Конструкционные стали и сплавы учебное пособие [для вузов] elr02. Е. Е. Складнова, Г. А. Воробьёва ккоон
 Скачать 3.27 Mb.
|
Е.Е. СКЛАДНОВА, Г.А. ВОРОБЬЁВА К К О О Н Н С С Т Т Р Р У У К К Ц Ц И И О О Н Н Н Н Ы Ы Е Е С С Т Т А А Л Л И И И И С С П П Л Л А А В В Ы Ы Издание второе, переработанное Министерство образования и науки Российской Федерации Балтийский государственный технический университет «Военмех» Кафедра технологии конструкционных материалов и производства ракетно-космической техники Е.Е. СКЛАДНОВА, Г.А. ВОРОБЬЁВА КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ Издание второе, переработанное Учебное пособие Санкт-Петербург 2017 УДК 669.018.29(075.8) С43 УДК 669.018.29(075.8) Р е ц е н з е н т ы: д-р техн. наук, проф. К.М. Иванов (БГТУ); д-р техн. наук, проф. М.А. Скотникова (СПбПУ) ISBN 978-5-906920-71-3 © Авторы, 2017 © БГТУ, 2017 Складнова, Е.Е. Конструкционные стали и сплавы. Изд. 2-е, пере- работ.: учебное пособие / Е.Е. Складнова, Г.А. Воробь- ева; Балт. гос. техн. ун-т. – СПб., 2017. – 143 с. ISBN 978-5-906920-71-3 Рассмотрены положения теории и технологии термической обработки сталей, чугунов и сплавов. Приведены закономерно- сти формирования структуры и свойств основных промышлен- ных сталей и сплавов, справочные данные по режимам их упрочнения. Предназначено для студентов технических специальностей машиностроительных вузов; может быть полезно для студентов, обучающихся по смежным специальностям, а также аспирантов и инженерно-технических работников. С43 3 1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ 1.1. Общая характеристика металлов и сплавов Широкий диапазон механических, физико-химических и техно- логических свойств металлических материалов предопределяет их широкое применение в технике, несмотря на большое количество су- ществующих и новых полимерных материалов и керамики. Преобла- дающее применение металлов и сплавов в качестве основных кон- струкционных материалов, очевидно, сохранится и в ближайшем бу- дущем, что в значительной степени определяется оптимальным соот- ношением «цена–качество». Металлические материалы подразделяют на две большие группы: черные и цветные. К наиболее типичным черным металлам относятся железо и сплавы на его основе, большинство остальных металлов – к цветным. Характерные общие свойства металлов: высокая тепло- и электропроводность; положительный температурный коэффициент электросопро- тивления; с повышением температуры электросопротивление чистых металлов возрастает; большинство металлов обладает сверхпроводи- мостью; при температурах, близких к абсолютному нулю, их электро- сопротивление падает практически до нуля; термоэлектронная эмиссия, т.е. способность испускать элек- троны при нагреве; хорошая отражательная способность; металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском; повышенная способность к пластической деформации. Основная доля в изготавливаемых и применяемых металлических материалах приходится на долю сплавов железа (стали). Стали произ- водится больше, чем всех остальных металлов вместе взятых (90%). Стоимость цветных металлов и сплавов превышает стоимость спла- вов на основе железа. 1.2. Кристаллическое строение металлов В металле атомы располагаются закономерно, образуя кристал- лическую решетку – абстрактное геометрическое построение с иона- ми (атомами) в узлах, что соответствует минимальной энергии взаи- модействия атомов. Кристаллическая решетка может быть представ- 4 лена одной элементарной ячейкой (э.я.), многократно повторяющейся во всех трех измерениях. В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение заменяют схемами, где центры тяжести частиц представлены точка- ми. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы, назы- ваемые узлами решетки. Расстояния a, b и с между центрами атомов (осевые единицы), находящихся в соседних узлах, называют парамет- рами, или периодами, решетки. Величина их в металлах составляет порядка 0,2…0,7 нм и определяется методами рентгено-структурного анализа. Для однозначного описания элементарной ячейки кристалличе- ской решетки необходимо знать величины параметров а, b, с и углы между ними. На рис. 1.1 показаны три типа элементарных ячеек кри- сталлических решеток, наиболее характерных для металлов (из суще- ствующих семи типов простых кристаллических решеток). Рис. 1.1. