Фазовые и структурные превращения в металлах и сплавах. (Лекция 2)

1.

Лекция №2
Фазовые и структурные
превращения в металлах и сплавах

2.

Превращения в твердом состоянии
ОЦК – Li, Na, K, Ru, Cz, Mo, W…
ГЦК – Al, Ca, Cu, Au, Ag, Pt..
Гексагональная – Be, Mg, Zr, Hf, Os…
Полиморфизм или аллотропия – существование одного металла (вещества) в
нескольких кристаллических формах.
Различные кристаллические формы одного вещества называются
полиморфными, или аллотропическими модификациями.
Металл
(элемент)
Аллотропическая
форма
Интервал температур
устойчивого
состояния, оС
<911
α
1392 - 1539
Fe
γ
911 - 1392
Кристаллическая
решетка
Кубическая
объемоцентрированная
(К8)
Кубическая
гранецентрированная
(К12)

3.

4.

Механизмы миграции атомов
1. Простой обмен
2. Циклический обмен
3. Перемещение в вакансию
4. Перемещение по
межузлиям
5. Перемещение по
межузлиям с
вытеснением
6. Перемещение
кроудионное

5.

Переход из равновесного состояния

6.

Законы Фика
I закон Фика:
- коэффициент диффузии
II закон Фика:
- коэффициент диффузии

7.

Структурно – чувствительные
процессы диффузии
• Неоднородность концентрации
диффундирующего вещества
• Гомогенность твердого раствора (аустенит)
• Мартенсит
• Ф+Ц
• Наличие 3ей фазы

8.

Диффузия в поле напряжений
Восходящая диффузия

9.

Общие закономерности фазовых превращений в
твердом состоянии.
Классификация превращений

10.

• Если металл существует в 2-х(или более (3х)) кристаллических
модификациях, то при данных условиях температуры и давления
устойчива та фаза, кристаллическое строение которой определяет
более низкий уровень свободной энергии.

11.

Полиморфные превращения – перестройка одной решетки в другую – связаны
с изменением состояний атомов при изменении температуры.
Полиморфные превращения происходят в твердой анизотропной среде. Поэтому в
процессе превращения на соприкасающихся гранях исходной и новой фаз
атомы, принадлежащие различным модификациям, занимают сходственные
положения. Таковы требования принципа структурного и размерного
соответствия, предложенного С.Т. Конобеевским и П.Д. Данковым: «Зародыш
новой фазы в кристаллической(твердой и анизотропной среде) должен быть
ориентирован так, чтобы он спрягался с исходной фазой(старой)
кристаллическими плоскостями, наиболее близкими по структурным
размерам».
Полиморфные превращения протекают следующим образом: в условиях,
определяющих термодинамическую устойчивость новой фазы, благодаря
флуктуациям энергии, конфигурации или плотности (концентрации)
образуется устойчивый зародыш, характеризующийся иным расположением
атомов, определяющим новую кристаллическую решетку. В соответствии с
принципом структурного и размерного соответствия порядок расположения атомов
изменяется путем закономерного их перемещения в решетке исходной фазы, при
котором достигается минимум поверхностной энергии при данном объеме
превращённого вещества. Последнее связано обычно с тем, что перемещения
атомов происходят и на расстояния, не превышающие межатомные для двух
соседних атомов. Все это приводит к сохранению(или весьма малому изменению) в
новой фазе той определенно выбранной конфигурации атомов, которую наблюдали
в исходной фазе.

12.

Отсюда очевидно, что полиморфные превращения имеют обычно
большую скорость, при этом большая скорость превращения относится не ко
всему объему, а к отдельным участкам.
Как правило, превращение во всем объеме развивается последовательно,
поэтому объемная или микроскопическая скорость превращения,
определяемая размерами и числом участков новой фазы, образующихся в
единицу времени, в ряде случаев может быть небольшой, хотя скорость
образования самих участков очень велика (Р. И. Энтин)
В дальнейшем участки новой фазы до образования зародыша критической
величины растут за счет постепенного перемещения атомов из исходной
фазы в новую, что определяет постепенный плавный переход структуры
одной фазы в структуру другой без образования поверхностей раздела.
Такой механизм образования новой фазы при полиморфном превращении в
твердой анизотропной среде приводит к тому, что кристаллы новой
модификации оказываются закономерно ориентированными по
отношению к исходным кристаллам.
Так, при полиморфном превращени в железе, когда идет перестройка г. ц. к.
решетки в кубическую о. ц. к. решетку , плоскость (111) -Fe параллельна
плоскости (110) -Fe, а направление [110] -Fe параллельно направлению
[111] -Fe.

