close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

10063.Материаловедение

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГБОУ ВПО «Тульский государственный педагогический университет
им. Л. Н. Толстого»
В. И. Абрамова
Н. Н. Сергеев
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Учебник
Тула
Издательство ТГПУ им. Л. Н. Толстого
2012
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ББК 30.3я73
А16
Рецензент –
доктор технических наук, профессор М. В. Ушаков
А16
Абрамова В. И.
Материаловедение: Учебник / В. И. Абрамова, Н. Н. Сергеев – Тула: Изд-во Тул. гос. пед. ун-та им. Л. Н. Толстого, 2012. –
194 с.
ISBN 978-5-87954-929-0
Данное издание разработано в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и является частью учебно-методического комплекса
дисциплины «Материаловедение».
В учебнике рассмотрены классификация материалов, кристаллическое строение металлов и кристаллизация, процессы пластической
деформации и рекристаллизации, свойства металлов. Описаны фазы,
образующиеся в сплавах, и диаграммы состояния. Рассмотрены основы
термической обработки и других видов упрочнения. Представлены различные классы сталей и чугунов, цветных металлов, порошковых материалов и неметаллических соединений.
В пособии предложены задачи для самостоятельного решения,
выполнение которых способствует повышению качества подготовки и
общего уровня знаний студентов.
Книга предназначена для студентов, обучающихся по направлению подготовки 100100.62 «Сервис», может использоваться студентами
других специальностей и направлений подготовки.
ББК 30.3я73
 В. И. Абрамова, Н. Н. Сергеев, 2012
 ТГПУ им. Л. Н. Толстого, 2012
ISBN 978-5-87954-729-0
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................. 6
1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ ................................................. 9
2. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
И СПЛАВОВ ............................................................................................. 11
2.1. Дефекты кристаллической решетки ......................................................... 15
3. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ........................................................................... 19
4. ПОЛИМОРФНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ................................................. 23
5. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ................... 25
5.1. Напряжение и деформация ....................................................................... 28
5.1.1. Напряжение. Тензор напряжений ................................................................... 28
5.1.2. Деформации. Тензор деформаций .................................................................. 31
5.1.3. Схемы напряженного и деформированного состояния
при механических испытаниях различных видов ................................................... 32
5.1.4. Упругая и пластическая деформация ............................................................. 34
5.1.5. Механизм пластической деформации ............................................................ 34
5.2. Классификация механических испытаний .............................................. 37
5.3. Условия подобия механических испытаний............................................ 38
5.4. Статистическая обработка результатов механических испытаний ....... 38
5.5. Разрушение ................................................................................................. 38
5.6. Наклеп ......................................................................................................... 39
5.7. Влияние нагрева на строение и свойства деформированного
металла (рекристаллизационные процессы) ................................................... 39
6. ТЕОРИЯ СПЛАВОВ ............................................................................ 44
6.1. Механическая смесь .................................................................................. 45
6.2. Химическое соединение ............................................................................ 45
6.2.1. Фазы внедрения ................................................................................................ 46
6.2.2. Электронные соединения (фазы Юм-Розери)................................................ 46
6.2.3. Фазы Лавеса ...................................................................................................... 46
6.3. Твердые растворы ...................................................................................... 47
7. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ............................................................ 49
7.1. Общие сведения о построении диаграмм состояния .............................. 50
7.2. Типы диаграмм состояния......................................................................... 51
7.2.1. Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические
смеси из чистых компонентов (I рода) ..................................................................... 51
7.2.2. Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной
растворимостью в твердом состоянии (II рода) ...................................................... 54
7.2.3. Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной
растворимостью в твердом состоянии (III рода) ..................................................... 55
7.2.4. Диаграмма состояния для сплавов, образующих
химические соединения (IV рода) ............................................................................ 58
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7.2.5. Диаграмма состояния для сплавов, испытывающих
полиморфные превращения ...................................................................................... 59
7.3. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния ............. 60
8. ЖЕЛЕЗО И ЕГО СПЛАВЫ ................................................................. 66
8.1. Диаграмма железо-углерод ....................................................................... 67
8.1.1. Компоненты и фазы в системе железо – углерод .......................................... 67
8.2. Стали ........................................................................................................... 72
8.2.1. Влияние постоянных примесей на свойства стали ........................................ 73
8.2.2. Маркировка углеродистых сталей общего назначения ................................. 74
8.2.3. Классификация и маркировка легированных сталей .................................... 75
8.2.4. Легированные конструкционные стали ......................................................... 77
8.2.5. Инструментальные материалы ........................................................................ 82
8.2.6. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами .................................. 85
8.3. Чугун ........................................................................................................... 86
8.3.1. Марки чугунов.................................................................................................. 89
9. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ................ 94
9.1. Температура и время термической обработки ........................................ 95
9.2. Классификация видов термической обработки ....................................... 95
9.3. Основные виды термической обработки стали ....................................... 98
9.4. Четыре основных превращения в стали ................................................. 101
9.5. Образование аустенита ............................................................................ 102
9.6. Рост аустенитного зерна .......................................................................... 103
9.7. Распад аустенита ...................................................................................... 105
9.8. Мартенситное превращение .................................................................... 112
9.9. Бейнитное превращение .......................................................................... 114
9.10. Превращения при отпуске ..................................................................... 114
9.11. Влияние термической обработки на свойства стали .......................... 115
10. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ................................... 120
10.1. Цементация ............................................................................................. 120
10.2. Азотирование ......................................................................................... 122
10.3. Цианирование ......................................................................................... 123
10.4. Диффузионная металлизация ................................................................ 124
11. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ..................................... 126
12. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ .............................................. 127
12.1. Медь и ее сплавы ................................................................................... 127
12.2. Алюминий и его сплавы ........................................................................ 130
12.3. Титан и его сплавы................................................................................. 134
12.4. Антифрикционные сплавы .................................................................... 136
13. ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ..................................................... 140
13.1. Конструкционные порошковые материалы ......................................... 141
13.2. Фрикционные порошковые материалы ................................................ 142
13.3. Пористые фильтрующие элементы ...................................................... 143
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ......................................... 144
14.1. Понятие о неметаллических материалах
и классификация полимеров .......................................................................... 145
14.2. Особенности свойств полимерных материалов .................................. 150
14.3. Пластические массы .............................................................................. 151
14.4. Неорганические материалы .................................................................. 152
14.5. Древесные материалы ............................................................................ 153
ЛИТЕРАТУРА ........................................................................................ 158
ПРИЛОЖЕНИЯ ...................................................................................... 159
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Материаловедением называется прикладная наука о строении и
свойствах материалов и установлении взаимосвязи между ними.
Курс делится на две части: металловедение и изучение неметаллических материалов. Несмотря на все более широкое использование
неметаллических материалов, металлы и сплавы остаются основным
конструкционным и инструментальным материалом. Поэтому металлам и сплавам уделяется большее внимание.
Металловедением называется наука, устанавливающая связь
между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изучающая закономерности их изменения при тепловых, химических,
механических, электромагнитных и радиоактивных воздействиях.
Неметаллические конструкционные материалы значительно
отличаются от металлов и сплавов физическими, химическими, механическими и технологическими свойствами, а также технологическими процессами их производства и обработки. Поэтому они рассматриваются отдельно, несмотря на значительную общность используемых
способов обработки.
Цель изучения курса – приобретение знаний студентами об основных конструкционных и инструментальных материалах, различных
видах их обработок (в основном тепловой) и областях применения.
Задачей курса «Материаловедение» является не только получение студентами знаний и навыков для правильного выбора материала
и эффективного метода его обработки, обеспечивающего повышение
надежности, долговечности и снижение материалоемкости изделия, но
и умений проведения испытаний по определению физико-механических характеристик материалов. Это может быть достигнуто в результате самостоятельного выполнения лабораторных работ и домашних