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток металлов и схемы упаковки в них атомов: а – гранецентрированная кубическая (ГЦК); б – объемно-центрированная кубическая (ОЦК); в – гексагональная плотноупако- ванная (ГП) решетка 5 В кубической гранецентрированной (ГЦК) и объёмно-центриро- ванной (ОЦК) решетках (рис. 1.1, а и б) восемь атомов расположены в узлах решетки (вершинах куба), остальные находятся в центре граней (шесть атомов в решетке ГЦК) или в центре объема куба (один атом на пересечении диагоналей в решетке ОЦК). Решетку ОЦК имеют следующие металлы: -железо, хром, ванадий, молибден, вольфрам, β-титан и др.; ГЦК – γ-железо, алюминий, медь, никель, свинец, α-кобальт и др. В гексагональной плотноупакованной решетке (ГП) ячейка представляет собой шестигранную призму с центрированными основаниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. ГП-решетку имеют α-титан, магний, цинк, кадмий, бериллий, β-кобальт и др. Некоторые металлы имеют тетрагональную решетку (γ-марганец). Кристаллическая решетка характеризуется координационным числом и плотностью упаковки. Под координационным числом по- нимается число атомов, находящихся на равном и наименьшем рас- стоянии от данного атома. Чем выше координационное число, тем выше плотность упаковки. Координационное число для решетки ОЦК соответствует восьми и обозначается К8. Плотность упаковки харак- теризуется коэффициентом компактности (коэффициентом заполне- ния ячейки), определяемым как отношение объёма, занятого атомами, к объёму ячейки. Для решетки ОЦК он соответствует 68%. Коорди- национное число для решетки ГЦК соответствует 12 (К12), коэффи- циент компактности 74%. Решетка ГП имеет координационное число, равное 12 (Г12), у многих металлов с кристаллической решеткой это- го типа отношение с/а = 1,633, коэффициент компактности также 74%. Кристаллическая решетка ГП с соотношением с/а, значительно отличающимся от 1,633 (например, цинк, кадмий), имеет координа- ционное число, равное шести, а коэффициент компактности 50%. Компактность структуры является одним из факторов, уменьшающих свободную энергию твердого тела, т.е. обеспечивающих его равно- весное состояние. Прочность металлов зависит от плотности упаков- ки его кристаллической решетки и особенностей строения его атомов. Решетки ГЦК и ГП наиболее плотноупакованные. Для определения положения атомных плоскостей, проходящих через атомы в кристаллической решетке, пользуются индексами Мил- лера, обозначаемыми hkl, представляющими собой три целых рацио- нальных числа, являющиеся величинами, обратными осевым отрез- кам, отсекаемым данной плоскостью на осях координат. Единицы длины вдоль этих осей выбирают равными длинам рёбер элементар- ной ячейки. Каждая плоскость куба пересекает только одну ось 6 (рис. 1.2, а), при этом отрезки будут равны (1 ,∞, ∞), (∞, 1, ∞), (∞ ,∞, 1), обратные величины отсекаемых отрезков – соответственно 1, 0, 0; 0, 1, 0; 0, 0, 1. Индексы плоскостей обычно записываются в скобках и обозначают (100); (010); (001). В кубической решетке, кроме плос- костей куба, различают плоскости (110) и (111) соответственно (рис. 1.2, б и в). Рис. 1.2. Индексы кристаллографических плоскостей и направлений в ОЦК-решетке Кристаллографическими направлениями являются прямые или лучи, выходящие от точки отсчета (например, вершины куба), вдоль которых на определенном расстоянии располагаются атомы. Для определения следует найти координаты ближайшего к точке отсчета атома, лежащего на этом направлении, выраженные через параметр решетки. Эти цифры, заключенные в квадратные скобки [uvw], являются индексом данного направления и всех параллельных направлений. Координаты ближайшего атома, лежащего на оси ОХ, выразятся через 100, следовательно, индексы осей решетки ох [100], оy – [010], оz – [001], индексы пространственной диагонали [111] (рис. 1.2, г). 