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

Подождите немного. Документ загружается.

границ приводит к некоторому увеличению избыточной энергии,

однако оно перекрывается выигрышем термодинамического потен-

циала из-за разделения кристаллов на домены и получения нуле-

вой результирующей намагниченности. Существует несколько

методов выявления доменной структуры. Распространение полу-

чила методика, в которой используются магнитные порошки.

Граница доменов притягивает мелкие магнитные частицы порошка

благодаря этому выявляется.

Намагничивание ферромагнетиков в магнитном поле может

происходить двояко — перемещением границы доменов и согласо-

ванным поворотом векторов магнитных моментов

всех

атомов

Рис.

99. Схема перемещения доменных границ при намаг-

ничивании

ферромагнетика

домена. В последнем

случае

вектор намагничивания домена пере-

ходит

под действием внешнего поля от направления легкого на-

магничивания к направлению поля. Происходит это в сильных

полях. При наложении же слабых полей намагничивание происхо-

дит главным образом в

результате

перемещения границ доменов.

Подобное движение границы домена иллюстрируется рис. 99, б.

Движение доменных границ задерживается искажениями кристал-

лической решетки, дислокациями, границами зерен и субграни-

цами,

порами и включениями примесей. У этих дефектов границы

доменов

могут

остановиться, и, если устранить внешнее поле,

они

возвращаются в исходное положение. Таким образом, намагни-

чивание в слабых полях обратимо: с удалением внешнего поля

оно

исчезает.

При

увеличении напряженности внешнего магнитного поля

границы доменов

могут

преодолеть препятствия. При этом за-

рождаются и

растут

новые домены, особенно вблизи границ зерен,

пор и включений примеси. В этих участках образуются домены

сложной конфигурации и векторы намагниченности их не создают

результирующего магнитного поля («замыкающие» области). По-

этому средний размер домена меньше поперечника зерна. Лишь

в хорошо текстурованном материале домены крупнее зерна. По

191

мере того, как увеличивается число благоприятно ориентированных

магнитных моментов атомов, растет и намагниченность, которая

на

этой стадии становится уже необратимой.

В сильных магнитных полях вектор намагниченности домена

из

положения легкого намагничивания поворачивается вдоль

направления поля. Когда все домены

будут

иметь одинаковое

направление вектора намагничивания (рис. 99, е), ферромагнетик

достигает насыщения.

удалением внешнего поля ферромагнетики остаются намаг-

ниченными.

Для того чтобы размагнитить их, необходимо при-

ложить противоположно направленное внешнее магнитное поле.

Напряженность размагничивающего поля (коэрцитивная сила)

в разных материалах различна: размагничивание магнитомягких

металлов происходит в слабых, магнитотвердых — в сильных

полях.

Изменение

магнитных свойств широко используют при изу-

чении фазовых и структурных изменений металлов и сплавов.

В последнее время в технике применяют термическую обработку

ферромагнетиков в магнитном поле (термомагнитная обработка).

Холодная пластическая деформация ферромагнитных металлов

увеличивает искаженность кристаллической решетки и затрудняет

перемещение границ доменов при намагничивании и размагничи-

вании.

В упорядоченных растворах деформация может вызвать

магнитные превращения. Накопление точечных дефектов и анти-

фазных границ нарушит правильное чередование разноименных

атомов. В

результате

изменяется намагниченность насыщения,

смещается точка Кюри областей кристалла, в которых изменилась

степень порядка. В упорядоченном состоянии, например, соеди-

нение

Co при комнатной температуре парамагнитно, а в раз-

упорядоченном ферромагнитно.

Нарушение атомного и магнитного порядков может происхо-

дить и под влиянием облучения.

ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ

НА СТРУКТУРУ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Упаковка атомов в металлах и сплавах нарушается при

облу-

чении у-лучами, электронами и тяжелыми частицами (протонами,

нейтронами, а-частицами). Быстрые электроны и у-кванты спо-

собны сместить из узлов решетки лишь единичные атомы. Тяжелые

частицы

могут

вызвать и большие нарушения упаковки атомов.

Рассмотрим влияние их сначала на примере чистого металла.

При

столкновении часть энергии тяжелой частицы передается

атому металла. Если эта энергия велика, атом смещается из

узла

решетки в междоузлие.

Атом

в междоузлии может в свою

очередь выбить из положения равновесия соседние атомы. По-

добные нарушения частица совершает на своем пути многократно,

192

пока

она обладает высокой энергией. Таким образом, тяжелая

частица с большой энергией, попадая на поверхность металла,

способна выбить из узлов решетки много атомов.

