Основы материаловедения

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз, и количество каждой фазы. В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит правило рычага или правило отрезков.

Правило отрезков. Данная диаграмма охватывает сплавы, компоненты которых образуют смеси своих практически чистых зерен при ничтожной взаимной растворимости. На оси абсцисс отложена процентная доля компонента В в сплаве.

Фазовое строение сплавов на диаграмме зависит от температуры. При термодинамическом воздействии компонентов друг на друга снижается температура их перехода в жидкое состояние, достигая некоторого минимума при определенном для каждой пары компонентов составе. Состав сплава можно определить, спроецировав точку С на ось абсцисс (точка Вэ). Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектическим или эвтектикой.

Эвтектика является равномерной смесью одновременно закристаллизовавшихся мелких зерен обоих компонентов. Температура, при которой одновременно плавятся или кристаллизуются оба компонента, называется эвтектической температурой.

Количественные изменения в сплавах данной системы компонентов при кристаллизации подчиняются правилу отрезков.

Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.

Проведя через заданную точку горизонтальную линию можно определить количественное соотношение фаз. Отрезки данной линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Правило отрезков в двойных диаграммах состояния используются только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза; любая точка внутри области характеризует ее концентрацию.

21. Твердые растворы замещения и внедрения; промежуточные фазы; сверхструктуры

Твердые растворы - это фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других компонентов располагаются в решетке первого компонента, изменяя ее размеры (периоды). Твердый раствор, который состоит из двух компонентов, имеет один тип решетки и представляет одну фазу.

Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке.

При кристаллизации чистого металла в системе имеются две фазы: жидкая (расплавленный металл) и твердая (зерна затвердевшего металла). В твердых сплавах фазы - это зерна чистого металла, зерна твердого раствора и зерна химического соединения.

Все металлы в жидком состоянии растворяются один в другом в любых соотношениях. В результате растворения образуется однородный жидкий раствор с равномерным распределением атомов одного металла среди атомов другого металла.

Некоторые металлы, сильно различающиеся размерами атомов, не растворяются в жидком состоянии, а немногие металлы растворяются в жидком состоянии ограниченно.

При образовании сплавов в процессе их затвердевания возможно различное взаимодействие компонентов.

Если в процессе кристаллизации сила взаимодействия между однородными атомами окажется больше силы взаимодействия между разнородными атомами, то после кристаллизации образуется механическая смесь, состоящая из зерен чистых металлов. В этом случае в твердом сплаве будут присутствовать зерна одного чистого металла и рядом с ними зерна другого чистого металла. Такая форма взаимодействия возникает при большом различии в свойствах входящих в сплав металлов.

Другой формой взаимодействия между веществами, входящими в состав сплава, является образование твердых растворов.

Твердыми растворами называют такие твердые фазы, в которых соотношения между компонентами могут изменяться. В твердом растворе так же, как и в чистых металлах, атомы в пространстве расположены закономерно, образуя кристаллическую решетку. Этим они и отличаются от жидких растворов. В твердом растворе одно из входящих в состав сплава веществ сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а второе вещество, утратив свое кристаллическое строение, в виде отдельных атомов распределяется в кристаллической решетке первого. Первое вещество является растворителем, а второе - растворимым. В зависимости от характера21б распределения атомов растворимого элемента различают твердые растворы внедрения, замещения и вычитания. Независимо от типа твердого раствора общим для них является то, что они однофазны и существуют в интервале концентраций. Для твердых растворов характерны металлические связи. В твердых растворах внедрения атомы растворимого элемента распределяются в кристаллической решетке металла-растворителя, занимая места между его атомами.

Ранее было отмечено, что у металлов атомы в кристаллической решетке располагаются близко один к другому и пустоты между ними имеют малые размеры. Разместиться в таких пустотах могут только атомы с очень малыми размерами.

Наименьшие размеры атомов имеют некоторые металлоиды - водород, азот, углерод, бор, которые и образуют с металлами твердые растворы внедрения. Но и у этих элементов размер атомов несколько превышает размер межатомных промежутков в кристаллической решетке металлов, поэтому при образовании твердых растворов внедрения решетка искажается и в ней возникают напряжения. При этом концентрация твердого раствора внедрения не может быть высокой: она редко превышает 1-2%.

В твердых растворах замещения атомы растворимого элемента занимают места атомов основного металла. Посторонние атомы могут замещать атомы растворителя в любых местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами. Размеры атомов растворимого элемента отличаются от размеров атома растворителя (они больше или меньше), поэтому при образовании твердого раствора замещения кристаллическая решетка металла-растворителя немного искажается, не утрачивая при этом своего основного строения.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченными и неограниченными. Одно из условий неограниченной растворимости - размерный фактор: чем больше различие в атомных радиусах, тем меньше растворимость.

С понижением температуры в твердых растворах замещения может произойти процесс перераспределения атомов, а результате которого атомы растворенного элемента займут строго определенные места в решетке растворителя. Такие твердые растворы называют упорядоченными твердыми растворами, а их структуру - сверхструктурой.

Температуру перехода неупорядоченного состояния в упорядоченное называют точкой Курнакова. Упорядоченные твердые растворы характеризуются большей твердостью, меньшей пластичностью и электросопротивлением. Их можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями.

