенизация химически Неоднородных кристаллических фаз 107

2. Полигонизация 111

3. Рекристаллизация U4

4. Спекание .........'. 118

Глава 7. Структурные изменения при деформации 120

1. Структурные изменения

при

холодной пластической деформации

122

2. Механизм пластической деформации

127

3. Упрочнение металлов

131

4. Разрушение металлов

135

5. Структурные изменения

при

нагреве деформированного металла

136

6. Влияние температуры

скорости деформации

на

структуру

свойства металлов

141

Глава 8. Полиморфные превращения в металлах и сплавах .... 144

1. Полиморфные превращения

металлах

144

2. Полиморфные превращения

сплавах

153

Глава 9. Структурные изменения, обусловленные ограниченной рас-

творимостью в твердом состоянии 161

1. Выделение избыточной фазы

из

пересыщенного твердого раствора

161

2. Дисперсионное упрочнение (старение)

164

3. Растворение избыточных

фаз 169

4. Коалесценция

171

5. Сфероидизация

172

Глава 10. Формирование структуры при диффузионном изменении

состава

сплавов 175

1. Диффузионное насыщение металлов

175

2. Перекристаллизация

при

диффузионном изменении состава

. . . 179

Глава 11. Структурные изменения при превращении порядок ^ бес-

порядок 184

1. Разупорядочение

упорядочение

184

2. Магнитные превращения

188

3. Доменная структура

190

4. Влияние облучения

на

структуру

металлов

сплавов

192

Часть

III

СТРУКТУРА

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ

СПЛАВОВ

Глава 12. Компоненты, фазы и

диаграммы

состояния железоуглеро-

дистых

сплавов 195

1. Основные компоненты

195

2. Основные фазы

198

3. Диаграммы равновесия

классификация сплавов

202

Глава 13. Кристаллизация железоуглеродистых сплавов 206

1. Кристаллизация стали

206

2. Кристаллизация серых

чугунов

210

3. Кристаллизация белых

чугунов

216

4. Кристаллизация половинчатых

чугунов

структура отбеленных

отливок

222

Глава 14. Структурные изменения в сталях и чугунах после затверде-

вания 226

1. Полиморфные превращения

железных сплавах

226

2. Выделение

растворение высокоуглеродистых

фаз 232

3. Графитизация цементита

238

4. Эвтектоидное превращение аустенита

241

5. Аустенитизация

251

ПРЕДИСЛОВИЕ

В 1968

году

исполнилось сто лет со дня открытия выдаю-

щимся

русским ученым-металлургом Д. К. Черновым полимор-

физма

железа. Это открытие ознаменовало рождение металло-

графии

как науки. За годы Советской власти идеи Д. К. Чернова

получили широкое развитие в нашей стране.

В настоящее время металлография утвердилась как наука,

трактующая вопросы формирования структуры в металлах и ме-

таллических сплавах. Поскольку свойства металлических изделий

определяются структурой, металлография является важной базо-

вой

дисциплиной при подготовке инженеров для металлургической

машиностроительной промышленности. К изучению металлогра-

фии

студенты приступают, овладев курсами химии, физики и

физи-

ческой химии, что позволяет лектору пользоваться при изложе-

нии

металлографии термодинамическим и молекулярно-кинети-

ческим методами анализа процессов структурообразования.

Металлография не включает в себя вопросов технологии. Спе-

циальные технологические дисциплины изучаются на старших

курсах, и металлография может играть лишь роль научной базы

при

дальнейшей специализации студентов.

В соответствии с этими задачами и написано настоящее учебное

пособие.

Оно отражает сложившийся в Днепропетровском метал-

лургическом институте опыт чтения лекций по металлографии

студентам металлургических специальностей. Лекционный курс,

естественно, не охватывает всей программы. В нем рассматри-

ваются лишь основы металлографии.

В первой части пособия рассматриваются общие закономер-

ности

формирования структуры металлов и металлических спла-

вов при кристаллизации, во второй части — основные структур-

ные

изменения, происходящие в твердом состоянии. Во

всех

слу-

чаях выясняются термодинамические стимулы и микроскопическая

картина формирования структуры.

