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

1. Как построить равновесную диаграмму состояния сплавов?
2. Что такое линия солидус?
3. Что такое линия ликвидус?
4. Чем принципиально отличается процесс получения равновесного сплава от неравновесного?
5. Почему при быстром охлаждении возникает ликвация?
6. Какие фазы возникают в сплавах при кристаллизации?
7. С чем связана переменная растворимость компонента А в компоненте В?
8. Что такое явление полиморфизма?
9. Сформулируйте правило концентраций и правило отрезков.
10. Как прочитать диаграмму состояния?
11. Что такое конода?
12. Как называется смесь двух твердых фаз, получающаяся одновременно из жидкой фазы?
13. Что такое эвтектоид?
14. Что такое перитектика?
15. Что такое эвтектика?
16. Что такое ледебурит и перлит?
17. Что такое аустенитные стали? Ферритные стали?
18. 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):

τ_кр =G/2π ~0,16G

τ_кр – 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.