22. Система с неограниченной растворимостью в жидком и твердом состояниях; системы эвтектического, перитектического и монотектического типа. Системы с полиморфизмом компонентов и эвтектоидным превращением

Полная взаимная растворимость в твердом состоянии возможна тогда, когда оба компонента имеют одинаковые кристаллические решетки и атомные диаметры компонентов мало отличаются по размерам. Такая диаграмма имеет простой вид и состоит из двух линий ликвидус и солидус, пересекающихся между собой в точках кристаллизации чистых компонентов А и В. Все сплавы затвердевают в некотором интервале температур (С = 1).

Если процесс кристаллизации протекает в условиях ускоренного охлаждения, что обычно имеет место при получении литых деталей и слитков, то диффузионное выравнивание состава у кристаллов, выпавших при температурах выше t3, не успевает происходить в результате чего получается неодинаковый состав не только у отдельных кристаллов, а в каждом из них. Внутренние участки кристалла будут более богаты тугоплавким компонентом В, наружные - компонентом А. Это явление неоднородности химического состава носит название

Первые кристаллы поверхности слитка будут обогащены компонентом В, а последние, образовавшиеся в середине слитка, - компонентом А. В результате этого возникает макроликвация в слитке.

Ликвация играет отрицательную роль и особенно в тех случаях, когда вредные примеси распределяются неравномерно. Повышенное содержание вредных примесей может привести к преждевременному разрушению деталей.

Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовыми превращениями любого сплава и указать состав и количественное соотношение фаз при любой температуре. Это осуществляется при помощи двух простых правил.

Химический состав выделяющихся кристаллов по мере снижения температуры изменяется по линии солидус от хе до хс. В это же время состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус от хс до хi Это дает основание сформулировать правила определения состава фаз (правило концентраций) и количественного соотношения фаз (правило отрезков).

Компоненты: А и В; фазы: Ж,б,в, где б - твердый раствор атомов компонента В в кристаллической решетке компонента А, а в - твердый раствор атомов компонента А в кристаллической решетке компонента В.

В зависимости от взаимодействия указанных трех фаз возможны два вида диаграмм: диаграмма с эвтектикой и диаграмма с перитектикой.

Диаграмма состояния с эвтектикой. Линия ВСЕ является линией ликвидуса, линия ЕВСКЕ - линией солидуса. Линии ВМ и КГ показывают предельную растворимость компонентов. Как и в предыдущих случаях, за процессом кристаллизации любого сплава можно проследить, пользуясь правилом фаз и правилом отрезков.

Система - это совокупность фаз в твердом или жидком состоянии, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре и давлении).

Разные аллотропические формы принято обозначать буквами греческого алфавита б, в, г которые в виде индексов добавляют к символу, обозначающему элемент. Аллотропическую форму, устойчивую при самой низкой температуре, обозначают буквой б, существующую при более высокой температуре в, затем г. Примером аллотропического превращения, обусловленного изменением давления, является видоизменение кристаллического строения углерода, который может существовать в виде графита и алмаза. Полиморфизм имеет большое практические значение. Используя это явление, можно упрочнять или разупрочнять сплавы с помощью термической обработки.

Большой практический интерес представляют сплавы, у которых один из компонентов или оба имеют полиморфные превращения. В этих сплавах в результате термической обработки можно получать метастабильные состояния структуры с новыми свойствами.

После кристаллизации всех сплавов данной системы в определенном интервале температур образуется твердый раствор г, который при понижении температуры ниже t3 испытывает эвтектоидное превращение гC > бE + в

Образовавшуюся смесь двух твердых фаз называют эвтектоидом. В связи с переменной растворимостью компонентов в твердых растворах б и в при дальнейшем охлаждении следуют вторичные выделения твердых растворов вII и бII.

Некоторые элементы видоизменяют свое кристаллическое строение, т. е. тип кристаллической решетки, в зависимости от изменения внешних условий - температуры и давления. Существование вещества в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий обусловливается его стремлением к состоянию с меньшим запасом свободной энергии. Это явление носит название полиморфизма или аллотропии. Каждый вид решетки представляет аллотропическое видоизменение или модификацию. Каждая модификация имеет свою область температур, при которых она устойчива.

При полиморфных превращениях металлов основное значение имеет температура. Превращение одной аллотропической формы в другую происходит при постоянной температуре, называемой температурой полиморфного превращения, и сопровождается тепловым эффектом, подобно явлениям плавление-затвердевание или испарение-конденсация. Это связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки.

Атомные объемы и соответственно полные энергии различных модификаций, как правило, различаются мало, но бывают и исключения.

23. Система с тройной эвтектикой и практически полным отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии; изотермические и политермические сечения

Диаграммы состояния двойных сплавов строят на плоскости: по оси абсцисс откладывают концентрацию компонентов, по оси ординат - температуру для тройных сплавов. Более распространенным является пространственное изображение.

В качестве основания диаграммы применяют равносторонний треугольник, называемый концентрационным. Температуру откладывают по оси, перпендикулярной плоскости концентрационного треугольника. Вершины треугольника отвечают концентрациям, соответствующим чистым компонентам А, В и С изучаемой системы.