Третья часть пособия посвящена металлографии железных

сплавов. Здесь кратко изложены процессы структурообразования

в сталях и

чугунах

при затвердевании, последующем охлаждении

термической обработке.

Доктора наук Я. Е. Гегузин, Я. Н. Малиночка и Ю. Н. Таран

помогли авторам при подготовке рукописи. Сотрудники кафедры

металловедения Днепропетровского металлургического института

оказали помощь при оформлении рукописи.

Авторы

глубоко при-

знательны всем товарищам за оказанную помощь.

Глубокую

бла-

годарность авторы выражают рецензентам

проф.

И. Л. Миркину,

проф.

Б. Г. Лившицу и его сотрудникам, сделавшим много ценных

замечаний.

ЧастЬ

ФОРМИРОВАНИЕ

СТРУКТУРЫ

МЕТАЛЛОВ И СПЛАВО5

ПРИ

КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Глава

СТРОЕНИЕ

МЕТАЛЛОВ

Встречающиеся в природе элементы делят на металлы и не-

металлы. Элементы, обладающие в кристаллическом состоянии

большой электропроводностью и теплопроводностью, блеском и

пластичностью, называют металлами. В таблице Д. И. Менделеева

(табл. 1) они указаны слева от черты. Неметаллы расположены

справа. Как видно из табл. 1, около

всех

элементов являются

металлами.

Ниже

кратко рассматриваются некоторые общие физико-хими-

ческие данные о строении металлов, используемые при дальней-

шем изложении.

ДИАГРАММЫ

ФАЗОВЫХ

СОСТОЯНИЙ МЕТАЛЛОВ

Как

другие

вещества, металлы

могут

находиться в твердом,

жидком и газообразном состояниях. Условия (давление, темпе-

ратура), при которых наблюдаются эти состояния, можно опре-

делить при помощи диаграмм фазового равновесия. Такие диа-

граммы строят по экспериментальным данным; в некоторых слу-

чаях это можно сделать и расчетным путем.

На

рис. 1, а приведена диаграмма равновесных состояний ме-

талла, не обладающего полиморфизмом. При давлениях и темпе-

ратурах

ниже линии АДБ металл устойчив в газообразном со-

стоянии,

характеризующемся в этих условиях минимальным зна-

чением термодинамического изобарно-изотермного потенциала (Z).

В области, ограниченной линией ВДБ, устойчиво жидкое состоя-

ние,

а в области левее АДВ — кристаллическое. Линии АД,

ВД и ДБ характеризуют условия, при которых возможны

двух-

фазные

равновесия.

А Ь Л И Ц А 1

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

Кубическая

объемноцентрированнаь

гг71

Кубическая

•^

гранецентрированная

Гексагональная

^Ромбоэдрическая

[]

Тетрагональная

Другие

кубические

Са

Rb Sr

22 23 24 25 26 27 26

Ti V Cr Ип Fe Co Ni

El П

Он

и о

АО 41 42 43 4А 45 46

Nb Mo

Tc Ru Rh Pd

•29

"30

Си

Zn 6a Ge As

И П О ЕВ О

48 49 50 51

Cd In Sn Sb

Кг

Те ]

Ва

57(18

71*] 72 73 74 75 76 77 78

LaiCa.luiHf Та W Re Os Ir Pt

80 81 82 83

Аи

T! Pb Bi

И О

85 86

Ро

М Rn

90 91 92 93 9*t 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104

Ас

ТЬ Pa U Np Pu

Вк Cf

Fm En Md No

Lw Ни

И D D D D 0

000

о о

П__Р4

^^ г

При

температурах и давлениях, соответствующих линии ЦБ,

возможно устойчивое сосуществование жидкого и газообразного

металла (Ж + Г), так как химические потенциалы этих фаз

(|л

и (х

) одинаковы (рис. 1, б).

В данном

случае

химический по-

тенциал численно равен изобарно-

изотермному потенциалу, прихо-

дящемуся на один атом:

_ E-TS + PV

(1)

Р— N > УЧ

где

Е —

внутренняя энергия

си-

стемы;

—

энтропия;

— температура, °К;

— объем;

Р — давление;

— число атомов в системе.