заданий. С этой целью в учебном пособии представлены «резюме»
(помещенные после каждой главы) и задачи для самостоятельного
решения. Выполнение таких задач повышает качество подготовки и
общий уровень знаний, формирующих технологическую культуру
студента. Разобранные примеры решения этих задач позволяют при
выборе материала и технологии его обработки научить студентов уделять должное внимание и экономическим аспектам, обеспечивающим
снижение себестоимости изделий. Для методической помощи в учебном пособии предусмотрен систематизированный перечень наиболее
распространенных в промышленности материалов. При выборе материала это облегчает поиск необходимых свойств в зависимости от
сферы применения и соответствующих методов упрочнения изделия.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Историческая справка
Впервые существование связи между строением стали и ее
свойствами было установлено П. П. Аносовым (1799–1839 гг.). Основы научного металловедения были заложены выдающимся русским
металлургом Д. К. Черновым (1839–1921 гг.), который за свои работы
был назван в литературе «отцом металлографии».
В начале XX века большую роль в развитии металловедения
сыграли работы Н. С. Курнакова, который применил для исследования
металлов методы физико-химического анализа.
Большое значение в развитии металловедения и термической
обработки имели работы Осмонда (Франция), Юм-Розери и Мотта
(Англия), Зейтца, Бейна и Мейла (США), Таммана и Ганемана (Германия) и др.
Большой вклад в развитие отечественного металловедения
внесли С. С. Штейнберг, Н. А. Минкевич, Г. В. Курдюмов, А. А. Байков, А. М. Бочвар, К. П. Бунин, В. Д. Садовский, И. И. Сидорин,
А. П. Гуляев и их последователи.
В области исследований неметаллических материалов можно выделить следующие фамилии ученых. Создателем структурной теории
химического строения органических соединений является А. М. Бутлеров (1826–1886 гг.). Промышленное производство первых пластмасс
(фенопластов) – результат работ, проведенных Г. С. Петровым в 1907–
1914 годах. С. В. Лебедевым впервые в мире осуществлен промышленный синтез каучука (1932 г.). Н. Н. Семеновым разработана теория цепных реакций и распространена на механизм цепной полимеризации.
Успешное развитие химии и физики полимеров связано с именами видных ученых: П. П. Кобеко, В. А. Каргина, А. П. Александрова, С. С.
Медведева, С. Н. Ушакова и др. Разработка термостойких полимеров
связана с именем К. А. Андрианова. В области создания полимерных
материалов большой вклад внесли такие зарубежные ученые, как
К. Циглер (Германия), Д. Натт (Италия) и др.
РЕЗЮМЕ
«Материаловедение» – комплексная дисциплина, в которой
изучаются закономерности, определяющие строение и свойства материалов в зависимости от их состава и условий обработки.
Металловедением называется наука, устанавливающая связь
между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изу7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чающая закономерности их изменения при тепловых, химических,
механических, электромагнитных и радиоактивных воздействиях.
Неметаллические конструкционные материалы значительно
отличаются от металлов по физическим, химическим, механическим и
технологическим свойствам.
Ученые, внесшие свой вклад в развитие металлургии: П. П.
Аносов (1799–1839 гг.). Д. К. Чернов (1839–1921 гг.), Н. С. Курнаков,
Осмонд (Франция), Юм-Розери и Мотт (Англия). Зейтц, Бейн и Мейл
(США), Тамман и Ганеман (Германия), С. С. Штейнберг, Н. А. Минкевич, Г. В. Курдюмов, А. А. Байков, А. М. Бочвар, К. П. Бунин,
В. Д. Садовский, И. И. Сидорин, А. П. Гуляев и др.
Ученые, внесшие свой вклад в области исследований неметаллических материалов: А. М. Бутлеров (1826–1886 гг.), Г. С. Петров,
С. В. Лебедев, Н. Н. Семенов, П. П. Кобеко, В. А. Каргин, А. П. Александров, С. С. Медведев, С. Н. Ушаков, К. А. Андрианова, К. Циглер
(Германия), Д. Натт (Италия) и др.
Вопросы для повторения
1. Дать понятие терминам: «материаловедение», «металловедение».
2. Какие ученые внесли вклад в развитие металлургии?
3. Какие ученые внесли вклад в исследование неметаллических
материалов?
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ
Материалы можно разделить на две большие группы: металлические и неметаллические. Классификация данных материалов приведена на рис. 1.
Рис. 1. Классификация материалов
Для будущих бакалавров сервиса необходимо знание материалов, использующихся в швейной промышленности.
При производстве швейных изделий используют самые разнообразные материалы. Это – ткани, трикотаж, нетканые материалы,
натуральная и искусственная кожа, пленочные и комплексные материалы, натуральный и искусственный мех, швейные нитки, клеевые материалы, фурнитура.
Наибольший объем в швейном производстве составляют изделия, выполненные из текстильных материалов.
Текстильные материалы, или текстиль, – материалы и изделия,
выработанные из волокон и нитей. К ним относятся ткани, трикотаж,
нетканые полотна, швейные нитки и др.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Текстильное волокно представляет собой протяженное тело, гибкое и прочное, с малыми поперечными размерами, ограниченной длины, пригодное для изготовления пряжи и текстильных материалов.
Текстильная нить имеет ту же характеристику, что и текстильное волокно, но отличается от него значительно большей длиной.
Нить может быть получена путем прядения волокон, и тогда она
называется пряжей. Шелковую нить получают, разматывая кокон тутового шелкопряда. Химические нити формуют из полимера.
Классификация волокон
В зависимости от происхождения текстильные волокна делят на
натуральные и химические (рис. 2).
Рис. 2. Классификация волокон
К натуральным относятся волокна, создаваемые самой природой, без участия человека. Они могут быть растительного, животного
или минерального происхождения.
Натуральные волокна растительного происхождения получают с
поверхности семян (хлопок), из стеблей (лен, пенька и др.), из листьев
(сизаль и др.), из оболочек плодов (койр).
Натуральные волокна животного происхождения представлены
волокнами шерсти различных животных и коконным шелком тутового
и дубового шелкопряда.
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Перечисленные натуральные волокна состоят из веществ, которые относятся к природным полимерам. Это целлюлоза у растительных волокон и белки у волокон животного происхождения.
Химические волокна подразделяют на искусственные и синтетические. Искусственные волокна получают путем химической переработки природных полимеров растительного и животного происхождения, из отходов целлюлозного производства и пищевой промышленности. Сырьем для них служат древесина, семена, молоко и т. п.
Наибольшее применение в швейной промышленности имеют текстильные материалы на основе искусственных целлюлозных волокон, таких
как вискозное, полинозное, медно-аммиачное, триацетатное, ацетатное.
Синтетические волокна получают путем химического синтеза
полимеров, т. е. создания имеющих сложную молекулярную структуру веществ из более простых, чаще всего из продуктов переработки
нефти и каменного угля. Это полиамидные, полиэфирные, полиуретановые волокна, а также полиакрилонитрильные (ПАН), поливинилхлоридные (ПВХ), поливинилспиртовые, полиолефиновые.
2. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
И СПЛАВОВ
Все металлы и металлические сплавы – тела кристаллические,
атомы (ионы) расположены в металлах закономерно в отличие от
аморфных тел, в которых атомы расположены хаотично.
Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких (10-1–10-5 см), различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. В процессе кристаллизации они приобретают неправильную форму и называются кристаллитами, или зернами (рис. 3). В твердом
состоянии металл представляет собой
постройку, состоящую из положительно заряженных ионов, омываемых
«газом» из свободных коллективизированных электронов.
Связь в металле осуществляется
электростатическими силами. Между
Рис. 3. Структура поликристал- ионами и коллективизированными
электронами проводимости возникают
лического твердого тела,
электростатические силы притяжения,
состоящего из зерен
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
которые связывают ионы. Такая связь называется металлической. Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами
притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии один от другого, при котором энергия взаимодействия минимальна.
Как видно из рис. 4,
этому положению соответствует равновесное расстояние а0 . Сближение атомов
(ионов) на расстояние, меньшее а0, или удаление их на
расстояние, большее а0, осуществимо лишь при совершении определенной работы
против сил отталкивания или
притяжения.
Поэтому в металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую
решетку
Рис. 4. Схема энергии взаимосвязи двух
(рис.
4),
что
соответствует
атомов в зависимости от межатомного
расстояния а0 – равновесное расстояние минимальной энергии взаимодействия атомов.
В любой кристаллической решетке можно выделить наименьший параллелепипед (рис. 5), последовательным перемещением которого вдоль трех своих осей может быть построен весь кристалл.
Этот наименьший объем
кристалла, дающий представление об атомной структуре
металла в любом объеме, получил название элементарной
кристаллической ячейки.
Для однозначной ее характеристики необходимо знать
следующие величины: три ребра (a, b, c) и три угла между
осями α, β, γ (рис. 5).
Большинство металлов
Рис. 5. Схема кристаллической решетки
образует одну из следующих
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
высокосимметричных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно центрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную плотноупакованную (ГПУ) (рис. 6).
В ОЦК решетке атомы расположены в вершинах куба и один атом в
центре объема куба. ОЦК решетку имеют металлы: Pb, K, Na, Li, Tiβ,
Zrβ, Ta, W, V, Feα, Cr, Nb и др. В ГЦК решетке атомы расположены в
вершинах куба и в центре каждой грани. Решетку такого типа имеют
металлы: Caα, Ce, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Cu, Coα, Feγ и др.
Рис. 6. Кристаллические решетки металлов: а) ОЦК, б) ГЦК, в) ГПУ
В гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решетке атомы
расположены в вершинах и в центре шестигранных оснований призмы, а три атома – в средней плоскости призмы. Такую упаковку атомов имеют металлы: Mg, Tiα, Cd, Zn,Coβ, Caβ и др.
Расстояния a, b, c между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке (рис. 6) называются периодами решетки.
Плотность кристаллической решетки – объема, занятого атомами,
которые условно можно рассматривать как жесткие шары, характеризуется координатным числом, под которым понимают число атомов,
находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома.
Чем выше координатное число, тем больше плотность упаковки атомов.
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для определения положения атомных плоскостей (проходящих
через атомы) в кристаллических пространственных решетках пользуются индексами h, k, l, представляющими собой три целых рациональных числа, являющихся величинами, обратными отрезкам осей,
отсекаемых данной плоскостью на осях координат (рис. 7). Единицы
длины вдоль осей выбирают равными длине ребер элементарной
ячейки. Эти числа заключают в круглые скобки.
Рис. 7. Индексы кристаллографических плоскостей (а-в)
и направлений (г) в ОЦК решетке
В качестве примера обозначения плоскостей установим индексы
для плоскостей куба. Каждая плоскость куба пересекает только одну ось,
при этом отсекаемые отрезки будут равны (1, , ); (, 1, ); (, , 1).
Обратные величины отсекаемых отрезков будут соответственно равны:
(1, 0, 0); (0, 1, 0); (0, 0, 1). Индексы плоскости (h k l) будут (100), (010),
(001), ( 1 00), (0 1 0), (00 1 ). Знак минус над индексом соответствует
отрицательным отрезкам. Если индексы характеризуют не одну, а несколько параллельных плоскостей, то их заключают в фигурные скобки. Например, {100}. Для определения индексов направлений расположения рядов атомов в кристаллической решетке необходимо из семейства параллельных плоскостей выбрать направление плоскостей, проходящих через начало координат (рис. 7).
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приняв за единицу длину ребра элементарной ячейки (или период решетки), определяют координаты любой точки этого направления. Полученные значения координат точки приводят к отношению
