Какие фазы называются карбидами и какими свойствами они обладают

В сталях карбиды образуются только металлами, расположенными в периодической системе элементов левее железа (см. рис. 279). Эти металлы, как и железо, относятся к элементам переходных групп, имеют менее достроенную -электронную полосу. Чем левее расположен в периодической системе карбидообразующий элемент, тем менее достроена его -полоса.

Имеется достаточно оснований предполагать, что в процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электроны на заполнение электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обусловливающую металлические свойства карбидов.

Многочисленные опыты показывают, что чем левее в периодической системе расположен элемент, т. е. чем менее достроена у него электронная полоса, тем более устойчив карбид. Эти обстоятельства позволяют сформулировать положения, характеризующие в общем виде условия карбидообразования в сталях: только элементы с -электронной полосой, заполненной меньше, чем у железа, являются карбидообразующими; активность их как карбидообразователей тем сильнее и устойчивость образующихся карбидных фаз тем больше, чем менее достроена -полоса у металлического атома.

Это положение позволяет указать условия образования карбидов в стали при наличии нескольких карбидообразующих элементов, последовательность растворения в аустените различных карбидов и другие факторы, важные для теории легирования, практики производства и применения легированных сталей.

В соответствии со сказанным карбиды в сталях будут образовывать следующие элементы: титан, ванадий, хром, марганец, цирконий, ниобий, молибден, гафний, тантал, вольфрам.

В природе известны карбиды никеля и кобальта, но в сталях, т. е. в сплавах на основе железа, эти металлы карбидов не образуют, так как на -полосе кобальт

1 Из курса физики известно, что электроны располагаются вокруг ядра атома в виде отдельных электронных оболочек. Чем дальше от ядра отстоит оболочка, тем выше уровень энергии электронов этой оболочки. Каждая оболочка в свою очередь расщепляется на ряд уровней энергии или полос, получивших обозначения (по направлению от ядра атома) На каждой полосе может располагаться ограниченное число электронов. Так, например, на -полосе может разместиться не более 10 электронов. При последовательном переходе от атома водорода к другим элементам периодической системы число электронов возрастает в соответствии с их атомным номером, причем электроны сначала занимают все места с наименьшими уровнями энергии, т. е. последовательно все места в первой оболочке, затем во второй и т. д. Однако у некоторых элементов, получивших наименование элементов переходных групп, на внешней (валентной) оболочке уже появляются 1 или 2 электрона еще до того, как достроена -полоса предыдущей оболочки. К этим элементам относятся многие металлы, в том числе железо и карбидообразующие элементы.

Сформулированное выше положение является частным случаем условий образования карбидов или нитридов в сплавах. Карбидо- и нитридообразующим элементом в сплаве является такой элемент, у которого менее достроена -полоса, чем у основного металла.

Иногда, правда очень редко, в металлических сплавах образуются карбиды бора, алюминия, кремния и других элементов, по приведенной классификации относящихся к «некарбидообразующим» элементам. Дело в том, что карбиды совершенно отличны от рассматриваемых карбидов. Это соединения с ковалентной связью, не обладающие металлическими свойствами.

имеет 7, а никель 8 электронов, т. е. больше чем железо, имеющее на d-полосе 6 электронов. Поэтому углерод отдает свои электроны железу и карбиды никеля или кобальта не образуются.

Элементы с полностью заполненной -полосой (медь, цинк, серебро и т. д.) ни при каких условиях карбидов в сплавах не образуют.

Вместе с тем в соответствии с высказанным выше положением, активность карбидообразования и устойчивость карбидов в легированных сталях будет возрастать при переходе от элементов марганца и хрома к элементам молибден, ванадий, вольфрам и титан и др. имеющим менее достроенные -полосы, чем у марганца и хрома. Это значит, например, что при наличии в стали одновременно хрома и ванадия следует ожидать в первую очередь образования карбидов ванадия.

Приняв атомный радиус углерода равным 0,079 нм легко подсчитать, что у всех карбидообразующих элементов, кроме железа, марганца и хрома, отношения атомных радиусов углерода к металлу меньше 0,59.

Выше указывалось (гл. IV, что если у металла переходной группы и у металлоида с малым атомным радиусом (углерод, азот, водород) отношение атомных радиусов меньше 0,59, то возможно образование особых видов соединений, которые называются «фазами внедрения» (см. с. 99).

