Карбиды и нитриды в легированных сталях
По характеру взимодействия с углеродом все легирующие элементы разделяют на карбидообразующие и не образующие карбидов (никель, кремний, алюминий, кобальт, медь).
К карбидообразующим относятся переходные металлы с недостроенной d-электронной оболочкой (табл. 6.8). Чем меньше электронов на оболочке, тем больше сродство к углероду.
В сталях карбидообразующими являются: Fe, Cr, Mn, Mo, W, V, Ti, Nb (в порядке возрастания их карбидообразующей способности).
При введении в сталь карбидообразующего элемента в небольшом количестве (от десятых долей до 2%) образования карбида этого элемента чаще всего не происходит. Образуется легированный цементит (Fe, Cr)3С или в общем виде Ме3С. При увеличении содержания карбидообразующих элементов выше предела растворимости, образуются специальные карбиды, например, Cr7C3.
Сильные карбидообразователи Мо, W, V, Nb, Ti образуют с углеродом фазы внедрения чаще всего формулы МеС.
Фазы внедрения отличающиеся очень высокой тугоплавкостью, практически не растворимы в аустените. Вследствие нерастворимости фаз внедрения происходит обеднение аустенита углеродом при легировании стали сильными карбидообразователями.
Аналогичные образования наблюдаются в сталях при достаточном количестве азота, эти фазы называются нитридами.
Таблица 6.8
Структура карбидов и нитридов металлов
Карбиды и нитриды в сталях повышают ее твердость и прочность (особенно Si, Mn, Ni), снижают пластичность и вязкость, повышают (Cr, Si, V) или понижают (Ni) порог хладноломкости, снижают ударную вязкость (кроме никеля).
Вопросы для самоконтроля
- Как построить равновесную диаграмму состояния сплавов?
- Что такое линия солидус?
- Что такое линия ликвидус?
- Чем принципиально отличается процесс получения равновесного сплава от неравновесного?
- Почему при быстром охлаждении возникает ликвация?
- Какие фазы возникают в сплавах при кристаллизации?
- С чем связана переменная растворимость компонента А в компоненте В?
- Что такое явление полиморфизма?
- Сформулируйте правило концентраций и правило отрезков.
- Как прочитать диаграмму состояния?
- Что такое конода?
- Как называется смесь двух твердых фаз, получающаяся одновременно из жидкой фазы?
- Что такое эвтектоид?
- Что такое перитектика?
- Что такое эвтектика?
- Что такое ледебурит и перлит?
- Что такое аустенитные стали? Ферритные стали?
- Как образуются карбиды и нитриды в легированных сталях?
Глава 7. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ДЕФОРМИРОВАННЫХ
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Деформациейназывается изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. Упругие деформации исчезают, а пластичные остаются после окончания действия приложенных сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов металлов от положения равновесия. В основе пластичных – необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия.
Способность металлов пластически деформироваться называются пластичностью. При пластическом деформировании металла одновременно меняется ряд свойств, в частности, при холодном деформировании повышается прочность.
7.1. Механизм пластического деформирования
Пластическая деформация в кристалле осуществляется путем сдвига одной его части относительно другой.
Имеются две разновидности сдвига: скольжение и двойникование. Роль двойникования возрастает, если затруднено скольжение. Оно, по сравнению со скольжением, имеет второстепенное значение.
Скольжение развивается по плоскостям и направлениям, на которых плоскость атомов максимальная. Плоскость скольжения вместе с направлением скольжения, принадлежащим этой плоскости, образуют систему скольжения.
Число систем скольжения не одинаково в металлах с разным типом кристаллических решеток:
- у металлов с ГЦК решёткой – 12 эквивалентных систем скольжения.
- у металлов с ОЦК решёткой – 48 систем скольжения.
- у металлов с ГП решёткой при с/а ≥ 1,63 скольжение развивается по плоскости базиса, в которой находятся 3 эквивалентных направления. Эти металлы менее пластичны, чем металлы с ОЦК и ГЦК решётками.
Увеличение количества систем скольжения сопровождается повышением способности металла к пластическому деформированию. Так, у Zr и Ti при с/а <1,63 скольжение идет по плоскостям базиса, пирамидальным и призматическим плоскостям. Эти металлы более пластичны, чем Zn и Mg.
Элементарный акт сдвига – это смещение одной части кристалла относительно другой на расстояние, равное периоду решетки (рис 7.1, 7.2):
τкр =G/2π ~0,16G
τкр – критическое касательное напряжение (теоретическая прочность кристалла), G – модуль упругости при сдвиге.
Рис. 7.1. Схема упругой и пластической деформации металла
под действием напряжения сдвига τ
а – первоначальный кристалл; б – упругая деформация; в – увеличение упругой и пластической деформации, вызванных скольжением при нагружении, большем предела упругости; г – напряжение, обусловливающее появление сдвига (после сдвига сохранилась остаточная деформация); д – образование двойника.
Рис. 7.2. Движение краевой дислокации с образованием ступеньки единичного сдвига
на поверхности кристалла
В реальных кристаллах для сдвига на одно межатомное расстояние требуется напряжение около 10-4G, то есть в 1000 раз меньше теоретического значения. Низкая прочность реальных кристаллов вызвана их структурным несовершенством.
Пластическое деформирование в реальных кристаллах осуществляется путем последовательного перемещения дислокаций. Переноса массы при этом не происходит. Перемещаясь каждый раз на величину вектора Бюргерса – одно межатомное расстояние, дислокация, в конце концов, выйдет на поверхность кристалла и здесь появится ступенька, равная вектору Бюргерса. Эта ступенька (ее высота) будет увеличиваться, так как в плоскости скольжения движутся десятки и сотни дислокаций. Ступенька, видимая под микроскопом, называется линией скольжения.