трех наименьших чисел. Эти числа, заключенные в квадратные скобки
[uvw], являются индексами данного направления и всех параллельных
ему направлений. Например, [100], [010].
Нетрудно видеть, что плотность расположения атомов по различным плоскостям неодинакова. Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки свойства
(физические, химические, механические) каждого монокристалла зависят от направления вырезки образца по отношению к направлениям
в решетке. Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных
кристаллографических направлениях называется анизотропией. Кристалл – тело анизотропное в отличие от аморфных тел (стекла, пластмассы и др.), свойства которых не зависят от направления.
Технические металлы являются поликристаллами, т. е. состоят
из большого числа анизотропных кристаллитов. В большинстве случаев кристаллиты хаотически ориентированны по отношению друг к
другу. Поэтому во всех направлениях свойства материала более или
менее одинаковы. Таким образом, поликристаллы – псевдоизотропные
тела. Но при возникновении различных воздействий (механических,
тепловых), например, при деформации, материал может приобрести
преимущественную ориентировку зерен – текстуру. В этом случае поликристаллический материал становится анизотропным.
2.1. Дефекты кристаллической решетки
В любом реальном кристалле всегда имеются дефекты строения.
Дефекты кристаллического строения подразделяют на точечные
(нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные),
объемные (трехмерные).
Точечными дефектами называются такие нарушения периодичности кристаллической решетки, размеры которых во всех измерениях
сопоставимы с размерами атома.
К точечным дефектам относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободные от атомов), или дефект Шотки, межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы, которые могут или замещать атомы
основного металла (примеси замещения) или внедряться в свободные
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
места решетки (поры, межузлия) аналогично межузельным
атомам (примеси внедрения)
(рис. 8).
Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем,
что их поперечные размеры не
превышают нескольких межатомных расстояний, а длина
может достигать размера криРис. 8. Схема точечных дефектов в
сталла. К линейным дефектам
кристалле: 1 – примесный атом
замещения, 2 – дефект Шоттки,
относятся дислокации – линии,
3 – примесный атом внедрения,
вдоль и вблизи которых нару4
–
дивакансия, 5 – дефект Френкеля
шено правильное периодиче(вакансия
и межузельный атом),
ское расположение атомных
6
–
примесный
атом замещения
плоскостей кристалла. Различают краевую и винтовую дислокации (рис. 9). Краевая дислокация
представляет собой границу неполной атомной плоскости (экстраплоскости). Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной
части кристалла относительно другой.
а
б
Рис. 9. Дислокации: а) краевая, б) винтовая
Поверхностные дефекты малы только в одном измерении. Они
представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами
или субзернами в поликристаллическом материале, а также дефекты
упаковки (локальные изменения расположения плотноупакованных
плоскостей в кристалле).
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К объемным дефектам относят такие, которые имеют размеры в
трех измерениях: макроскопические трещины, поры и т. д.
Наличие различных дефектов кристаллической решетки объясняет несоответствие реальной и теоретической прочности металлических материалов. Реальная прочность металлов падает с увеличением
числа дислокаций.
Достигнув
минимального
значения при некоторой плотности дислокаций, реальная прочность возрастает. Такого рода зависимость между реальной прочностью и плотностью дислокаций
(и других несовершенств) схематически показана на рис. 10.
Повышение реальной прочности с возрастанием плотности
дислокаций объясняется тем, что
при этом возрастают не только
параллельные друг другу дислоРис. 10. Прочность кристаллов в
кации, но и дислокации в разных
зависимости от искажений решетки
плоскостях и направлениях. Такие
дислокации будут мешать друг другу перемещаться, а реальная прочность металла повысится.
РЕЗЮМЕ
Все металлы и металлические сплавы – тела кристаллические,
атомы (ионы) расположены в металлах закономерно в отличие от
аморфных тел.
Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких, различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. В процессе кристаллизации они приобретают неправильную форму и называются кристаллитами, или
зернами.
Между ионами и коллективизированными электронами проводимости возникают электростатические силы притяжения, которые
связывают ионы. Такая связь называется металлической.
В металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.
Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для однозначной ее характеристики используются величины:
три ребра (a, b, c) и три угла между осями α, β, γ.
Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую
объемно центрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную
(ГЦК) и гексагональную плотноупакованную (ГПУ).
Расстояния a, b, c между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называются периодами решетки.
Для определения положения атомных плоскостей (проходящих
через атомы) в кристаллических пространственных решетках пользуются индексами h, k, l. Для определения атомных направлений пользуются индексами направлений [uvw].
Неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией.
Дефекты кристаллического строения
точечные
- вакансии
- межузельные
атомы
- примесные
атомы (примеси
замещения, примеси внедрения)
линейные
- дислокации
(краевая, винтовая)
поверхностные
- поверхности
раздела между
зернами
- дефекты упаковки
объемные
- макротрещины
- поры
Наличие различных дефектов кристаллической решетки объясняет несоответствие реальной и теоретической прочности металлических материалов.
Вопросы для повторения
1. Объяснить строение твердых тел. Чем отличаются кристаллические и аморфные тела?
2. В чем отличие кристаллов и кристаллитов (зерен)?
3. Какая связь называется металлической?
4. Что собой представляет кристаллическая решетка? Каковы ее
характеристики? Какие типы кристаллических решеток Вы знаете?
5. Дать определение кристаллографическим плоскостям и
направлениям?
6. Что такое анизотропия, и как она влияет на свойства материала?
7. Какие дефекты кристаллической решетки Вы знаете?
8. Чем вызвано несоответствие реальной и теоретической
прочности металлических материалов?
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
Кристаллизацией называется переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое). Кристаллизация протекает в
условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей энергией Гиббса (свободной энергией) G,
т. е. когда энергия Гиббса кристалла меньше, чем энергия Гиббса жидкой фазы (рис. 11). Если превращение происходит с небольшим изменением объема, то G=U-TS, где U – внутренняя энергия системы, T –
абсолютная температура, S – энтропия.
Выше температуры Тs меньшей
свободной энергией обладает вещество
в жидком состоянии, ниже этой температуры – вещество в твердом состоянии. Тs – есть равновесная (теоретическая) температура кристаллизации,
при которой металл в обоих состояниях находится в равновесии. Для начала
кристаллизации необходимо, чтобы
процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался умень- Рис. 11. Изменение свободной
шением свободной энергии системы.
энергии жидкого (1) и
Это возможно при некотором пере- кристаллического (2) состояния
охлаждении жидкости. Температура, в зависимости от температуры
при которой практически начинается
кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации. Разность между теоретической и фактической температурой
кристаллизации есть величина или степень переохлаждения.
Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах температура – время
(рис. 12).
Охлаждение металла в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры и может быть названо простым охлаждением, так как при этом нет качественного изменения состояния.
При достижении температуры кристаллизации на кривой температура
– время появляется горизонтальная площадка, связанная с выделением
скрытой теплоты кристаллизации. По окончании кристаллизации, т. е.
полного перехода в твердое состояние, температура снова начинает
снижаться, а твердое кристаллическое вещество охлаждается. Теоре-
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тически процесс кристаллизации изображен кривой 1. Кривая 2 показывает реальный процесс кристаллизации с переохлаждением. Кривая
3 иллюстрирует процесс кристаллизации для некоторых металлов, когда из-за большого переохлаждения скрытая теплота выделяется в
первый момент настолько бурно,
что температура кристаллизации
скачкообразно повышается.
Процесс
кристаллизации
состоит из двух элементарных
процессов: возникновение зародышей, или центров кристаллизации и рост кристаллов из этих
центров. Схематически процесс
зарождения и роста кристаллов
показан на рис. 13.
Рис. 12. Кривые охлаждения при криПо мере развития процесса сталлизации: теоретический (1) и рекристаллизации в нем участвует альный (2) процессы кристаллизации,
все большее число кристаллов. (3) – процесс кристаллизации со скачПоэтому процесс вначале ускоря- кообразным повышением температуры
кристаллизации
ется, а затем, когда взаимное
столкновение растущих кристаллов начинает препятствовать их росту,
замедляется. Кроме того, при столкновении и срастании кристаллов их
правильная форма нарушается. Поэтому реальные зерна имеют неправильную форму.
Рис. 13. Модель процесса кристаллизации. Под рисунком указано
время течения процесса в секундах
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Процесс кристаллизации, как уже было сказано
выше, может протекать только при условии уменьшения
свободной энергии.
Поэтому размер возникшего зародыша должен быть
больше некоторого rk (рис. 14),
называемого
критическим
(устойчивым) размером.
Кроме самопроизвольРис. 14. Изменение свободной энергии
ного (гомогенного) образовав зависимости от размера зародыша,
ния зародышей кристаллизаrк – критический размер зародыша
ции может происходить и гетерогенное образование, когда в расплавленном материале присутствуют частички примесей, имеющих одинаковую кристаллическую
решетку с исходным материалом. Эти примесные частицы и будут
центрами кристаллизации.
Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла,
могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще всего в процессе кристаллизации образуются разветвленные (древовидные) кристаллы,
получившие название дендритов (рис. 15).
а
б
Рис. 15. Схема роста кристалла и образования зерна: а – дендрит
с осями I, II, III порядка; б – зерна из дендритов
При образовании кристаллов их развитие идет в основном в
направлении, перпендикулярном к плоскостям с максимальной плотностью упаковки атомов. Это приводит к тому, что первоначально образуются длинные ветви, так называемые оси первого (I) порядка. Одновременно с удлинением осей первого порядка на их ребрах зарождают-
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ся и растут перпендикулярные к ним такие же ветви второго (II) порядка и т. д. Дендритное строение характерно для литого материала.
Структура литого слитка состоит из трех основных зон (рис. 16).
Первая зона – наружная мелкозернистая корка 1, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов – дендритов. При первом соприкосновении со стенками формы в тонком прилегающем слое жидкого металла возникает сильное переохлаждение, сопровождающееся зарождением большого числа центров
кристаллизации, что приводит
к образованию мелкозернистой структуры. Вторая зона –
зона столбчатых кристаллов
2. Степень переохлаждения
меняется. В результате из небольшого числа центров кристаллизации начинают расти
нормально ориентированные к
поверхности корки столбчатые
кристаллы. Третья зона – зона
равноосных кристаллов 3.
Рис. 16. Схема строения стального
слитка: 1 – мелкозернистая корка,
Температура
застывающего
металла почти полностью 2 – столбчатые кристаллы, 3 – равноосные
кристаллы
уравнивается во всем объеме
слитка, что и вызывает образование равноосной структуры.
Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации
сокращается в объеме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными раковинами. Усадочная раковина обычно окружена
