Адрес этой страницы' ?>

<<Предыдущая страница Оглавление книги Следующая страница>>

3. СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ ЗАКАЛКЕ. Пример закалки конструкционной стали сталь 45.

Микроструктура игольчатого мартенсита.

Свойства стали зависят от ее химического состава и структуры. С помощью термической обработки мы изменяем структуру, а следовательно, и свойства стали.

В качестве примера рассмотрим конструкционную сталь 45. Нагреем ее до аустенитного состояния, т. е. выше температуры точки 3 на диаграмме состояния (см. рис. 5). В результате такого нагрева, как мы уже знаем, атомная решетка железа из объемно-центрированной превратится в гранецентрированную. При этом весь углерод, который раньше входил в состав перлита в виде кристалликов химического соединения Fe₃C (цементита), перейдет в состояние твердого раствора, т. е. атомы углерода окажутся внедренными в гранецентрированную решетку железа. Теперь резко охладим сталь, например, погружением в воду, т. е. проведем закалку. Температура стали быстро снизится до комнатной. При этом неминуемо должна произойти обратная перестройка атомной решетки — из гранецентрированной в объемно-центрированную. Но при комнатной температуре подвижность атомов углерода ничтожно мала, и они не успевают при быстром охлаждении выйти из раствора и образовать цементит. В этих условиях углерод как бы насильственно удерживается в решетке железа, образуя пересыщенный твердый раствор. При этом атомы углерода распирают решетку железа, создавая в ней большие внутренние напряжения. Решетка вытягивается вдоль одного направления так, что каждая ячейка из кубической превращается в тетрагональную, т. е. принимает форму прямоугольной призмы (рис. 9).

Рис. 9. Атомная решетка тетрагонального мартенсита: светлые кружки — атомы железа; черный кружок — атом углерода

Такое превращение сопровождается и структурными изменениями. Возникает игольчатая структура, известная под названием мартенсит. Кристаллы мартенсита представляют собой очень тонкие пластины. В поперечном сечении, которое получается на микрошлифе, такие пластины под микроскопом представляются в виде игл (рис. 10). Мартенсит имеет очень высокую твердость и прочность. Это объясняется причинами, приведенными ниже.

Рис. 10. Микроструктура игольчатого мартенсита: темные участки — мартенситные иглы; светлые — остаточный аустенит

1. Удельный объем мартенсита (т. е. объем, занимаемый единицей массы, например, 1 г) больше удельного объема аустенита, из которого этот мартенсит образуется, поэтому возникающая пластина мартенсита оказывает давление на окружающий ее со всех сторон аустенит. Последний же, сопротивляясь, создает ответное давление на мартенситную пластину. В результате образование мартенсита сопровождается возникновением больших внутренних напряжений, а это, в свою очередь, приводит к появлению большого числа дислокаций в кристаллах мартенсита. Если теперь закаленную сталь с мартенситной структурой попытаться деформировать, то многочисленные дислокации, двигаясь в различных направлениях, будут встречаться и блокировать друг друга, взаимно препятствуя их дальнейшему перемещению. Нечто подобное будет наблюдаться, если расставить кегли в правильном порядке, аналогично атомам в решетке, и катить между рядами в разных направлениях шары (вдоль, поперек, по диагонали) по аналогии с движением многочисленных дислокаций. Сталкиваясь, шары будут останавливаться, блокируя друг друга. Сказанное схематически поясняет рис. 11. Таким образом создаются многочисленные препятствия для движения дислокаций, что повышает сопротивление пластической деформации, а следовательно, увеличивает твердость и прочность стали.

Рис. 11. Схема пересечения и взаимной блокировки дислокаций. Значком обозначены дислокации

2. Под действием больших внутренних напряжений кристаллы мартенсита разбиваются на отдельные блоки (рис. 12). Как можно видеть на этом рисунке, атомные плоскости, которые в пределах одного кристалла должны быть строго параллельными, в действительности оказываются многократно «надломленными» на очень небольшой угол. Такая структура напоминает мозаику, а возникающие блоки называются блоками мозаик.

Рис. 12. Блоки мозаик в мартенситном кристалле

Теперь поясним, почему это способствует повышению прочности и твердости. Представим себе несколько зерен, плотно прилегающих друг к другу, как это действительно имеет место в металле (рис. 13). В пределах каждого зерна атомы располагаются на определенном расстоянии друг от друга, образуя атомную решетку. Такая решетка в каждом из зерен оказывается произвольно повернутой на какой-то угол.

Рис. 13. Искажение атомной решетки на границах зерен

Очевидно, ближайшие к границе атомы, принадлежащие двум соседним зернам, не могут находиться на равном расстоянии друг от друга. В результате на границе зерен нарушается равновесное взаимодействие между атомами, и решетка в этих местах искажается. Искажения же решетки, как мы знаем, препятствуют перемещению дислокаций.

С учетом сказанного теперь уже нетрудно уяснить, почему мелкозернистая сталь обладает большей прочностью, чем крупнозернистая. Во-первых, при мелкозернистой структуре число границ зерен, которые лежат на пути движения дислокаций, больше, т. е. создается больше препятствий для их перемещения. Во-вторых, если предположить, что в одинаковых условиях нагружения в среднем в каждом зерне возникает одинаковое число дислокаций, то, очевидно, в одном и том же объеме металла при мелкозернистой структуре будет получаться больше дислокаций, чем в крупнозернистой (рис. 14). Как одно, так и другое способствует повышению прочности.

Рис. 14. Дислокации в мелкозернистой (а) и крупнозернистой (б) структурах