У большинства карбидообразующих элементов соотношение поэтому между ними и углеродом возможно образование фаз внедрения.

Установлено, что в сталях могут образовываться следующие карбидные соединения:

Однако в сталях в чистом виде перечисленные карбиды не существуют. Карбиды всех легирующих элементов содержат в растворе железо, а при наличии нескольких карбидообразующих элементов — и эти элементы. Так, в хромомарганцовистой стали вместо чистого карбида хрома образуется карбид содержащий в растворе железо и марганец.

Так как карбиды, имеющие одинаковую химическую формулу, взаимно растворяются, то, например, при наличии в стали одновременно титана и ниобия будут образовываться не два разделенных вида карбидов, а один общий карбид, в который «на равных основаниях» входят и титан и ниобий. Поэтому возможных вариантов карбидообразования меньше, чем это указано выше, и фактически мы встречаемся в сталях лишь с карбидами шести видов:

где под М подразумевается сумма карбидообразующих элементов (металлических). Соотношения между металлическими элементами и углеродом (для недефектной решетки) указываются формулой.

Карбиды, отнесенные в I группу, имеют сложную кристаллическую структуру. Типичным представителем карбидов этого типа

является цементит, кристаллическая структура которого была показана на рис. 133.

Особенность строения карбидов II группы как фаз внедрения заключается в том, что они имеют простую кристаллическую решетку и кристаллизуются обычно со значительным дефицитом по углероду.

Следует отметить, что фазы внедрения трудно растворимы в аустените. Это значит, что при нагреве (даже очень высоком) они могут не перейти в твердый раствор. В этом их отличие от карбидов

I группы, которые при нагреве легко растворяются в аустените.

Рис. 283. Диаграммы изотермического распада аустенита: а — углеродистая (1) и легированная некарбидообразующими элементами (2) стали; б — углеродистая (1) и легированная карбидообразующими элементами (2) стали

Все карбидные фазы обладают высокой температурой плавления и высокой твердостью. Фазы внедрения в этом отношении превосходят карбиды I группы.

Учреждение образования

«Белорусский государственный

технологический университет»

А. К. Вершина, Н. А. Свидунович, Д. В. Куис

Состав, структура, свойства сплавов на основе железа

Лабораторный практикум по курсу «Материаловедение

и технология конструкционных материалов» для студентов химических и технологических специальностей

Минск 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа № 1

Конструкционные легированные стали. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей. Маркировка легированных сталей

Цель работы: изучение состава, структуры маркировки и механических свойств легированных сталей.

Теоретическая часть

Конструкционные легированные стали

Легированной называется сталь, в которую для придания ей определенных механических, технологических или специальных свойств введены легирующие элементы.

Легирующие элементы. Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими.

Основными легирующими элементами в сталях являются: Ni – никель; Cr – хром; Co – кобальт; Mo – молибден; Mn – марганец; Cu – медь; B – бор; Nb – ниобий; Zr – цирконий; Si – кремний; P – фосфор; W – вольфрам; Ti – титан; N –азот; V – ванадий; Al – алюминий; La, Ce, Pr и другие редкоземельные металлы;

Распределение легирующих элементов в стали. В промышленных легированных сталях, которые являются многокомпонентными системами, легирующие элементы могут находиться:

а) в свободном состоянии;

б) в форме интерметаллических соединений с железом или между собой;

в) в виде оксидов, сульфидов и других неметаллических включений;

г) в карбидной фазе – в виде раствора в цементите или в виде самостоятельных соединений с углеродом – специальных карбидов;

д) в форме раствора в железе.

Карбидная фаза в легированных сталях. Растворяться в цементите или образовывать самостоятельные карбидные фазы могут многие элементы, имеющие сродство к углероду.

Карбидообразующими элементами являются лишь элементы, расположенные в периодической системе элементов левее железа (рис. 1.1, обведены рамкой).