Соударения атомов

ведут

к локальному разогреву металла.

Энергии

частицы облучения может оказаться достаточно для того,

чтобы нагреть участки в тысячи атомов до температуры плавления.

Некоторые атомы при соударениях покидают поверхность (испа-

ряются).

Состояние

с разупорядоченным расположением атомов не-

устойчиво, и с прекращением облучения атомы занимают узлы

решетки.

Устранение вызванных облучением повреждений сопро-

вождается образованием скоплений вакансий, которые, объеди-

няясь,

образуют поры или призматические петли дислокаций.

В упорядоченных растворах смещения атомов и локальное

повышение

температуры

ведут

к разупорядочению. При облуче-

нии

разупорядочение происходит и при низких температурах.

Таким

путем можно разупорядочить раствор в тех

случаях,

когда

другими методами, например закалкой, это не удается.

Облучение способно вызвать фазовые превращения и пере-

вести сплав в метастабильное состояние. Стабильное в обычных

условиях двухфазное состояние сплава под влиянием облучения

может, например, перейти в метастабильное однофазное в резуль-

тате

растворения избыточной фазы. Такой переход оказывается

возможным не только благодаря ослаблению межатомных связей

избыточной фазе и увеличению химического потенциала компо-

нентов

ее, но и вследствие возникновения дефектной структуры

твердого раствора. Уменьшение энергии дефектов под влиянием

скопления

в них растворенных атомов может оказаться настолько

сильным,

что скомпенсирует увеличение термодинамического по-

тенциала, с которым связано растворение избыточной фазы.

Во многих случаях облучение способствует получению ста-

бильного состояния, поскольку искажения решетки и избыточные

вакансии

интенсифицируют диффузионные процессы. Облучение

может ускорять упорядочение и полиморфное превращение твер-

дого раствора. Локальное повышение температуры и образование

крупных дефектов облегчает образование зародышей в пересы-

щенном

твердом растворе и способствует выделению избыточной

фазы.

Большие

изменения структуры металлов и сплавов происхо-

дят и вследствие накопления в них инертных газов, образующихся

результате

реакции атомов с нейтронами и а-частицами. Если

облучение производят при повышенных температурах, инертные

газы образуют пузырьки вдоль границ зерен. Благодаря этому

плотность материала уменьшается (он

«распухает»).

Особенно подвержен газовому распуханию уран, являющийся

горючим для ядерных реакторов. При распаде ядер урана обра-

зуются газообразные продукты — ксенон и криптон. Раствори-

193

мость их в уране ничтожна, и образуется пересыщенный раствор.

По

мере диффузии инертный газ скапливается в микропустотах

в них возникают большие давления. В

результате

в уране про-

исходит

пластическая деформация и начинается разрушение

вследствие развития трещин и роста пор. Под влиянием газового

распухания размеры и форма урановых изделий изменяются.

Подобные изменения

могут

вызвать и попеременные нагревы

охлаждения (термоциклирование).

ЛИТЕРАТУРА

Коттрелл А. X. Строение металлов и сплавов. Металлургиздат, 1961.

«Магнитные свойства металлов и сплавов». Сб. ИЛ, 1961.

Уманский

Я. С. и др. Физическое металловедение. Металлургиздат, 1955.

Чалмерс Б. Физическое металловедение. Металлургиздат, 1963.

Юм-Розери

Б., Рейнор Г. В. Структура металлов и сплавов. Метал-

лургиздат, 1959.

ЧастЬ

III

СТРУКТУРА

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ

СПЛАБОБ

Глава 12

КОМПОНЕНТЫ,

ФАЗЫ

И ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Железо и его сплавы являются материальной основой совре-

менной

цивилизации. Человечество производит железа в десятки

раз больше, чем

всех

остальных металлов.

Варьируя состав и

структуру

железных сплавов, можно по-

лучать

самые разнообразные свойства, что позволяет удовлетво-

рять широкие запросы потребителей. В этом отношении железо

является одним из самых универсальных материалов.

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Промышленные железные сплавы — химически сложные мно-

гокомпонентные системы. Однако для большинства из них основ-

ными

компонентами, определяющими

структуру

и свойства, яв-

ляются железо и

углерод.

Согласно таблице Д. И. Менделеева (см. табл. 1) железо принад-

лежит к числу переходных материалов. Его порядковый номер26 и

распределение электронов в атоме имеет вид

При

наличии

двух

электронов в

4S-COCTOHHHH

В атомах железа

недостает четырех Зй-электронов. Появляющаяся в связи с этим

возможность перераспределения электронов при изменении внеш-

них условий приводит к переменной валентности.