7 1.3. Анизотропия свойств кристаллов Плотность расположения атомов по различным плоскостям не- одинакова. Вследствие этого многие свойства каждого кристалла (химические, физические, механические) зависят от направления ре- шетки. Неодинаковость свойств монокристаллов в разных кристалло- графических направлениях называется анизотропией. Свойства аморфных тел, характеризующихся хаотическим расположением ато- мов, не зависят от направления, т.е. анизотропия является результа- том закономерного расположения атомов в кристаллических телах. Разница в физико-химических и механических свойствах может быть весьма существенной. Температурный коэффициент линейного рас- ширения в двух взаимно перпендикулярных направлениях может раз- личаться в 3…4 раза. Так, медный шар, изготовленный из монокри- сталла, при нагреве утратит правильную геометрическую форму и превратится в эллипсоид. Не всем свойствам кристаллических тел свойственна анизотропия. Такое свойство, как теплоёмкость, от направления не зависит. Технические металлы являются поликристаллами, состоящими из большого количества анизотропных кристаллов, статистически неупорядоченно ориентированных друг к другу. Поэтому во всех направлениях свойства примерно одинаковы, т.е. поликристалличе- ские металлы изотропны. Но так как их изотропность не истинная, а усредненная, то их принято называть квазиизотропными телами. Изо- тропность не будет наблюдаться, если кристаллы имеют одинако- вую преимущественную ориентировку в каких-то направлениях. В этом случае поликристаллический металл приобретает анизотро- пию свойств. 1.4. Дефекты строения кристаллических тел Реальные металлы содержат большое количество дефектов стро- ения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристал- лической решетке. Эти дефекты существенно влияют на свойства ма- териала. Различают три типа дефектов кристаллического строения: точеч- ные, линейные и поверхностные. Точечные дефекты (рис. 1.3) имеют малые размеры во всех трех измерениях. Величина их не превышает несколько атомных диамет- ров. К точечным дефектам относятся: свободные места в узлах кри- сталлической решетки – вакансии (а); атомы, сместившиеся из узлов 8 кристаллической решетки в межузельные промежутки, – дислоци- рованные атомы (б); атомы других элементов, находящиеся как в уз- лах, так и в междоузлиях кристаллической решетки, – примесные атомы (в). Рис. 1.3. Точечные дефекты в кристаллической решетке: а – вакансия; б – дислоцированный атом; в – примесный атом Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях, но значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важ- ный вид линейных дефектов – дислокации. Теория дислокаций была впервые применена в середине 1930-х годов физиками Орованом, По- ляни и Тейлором для описания процесса пластической деформации кристаллических тел. Ее использование позволило объяснить природу прочности и пластичности металлов, а также огромную разницу меж- ду теоретической и практической прочностью. Экспериментально дислокации были обнаружены лишь с помощью электронного микро- скопа благодаря сопутствующим деформациям или искажениям кри- сталлической решетки. При прохождении пучка электронов через та- кие искажения происходит дифракция электронов, подобная дифрак- ции рентгеновских лучей. Наиболее простой способ образования дислокаций в кристалле – сдвиг. Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относительно нижней на одно межатомное расстояние, при том что сдвиг охватил не всю плоскость скольжения, а только ее часть АВСD, то граница АВ между участком АВСD и ненарушенным участком в плоскости скольжения и будет краевой дислокацией (рис. 1.4, а). Если «лишняя» атомная по- луплоскость – экстраплоскость – находится в верхней части кристал- ла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком «+», если в нижней – отрицательной и обозначают знаком «–». Ниж- ний край экстраплоскости называют линией дислокации. 