Рис. 1.1. Периодическая система элементов

(в рамке элементы, образующие карбиды в стали)

Установлено, что в сталях могут образовываться следующие карбидные соединения:

Fe3C Мо2С карбиды II группы

Мn3С карбиды I группыW2С, (фазы внедрения)

Cr23C6, Cr7C3 WС, VС

Fe3Мо3С TiС, NbC, ТаС

Fe3W3C Та2С, ZrC

Однако в сталях в чистом виде перечисленные карбиды не существуют. Карбиды всех легирующих элементов содержат в растворе железо, а при наличии нескольких карбидообразующих элементов – и эти элементы. Так, в хромомарганцовистой стали вместо чистого карбида хрома Сr23С6 образуется карбид (Сr, Мn, Fe)23C6, содержащий в растворе железо и марганец.

Указанные карбидообразующие элементы кроме того, что образуют карбиды, еще и растворяются в железе. Следовательно, они в известной пропорции распределяются между этими двумя фазами.

Растворяться в железе в значительных количествах может большинство легирующих элементов, кроме углерода, азота, кислорода, бора и металлоидов, удаленных в периодической системе от железа.

Элементы, расположенные в периодической системе левее железа, распределяются между железом (основой) и карбидами; элементы, расположенные правее железа (кобальт, никель, медь и др.), образуют только растворы с железом и не входят в карбиды.

Таким образом, подводя итоги, можно констатировать: легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит) или образуют специальные карбиды.

Влияние легирующих элементов на феррит. Растворение легирующих элементов в Feα происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Атомы легирующих элементов, отличаясь от атомов железа размерами и строением, создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода. Все элементы, растворяющиеся в феррите, изменяют параметры решетки феррита в тем большей степени, чем больше различаются атомные размеры железа и легирующего элемента.

Элементы с атомным радиусом, меньшим, чем у железа, уменьшают параметры решетки, а с большим – увеличивают (никель является исключением).

Естественно, что изменение размеров α-решетки вызывает и изменение свойств феррита – прочность повышается, а пластичность уменьшается.

На рис. 1.2 показаны изменения свойств феррита (твердость, ударная вязкость) при растворении в нем различных элементов. Как видно из диаграмм, хром, молибден, вольфрам упрочняют феррит меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден, вольфрам, а также марганец и кремний (при наличии более 1%) снижают вязкость феррита. Хром уменьшает вязкость значительно слабее перечисленных элементов, а никель не снижает вязкости феррита.

Важное значение имеет влияние элементов на порог хладноломкости, что характеризует склонность стали к хрупкому разрушению.

Наличие хрома в железе способствует некоторому повышению порога хладноломкости, тогда как никель интенсивно снижает порог хладноломкости, уменьшая тем самым склонность железа к хрупким разрушениям (рис. 1.3).

Рис. 1.2. Влияние легирующих элементов на свойства феррита:

а – твердость; б – ударная вязкость

Рис. 1.3. Влияние легирующих элементов на порог хладноломкости железа

Таким образом, из перечисленных шести наиболее распространенных легирующих элементов особенно ценным является никель.

Достаточно интенсивно упрочняя феррит, никель не снижает его вязкость и понижает порог хладноломкости, тогда как другие элементы, если и не снижают вязкости, то слабо упрочняют феррит (хром) либо, сильно упрочняя феррит, резко снижают его вязкость (марганец, кремний).

Приведенные на рис. 1.3 данные относятся к медленно охлажденным сплавам. Свойства феррита, содержащего в растворе кремний, молибден или вольфрам, практически не зависят от того, как охлаждался сплав – быстро или медленно, тогда как твердость феррита, легированного хромом, марганцем и никелем, после быстрого охлаждения оказывается более высокой, чем после медленного охлаждения.

Исследование причин упрочнения при быстром охлаждении легированного феррита в практически безуглеродистых сплавах (С < 0,02%) показало, что это связано с образованием структуры мартенситного типа.

При медленном охлаждении получается полиэдрический феррит (рис. 1.4, а). При быстром охлаждении получается структура игольчатого типа – игольчатый феррит (рис. 1.4, б),по внешнему виду похожая на бейнит. Твердость игольчатого феррита на 100–150 НВ выше твердости полиэдрического феррита.

Рис. 1.4. Структура феррита в сплаве с 4,2%-ным Сr;

а – полиэдрический феррит, медленное охлаждение, × 400; б – игольчатый феррит, очень быстрое охлаждение, × 400

Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита. Кинетика распада аустенита, определяет поведение стали при термической обработке. Влияние же легирующих элементов на кинетику превращения аустенита очень велико.