Железо может существовать в четырех модификациях а, у, б

е (рис. 100, а) с металлической межатомной связью

380—

400

кдж/г-атом

(90—95

ккал/г-атом).

Упаковка атомов cc-Fe и б-Fe характеризуется решеткой

о. ц. к. (см. рис. 6, б); Y-Fe — г. ц. к. (см. рис. 6, а) и Б-Fe — г. п.

(см.

рис. 6, в). При атмосферном давлении

существуют

лишь

а-у- и б-модификации. При низких температурах вплоть до 910° С

(точка А

) устойчива модификация а. До точки Кюри (точка Л

195

768° С)

железо ферромагнитно. Вблизи точки

ферромагнетизм

теряется

и в

интервале

— А

железо парамагнитно.

Это со-

стояние раньше принимали

за

самостоятельную полиморфную

модификацию

р\

Сейчас этим обозначением

не

пользуются,

так

как

магнитное превращение

точке Кюри

не

связано

изменением

типа решетки.

Точка

соответствует температуре равновесия

а- и

у-моди-

фикаций.

Точка

(1400° С)

характеризует температуру равнове-

сия

у- и

б-модификаций. Таким образом,

интервале А

—Л

устойчива

г. ц. к.

модификация

у, а в

интервале

от

точки

*JP

u/7?

1,5-10-

Ю*

Iff*

1O'

a-Fe

a-re

/Жидкость

Taj

800 1600 2400

Температура,

"С

1000 3000

Температура, "С

Рис.

100.

Диаграмма

состояния

железа

(а) и

углерода

(б)

до точки плавления железа

(1539° С) — о. ц. к.

модификация

б.

Области устойчивости

у- и

е-модификаций, характеризующиеся

плотнейшей упаковкой атомов

(к. ч. == 12),

расширяются

с по-

вышением давления,

а а- и

б-модификаций,

менее плотной упаков-

кой

атомов

(к. ч. = 8),

суживаются

(рис. 100, а).

Точных данных

об

упаковке атомов

жидком железе

нет.

По

косвенным данным вблизи точки плавления ближний порядок

характеризуется координационным числом

~8.

Между атомами

преобладает металлическая связь. Энергия связи

на 7—8%

меньше,

чем

кристаллах.

Газообразное железо характеризуется поляризационной связью.

Второй основной компонент железоуглеродистых сплавов

—

углерод

—

также полиморфен

(рис. 100, б). В

периодической

системе элементов

он

занимает шестое место,

и в его

атоме элек-

троны распределяются

так:

обычных условиях

он

находится

виде графитной модификации

гексагональной

слоистой решеткой

(рис. 101, а).

Между атомами

углерода

каждого

196

слоя

действуют

сильные ковалентные связи

<~700

кдж/г-атом

(—170 ккал/г-атом). Межатомные расстояния здесь очень малы

0,1415

нм

(1,415

А). Каждый атом связывается с тремя соседями

спариванием

валентных р- и s-электронов. Четвертые валентные

элементы коллективизируются, что сообщает графиту большую

электропроводность, непрозрачность

металлический блеск. Слои нахо-

дятся на больших расстояниях один

от

другого

—0,3354

нм

(3,3544

А) и

связаны

слабыми поляризационными

силами

—4—9

кдж/г-атом

—

2 ккал/г-атом).

Углерод

может существовать и

виде алмазной модификации, ха-

рактеризующейся тетраэдрической

решеткой (рис. 101, б). В этом со-

стоянии

каждый атом

углерода

кова-

лентно связан с четырьмя соседями,

находящимися от него на расстояниях

0,1545

«ж

(1,5445

А), энергия связи

Рис.

101. Упаковки атомов в графите (а), алмазе (б) и

мартенсите (в) (/ — области, занимаемые атомами Fe;

— возможные положения атомов С)

—700

кдж/г-атом

(—170 ккал/г-атом). Алмазная модификация

углерода

в обычных условиях метастабильна. Однако переход ее

графит возможен лишь при температурах выше

1200°

С. Давле-

ния,

превышающие 10

кбар,

стабилизируют алмазную модифика-

цию.

При давлениях выше 600

кбар

стабилен графит II, имеющий

объемноцентрированную тетрагональную упаковку атомов, кото-

рую можно представить как сильно искаженную тетраэдриче-

скую.

Промышленные

железные сплавы содержат и

другие

примеси.