наиболее загрязненной частью металла, в котором после затвердевания образуются микро- и макропоры и пузыри.
РЕЗЮМЕ
Кристаллизацией называется переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое). Кристаллизация протекает в
условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию.
Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время – температура.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: возникновение зародышей, или центров кристаллизации и рост
кристаллов из этих центров.
Процесс образования зародышей кристаллизации может происходить самопроизвольно (гомогенное образование), а может идти и по
гетерогенному пути образования.
Чаще всего в процессе кристаллизации образуются разветвленные (древовидные) кристаллы, получившие название дендритов.
Кристаллизовавшийся слиток имеет три основных зоны.
Первая зона – наружная мелкозернистая корка, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов – дендритов. Вторая зона – зона
столбчатых кристаллов. Третья зона – зона равноосных кристаллов.
В процессе кристаллизации происходит образование пустот,
называемых усадочными раковинами. Усадочная раковина обычно
окружена наиболее загрязненной частью металла, в котором после
затвердевания образуются микро- и макропоры и пузыри.
Вопросы для повторения
1. Что такое кристаллизация? В каких условиях происходит
этот процесс? Объяснить термодинамику процесса.
2. Какие элементарные процессы составляют процесс кристаллизации?
3. Что представляют собой образовавшиеся кристаллы? Какие
основные зоны затвердевшего слитка Вы знаете?
4. Какая часть слитка является наиболее загрязненной?
4. ПОЛИМОРФНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или, как их называют, в разных
полиморфных (аллотропических) модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа. Полиморфную модификацию,
устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов
принято обозначать буквой , а при более высокой – , затем  и т. д.
Известны полиморфные превращения для металлов: Fe  Fe ,
Ti Ti , Mn  Mn  Mn  Mn , Sn  Sn , а также для Ca, Li,
Na и многих другим металлов.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Полиморфное превращение протекает вследствие того, что образование новой модификации сопровождается уменьшением свободной энергии системы. В условиях равновесия полиморфное превращение протекает при постоянной температуре (критическая точка) и
сопровождается выделением теплоты, если превращение идет при
охлаждении, или поглощением теплоты в случае нагрева (рис. 17, а).
Рис. 17. Кривая охлаждения металла, имеющего две полиморфные формы:
 – с решеткой ГЦК,  – ОЦК, а – кривая охлаждения, б – схема превращений
структуры
Как и при кристаллизации из жидкой фазы, чтобы полиморфное
превращение протекало, нужно некоторое переохлаждение (или перегрев)
относительно равновесной температуры для возникновения разности свободных энергий между исходной и образующей новой модификациями.
В твердом металле в отличие от жидкого возможно достижение
очень больших степеней переохлаждения. Полиморфное превращение
по своему механизму – кристаллизационный процесс, осуществляемый
путем образования зародышей и последующего их роста (рис. 17, б)
В результате полиморфного превращения образуются новые
кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому
такое превращение называется еще и перекристаллизацией. Поли-
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
морфное превращение сопровождается скачкообразным изменением
всех свойств металла или сплава: удельного объема, теплоемкости,
теплопроводности, электрической проводимости, магнитных, механических и химических свойств.
РЕЗЮМЕ
Полиморфные (аллотропические) модификации – различные
кристаллографические формы одного и того же вещества, возникающие при различных температурах. Полиморфное превращение протекает вследствие того, что образование новой модификации сопровождается уменьшением свободной энергии системы.
Для протекания полиморфного превращения, нужно некоторое
переохлаждение (или перегрев) относительно равновесной температуры для возникновения разности свободных энергий между исходной и
образующей новой модификациями.
Полиморфное превращение по своему механизму – кристаллизационный процесс, осуществляемый путем образования зародышей и
последующего их роста.
В результате полиморфного превращения образуются новые
кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому
такое превращение называется еще и перекристаллизацией. Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением
всех свойств металла или сплава.
Вопросы для повторения
1. Что такое полиморфная модификация?
2. При каких условиях протекает полиморфное превращение?
3. Каков механизм полиморфного превращения?
4. Почему полиморфное превращение называют перекристаллизацией?
5. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Металлы в твердом и отчасти в жидком состоянии обладают рядом характерных свойств: высокой теплопроводностью и электрической проводимостью; положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления. Большое число металлов обладает
сверхпроводимостью (у этих металлов при температуре, близкой к
абсолютному нулю, электрическое сопротивление падает скачкообразно, практически до нуля); термоэлектронной эмиссией, т. е. спо-
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
собностью испускать электроны при нагреве; хорошей отражательной
способностью: металлы непрозрачны и обладают металлическим
блеском; повышенной способностью к пластической деформации.
Наличие этих свойств характеризует так называемое металлическое состояние веществ, обусловленное наличием металлической
связи и кристаллическим строением решетки.
Свойства металлов и сплавов можно разделить на физические,
механические, химические, технологические и эксплуатационные.
К физическим свойствам относятся цвет, плотность, температура плавления, электро- и теплопроводность, магнитные свойства, теплоемкость, расширение и сжатие при нагревании, охлаждении и фазовых превращениях; к химическим – окисляемость, растворимость,
коррозионная стойкость, жароупорность; к механическим – прочность,
твердость, упругость, вязкость, пластичность, хрупкость; к технологическим – прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.
Физические свойства
В авиа-, авто- и вагоностроении масса деталей часто является
одной из важнейших характеристик. Поэтому сплавы титана, магния и
алюминия здесь особенно важны.
Способность плавиться при нагревании используют для получения отливок путем заливки расплавленного металла в формы. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления,
что расплавляются в горячей воде. Такие сплавы применяются для
отливки типографских матриц, в приборах, служащих для предохранения от пожаров и т. д. Примером легкоплавких сплавов может служить сталь Вуда.
Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий)
используются в электромашиностроении, для устройства линей электропередачи, а сплавы с высоким электросопротивлением – для ламп
накаливания, электронагревательных приборов.
Магнитные свойства металлов играют первостепенную роль в
электромашиностроении и приборостроении.
Теплопроводность металлов дает возможность равномерно
нагревать для литья, обработки давлением, термической обработки,
обеспечить пайку и сварку металлов.
Механические свойства. Первым требованием, предъявляемым
ко всякому изделию, является достаточная прочность.
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Прочность – способность материала сопротивляться разрушению
и появлению остаточных деформаций под действием внешних сил.
Твердостью называется сопротивление материала деформации в
поверхностном слое при местном силовом контактном воздействии.
Упругость – свойство материала восстанавливать свою форму
после прекращения действия внешних сил, вызывающих деформацию.
Вязкостью материала называют его способность поглощать механическую энергию и при этом проявлять значительную пластичность вплоть до разрушения.
Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их
давлением (ковать, прокатывать, волочить).
Химические свойства. Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в агрессивных средах. К химическим
свойствам относится также способность к химическому взаимодействию с активными средами и жароупорность.
Технологические свойства. Эти свойства важны при тех или
иных видах обработки.
Эксплуатационные свойства. Многие изделия кроме общей
прочности должны обладать еще особыми свойствами, характерными
для работы данного изделия, например, материалы с особыми упругими свойствами для изготовления пружин, сплавы с малым или заданным коэффициентом теплового расширения для изготовления различных приборов.
Остановимся более подробно на изучении механических
свойств, упругой и пластической деформации, механизме их возникновения и методах исследования механических свойств.
Наличие металлической связи придает материалу способность к
пластической деформации и к самоупрочнению в результате пластической деформации. Поэтому при наличии дефекта в материале возникают концентраторы напряжений и напряжения достигают такой
величины, что может возникнуть трещина. Однако из-за высокой пластичности металл пластически продеформируется, упрочнится и процесс разрушения приостановится. У неметаллов этого не наблюдается.
При достижении напряжением критической величины произойдет
разрушение. Этим обстоятельством и обусловлено то, что металлы
являются надежными конструкционными материалами, способными
выдерживать большие степени нагружения.
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.1. Напряжение и деформация
5.1.1. Напряжение. Тензор напряжений
Многие механические свойства выражаются через величину
напряжений. В механике напряжения обычно рассматриваются как
удельные характеристики сил, возникающих в теле под действием
внешних нагрузок.
В простейшем случае осевого растяжения стержня определяются как
S=P/F,
где S – напряжение в сечении площадью F, перпендикулярном оси
образца, вдоль которой действует сила P.
Размерность МПа или кгс/мм2 (1 кгс/мм2 =9,8 МПа).
В общем случае сила не перпендикулярна плоскости площадки,
на которую она действует. Тогда ее, как любой вектор, можно разложить на две составляющие: нормальную (перпендикулярную к площадке), создающую нормальное напряжение, и касательную, действующую в плоскости площадки и вызывающую касательное напряжение. В механических испытаниях определяют именно эти напряжения. Их же используют в расчетах на прочность. Т. о., процессы при
деформации и разрушении определяются касательными напряжениями (пластическая деформация, разрушение путем среза) и нормальными (разрушение отрывом) (рис. 18).
Рис. 18. Схема определения напряжения (а) и схемы определения
составляющих полного напряжения (б и в)
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Нормальное напряжение в сечении Fa
S=(P/F0 )cos2 ,
а касательное
t= (P/F0 )cos  sin  = ½ (P/F0) sin 2.
Максимальные нормальные растяжения возникают при  =0 ,
т. е. в площадках, перпендикулярных оси растяжения, а касательные
напряжения достигают наибольших значений при =450.
Нормальные напряжения делят на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные).
Если не учитываются изменения величины площадки в процессе
деформации, а напряжение рассчитывают как отношение нагрузки к
исходной площадке сечения, то действующие напряжения называют
условными. Если относят силу к величине фактического сечения, то
такое напряжение называют истинным. В дальнейшем истинные
напряжения будем обозначать символами S (нормальные) и t (касательные), а условные –  и  соответственно. При решении реальных
задач необходимо иметь возможность оценить напряжения, действующие в любом сечении тела. Для этого используют представления о
тензоре напряжений.
Внутри тела, находящегося под действием напряжений, всегда
можно выделить бесконечно малый параллелепипед, ребра которого
параллельны произвольно выбранным осям координат. В общем случае на три его непараллельные грани действуют взаимно уравновешенные векторы напряжений, которые можно разложить на нормальные и касательные составляющие. В результате параллелепипед находится под действием девяти напряжений: трех нормальных (Sx ,Sy , Sz)
и шести касательных (txy ,t xz , t yz , tzy , t zx ,t yx) (рис. 19). Совокупность этих
напряжений и есть тензор напряжений, который записывается как
S
 x
S    t yx
t
 zx
t xy
t xz 
Sy
t yz 
t zy

