Материаловедение Схема строения (стр. 1 из 4)
1. Приведите схему строения стального слитка. В чем сущность ликвации по плотности и физической неоднородности? Каково их практическое значение?
При заливке в форму (изложницу) большой массы металла затвердевание не может идти одновременно во всем объеме слитка, оно начинается у мест, от которых отводится тепло — у стенок и дна изложницы, а затем распространяется внутрь формы. Поэтому в слитке наблюдаются области (зоны) с неодинаковым строением кристаллов (зерен).
Строение стального слитка впервые исследовал и опубликовал в 1878 г. Д. К. Чернов, а более поздние работы уточнили и подтвердили многие его взгляды на процесс кристаллизации стали.
Схема строения стального слитка приведена на рис. 1, а, а ориентировка кристаллов в различных зонах— на рис. 1, б. Как видно из приведенной схемы, в слитке имеются три структурные зоны. Первая, наружная, зона 1 — мелкие равноосные кристаллы. Они образуются при соприкосновении расплавленного металла с холодными стенками изложницы; металл переохлаждается и возникает значительное число центров кристаллизации, тем более, что посторонние твердые частицы и выступы на поверхности изложницы создают дополнительные центры кристаллизации. Зона 1 распространяется на небольшую глубину.
Рис. 1. Схемы строения слитка (а) и роста дендритов (б)
Зона 2 характеризуется образованием крупных столбчатых кристаллов, которые растут перпендикулярно стенкам и дну изложницы, в сторону, обратную направлению отвода тепла от жидкости.
Зона 3 состоит из различно ориентированных равноосных кристаллов разного размера, но они всегда больше, чем кристаллы зоны 1.
Столбчатые кристаллы для малопластичных металлов с точки зрения механической прочности нежелательны. Особенно непрочными являются места встречи дендритов, растущих от разных стенок изложницы. Они являются местами образования различных дефектов — пустот, неметаллических включений и т. п.
Вследствие неравномерной кристаллизации зерен дендритной формы химический состав в разных местах одного и того же дендрита получается неоднородным. Эта неоднородность состава внутри одного кристалла названа внутрикристаллической или дендритной ликвацией.
В слитке благодаря кристаллизации по зонам происходит также ликвация, называемая зональной (макроскопической).
Рис.2. Схема образования усадочной раковины.
Наибольшее скопление примесей наблюдается в центре, в верхней части слитка. Явление ликвации было обнаружено в 1866 г. русскими инженерами А. С. Лавровым и Н, В. Калакуцким
При затвердевании и охлаждении слитка происходит сокращение объема, которое называется усадкой. Усадка не может происходить за счет общего понижения уровня металла, так как затвердевание слитка начинается у стенок и дна изложницы, а также с поверхности. Если принять, что сверху слитка поверхностной корки не образуется, что иногда бывает и практически, то слиток будет затвердевать по раковины схеме, приведенной на рис. 2.
Затвердевание у стенок изложницы слоя 1 с уменьшением объема вызовет понижение уровня оставшегося жидкого металла, поэтому затвердевание слоя 2 и последующих слоев будет вызывать все большее понижение уровня жидкого металла — в результате в слитке получится воронкообразное углубление, которое называется усадочной раковиной.
Под усадочной раковиной обычно располагаются мелкие усадочные раковинки (поры), которые создают зону, называемую усадочной рыхлостью. Усадочная рыхлость связана с образованием между растущими кристаллами отдельных замкнутых объемов металла, в которых происходит местная усадка и появляются мелкие раковины. Кроме того, под усадочной раковиной располагается ликвационная зона.
Та часть слитка, в которой расположены усадочная раковина, усадочная рыхлость, ликвационная зона, является дефектной частью (прибыльная часть), ее нельзя использовать для изготовления деталей, а необходимо отделить от здоровой части слитка. Перед дальнейшей обработкой давлением прибыльная часть слитка отрубается или отрезается, что дает отход 15-25 % металла. К дефектам слитка относят также газовые пузыри, которые образуются из-за наличия большого количества газов в жидком металле. Часть их при затвердевании удаляется, а часть остается внутри слитка и образует газовые пузыри, микро- и макропоры.
2. Что такое мартенсит и как он образуется в стали? Каково влияние углерода и легирующих элементов на положение мартенситных точек?