На сторонах треугольника откладывают концентрации соответствующих двух компонентов: А-В, В-С, С-А. Каждая точка внутри треугольника отвечает составу какого-либо определенного тройного сплава. Состав сплавов определяется, исходя из известной теоремы в равностороннем треугольнике сумма трех перпендикуляров, опущенных из любой точки К, лежащей внутри треугольника, на его стороны, равна высоте треугольника.

Высоту треугольника принимают за 100 %, тогда перпендикуляры Ка, Кс и КЬ будуг характеризовать концентрации отдельных компонентов тройного сплава. Количество каждого компонента определяют значением перпендикуляра, опущенного на противолежащую сторону, т. е. количество компонента С определится перпендикуляром Кс, компонента А-Ка, компонента В-КЬ.

Чаще состав сплавов определяют не по значениям перпендикуляров, а по значениям отрезков, отсекаемых на сторонах треугольника линиями параллельными сторонам треугольника, т. е. по отрезкам Аа, Ве и СЈ Отрезок Аd соответствует концентрации компонента В, отрезок Ве-компонента С. а отрезок С компонента А. Концентрацию определяют в направлении движения часовой стрелки, но можно определять и в противоположном направлении.

Взаимодействие компонентов в тройных сплавах аналогично двойным: возможно образование механических смесей, твердых растворов и химических соединений: возможны эвтектические и перитектические реакции, полиморфные превращения. Отличие состоит в том, что в двойных системах превращения обозначаются линиями и точками, а в тройных - плоскостями и линиями. Например, не линия ликвидуса, а поверхность ликвидуса (или поверхность солидуса), не линия эвтектики, а эвтектическая поверхность. Состав двойной эвтектики определяется не точкой, а линией. И только тройная эвтектика проектируется на плоскости треугольника точкой. Все это можно проследить, изучив две типовые диаграммы состояния сплавов трех компонентов.

В отличие от двойных тройные диаграммы позволяют проводить фазовый и структурный анализ реальных технических сплавов, которые, как правило, являются трех- и более компонентными.

Моделью тройной системы является трехгранная призма, опирающаяся на равносторонний треугольник. Верхняя часть призмы является поверхностью ликвидуса. В тройной системе, где все три компонента неограниченно растворимы как в жидком, так и в твердом состоянии, поверхность ликвидуса имеет наиболее простой вид - это поверхность чечевичного зерна, обрезанного с трех сторон. Во всех остальных случаях эта поверхность оказывается сложной, состоящей из нескольких пересекающихся между собой поверхностей, поэтому изучение тройных систем представляет определенные методические трудности.

Основанием трехгранной призмы является равносторонний треугольник, на котором отмечаются концентрации боковыми гранями диаграммы состояния двойных систем, а высотой - температура. Выбор равностороннего треугольника объясняется тем, что в нем концентрации всех компонентов можно показать в одном масштабе. В вершинах этого треугольника располагаются компоненты А, В и С сплава, т. е. 100 % А, 100 % В и 100 % С соответственно. Концентрации двойных сплавов отмечают на соответствующих сторонах треугольника, а концентрации тройных сплавов - в виде точек в пределах площади треугольника.

Определить концентрацию любого тройного сплава можно несколькими способами. Для определения процентного количества компонента А надо провести из точки К линию, параллельную противолежащей стороне (ВС) треугольника, до пересечения ее со стороной - шкалой компонента А. Для нахождения процентного количества компонента В надо провести из точки К линию, параллельную противолежащей стороне (АС), до пересечения ее со стороной АВ - шкалой компонента В. Подобным способом можно установить процентное количество компонента С. При этом следует иметь в виду, что суммарная концентрация А + В + С = 100 %.

Для пояснения фазовых превращений в тройных системах используют сечения - вертикальные (политермические) и горизонтальные (изотермические). Каждое горизонтальное сечение характеризует равновесное состояние при выбранной температуре и может использоваться для количественных расчетов. Точки, указывающие равновесные составы фаз, находятся на плоскости сечения. Вертикальное сечение показывает последовательность фазовых превращений в сплавах при нагреве или охлаждении для определенного интервала концентраций компонентов. На этих сечениях отсутствует информация о равновесных составах фаз.



24. Правило рычага и центра тяжести треугольника

Пользуясь диаграммой состояния, можно для любой температуры определить не только число фаз, но и их состав и количественное соотношение. Для этого следует применить правило отрезков (правило рычага).

Это правило может быть использовано для диаграмм, в которых сплавы находятся в двухфазном состоянии. Первое правило отрезков - определение состава фаз.

Фазовое строение сплавов на диаграмме зависит от температуры. При термодинамическом воздействии компонентов друг на друга снижается температура их перехода в жидкое состояние, достигая некоторого минимума при определенном для каждой пары компонентов составе. Состав сплава можно определить, спроецировав точку С на ось абсцисс (точка В 3). Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектическим или эвтектикой. Эвтектика является равномерной смесью одновременно закристаллизовавшихся мелких зерен обоих компонентов. Температура, при которой одновременно плавятся оба компонента, называется эвтектической температурой

На диаграмме состояния температуры, выше которых сплавы находятся в жидком состоянии, лежат на линии АСВ, называемой линией ликвидуса. Переход сплавов из жидкого состояния в твердое при кристаллизации происходит в интервале температур, лежащих между линией ликвидуса и эвтектической температурой, которой соответствует линия солидуса DCE. При этом из каждого сплава по мере снижения температуры в твердую фазу переходит вначале тот компонент, количество которого превышает эвтектическую концентрацию. У доэвтектических сплавов двухфазная область АСD содержит избыточный компонент А и жидкую фазу Ж, а в заэвтектической области ВСЕ находятся соответственно твердая В и жидкая Ж фазы. В обоих случаях фаза Ж является жидким раствором обоих компонентов.