Sz 
Чтобы выбранный параллелепипед находился в равновесии,
необходимо равенство моментов относительно координатных осей. Поэтому по закону парности касательных напряжений тензор содержит
фактически не девять, а шесть независимых напряжений. С помощью
их можно охарактеризовать любое сложное напряженное состояние.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тензор позволяет определить величину нормальных и касательных напряжений в любой площадке, проходящей
через данную точку тела, если известны ее направляющие косинусы (косинус угла между нормалью к площадке
и соответствующей осью координат)
относительно выбранных координатных осей.
В теории упругости доказывается, что при любом напряженном
состоянии через каждую точку тела
можно провести, по меньшей мере, Рис. 19. Взаимно уравновешентри взаимно перпендикулярные пло- ные напряжения, действующие
на грани параллелепипеда
щадки, на которых касательные
напряжения нулевые и, следовательно, действуют только нормальные напряжения. Такие площадки и
направления нормалей к ним называются главными площадками и
главными направлениями напряжений, а действующие на этих площадках напряжения – главными нормальными напряжениями. При
механических испытаниях главные направления напряжений обычно
заранее известны, и их можно выбрать в качестве координатных осей.
Тогда тензор напряжений упрощается до вида
 S1

S    0

 0

0
S2
0
0 

0 

S 3 
При таком упрощенном тензоре напряжений нормальные и касательные напряжения в заданной площадке с направляющими косинусами аx, ay, az рассчитывают как
S  a x2 S1  a 2y S 2  a z2 S3 ;
2
t 2  a x2 S12  a 2y S 22  a z2 S32  a x2 S1  a 2y S 2  a z2 S3 .
Как уже отмечалось, максимальные касательные напряжения
действуют на площадках, расположенных под углом 450 к главным
осям. Их величина равна полуразности соответствующих главных
нормальных напряжений