Мартенсит имеет совершенно отличную от других структур природу и образуется не так, как феррито-цементитные смеси. Характерной особенностью аустенито - мартенситного превращения является его бездиффузионный характер.
При большом переохлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора (аустенита) в виде частиц цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. Решетка g-железа перестраивается в решетку a-железа. Углерод остается внутри решетки a-железа, в результате чего получается пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе. Значительное пересыщение a-железа углеродом вызывает изменение объемноцентрированной кубической решетки в тетрагональную, элементарной ячейкой которой является прямоугольный параллелепипед (рис. 3). Атомы углерода в такой ячейке располагаются в междоузлиях (что характерно для твердого раствора внедрения) или в центре основания (сторона а), или в середине удлиненных ребер (сторона с). Степень тетрагональности, характеризующаяся отношением осей с/а, увеличивается с повышением содержания углерода в твердом растворе, достигая в стали с 1,7 % С значения 1,08.
Из изложенного следует, что мартенсит является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в a-железе.
Рис.3 Кристаллическая ячейка мартенсита.
Рис. 4 Кривая мартенситного превращения.
Превращение аустенита в мартенсит протекает в определенном интервале температур. При охлаждении оно начинается при некоторой температуре в точке Мн (см. рис. 4), которая в отличие от начала перлитного превращения не зависит от скорости охлаждения (для данной стали). Все большее превращение аустенита в мартенсит происходит по мере понижения температуры и заканчивается при температуре в точке Мк (см. рис. 4).
Характерным для мартенситного превращения является то, что даже при температуре конца превращения (точка Мк) полного образования мартенсита не происходит. Аустенит частично остается не превращенным в мартенсит и называется остаточным аустенитом (Аост на рис. 4).
Если в мартенситном интервале охлаждение приостановить и дать выдержку, то превращение аустенита в мартенсит почти сразу же прекращается. Эта особенность резко отличает мартенситное превращение от перлитного, которое полностью протекает при постоянной температуре ниже А1. После выдержки при температурах, близких к температуре в точке Мк, не только прекращается образование мартенсита, но и увеличивается стойкость аустенита против мартенситного превращения при последующем охлаждении, т. е. аустенит в интервале температур мартенситного превращения Мн—Мк стабилизируется.
Мартенситный интервал температур определяется химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем при более низкой (но постоянной) температуре происходит превращение аустенита в мартенсит (рис. 5). Температура в точке Мк, так же как температура в точке Мн, понижается с повышением в аустените углерода. При содержании углерода более 0,6 % мартенситное превращение заканчивается при температурах ниже нуля. Поэтому, для того чтобы в высокоуглеродистых сталях получить большее количество мартенсита, их следует охлаждать до температур ниже нуля.
Аустенито-мартенситное превращение сопровождается увеличением объема. Все структуры стали можно расположить (от максимального объема к минимальному) в следующий ряд: мартенсит — троостит — сорбит — перлит — аустенит.
При аустенито-мартенситном превращении мартенсит образуется в форме пластин, но обнаружить в плоскости шлифа мартенситную пластину трудно. Обычно в зависимости от угла сечения пластин плоскостью шлифа они наблюдаются под микроскопом в виде игл различной толщины.
Мартенситные пластины образуются почти мгновенно, со скоростью более 1000 м/с, только в пределах аустенитного зерна и не переходят границу между зернами. Поэтому размер игл мартенсита зависит от размера зерен аустенита. Чем мельче зерна аустенита, тем мельче иглы мартенсита и структура характеризуется как крупноигольчатый или мелкоигольчатый мартенсит. При наличии очень мелких игл, не различимых под микроскопом при обычно применяемых увеличениях (в 500—600 раз), мартенсит называют бесструктурным или скрытокристаллическим. Такая структура характерна для правильно закаленной стали. Пластинчатый (игольчатый) мартенсит образуется при закалке в средне- и высокоуглеродистых сталях.
Реечный мартенсит (называемый также пакетным) наблюдается в закаленных низко- и среднеуглеродистых сталях. Кристаллы этого мартенсита имеют вид реек (планок), вытянутых в одном направлении. Эти рейки объединены в пакеты. В одном зерне аустенита может быть несколько таких пакетов.
Рис.6. Соотношение между решетками старой (аустенит) и новой (мартенсит) фаз при мартенситном превращении