По мере снижения температуры и приближения ее к ^ состав незакристаллизовавшейся фазы приближается к эвтектическому При этом чем меньше сплав отличается по составу от эвтектического, тем ниже его точка ликвидуса, и тем больше в нем затвердевает эвтектики

Количественные изменения в сплавах данной системы компонентов при кристаллизации подчиняются правилу отрезков. Количество каждой структурной составляющей, от которого зависят свойства, может быть вычислено по правилу отрезков применительно к эвтектической температуре. При оценке прочностных свойств следует иметь в виду, что та часть сплава, которая представлена эвтектикой, имеет более высокую прочность, чем часть, представленная более крупными зернами избыточной фазы.

Для определения состава фаз для сплава при различных температурах в точке п. Для этого через точку п, характеризующую состояние данного сплава при температуре tn, надо провести горизонтальную линию (коноду) 24б до пересечения с линиями диаграммы состояния, ограничивающими данную двухфазную область. Точки пересечения l2 и s2 проектируют на ось концентраций. Проекция точки l2 точка l2 покажет состав жидкой фазы, а точки s2 - точка s2 - твердой фазы. Чтобы определить состав фаз при любой температуре, нужно через эту точку провести коноду и спроектировать точки пересечения с ликвидусом и солидусом на ось концентраций. Состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса, а твердой - по линии солидуса.

При температурах ниже линии солидуса фазовый состав всех сплавов рассматриваемой системы состоит из зерен обоих компонентов: А+В. Различают присутствующие в любом сплаве мелкие зерна А и В, составляющие эвтектику, и крупные зерна избыточных фаз - компонентов А или В соответственно в доэвтектических и заэвтектических сплавах.

Пользуясь вторым положением правила отрезков, определяют количественное соотношение фаз для любой температуры. Количество (масса) фаз обратно пропорционально отрезкам проведенной коноды.

Правило отрезков (рычага) позволяет определить состав и количество твердой и жидкой фаз сплава, находящегося в интервале кристаллизации. По диаграмме состояния можно определить не только число фаз конкретного сплава при данной температуре, но и относительное количество каждой фазы. Для определения количества фаз, например, сплава Pb - Sb, содержащего 72 % Sb, при заданной температуре необходимо провести перпендикуляр из точки на оси концентрации, соответствующей содержанию 72 % Sb, и горизонтальную линию, соответствующую заданной температуре tзад. В результате пересечения линий получим точку К. Горизонтальную линию, проходящую через точку К, продолжим до пересечения с линиями диаграммы, получим точки l и S. Точка lсоответствует жидкой фазе сплава (лежит на линии ликвидуса), точка S-твердой фазе (лежит на оси температур чистой сурьмы).

Правило рычага.

1. Количество твердой фазы равно отношению длины плеча, примыкающего к жидкой фазе, к длине всего рычага.

2. Количество жидкой фазы равно отношению длины плеча, примыкающего к твердой фазе, к длине всего рычага.

25. Зависимость механических и физических свойств от состава в системах различного типа

Свойство - это количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами.

Выделяют три основные группы свойств: эксплуатационные, технологические и стоимостные, которые лежат в основе выбора материала, определяют техническую и экономическую целесообразность его применения.

Первостепенное значение имеют эксплуатационные свойства. Работоспособность многих деталей машин и изделий обеспечивает уровень механических свойств.

Механические свойства характеризуют поведение материала под действием внешней нагрузки. Так как условия нагружения деталей машин чрезвычайно разнообразны, то механические свойства включают большую группу показателей.

Работоспособность отдельной группы деталей машин зависит не только от механических свойств, но и от сопротивления воздействию химически активной рабочей среды. Если такое воздействие становится значительным, то определяющим становятся физико-химические свойства материала - жаростойкость и коррозионная стойкость.

Механические свойства характеризуют сопротивление материала деформации, разрушению или особенность его поведения в процессе разрушения. Эта группа свойств включает показатели прочности, жесткости (упругости), пластичности, твердости и вязкости. Основную группу таких показателей составляют стандартные характеристики механических свойств, которые определяют в лабораторных условиях на образцах стандартных размеров. Полученные при таких испытаниях показатели механических свойств оценивают поведение материалов под внешней нагрузкой без учета конструкции детали и условий их эксплуатации. Кроме того, дополнительно определяют показатели конструкционной прочности, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами конкретного изделия и оценивают работоспособность материала в условиях эксплуатации.

Механические свойства материалов характеризуют возможность их использования в изделиях, эксплуатируемых при воздействии механических нагрузок. Основными показателями таких свойств служат параметры прочности, твердость и триботехнические характеристики. Они не являются «чистыми» константами материалов, но существенно зависят от формы, размеров и состояния поверхности образцов, а также режимов испытаний, прежде всего скорости нагружения, температуры, воздействия сред и других факторов. Высокая твердость металла важна при изготовлении режущих изделий. Чаще всего для такого рода изделий используют инструментальные стали.

