5.5. Изменение кристаллической решетки при нагревании и остывании.

Некоторые металлы (железо, олово, титан) способны испытывать превращения в твердом состоянии, они изменяют тип кристаллической решетки при изменении температуры, т.е. подвергаются так называемой вторичной кристаллизации (перекристаллизации). Например, железо имеет четыре аллотропические формы: α-Fe; β-Fe, γ-Fe, δ-Fe. Практическое значение имеют α-Fe и γ-Fe, так как β-Fe и δ-Fe отличаются от α-Fe только величиной межатомного расстояния, а для β-Fe характерно отсутствие магнитных свойств.

α-железо (α-Fe) при температурах до 911˚С имеет тип кристаллической решетки ОЦК, при дальнейшем ее повышении (911…1401˚С) атомы перестраиваются в кристаллическую решетку типа ГЦК, образуется γ-железо (γ-Fе), при температурах более 1401˚С атомы вновь перестраиваются в объемно-центрированную кубическую кристаллическую решетку, образуется α-Fe.

Температура, при которой происходит переход металла из одного аллотропического вида в другой, называется критической. Величины этих температур видны на диаграмме охлаждения и нагревания чистого железа (рис. 5.7), которые соответствуют горизонтальным участкам графика, свидетельствующих о том, что фазовые превращения происходят с выделением тепла при охлаждении и поглощением его при нагревании.

Рис. 5.7. Кривые охлаждения и нагревания железа

Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах (модификациях) называется – полиморфизмом. А переход из одной модификации в другую – полиморфным превращением, которое сопровождается выделением или поглощением теплоты.

Разные полиморфные модификации обозначают буквами греческого алфавита α, β, γ, δ, которые добавляют к названиям металлов, например α-Fe, γ-Fe.

При полиморфных превращениях изменяется не только строение кристаллической решетки металла, но и его свойства – прочность, пластичность и др.

Полиморфизм металлов имеет большое значение, т.к. определяет свойства металлов при механической и термической обработке, его работе в условиях низких и высоких температур.

5.6.Изменения структуры в результате проката.

Полученная в результате остывания слитка структура стали получает дальнейшее изменение во время проката.

Прокат большинства изделий стали производится в горячем состоянии, при температурах, зависящих от состава стали. Для строительных сталей (С~0,2%) температура начала проката составляет 1200 – 1000⁰, она выше температуры аллотропического превращения стали при нагревании, распадения цементита и перехода феррита в аустенит, поэтому сталь при прокате имеет однородную структуру аустенита. Аустенит при высоких температурах весьма пластичен и подвижен, в соответствии с чем при прокате зерна претерпевают весьма значительные деформации, вытягиваются и поворачиваются в направлении проката, крупные зерна распадаются на мелкие. Пузыри, неплотности, трещины, которые имел мягкий металл, при этом уничтожаются и завариваются, плотность стали увеличивается.

Одновременно с этим происходит явление рекристаллизации металла. Явление рекристаллизации состоит в росте зерна металла, нагретого до определенной температуры – выше 450⁰– после получения металлом пластической деформации (рис. 5.8). Причиной рекристаллизации являются собственные напряжения II рода, проявляющиеся в результате пластической деформации и повышающие энергетический уровень материала.

При ослаблении материала, связанного с повышением температуры, эта накопленная энергия проявляется в росте зерен; температура рекристаллизации является границей между холодной обработкой стали, связанной в основном с упрочнением, и горячей, связанной с разупрочнением и разрыхлением. При некоторых значениях пластической деформации (порядка 10%) рост зерна стали достигает исключительных размеров при существенном снижении прочности и продукция получается недоброкачественной; однако деформации проката всегда выше критических значений. При больших значениях деформаций зерно измельчается, становится однородным и имеет меньше склонности к росту.

Рис. 5.8. Изменение размера зерна в зависимости от степени деформации	Рис. 5.9. Зависимость величины зерна от температуры окончания проката

Большое значение имеет температура окончания проката, так при температуре окончания 800 – 900⁰ получается мелкое зерно. При более высоких температурах величина зерна увеличивается и получается недоброкачественная (видманштетовая) структура (перегретая сталь) (рис. 5.10). Таким образом, для получения доброкачественной стали требуется весьма точный температурный режим (рис. 5.9).

Рис. 5.10. Видманштеттова структура стали

Весьма существенной является величина природного зерна; при мелком однородном зерне спокойной стали и при пластических деформациях выше критических значений рост зерен при рекристаллизации оказывается несущественным. Но при неоднородном зерне кипящей стали, при неправильностях термического режима проката возможен рост зерен и ухудшение продукции. Однако все же, как правило, прокат улучшает качество стали, она получается более однородной, обычно с мелким или вытянутым зерном (при более низкой температуре окончания проката), но несколько менее изотропной (по направлению проката механические качества повышаются).

При температуре проката собственные напряжения стали снимаются, сталь получает однородную структуру аустенита. Дальнейшие изменения структуры и напряженного состояния связаны с режимом остывания стального изделия после проката. При медленном и равномерном остывании сталь проходит температуру аллотропического превращения и получает перлито-ферритовую структуру, соответствующую содержанию в ней углерода. При распаде аустенита несомненно появляются собственные напряжения II и Ш рода, но эти напряжения скорее полезны, чем вредны, так как они упрочняют структуру стали. Однако равномерное остывание прокатного профиля вследствие своеобразия его формы (уголок, двутавр, швеллер) обычно не имеет места, так как концы полок, фасонных сечений вследствие большей поверхности соприкасания с воздухом остывают скорее, чем корневые части; при этом усиливается ликвация.