30

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
t max  ( S max  S min ) / 2.
Главные касательные напряжения, действующие на трех взаимно перпендикулярных площадках, расположенных под углом 450 к
главным осям, рассчитывают по формулам
t1  ( S 2  S3 ) / 2, t 2  ( S1  S3 ) / 2, t3  ( S1  S 2 ) / 2.
5.1.2. Деформации. Тензор деформаций
Под действием внешних нагрузок происходит деформация, в результате которой могут изменяться форма и размеры тела. Деформации, исчезающие после снятия напряжений, называют упругими, а сохраняющиеся после прекращения действия внешних напряжений –
остаточными. Остаточная деформация, происходящая без разрушения, называется пластической.
По результатам механических испытаний оценивают различные
характеристики упругой, а чаще остаточной деформации. Наиболее широко используют следующие характеристики деформации: удлинение
(укорочение), сдвиг и сужение (уширение) образцов (рис. 20). Увеличение длины образца в результате деформации обычно характеризуется
относительным удлинением , %:
=(lк – lо) 100/lо =∆l 100/lо
где lo и lk – начальная и конечная
длины, ∆l – абсолютное удлинение.
Истинное относительное
удлинение
lk
e   dl / l  ln( l / l ).
k 0
l
0
В области малых деформаРис. 20. Удлинение (а) и сдвиг (б)
ций  ≈ е. Разница между этими
при деформации
величинами растет с увеличением степени деформации.
Удлинение и укорочение образца обычно происходят под действием нормальных напряжений. Касательные напряжения вызывают
сдвиговые деформации, которые определяются по углу сдвига  или
по величине относительного сдвига g=tg . Совокупность удлинений
и сдвигов – тензор деформации – по аналогии с тензором напряжений
характеризует любое деформированное состояние в данной точке и
позволяет определять е в любом направлении и g в любой плоскости.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В общем случае тензор деформаций характеризуется девятью
компонентами – тремя удлинениями и шестью сдвигами:
 e
x


g   1 / 2 g yx
1 / 2 g
zx

1 / 2 g xy
1 / 2 g xy 
ey
1 / 2 g yz 
1 / 2 g zy
ez


В случае, если три главных направления деформации (в которых
сдвиги равны нулю) заранее известны и их можно совместить с координатами осями, тензор деформации характеризуется совокупностью
трех главных удлинений.
e
 1
g    0
0

0
e
2
0
0 
0 
e 
3
где е1 и е3 – наибольшее и наименьшее удлинение.
Третьей широко используемой характеристикой деформации
является относительной сужение , %
 = (F0 – FK) 100/Fo
где F0 и Fk – начальная и конечная площади поперечного сечения образца.
Как и ,  – это условная характеристика деформации, ибо площадь сечения непрерывно меняется в процессе испытания. Истинное
относительное сужение можно рассчитать как
Fk
   dF / F  ln( Fk / F0 )
F0
.
5.1.3. Схемы напряженного и деформированного состояния
при механических испытаниях различных видов
Результаты механических испытаний в значительной мере определяется схемой напряженного состояния, которая задается в образце
условиями его нагружения. Один и тот же материал может проявлять
резко различные характеристики прочности и пластичности, если его
испытывают при различных схемах напряженного состояния. Всего
существует 8 схем (табл. 1).
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1
Схемы напряженного состояния (по Я. Б. Фридману)
Объемное
Плоское
Линейное
Напряженное состояние
Схема напряженного
состояния
Тензор напряжений
Примеры
реализации
Одноосное
растяжение
 S1 0 0 


(S)   0 0 0 , S1  0
 0 0 0


Испытание на растяжение образцов без
надрезов
Одноосное
сжатие
0 0 0 


(S)   0 0 0 , S 3  0
0 0 S 
3

Испытания на сжатие
(при отсутствии трения на торцах)
Двухосное
растяжение
 S1 0 0 


(S)   0 S 2 0 , S1  0, S 2  0
 0 0 0


Двухосное
сжатие
0 0 0 


(S)   0 S 2 0 , S 2  0, S 3  0
0 0 S 
3

Изгиб широкого образца. Тонкостенный
цилиндр, подвергаемый
внутреннему
давлению и осевому
растяжению
Кольцевое
сжатие
образцов по боковой
поверхности
Разноименное
плоское
напряженное
состояние
 S1 0 0 


(S)   0 0 0 , S1  0, S 3  0
0 0 S 
3

Кручение цилиндрического стержня
Трехосное
растяжение
 S1 0 0 


(S)   0 S 2 0 , S1  0, S 2  0,
0 0 S 
3

S3  0
Гидростатическое
растяжение в центре
нагреваемого шара
Трехосное
сжатие
 S1 0 0 


(S)   0 S 2 0 , S1  0, S 2  0,
0 0 S 
3

Гидростатическое
сжатие. Испытание на
твердость вдавливанием индентора
S3  0
Разноименное
объемное
напряженное
состояние
 S1