9 Рис. 1.4. Краевые дислокации: а – сдвиг, создавший краевую дислокацию; б – пространственная схема краевой дислокации; в, г – схемы расположения атомов у дислокации; и ┬ – дислокация Различие между дислокациями чисто условное. Перевернув кри- сталл, мы превращаем положительную дислокацию в отрицательную. Знак дислокации позволяет оценить результат их взаимодействия. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного притя- гиваются. Из приведенных далее схем видно, что атомы над краевой дислока- цией испытывают сжатие, а нижние атомы – растяжение. Дислокации выяв- ляются также с помощью травления химическими реактивами. В местах выхода дислокаций на полированную поверхность металла скорость химиче- ского травления выше. Помимо краевых дислокаций, в кристаллах могут образовываться и винтовые (рис. 1.5), которые могут быть получены путем частичного сдви- га атомных слоев по плоскости Q. При этом нарушается параллель- ность атомных слоев, кристалл как бы закручивается винтом вокруг линии EF, которая является линией дислокации. Она отделяет ту Рис. 1.5. Винтовая дислокация 10 часть, где сдвиг еще не происходил. Винтовая дислокация, образо- ванная вращением по часовой стрелке, называется правой, против часовой стрелки – левой. Вокруг дислокации на протяжении несколь- ких межатомных расстояний решетка искажена, что вызывает появ- ление поля напряжений. Критерием энергии искажения кристалли- ческой решетки служит вектор Бюргерса. Для определения вектора Бюргерса краевой дислокации (рис. 1.6) вокруг неё проводят контур АВСDE, равномерно откладывая против часовой стрелки от точки А по шесть атомных расстояний снизу вверх: АВ, ВС, СD, DE. Контур замкнется на участке DA, который бу- дет состоять из пяти отрезков. При отсутствии дислокаций в кристал- ле этот участок состоял бы из шести отрезков. Разность протяженно- сти контуров АЕ называется вектором Бюргерса, который имеет вели- чину порядка межатомных расстояний. Если вектор Бюргерса охва- тывает несколько дислокаций, то его величина соответствует геомет- рической сумме векторов отдельных дислокаций. Вектор Бюргерса позволяет найти силы, требуемые для перемещения дислокации, силы взаимодействия и энергию дислокаций. Рис. 1.6. Схема определения вектора Бюргерса b для линейной дислокации: а – схема плоскости реального кристалла; б – совершенного кристалла Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дислокаций может достигать большой величины. Под плотностью дислокаций р обычно понимают суммарную длину дис- локаций l, приходящуюся на единицу объема V кристалла: р = l/V. Таким образом, плотность дислокаций р выражается в см/см 3 , или см –2 . Для отожженных металлов она составляет 10 3 …10 6 см –2 , после холодной деформации увеличивается до 10 11 …10 12 см –2 , что соответ- ствует примерно 1 млн км дислокаций в 1 см 3 11 Плотность дислокаций может быть определена экспериментально при больших увеличениях подсчетом числа выходов дислокаций на единицу площади предварительно протравленного металлографическо- го шлифа, а также при изучении структуры тонких пленок на просвет в электронном микроскопе. Установлено, что дислокации притягивают в свою зону атомы примесей, которые осаждаются в виде цепочки вдоль края экстраплос- кости. Такие атомы снижают уровень упругих искажений дислокаци- онной структуры. Цепочки инородных атомов образуют так называе- мые атмосферы Коттрелла, или облака Коттрелла, которые с повыше- нием температуры рассеиваются. При понижении до температуры, со- ответствующей пределу растворимости, они могут образовывать дис- персные выделения второй фазы. Теоретическая и фактическая прочность. Использование тео- рии дислокаций позволило объяснить большое расхождение между теоретической и фактической прочностью металлов. Теоретическая прочность должна быть пропорциональна произведению сил меж- атомной связи на число атомов в сечении кристалла. Расчетное усилие для смещения одной части кристалла относи- тельно