Их

делят на обычные (Р, S, Мп, Si, H, N, О) и легирующие (Сг,

197

Ni,

Al, Cu, Ti, Mo, W, V и др.). При большом количестве обычных

примесей их относят к разряду легирующих. Сплавы, содержащие

легирующие примеси, называют легированными.

ОСНОВНЫЕ

ФАЗЫ

Основными

фазами железных сплавов являются жидкие и твер-

дые растворы примесей в железе, графит и карбиды.

Жидкие растворы представляют собой фазы с относительно

плотной

упаковкой атомов железа, связанных металлической

связью. При содержании до 2% С жидкие растворы микроскопи-

чески однородны. При более высоких концентрациях углерода

не

сильно перегретые расплавы, по-видимому, микроскопически

неоднородны. Принимают, что они содержат микрогруппировки

величиной

10"

—10"

см атомов углерода. Такое отступление

от полной молекулярной смешиваемости железа и углерода в жид-

ком

состоянии обусловлено более сильным взаимодействием одно-

именных атомов (С—С и

Fe—Fe),

чем разноименных

(Fe—С),

что особенно сильно проявляется в твердом состоянии. При ком-

натной

температуре, например, углерод практически не раство-

ряется в железе.

повышением температуры растворимость углерода в кристал-

лическом железе увеличивается и образуются твердые растворы.

В зависимости от состояния железа, являющегося растворителем,

различают а, у и б-растворы. Твердый раствор углерода и

других

примесей в a-Fe

(б-Fe),

называемый ферритом (Ф), характеризуется

о. ц. к. решеткой. Различают высокотемпературный б-феррит

(с

максимальной концентрацией углерода

'—0,1%)

и низкотемпе-

ратурный a-феррит (максимальная растворимость углерода

~0,020—0,025%).

Раствор углерода и

других

примесей в vF

(максимальная

растворимость углерода ~2%), называемый аусте-

нитом

(Л), характеризуется г. ц. к. решеткой.

В высокоуглеродистых железных сплавах (~4% С) можно

получить и твердый раствор примесей в e-Fe. Он образуется,

частности, при безызбирательной кристаллизации тонких пле-

нок

высокоуглеродистых железных сплавов. В этих условиях

жидкость, содержащая ~4% С, переходит в твердый раствор

того же состава, имеющий г. п. решетку с параметрами: а =

0,2622

нм (2,622 А) и с =

0,4312

нм

(4,312

А). При атмосфер-

ном

давлении е-раствор метастабилен: при температурах, слегка

превышающих 100° С, он распадается через десятки минут; при

комнатной

температуре он сохраняется несколько недель.

Атомы растворенных элементов

могут

занимать в кристаллах

железа узлы, междоузлия и дефектные области. Атомы

угле-

рода теряют 2 валентных электрона и ионизируются положительно.

Ионы

углерода благодаря малым размерам способны размещаться

междоузлиях. Они оккупируют и дефектные участки кристаллов

198

железа, размещаясь в вакантных

узлах,

вдоль дислокаций,

на

субграницах.

Большая

растворимость

углерода

в г. ц. к., чем в о. ц. к.

железе, обусловлена большей величиной межатомных промежут-

ков

в y-Fe. В а- и б-Fe число промежутков втрое больше, но они

почти в полтора раза меньше по величине и неудобны для разме-

щения

ионов

углерода.

Различие растворимостей

углерода

в у-

а-модификациях железа используется при упрочнении железных

сплавов. Если полиморфное превращение у —> а происходит при

низких

температурах бездиффузионным путем, образуется мартен-

сит— сильно пересыщенный твердый раствор

углерода

в a-Fe.

Он

имеет объемноцентрированную тетрагональную решетку (см,

рис.

101, в). Степень тетрагональности зависит от содержания

углерода

в мартенсите: она увеличивается от 1 до 1,08 при повы-

шении

концентрации

углерода

от 0 до 1,7%. Тетрагональное иска-

жение решетки a-Fe объясняется следующим. В г. ц. к. решетке

y-Fe атомы

углерода

занимают пространственные центры и сере-

дины

ребер. Каждый атом

углерода

окружен шестью равно удален-

ными

от него атомами железа. Благодаря этому при хаотическом

распределении атомов

углерода

искажения решетки твердого

раствора не изменяют ее кубического характера.