Химические потенциалы для

давления Р

показаны на рис. 1, б.

При

давлениях и температурах,

характеризующихся линией ДВ,

возможно равновесие кристаллов и

жидкости (К + Ж). Для давле-

ния

они устойчивы при темпе-

ратуре

, когда ц

= ц,

(рис. 1, б).

Наконец,

при температурах и дав-

лениях, соответствующих линии

АД,

могут

сосуществовать кри-

сталлы и газ (К + Г), поскольку

этих условиях |.1

== ц

. Для

давления Р

это равновесие до-

стигается при Т

(рис. 1, г).

При

температуре и давлении

тройной

точки Д возможно

трех-

фазное

состояние металла К -f

Ж + Г. При давлении Р

кри-

вые химических потенциалов кри-

сталлов, жидкости и газа пересе-

каются при температуре Г

и \л

1-Чк = Иг (рис. 1, в).

Над

конденсированным металлом (жидкостью или кристал-

лами) всегда имеется пар: его давление можно определить по диа-

грамме состояния. Например, при температуре Т

(рис. 1, а)

кристаллический металл окружен газовой фазой давлением Р =

— 1 am. Оно складывается из парциальных давлений

воздуха

(отрезок

Л) и металлического пара (отрезок АЕ). Равновесие

•

Рис.

1. Диаграмма состояния (о)

термодинамический потенциал

(б—г) мономорфного металла

пара и кристаллов сохраняется, если система, в которой нахо-

дятся металл и

воздух,

герметична. В противном

случае

пар уда-

ляется и его парциальное давление

будет

поддерживаться испаре-

нием

кристаллов. У большинства металлов давление пара при ком-

натной температуре невелико и им можно пренебречь. С повыше-

нием

температуры парциальное давление пара растет: при Т

оно

достигает значения Р

При

низком давлении, например Р

(или очень высокой темпе-

ратуре), металл находится в газообразном состоянии.

Атомы

ме-

таллического газа взаимодействуют лишь при сближении. Возни-

кающие силы связи называются поляризационными. С повыше-

нием

давления (и с понижением температуры) атомы сближаются

межатомное взаимодействие проявляется сильнее. Некоторая

часть атомов может объединяться в группировки, но они невелики

кратковременны. Первое же соприкосновение с другими ато-

мами может привести к разрушению группировки. Если снижать

температуру (отрезок из) или повышать давление (отрезок зм),

группировки возникают чаще, чем разрушаются. Длительность

существования группировок и размер их увеличиваются. При

давлениях выше линии АДБ газ конденсируется.

ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА

ИЗОЛИРОВАННЫХ

АТОМОВ

Изолированный

атом можно представить как совокупность

относительно тяжелого положительно заряженного ядра и дви-

гающихся вокруг него легких отрицательно заряженных электро-

нов.

Атом

химического элемента с порядковым номером П и атом-

ным

весом А имеет ядро, содержащее П протонов и А—П нейтро-

нов.

Число нейтронов превышает число протонов. Нейтрон не

имеет электрического заряда. Между положительно заряженными

протонами

действуют

силы отталкивания. Ядра элементов с по-

рядковым номером П > 100 неустойчивы и распадаются. Увели-

чение числа нейтронов ослабляет действие сил отталкивания

протонов и придает ядру устойчивость. Здесь

действуют

мощные

внутриядерные силы связи, в миллион раз превышающие силы

сцепления

между

атомами.

Каждый элемент

существует

в виде нескольких изотопов, отли-

чающихся

друг

от

друга

числом содержащихся в ядре нейтронов

при

одинаковом числе протонов. У олова, например, имеются

11 изотопов. Встречающиеся на земле элементы являются сме-

сями

изотопов.

Каждый электрон испытывает силы притяжения к ядру и

силы отталкивания от

других

электронов, и его состояние характе-

ризуют энергией связи. В одном и том же энергетическом состоя-

нии

могут

быть лишь два электрона с противоположными спи-

нами.