13.

Термическая обработка основные положения
Основная задача – формирование нужных свойств за счет фазовых
превращений.
Классификация видов ТО по А. А. Бочвару:
I группа. Перевод неустойчивого состояния в более устойчивое – отжиг / без фазовой
перекристаллизации.
II группа. Получение структурного равновесия – отжиг II рода (или фазовая
перекристаллизация).
III группа. Фиксирование состояния свойственного высокотемпературному состоянию ( и
в т.ч. с фазовым превращением).
Закалка – (возможно и промежуточное состояние).
Истинная закалка – фиксируется состояние высокотемпературное, возможно и с
фазовыми превращениями (концентрационное фиксирование).
IV группа. От неустойчивого состояния к более устойчивому. Отпуск и старение.

14.

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Отжиг (первого рода) – термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего
неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки, и приводящая металл в более
устойчивое состояние.
Отжиг (второго рода) – термическая операция, состоящая из нагрева выше температуры
превращения с последующим достаточно медленным охлаждением для получения структурно
устойчивого состояния сплава.
Закалка – термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с
последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого
состояния сплава.
Отпуск – термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры
превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава.
Химико – термическая обработка (ХТО)
Термомеханическая обработка (ТМО)
Критические точки:
Ac1
Ac3
Acm
Ar3
Ar1
Мн
Мк

15.

Виды фазовых превращений
• 1. Образование аустенита П→γ
• 2. Диффузионное превращение аустенита γ→Ф+П (П+Ц)
• 3. Превращение аустенита (А) в мартенсит (бейнит)
• 4. Превращение мартенсита в феррито – карбидную смесь Feα(c) → Feα + Fe3C

16.

Схема
образования
аустенита при
исходной
мартенситной
(бейнитной)
структуре
16

17.

Схема изменения размера зерна перлита в зависимости
17
от нагрева в аустенитной области.

18.

Закономерности факторов СН
•Все проявления СН существенно зависят от
исходной структуры стали.
•Скорость нагрева в температурном интервале
образования аустенита.
•Супер быстрый нагрев – ТВЧ, соляная ванна →
Восстановление зерна (крупного).
18

19.

Влияние температуры и скорости нагрева на размер
зерна стали марки 20Х2Н4МВФА
19

20.

Т = 900 °С
Т = 930 °С
Т = 940 °С
Т = 960 °С
Кинетика изменения рекристаллизованного
аустенитного зерна стали 20Х2Н4МВФА (100 ).20

21.

T = 980 °С
T = 1000°С
T = 1050 °С
Кинетика изменения рекристаллизованного
аустенитного зерна стали 20Х2Н4МВФА (100 ). 21

22.

Влияние температуры аустенитизации на химический
состав и тип карбидной фазы стали 20Х2Н4МВФА
Примечание: С* - среднее содержание углерода в стали
Т
%
Состав карбидного осадка, %
Состав карбидного
аустен. содерж. С* Fe
осадка
Cr
Ni
Mo V W
°С карбидо
в
VC, -Fe
Me3C
820
1,71
0,20 0,97
0,04
0,15
0,15 0,14 0,06
850
1,54
0,20 0,97
0,04
0,11
0,09 0,09 0,04
880
1,61
0,20 1.16
0,03
0,13
0,06 0,03
-
910
1,48
0,20 1,09
0,03
0,11
0,03 0,02
-
-Fe, Me3C
VC
-Fe, Me3C
950
1.53
0,20 1.14
0,03
0,12
0,02 0,02
-
-Fe, Me3C
1000
0,82
0,20 0,61
0,02
0,10
0,01 0,02
-
1050
0,69
0,20 0,38
0,01
0,07
0,01 0,02
-
1200
0,82
0,20 0,51
0,01
0,06
0,01 0,03
-
На
рентгенограмме
22
нет линий

23.

40Х2Н4МА
23