(S )   0
0

S3  0 или
33
0 0

S 2 0 , S1  0, S 2  0,
0 S3 
S1  0, S 2  0, S3  0
Растяжение образца с
шейкой под гидростатическим давлением
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Помимо напряженного, большое значение при механических
испытаниях имеет деформированное состояние, возникающее в материале образца. Иногда схемы напряженного и деформированного состояния совпадают (гидростатическое сжатие, кручение цилиндрического стержня).
Однако, во многих случаях испытаний деформированное состояние гораздо сложнее, чем напряженное.
Например, при одноосном растяжении гладкого образца возникает линейная схема напряженного состояния, но объемное деформированное состояние.
Схема напряженного состояния влияет на механические свойства и, особенно, на характеристики деформации (пластичности) через
соотношение сжимающих и растягивающих напряжений.
5.1.4. Упругая и пластическая деформация
Приложение к материалу напряжения вызывает деформацию.
Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки,
и пластической, остающейся после снятия нагрузки.
Приложение сколь угодно малого напряжения вызовет деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и
величина их находится в прямой зависимости от напряжения.
Пластическая и упругая деформация имеют глубокое физическое
различие. При упругой деформации под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие
нагрузки устраняет причину, вызывающую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.
При пластической деформации одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. После снятия нагрузки деформация сохраняется. Кроме того, пластическое деформирование сопровождается
дроблением блоков мозаики внутри зерен, при значительных степенях
деформации наблюдается и изменение формы зерен, и их расположение в пространстве.
Рассмотрим теперь механизмы деформации. Как уже говорилось, упругая деформация – изменение расстояния между атомами
под действием внешних сил. Упругая деформация не вызывает никаких последствий в материале.
5.1.5. Механизм пластической деформации
Как отмечалось выше, пластическая деформация представляет
собой процесс сдвига части кристалла по отношению к другой.
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Можно было бы предположить, что все атомы одновременно
смещаются в плоскости скольжения (AA) (рис. 21) под действием
нагрузки. Усилие, которое необходимо затратить, можно рассчитать.
Однако, для железа, например, рассчитанный (теоретический) предел
текучести 13000 МПА, а в действительности для мягкого железа составляет примерно 150 МПА. Для объяснения такого явления была
создана теория дислокаций. Теория дислокаций описывает причину
низкой прочности реальных кристаллов. Она достигла полного признания, когда удалось получить бездислокационные кристаллы, так
называемые «усы». Длина данного кристалла достигает нескольких
миллиметров, а диаметр порядка одного микрометра (10-6 м).
Рис. 21. Схема пластического сдвига в идеальной кристаллической решетке:
а, б, в– стадии процесса, АА – плоскость скольжения
Рассмотрим дислокационный механизм пластической деформации.
Дислокация под действием силы перемещается направо только вследствие того, что изменяется «соседство» атомов по обе стороны от плоскости АА (рис. 22). В конце концов, дислокация выйдет на поверхность
кристалла. Описанный процесс происходит гораздо легче, чем одновременный сдвиг всех атомов. Таким образом, процесс сдвига в металле будет происходить тем легче, чем больше дислокаций в материале.
Рис. 22. Дислокационная схема пластического сдвига:
а, б, в – стадии процесса, АА – плоскость скольжения
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Как уже говорилось выше, реальная прочность металлов с увеличением плотности дислокаций падает только вначале. Достигнув максимального значения, реальная прочность начинает возрастать. Это объясняется дислокационным механизмом пластической деформации.
На рис. 23 показано изменение деформации в зависимости от
напряжения. На кривой упругая деформация характеризуется кривой
ОА и ее продолжением (штриховая линия).
Выше точки А нарушается пропорциональность между
напряжением и деформацией.
Напряжение уже вызывает не
только упругую, но и пластическую деформацию. Величина ее
равна горизонтальному отрезку
от штриховой линии по сплошной кривой.
Кривая ОАВ характеризует механические свойства
металлов:
Жесткость – наклон
Рис. 23. Изменение деформации в завипрямой ОА – характеристика
симости от напряжения
того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризуют силы межатомного притяжения.
Модуль нормальной упругости (модуль Юнга) Е – тангенс угла
наклона прямой ОА (отношение / – напряжения к относительной
упругой деформации). Напряжение А соответствует моменту появления пластической деформации. В технических измерениях принята
характеристика, именуемая пределом текучести 0,2 (напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от длины образца).
Максимальное напряжение В называют пределом прочности.
Величина пластической деформации, предшествующая разрушению и определяемая как относительное изменение длины – относительное удлинение  (или относительное сужение ) – характеризует пластичность металла. Площадь под кривой ОАВ пропорциональна работе, которую надо затратить, чтобы разрушить металл. Этот
показатель, определяемый различными способами, характеризует вязкость материала.
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для некоторых материалов характерно наличие площадки (и зуба) текучести. Различают физический Т (когда площадка есть) и
условный 0,2 пределы текучести.
Чем меньшую деформацию вызывает напряжение, тем жестче
материал. Модуль упругости характеризует жесткость материала. Различают три вида модулей упругости: модуль нормальной упругости
(модуль Юнга) E и модуль касательной упругости (модуль сдвига или
модуль Гука) G, модуль объемной упругости K. Для железа Е=210
ГПа, G= 79 ГПа. Это константы материала.
5.2. Классификация механических испытаний
Классификация осуществляется по двум принципам. Во-первых,
по схеме напряженного и деформированного состояния. Во-вторых,
по характеру нагружения образца.
По характеру нагружения испытания делят на статические, динамические и циклические. Статические нагрузки медленно возрастают (секунды, минуты). При динамических испытаниях возрастание
нагрузки происходит за очень короткий срок. Циклические нагрузки
характеризуются многократными изменениями по направлению и величине нагрузки. Наиболее важны следующие виды статических испытаний, отличающихся схемой приложения нагрузок к образцу: одноосное растяжение, одноосное сжатие, изгиб, кручение, растяжение и
изгиб образцов с надрезом и трещиной.
В результате динамических испытаний определяют величину
полной или удельной работы динамической деформации, а также величину остаточной деформации образца. Динамические испытания
обычно проводят по схеме изгиба.
При испытаниях на усталость определяют число циклов до разрушения при различных значениях напряжений.
Помимо рассмотренных, есть еще две группы испытаний. К
первой относятся испытания на твердость, в которых определяют сопротивление деформации поверхностных слоев образца при взаимодействии с другим телом – индентором. Большинство испытаний на
твердость – статические. Вторая группа – испытания на ползучесть и
длительную прочность. Обычно проводятся при повышенных температурах и постоянной нагрузке. При испытании на ползучесть определяют величину деформации в зависимости от времени при разных
напряжениях, при испытаниях на длительную прочность оценивают
время до разрушения под действием различных напряжений.
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.3. Условия подобия механических испытаний
Большинство характеристик механических свойств металлов не
является физическими константами. Они в сильной степени зависят от
условий проведения испытаний. Поэтому нельзя судить о свойствах
металлических материалов по данным механических испытаний, которые проводятся разными исследователями по разным методикам.
Необходимо соблюдать определенные условия подобия испытаний.
Для соблюдения условий подобия образцы следует подвергать
испытаниям при одинаковой схеме напряженного состояния и в одинаковых физических условиях. Отсюда следует необходимость соблюдения трех видов подобия:
1) геометрического (форма и размер образца),
2) механического (схема и скорость приложения нагрузки),
3) физического (внешние физические условия).
5.4. Статистическая обработка результатов
механических испытаний
Характеристики механических испытаний являются среднестатистическими величинами, дающими суммарную, математически
наиболее вероятную характеристику всего объема образца, который
принимает участие в исследовании. Основные задачи статистической
обработки результатов – оценка среднего значения свойств и ошибки
в определении этого среднего, а также выбор минимально необходимого числа образцов для оценки среднего с заданной точностью
(ГОСТ 8.207-76).
5.5. Разрушение
Для конструкционного материала требуется не только высокое
сопротивление деформации, но и высокое сопротивление разрушению.
Обычно сопротивление деформации (упругой и пластической)
объединяют в общее понятие прочность, а сопротивление разрушению – надежность. Если разрушение происходит не за один, а за несколько актов нагружения, причем за каждый акт происходит микроразрушение (износ, усталость, коррозия, ползучесть), то это характеризует долговечность материала.
Высококачественный конструкционный материал должен быть
одновременно прочным, надежным и долговечным.
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.6. Наклеп
С увеличением степени пластической деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации (предел прочности В,
предел текучести 0,2 и т. д.) повышаются, а способность к пластической деформации (относительное удлинение  уменьшается (рис. 24).
Это явление получили название наклепа.
Рис. 24. Изменение механических свойств меди (а) и алюминия (б)
в зависимости от степени пластической деформации
Упрочнение металла в процессе пластической деформации
(наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического
строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение
плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение
дислокаций, а, следовательно, повышает сопротивление деформации и
уменьшает пластичность.
5.7. Влияние нагрева на строение и свойства деформированного
металла (рекристаллизационные процессы)
Большая часть работы (до 95 %), затрачиваемой на деформацию
металла, превращается в теплоту (металл нагревается). Остальная
часть энергии аккумулируется в металле в виде повышенной плотности дефектов кристаллического строения (вакансий, дислокаций и
т. д.). Такое состояние наклепанного материала термодинамически
неустойчиво. При нагреве такого металла в нем протекают процессы
возврата, полигонизации и рекристаллизации, после которых происходит возвращение всех свойств к свойствам металла до деформации.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Возврат, полигонизация и рекристаллизация
При нагреве до температур ниже (0,2–0,3) от температуры плавления Тпл начинается процесс возврата, под которым понимают снятие искажений кристаллической решетки, которые произошли в деформированном образце до нагрева. В процессе возврата происходит уменьшение точечных дефектов и некоторая перегруппировка дислокаций. В результате
этого прочность материала понижается, а пластичность увеличивается.
Наряду с возвратом может протекать и процесс полигонизации, в результате которого беспорядочно расположенные внутри зерна дислокации собираются, образуя сетку (рис. 25) и создавая ячеистую структуру.
При более высоких
температурах, чем возврат и
полигонизация,
может
начаться процесс образования новых зерен – рекристаллизация. Температура
рекристаллизации Трек находится в зависимости от темРис. 25. Образование дислокационной сетки пературы плавления Т :
пл
(полигонизация): а – до полигонизации,
Трек = а Тпл (а – коэффициб – после полигонизации
ент, зависящий от степени
чистоты металла; у металлов технической чистоты а=0,3-0,4).
Рекристаллизация происходит в две стадии. Схема изменения
строения наклепанного металла при нагреве показана на рис. 26. Процессы первичной и вторичной рекристаллизации имеют ряд особенностей. При первичной рекристаллизации происходит превращение вытянутых вследствие пластической деформации зерен в мелкие округлой формы беспорядочно ориентированные зерна. Вторичная (или
собирательная рекристаллизация) заключается в росте зерен и протекает при более высоких температурах, чем первичная. Возможны три
существенно различных механизма роста зерна: 1) зародышевый –
состоящий в том, что после первичной рекристаллизации вновь возникают зародышевые центры новых кристаллов, которые затем растут; 2) миграционный – состоящий в перемещении границы зерна и в
увеличении его размеров; 3) слияние зерен – состоящее в постепенном
«растворении» границ зерен и объединении многих мелких зерен в
одно крупное. По какому механизму будет идти рекристаллизационный процесс, зависит от температуры.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 26. Схема изменения строения металла при нагреве
Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Дело в том, что в процессе рекристаллизации происходит изменение структуры и, следовательно, свойств материала. При первичной рекристаллизации зерно становится мелким, имеющим равноосную структуру. Так, после первичной рекристаллизации восстанавливается начальная (до деформации) пластичность материала и происходит уменьшение прочностных характеристик. Образование крупных
зерен, а также разнозернистой структуры (наличие и крупных, и мелких зерен одновременно) при вторичной рекристаллизации не способствует получению стабильных и высоких свойств материала. Поэтому
необходимо регулировать температуру, при которой проходят те или
иные процессы рекристаллизации, не допуская возникновения нежелательной структуры, а, следовательно, и свойств.
РЕЗЮМЕ
Наличие металлических свойств характеризует так называемое
металлическое состояние веществ, обусловленное наличием металлической связи и кристаллическим строением решетки.
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Прочность – способность материала сопротивляться разрушению
и появлению остаточных деформаций под действием внешних сил.
Твердостью называется сопротивление материала деформации в
поверхностном слое при местном силовом контактном воздействии.
Упругость – свойство материала восстанавливать свою форму
после прекращения действия внешних сил, вызывающих деформацию.
Вязкостью материала называют его способность поглощать механическую энергию и при этом проявлять значительную пластичность вплоть до разрушения.
Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их
давлением (ковать, прокатывать, волочить).
Многие механические свойства выражаются через величину
напряжений. В механике напряжения обычно рассматриваются как
удельные характеристики сил, возникающих в теле под действием
внешних нагрузок.
В простейшем случае осевого растяжения стержня определяются как
S=P/F,
где S – напряжение в сечении площадью F, перпендикулярном оси образца,
вдоль которой действует сила P.
Размерность МПа или кгс/мм2 (1 кгс/мм2 =9,8 МПа).
В общем случае сила не перпендикулярна плоскости площадки,
на которую она действует. Процессы при деформации и разрушении
определяются касательными напряжениями (пластическая деформация, разрушение путем среза) и нормальными (разрушение отрывом).
Нормальное напряжение в сечении Fa
S=(P/F0 )cos2 ,
а касательное
t= (P/F0 )cos  sin  = ½ (P/F0) sin 2.
Максимальные нормальные растяжения возникают при  =0 , а
максимальные касательные напряжения – при =450.
Нормальные напряжения делят на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные); а также на условные и истинные. Истинные напряжения будем обозначать символами S (нормальные) и t (касательные), а условные –  и  соответственно.
Для оценки напряжений, действующих в любом сечении тела,
используется тензор напряжений.
Совокупность трех нормальных (Sx ,Sy , Sz) и шести касательных
(txy ,t xz , t yz , tzy , t zx ,t yx) напряжений – есть тензор напряжений, который
записывается как
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
S
 x
S    t yx
t
 zx
t xy
t xz 
Sy
t yz 
t zy