Прочность - свойство материалов сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы под действием внешних нагрузок. Она обусловлена силами взаимодействия атомных частиц, составляющих материал. Сила взаимодействия двух соседних атомов зависит от расстояния между ними, если пренебречь влиянием окружающих атомов.

Деформирование - изменение относительного расположения частиц в материале. Наиболее простые его виды: растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг. Деформация - изменение формы и размеров образца или его частей в результате деформирования.

Предел пропорциональности - напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает некоторого значения, установленного техническими условиями.

Важными физическими свойствами материалов, которые учитываются при использовании материалов, являются плотность, теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность. Особые магнитные свойства железа, никеля, кобальта и их сплавов, а также ферритов, выделили их в группы материалов исключительной ценности - ферро- и ферримагнетики.

Физические свойства определяются типом межатомной связи и химическим составом материалов, температурой и давлением. Для большинства процессов обработки материалов давления не превышают 500 МПа. Такие давления практически не влияют на значения физических свойств. Различают зависимые и независимые от структуры материала физические свойства. Значения последних определяются только химическим составом материала и температурой.

Физические свойства металлов - цвет, плотность, температура плавления, тепло- и электропроводность, способность намагничиваться и т. д. Медь, например, металл красного, а в изломе розового цвета; алюминий серебристо-белого цвета; свинец имеет светло-серый цвет. Важная характеристика физических свойств - электропроводность. Наибольшей (после серебра) электропроводностью обладает медь. Алюминий обладает низкой плотностью, поэтому детали из алюминия и сплавов на его основе широко применяют в автомобиле, тракторостроении. Медь и алюминий, обладающие высокой электропроводностью, используют для изготовления проводников (обмотки трансформаторов, линии электропередачи). Вес изделия или детали также играет важное значение и выступает в качестве главной характеристики.

26. Выбор сплавов для определенного назначения на основе анализа диаграмм состояния

Чистые металлы используют в электрорадиотехнике (проводниковые, электровакуумные). Основными

конструкционными материалами являются металлические сплавы. Сплавом называют вещество, полученное сплавлением двух или более элементов (компонентов). Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Псевдосплавы - сплавы, созданные путем спекания, возгонки, электролиза.

Металлические сплавы можно получать методом порошковой металлургии, диффузией и другими методами. Преимущественное использование в технике металлических сплавов объясняется тем, что они обладают более ценными, чем чистые металлы, комплексами механических, физических и технологических свойств. К основным понятиям в теории сплавов относятся: система, компонент, фаза, вариантность.

Система - группа тел, выделяемых для наблюдений и изучения. В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой системой. Сплавы состоят из двух или большего числа компонентов и являются сложными системами.

Компонентами называют вещества, образующие систему, взятые в меньшем числе. В металлических сплавах компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы) и химические соединения.

Фазой называется однородная часть системы, отделенная от другой части системы (фазы) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура изменяются скачком. Например, при кристаллизации чистого металла в системе имеются две фазы: жидкая (расплавленный металл) и твердая (зерна затвердевшего металла). В твердых сплавах фазами могут быть зерна чистого металла, зерна твердого раствора и зерна химического соединения.

Вариантность - число внутренних и внешних факторов, изменение которых можно производить при постоянном количестве фаз в системе.

Все металлы в жидком состоянии растворяются один в другом в любых соотношениях. В результате растворения образуется однородный жидкий раствор с равномерным распределением атомов одного металла среди атомов другого металла. Благодаря указанному взаимодействию на практике с целью равномерного распределения веществ в сплаве, как правило, прибегают к их расплавлению. Только лишь очень немногие металлы, главным образом сильно различающиеся размерами атомов, не растворяются в жидком состоянии. Также немногие металлы растворяются в жидком состоянии ограниченно. При образовании сплавов в процессе их затвердевания возможно различное взаимодействие компонентов. Если в процессе кристаллизации сила взаимодействия между однородными атомами окажется больше силы взаимодействия между разнородными атомами, то после кристаллизации образуется механическая смесь, состоящая из зерен чистых металлов. В этом случае в твердом сплаве будут присутствовать зерна одного чистого металла и рядом с ними зерна другого чистого металла. Такая форма взаимодействия возникает при большом различии в свойствах входящих в сплав металлов.

Другой формой взаимодействия между веществами, входящими в состав сплава, является образование твердых растворов.

Твердыми растворами называют такие твердые фазы, в которых соотношения между компонентами могут изменяться. В твердом растворе так же, как и в чистых металлах, атомы в пространстве расположены закономерно, образуя кристаллическую решетку. Этим они и отличаются от жидких растворов. В твердом растворе одно из входящих в состав сплава веществ сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а второе вещество, утратив свое кристаллическое строение, в виде отдельных атомов распределяется в кристаллической решетке первого. Первое вещество является растворителем, а второе - растворимым. В зависимости от характера распределения атомов растворимого элемента различают твердые растворы внедрения, замещения и вычитания

Твердые растворы также делятся в зависимости от степени растворимости компонентов на растворы с ограниченной растворимостью компонентов и с неограниченной растворимостью.

Построение диаграмм состояния осуществляют различными экспериментальными методами. Наиболее часто пользуются методом термического анализа. Экспериментальная сущность этого метода заключается в следующем. Отбирают несколько сплавов данной системы с различным соотношением масс входящих в них компонентов.