В о. ц. к. решетке пересыщенного a-раствора, полученного

при

мартенситном у —> а превращении, атомы

углерода

распо-

лагаются в центрах граней и ребер. Каждый атом

углерода

окру-

жен также шестью ближайшими атомами железа, но они распола-

гаются не на одинаковом расстоянии. Два атома железа ближе

атому

углерода,

чем остальные четыре. В силу этого искажения

a-решетки имеют тетрагональный характер и ось тетрагональности

проходит через два ближайших атома железа. Если бы атомы

угле-

рода распределялись хаотически

между

возможными для них

позициями

в кристалле a-Fe (число участков с одинаковым на-

правлением тетрагональных осей в этом

случае

одинаково вдоль

трех

координатных осей), то решетка в целом осталась бы куби-

ческой,

изменился бы только параметр. Однако при мартенситной

у —• сс-перестройке решетки распределение атомов

углерода

a-Fe получается не хаотическим. Число позиций внедрения

решетке y-Fe в три раза меньше на каждый атом железа, чем

a-Fe. Поэтому после у—• a-превращения позиции внедрения

одного и того же вида оказываются предпочтительно занятыми,

что и приводит к тетрагональному искажению решетки a-Fe.

Подобно

углероду

позиции внедрения в твердых растворах

железа

могут

занимать и атомы

других

элементов, характеризу-

ющиеся небольшими размерами (азот, бор, водород). Металлы

большинство металлоидов с большими размерами атомов обра-

зуют

с железом твердые растворы замещения.

Твердые растворы

углерода

в железе характеризуются такими

свойствами. Феррит имеет твердость 80 НВ, прочность при разрыве

199

250 Мн/м

(25 кГ/мм

), предел текучести 120 Мн1м* (12 кГ/мм*),

удлинение до 50% и сужение до 80%.

Аустенит

имеет твердость

170—200

НВ и прочность при разрыве

500—800

Мн/м

(50—

80 кГ/мм

). Для него характерна большая пластичность и малая

склонность

к хрупкому разрушению. Мартенсит обладает высокой

твердостью

(550—650

НВ), большой прочностью при разрыве

б, =

1400—1800

Мн/м

(140—180

кГ/мм

)

и склонностью к

хруп-

кому разрушению.

Графит (Г), образующийся в железных сплавах, представляет

собой почти чистый

углерод.

При химическом анализе выде-

ленных из сплавов графитных включений часто обнаруживается

железо, иногда в значительном количестве. Из рентгенографи-

ческих же данных

следует,

что растворимость железа в графите

ничтожна. Это противоречие объясняется сохранением металличе-

ской

матрицы в графитных включениях при их извлечении для

анализа. Решетка графита, как указывалось выше, характери-

зуется слоистой упаковкой атомов (см. рис. 101, а). Из-за легкой

подвижности слабо связанных одного с другим слоев графит

является наименее прочной фазой железных сплавов. Если же

устранить возможность соскальзывания слоев, графит проявляет

себя как очень прочная фаза.

Карбид железа, образующийся в обычных промышленных

железных сплавах, имеет

~6,67%

С, его формула

и назы-

вается цементитом Щ). При наличии в сплавах примесей обра-

зуется легированный цементит, содержащий, кроме железа и

углерода,

другие

элементы: (Fe,

Mn)

(Fe,

Cr)

(Fe, W)

(Fe,

Mn, Cr)

C и др. В легированных железных сплавах образуются

сложные карбиды, отличные от цементита, например (Cr,

Fe)

;

(Fe,

C; (Fe,

Mo)

и карбиды, не содержащие железа (TiC,

VC и др.). Цементит характеризуется орторомбической решеткой.

В элементарную ячейку

входят

12 атомов железа и 4 атома

углерода.

Параметры решетки: а =

0,4514

нм

(4,514

A), b =

0,5079

нм

(5,079

А) и с =

0,6729

нм

(6,729

А). Упаковка ато-

мов железа в цементите изучена хорошо, она имеет ромбическую

симметрию (рис. 102). Данные о размещении атомов

углерода

про-

тиворечивы. Возможно размещение атомов

углерода

в октаэдри-

ческих и призматических порах субрешетки железа. Рентгеногра-

фический

анализ не

дает

надежной информации о размещении

атомов легких элементов. Более надежен нейтроноструктурный

анализ:

он говорит в пользу призматического варианта струк-

туры

цементита.

Связь

атомов в цементите имеет комплексный характер, по-

видимому, ковалентно-металлический. Ковалентные связи обра-

зуются четырьмя валентными электронами

углерода

и Зй-электро-

нами

четырех ближайших атомов железа. Это согласуется с гео-

метрией призматического структурного элемента решетки цемен-

тита. Согласно рис. 102, на ближайших расстояниях от атома

200