Так, легирующие элементы, образующие растворимые в аустените карбиды, при разных температурах по-разному влияют на скорость распада аустенита при:

– 700–500°С (образование перлита) – замедляют превращение;

– 500–400°С – весьма значительно замедляют превращение;

– 400–300°С (образование бейнита) – ускоряют превращение.

Таким образом, в сталях, легированных карбидообразующими элементами (хром, молибден, вольфрам), наблюдаются два максимума скорости изотермического распада аустенита, разделенных областью высокой устойчивости переохлажденного аустенита. Изотермический распад аустенита имеет два явно выраженных интервала превращений – превращение в пластинчатые (перлитное превращение) и превращение в игольчатые (бейнитные превращения) структуры.

Схематическое изображение диаграммы изотермического превращения (показано лишь начало превращения) приведено на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Диаграммы изотермического распада аустенита:

а – углеродистая (1)и легированная некарбидообразующими элементами (2)

стали; б – углеродистая (1) и легированная карбидообразующими

элементами (2)стали

Практически наиболее важной является способность легирующих элементов замедлять скорость распада аустенита в районе перлитного превращения, что выражается в смещении линии вправо на диаграмме изотермического распада аустенита. Это способствует более глубокой прокаливаемости и переохлаждению аустенита до интервала мартенситного превращения при более медленном охлаждении, например при охлаждении в масле или на воздухе, что естественно связано с уменьшением критической скорости закалки.

Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение. Легирующие элементы главным образом влияют на положение температурного интервала мартенситного превращения, а это в свою очередь отражается и на количестве остаточного аустенита, которое фиксируется в закаленной стали (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Влияние легирующих элементов на температуру мартенентного

превращения (а) и количество остаточного аустенита (б)в стали с 1% С

Некоторые элементы повышают мартенситную точку и уменьшают количество остаточного аустенита (алюминий, кобальт), другие не влияют на нее (кремний), но большинство снижает мартенситную точку и увеличивает количество остаточного аустенита (рис. 1.6, а). Из диаграммы видно, что 5% Мn снижает мартенситную точку до 0°С, следовательно, при таком (или большем содержании этого легирующего элемента) охлаждением можно зафиксировать только аустенитное состояние.

Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита. Все легирующие элементы уменьшают склонность аустенитного зерна к росту. Исключение составляют марганец и бор, которые способствуют росту зерна.

Остальные элементы, измельчающие зерно, оказывают различное влияние:

– никель, кобальт, кремний, медь (элементы, не образующие карбидов) относительно слабо влияют на рост зерна;

– хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан сильно измельчают зерно (элементы перечислены в порядке роста силы их действия).

Это различие является прямым следствием различной устойчивости карбидов (и нитридов) этих элементов. Избыточные карбиды, не растворенные в аустените, препятствуют росту аустенитного зерна. Поэтому сталь при наличии хотя бы небольшого количества нерастворимых карбидов сохраняет мелкозернистое строение до весьма высоких температур нагрева.

Влияние легирующих элементов на превращения при отпуске. Легирующие элементы замедляют процесс распада мартенсита. Некоторые элементы, такие как никель или марганец, влияют не значительно, тогда как большинство (хром, молибден, кремний и др.) – весьма заметно.

Это связано с тем, что процессы при отпуске имеют диффузионный характер, и большинство легирующих элементов замедляет карбидное превращение, в особенности на стадии коагуляции.

На начальной стадии распада мартенсита в легированных сталях образуется e-карбид, имеющий тот же состав (по легирующим элементам), что и мартенсит.

На этой стадии отпуска влияние легирующих элементов на разупрочнение мартенсита невелико.

При более высокой температуре происходит срыв когерентности и превращение e- карбида в цементит или специальный карбид. На этой стадии отпуска наступает разупрочнение. Большинство легирующих элементов смещает эти процессы вверх по температурной шкале.

Для получения одинаковых результатов сталь, легированную такими элементами, как хром, молибден, кремний и др., нужно нагревать при отпуске до более высокой температуры или увеличивать продолжительность отпуска по сравнению с углеродистой сталью.

Дата добавления: 2016-11-02; просмотров: 811 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов

Читайте также:

Рекомендуемый контект:

Поиск на сайте:

© 2015-2020 lektsii.org – Контакты – Последнее добавление