Существуют сплавы - механические смеси, которые образуются в случае невозможности растворения компонентов, находящихся в твердом состоянии. Данные компоненты не могут создать соединения посредством химической реакции. Механические смеси включают элементы, обладающие разными свойствами и строением. В состав сплава включены кристаллы компонентов, которые образуют кристаллические решетки.

Химические соединения - сплавы, которые образуются из разных элементов, содержащих разнородные атомы, между которыми сила взаимодействия значительно выше, чем между однородными атомами.

27. Строение и свойства железа; метастабильная и стабильная фазовые диаграммы железо-углерод. Формирование структуры углеродистых сталей. Определение содержания углерода в стали по структуре

Сплавы железа с углеродом являются самыми распространенными металлическими материалами. Диаграмма состояния железо-углерод дает представление о строении железоуглеродистых сплавов - сталей и чугунов.

Чистое железо - это серебристо-светлый металл, практически не подверженный окислению. Атомный номер 26, атомный вес 55,85. Технически чистое железо содержит 0,10-0,15 % всех примесей. Свойства железа зависят от степени его чистоты. Температура плавления - 1539 °C, плотность - 7,85 г/см3. Железо обладает невысокой твердостью и прочностью и хорошей пластичностью. Чистое железо меньшей прочности, чем чугун или сталь.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами - растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом - растворы внедрения. Растворимость углерода в железе зависит от того, в какой кристаллической форме существует железо.

При растворении углерода в железе образуются твердые растворы. Феррит - раствор, получаемый при растворении углерода в низкотемпературной модификации железа. Характеризуется низкой твердостью и повышенной пластичностью. Углерод, растворяясь в высокотемпературной модификации железа, образует пластичный аустенит.

Углерод в природе встречается в виде двух модификаций: в форме алмаза, который имеет сложную кубическую решетку, и в форме графита, имеющего простую гексагональную решетку.

Цементит - карбид железа, содержащий 6,67 % углерода. Хрупкий и твердый. В том случае, если в металле присутствует большое количество кремния, образование цементита не происходит. В данном случае углерод преобразовывается в графит (серый чугун).

Содержание углерода в диаграмме Fе - С (цементит) ограничивается 6,67 %, так как при этой концентрация образуется химическое соединение - карбид железа (FезС) или цементит, который и является вторым компонентом данной диаграммы.

Система Ре - Fе3С метастабильная. Образование цементита вместо графита дает меньший выигрыш свободной энергии, но кинетическое образование карбида железа более вероятно.

Точка А (1539 °C) отвечает температуре плавления железа, точка D (1500 °C) - температуре плавления цементита, точки N (1392 °C) и G (910 °C) соответствуют полиморфному превращению.

Железоуглеродистые сплавы - это стали и чугуны, которые являются основными материалами, используемыми в машиностроении и современной технике.

Сталь - основной металлический материал, широко применяемый для изготовления деталей машин, летательных аппаратов, приборов, различных инструментов и строительных конструкций. Широкое использование сталей обусловлено комплексом механических, физико-химических и технологических свойств.

Стали сочетают высокую жесткость со статической и циклической прочностью. Эти параметры меняют за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и технологий термической и химико-термической обработки. Изменяя химический состав, получают стали с различными свойствами и используют их во многих отраслях техники и народного хозяйства.

Углеродистые стали классифицируют по содержанию углерода, назначению, качеству, степени раскисления и структуре в равновесном состоянии.

По содержанию углерода стали подразделяются на низкоуглеродистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,7 % С) и высокоуглеродистые (> 0,7 % С).

По назначению стали классифицируют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали представляют наиболее обширную группу, которая предназначена для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего (до 200 °C) деформирования.

Стали классифицируют по качеству на обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Качество стали - это совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей - серы и фосфора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5 % С), качественные и высококачественные - углеродистыми и легированными. По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Легированные стали производят спокойными, углеродистые - спокойными, полуспокойными и кипящими.

По структуре в равновесном состоянии стали делятся на:

1) доэвтектоидные, имеющие в структуре феррит и перлит;

2) эвтектоидные, структура которых состоит из перлита;

3) заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цементит вторичный.

28. Конструкционные и инструментальные углеродистые стали. Маркировка, применение

Углеродистые конструкционные стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные.

Марки сталей обыкновенного качества Ст0, Ст1, Ст2,…, Ст6 (с увеличением номера возрастает содержание углерода). Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, прутки, листы, трубы. Стали применяют в строительстве для сварных и болтовых конструкций. С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Стали Ст5 и Ст6, имеющие более высокое содержание углерода, применяют для элементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке.

Выплавление качественной углеродистой стали производится при соблюдении строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15,…, 85, указывающие среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Низкоуглеродистые стали имеют высокую прочность и высокую пластичность. Стали, не обработанные термически, применяются для малонагруженных деталей, ответственных сварных конструкций, для деталей машин, упрочняемых цементацией. Среднеуглеродистые стали (0.3-0.5 % С) 30, 35, …, 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки. Эти стали имеют высокую прочность при более низкой пластичности, их применяют для изготовления небольших или крупных деталей, не требующих сквозной прокаливаемости. Стали с высоким содержанием углерода обладают высокой прочностью, износостойкостью. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, замковые шайбы, прокатные валки.