другой оказалось на 2–3 порядка выше фактически затрачива- емого при пластической деформации металла. Так, теоретическая прочность железа составляет около 13 000 МПа, а фактическая – 250 МПа. Такое расхождение объясняется тем, что деформация про- исходит не путем одновременного смещения целых атомных плоско- стей, а за счет постепенного перемещения дислокаций. Влияние дис- локаций на процесс пластической деформации на примере краевых дислокаций показано на рис. 1.7. Пластический сдвиг – это следствие постепенного перемещения дислокаций в плоскости сдвига. Распрост- ранение скольжения по плоскости скольжения происходит последо- вательно. Каждый элементарный акт перемещения дислокации из одного положения в другое совершается путем разрыва лишь одной верти- кальной атомной плоскости. Для перемещения дислокаций требуется значительно меньшее усилие, чем для жесткого смещения одной ча- сти кристалла относительно другой в плоскости сдвига. При движе- нии дислокации вдоль направления сдвига через весь кристалл про- исходит смещение верхней и нижней его частей на одно межатомное расстояние. В результате перемещения дислокация выходит на по- верхность кристалла и исчезает. На поверхности остается ступенька скольжения. 12 Рис. 1.7. Движение краевой дислокации, приводящее к образованию ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла: а – схема расположения дислока- ций; б–д – этапы передвижения дислокации и выхода ее на поверхность; – напряжение сдвига; М–М – плоскость сдвига Дислокации легко перемещаются в направлении, перпендикуляр- ном экстраплоскости. Чем легче перемещаются дислокации, тем ниже прочность металла, тем легче идет пластическая деформация. Пла- стическая деформация кристаллических тел связана с количеством дислокаций, их шириной, подвижностью, степенью взаимодействия с дефектами решетки и т.д. Характер связи между атомами влияет на пластичность кристаллов. Таким образом, причиной низкой прочности реальных металлов является наличие в их структуре дислокаций и других несовершенств кристаллического строения. Получение бездислокационных кристал- лов приводит к резкому повышению прочности материалов. Левая ветвь кривой на рис 1.8 соответствует созданию совершенных без- дислокационных нитевидных кристаллов (так называемых «усов»), прочность которых близка к теоретической. При ограниченной плотности дислокаций и других искажений кристаллической решетки процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дислокаций в объеме металла. С ростом напряжений возрастает число источников, генерирую- щих дислокации в металле (источники Франка–Рида), и их плотность 13 увеличивается. Помимо параллельных дислокаций возникают дисло- кации в разных плоскостях и направлениях. Они воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемещаться, происходит их аннигиля- ция (взаимное уничтожение) и т.д. С по- вышением плотности дислокаций их движение становится все более затруд- ненным, что требует увеличения прила- гаемой нагрузки для продолжения де- формации. В результате металл упрочня- ется, что соответствует правой ветви кривой на рис. 1.8. Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического строе- ния, также тормозящие движение дисло- каций. К ним относятся атомы раство- ренных в металле примесей и легирую- щих элементов, частицы выделений вто- рой фазы, границы зерен или блоков и т.д. На практике препятствие движе- нию дислокаций, т.е. упрочнение, созда- ется введением других элементов (легированием), наклепом, терми- ческой или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низ- ких температурах прочность растет, а пластичность падает, металл становится более прочным, но хрупким. Таким образом, прочность металлов и сплавов может быть повы- шена двумя путями: 1) получением металлов с более близким к иде- альному строением кристаллической решетки, т.е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало; 2) наоборот, увеличением числа структурных несовер- шенств, препятствующих движению дислокаций. |