Конструктивная прочность - это комплекс механических свойств, обеспечивающий длительную и надежную работу материала в условиях его эксплуатации. Конструктивная прочность - это прочность материала конструкции с учетом конструкционных, металлургических, технологических и эксплуатационных факторов.

Учитываются четыре критерия: прочность материала, надежность и долговечность материала в условиях работы данной конструкции. Прочность - способность тела сопротивляться деформациям и разрушению.

Надежность - свойство изделия выполнять заданные функции и сохранять свои эксплуатационные показатели в течение требуемого промежутка времени. Надежность конструкции - это ее способность работать вне расчетной ситуации. Главным показателем надежности является запас вязкости материала, который зависит от состава, температуры, условий нагружения, работы, поглощаемой при распространении трещины.

Сопротивление материала хрупкому разрушению является важнейшей характеристикой, определяющей надежность работы конструкций.

Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния (невозможности его дальнейшей эксплуатации). Долговечность зависит от условий ее работы (это сопротивление износу при трении и контактная прочность, сопротивление материала поверхностному износу, возникающему при трении качения со скольжением).

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего, измерительного инструмента и штампов холодного и горячего деформирования. Основные свойства для инструмента - износостойкость и теплостойкость. Для износостойкости инструмента необходима высокая поверхностная твердость, а для сохранения формы инструмента сталь должна быть прочной, твердой и вязкой. От теплостойкости стали зависит возможная температура разогрева режущего инструмента. Углеродистые инструментальные стали являются наиболее дешевыми. В основном их применяют для изготовления малоответственного режущего инструмента и для штампово-инструментальной оснастки регламентированного размера.

Производятся (ГОСТ 1435-74) качественные (У7, У8, У9) и высококачественные - (У7А, У8А, У9А) углеродистые стали. Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра - среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная. Углеродистые стали поставляют после отжига на зернистый перлит. За счет невысокой твердости в состоянии поставки (НВ 187-217) углеродистые стали хорошо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет применять накатку, насечку и другие высокопроизводительные методы изготовления инструмента.

Стали марок У7, У8, У9 подвергают полной закалке и отпуску при 275-350 °C на тростит; так как они более вязкие, то их используют для производства деревообделочного, слесарного, кузнечного и прессового инструмента.

Заэвтектоидные стали марок У10, У11, У12 подвергают неполной закалке. Инструмент этих марок обладает повышенной износостойкостью и высокой твердостью.

Заэвтектоидные стали используют для изготовления мерительного инструмента (калибры), режущего (напильники, сверла) и штампов холодной высадки и вытяжки, работающих при невысоких нагрузках.

Недостатком инструментальных углеродистых сталей является потеря прочности при нагреве выше 200 °C (отсутствие теплостойкости). Инструмент из этих сталей применяют для обработки мягких материалов и при небольших скоростях резания или деформирования.

29. Белые, серые, половинчатые, высокопрочные и ковкие чугуны Формирование микроструктуры, свойства, маркировка и применение

Чугун - это сплав железа с углеродом. Чугун содержит углерод - 2,14 % и более дешевый материал, чем стали. Он обладает пониженной температурой плавления и хорошими литейными свойствами. Из чугунов можно делать отливки более сложной формы, чем из сталей. Литая структура чугунов содержит концентраторы напряжений, в качестве которых могут быть дефекты: пористость, ликвационная неоднородность, микротрещины.

Белый чугун имеет свое название по виду излома матово-белого цвета. Весь углерод в этом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементита. Фазовые превращения протекают согласно диаграмме состояния (Fе - FезС). Белые чугуны в зависимости от содержания углерода бывают: доэвтектическими (перлит + ледебурит); эвтектическими (ледебурит); заэвтектическими (первичный цементит + ледебурит). Эти чугуны имеют большую твердость из-за содержания цементита; они очень хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Отливки из белого чугуна служат для получения деталей из ковкого чугуна с помощью графитизирующего отжига. Отбеленные чугуны-отливки имеют поверхностные слои (12-30 мм) со структурой белого чугуна, а сердцевина - серого чугуна. Высокая твердость поверхности позволяет ей хорошо работать против истирания. Эти свойства отбеленного чугуна применяются для изготовления валков листовых прокатных станов, колес, шаров для мельниц, тормозных колодок и других деталей.

Белые чугуны кристаллизуются по диаграмме состояния системы сплавов железо - цементит. Значительное содержание твердого и хрупкого цементита в составе белых чугунов является причиной того, что эти чугуны трудно поддаются механической обработке. Они применяются для отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун, а также для отливки прокатных валков и вагонных колес.

Серый чугун (технический) название получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется графит. Структура чугуна состоит из металлической основы и графита и его свойства зависят от этих двух составляющих. Графит обладает низкими механическими свойствами.

При медленном охлаждении сплавов железо - углерод происходит выделение графита.

В промышленности применяются доэвтектические серые (литейные) чугуны. Серый чугун, который состоит из феррита и графита, называют ферритным, так как металлическую основу его составляет феррит. Весь углерод в виде графита выделяется при очень медленном охлаждении сплава; если скорость охлаждения в процессе кристаллизации (как первичной, так и вторичной) увеличивается, выделяется не графит, а цементит. Чугун, содержащий до 1,2 % фосфора, применяется для художественного литья, труб.

Маркировка серого чугуна. По ГОСТ чугун в отливках маркируется буквами СЧ с добавлением двух чисел: первое число указывает предел прочности при растяжении (упч) второе - удлинение (у) в%. Половинчатый чугун состоит из перлита, ледебурита и пластинчатого графита. Сочетает в себе два цвета - серый и белый.

Высокопрочный чугун - это чугун, в котором графит имеет шаровидную форму. Повышение прочности и пластичности чугуна достигается модифицированием, обеспечивающим получение глобулярного (сфероидального) графита вместо пластинчатого. Поверхность графита сфероидальной формы имеет меньшее отношение к объему и определяет наибольшую сплошность металлической основы и прочность чугуна. Такая форма графита получается при присадках в жидкий чугун магния (М) или церия (Се).

Высокопрочный чугун имеет ферритную или перлитную основу. Ферритный чугун имеет повышенную пластичность.

По ГОСТ чугун обозначают числами: первое число указывает предел прочности при растяжении (упч), второе - удлинение (у) в%. Еще более высокая прочность достигается при модифицировании легированного чугуна.

Высокопрочный чугун применяют вместо стали для изготовления деталей станков, кузнечно-прессового оборудования, работающих в подшипниках при повышенных и высоких давлениях; коленчатых валов, шестерен, муфт и вместо ковкого чугуна для изготовления задних мостов-автомобилей.

Ковкий чугун - чугун с хлопьевидным графитом, условное название мягкого и вязкого чугуна, который получают из белого чугуна специальной термической обработкой; ковке его не подвергают, он обладает высокой пластичностью. Ковкий чугун состоит из сталистой основы и содержит углерод в виде графита. Графит находится в виде включений округленной формы, расположенных изолированно друг от друга и металлическая основа менее разобщена, а сплав обладает значительной вязкостью и пластичностью.

Свойства ковкого чугуна зависят от величины графитных включений (чем меньше эти включения, тем прочнее чугун), но они определяются структурой его металлической основы, которая может быть ферритной, перлитной или смешанной.

В зависимости от состава чугуна и способа термической обработки получают два вида ковкого чугуна: черносердечный и белосердечный. Ковкий чугун более дешевый материал, он обладает хорошими механическими свойствами и применяется в сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной промышленности, вагоностроении, станкостроении.

30. Роль термической обработки в повышении качества конструкционных материалов

Основные предпосылки для получения необходимого комплекса механических и других свойств у конструкционных сплавов закладываются при их разработке и выплавке.

Реализация же требуемых свойств осуществляется на последующих этапах обработки, преследующих цель придать сплаву не только предусмотренные чертежом форму и размеры, но и рациональное внутреннее строение, под которым следует понимать структурно-фазовый состав и дислокационную структуру, от которых непосредственно зависит комплекс требуемых свойств. Важнейшими этапами обработки сплавов являются термическая обработка и поверхностное упрочнение. Термической обработкой обеспечивается заданный уровень свойств во всем объеме детали, а поверхностным упрочнением - только в определенных наиболее нагруженных и сильно изнашиваемых местах на поверхности детали.

Основные правила термической обработки были разработаны Д.К. Черновым и дополнены А.А. Бочваровым, Г.В. Курдюмовым, А.П. Гуляевым.

Под термической обработкой понимают комплекс операций нагрева и охлаждения сплава, осуществляемых по определенному режиму с целью изменения его строения и получения заданных свойств. Основу термической обработки составляет изменение структурно-фазового состава и дислокационной структуры сплава, которое может быть достигнуто путем использования таких ключевых факторов, как наличие в нем аллотропических превращений или зависящей от температуры ограниченной взаимной растворимости компонентов.

Все существующие виды термообработки, имеющие целью существенно изменить фазовую и дислокационную структуру сплавов и получить оптимальный комплекс эксплуатационных свойств, основаны на использовании одного из упомянутых факторов. При их отсутствии термообработкой можно получить лишь весьма ограниченные результаты. Две наиболее распространенные разновидности термической обработки. Одна из них основана на использовании специфики превращений в сплавах, обусловленной наличием в них аллотропических превращений, а другая базируется на переменной растворимости компонентов друг в друге при нагреве и охлаждении.

В обоих случаях фундаментальной основой технологии термической обработки, гарантирующей получение ожидаемых результатов, является ее режим. Он включает в себя следующие элементы: температуру нагрева, скорость нагрева до заданной температуры, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения.

Термическая обработка бывает предварительной и окончательной. Предварительная термическая обработка используется в тех случаях, когда материал необходимо подготовить к дальнейшим технологическим воздействиям - давлению, резанию и т. д. Окончательная термическая обработка применяется для подготовки свойств готового материала.

Конкретные величины, характеризующие каждый из элементов режима термообработки, зависят от химического состава обрабатываемого сплава, размера детали и целевого назначения выполняемого вида термообработки. Варьируя эти величины, можно существенно изменять фазовую и дислокационную структуры сплава и придавать ему заданные свойства.

От температуры нагрева зависят характер происходящих в сплаве превращений и сама возможность получения после термообработки требуемой структуры. Она выбирается в зависимости от химического состава сплава и цели производимой термообработки.

...