Sz 
Под действием внешних нагрузок происходит деформация, в результате которой могут изменяться форма и размеры тела. Деформации, исчезающие после снятия напряжений, называют упругими, а сохраняющиеся после прекращения действия внешних напряжений –
остаточными. Остаточная деформация, происходящая без разрушения, называется пластической.
По результатам механических испытаний оценивают различные
характеристики упругой, а чаще остаточной деформации. Наиболее
широко используют следующие характеристики деформации: удлинение (укорочение), сдвиг и сужение (уширение) образцов. Эти величины могут также быть относительными или истинными.
Результаты механических испытаний в значительной мере определяется схемой напряженного состояния, которая задается в образце
условиями его нагружения. Всего существует 8 схем.
Зависимость между деформациями и напряжениями выражается
кривой деформации – напряжения. С помощью нее можно определить
основные прочностные характеристики материала.
Классификация механических испытаний:
– по схеме напряженного и деформированного состояния (см.
табл. 1);
– по характеру нагружения образца (статические, динамические
и циклические);
– испытания на твердость;
– испытания на ползучесть и длительную прочность.
Большинство характеристик механических свойств металлов не является физическими константами. Следует соблюдать три вида подобия:
1) геометрическое (форма и размер образца);
2) механическое (схема и скорость приложения нагрузки);
3) физическое (внешние физические условия).
Для конструкционного материала требуется не только высокое сопротивление деформации, но и высокое сопротивление разрушению.
Сопротивление деформации (упругой и пластической) объединяют в общее понятие прочность, а сопротивление разрушению –
надежность. Если разрушение происходит не за один, а за несколько
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
актов нагружения, причем за каждый акт происходит микроразрушение (износ, усталость, коррозия, ползучесть), то это характеризует
долговечность материала.
С увеличением степени пластической деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации повышаются, а способность к пластической деформации. Это явление получили название
наклепа.
В зависимости от температуры при нагреве в материалах происходят процессы возврата, полигонизации и рекристаллизации.
Рекристаллизация делится на две стадии – первичную и вторичную (собирательную).
Вопросы для повторения
1. Назовите основные свойства металлов и сплавов.
2. Какие механические свойства материалов Вы знаете? Охарактеризуйте их.
3. Что такое напряжение и деформация? Как они выражаются в общем случае?
4. Дать определение тензору напряжений и тензору деформаций.
5. Что такое нормальные и касательные напряжения и как они
выражаются?
6. Что такое условные и истинные значения напряжений и деформаций?
7. Какие деформации называют упругими, а какие остаточными?
8. Объяснить механизм пластической деформации.
9. Дать классификацию механическим испытаниям.
10. Какие условия подобия необходимо соблюдать при проведении механических испытаний?
11. Что такое наклеп?
12. Объяснить процессы, проходящие при нагреве металла (возврат, полигонизация, рекристаллизация).
6. ТЕОРИЯ СПЛАВОВ
Под сплавом подразумевают вещество, полученное сплавлением
двух или более элементов. Строение металлического сплава более
сложно, чем чистого металла и зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, образующие сплав. Введем несколько
понятий, которые будут использоваться далее.
Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой. Фазой называют однородные составные части систе-
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от составных
частей поверхности раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в металлах и сплавах.
6.1. Механическая смесь
Механическая смесь двух компонентов А и В образуется тогда,
когда они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии
и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.
При этих условиях сплав будет состоять из кристаллов А и В. Механические свойства зависят от количественного соотношения компонентов, а также от размера и формы зерен.
6.2. Химическое соединение
Для химического соединения характерны следующие отличительные особенности:
1) Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение.
2) В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение его компонентов. Это позволяет выразить их состав простой формулой AmBn, где А и В – соответствующие элементы, n и m – простые
числа.
3) Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов.
4) Температура плавления (диссоциации) постоянная.
5) Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.
Химические соединения образуются между компонентами,
имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.
В качестве примера типичных химических соединений можно
назвать такие, как соединения магния с элементами IV–VI групп периодической системы: Mg2Sn, Mg2Pb, Mg2P, Mg3Sb, MgS и другие.
Соединения одних металлов с другими носят общее название
интерметаллических соединений, или интерметаллидов.
Соединения металла с неметаллом (нитриды, оксиды, карбиды и др.)
могут иметь как металлическую, так и ионную связь. Соединения, имеющие металлическую связь, называют металлическими соединениями.
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, отличается от типичных химических соединений, так как не подчиняется законам валентности и не имеет постоянного состава. Рассмотрим наиболее важные химические соединения,
образующиеся в сплавах.
6.2.1. Фазы внедрения
Переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo и др.) образуют с углеродом, азотом, бором и водородом, т. е. с элементами, имеющими малый
атомный радиус, соединения: карбиды, нитриды, бориды и гидриды.
Они имеют общность строения и свойств и часто называются фазами
внедрения.
Фазы внедрения имеют формулу М4Х (Fe4N, Mn4N и др.), M2X
(W2C, Fe2N и др.), MX (WC, TiC,TiN и др.).
Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (Rx) и металла (RM). Если Rx/
RM <59, то атомы в этих фазах расположены по типу одной из кристаллических решеток: кубической или гексагональной, в которую
внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.
Фазы внедрения являются фазами переменного состава. Карбиды и Нитриды обладают высокой твердостью. Кристаллическая решетка фаз внедрения отличается от решетки металла.
6.2.2. Электронные соединения (фазы Юм-Розери)
Эти соединения чаще образуются между одновалентными (Cu,
Ag, Au, Li, Na) металлами или металлами переходных групп (Fe, Mn,
Co и др.), с одной стороны, и с простыми металлами с валентностью
от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.), с другой стороны. Соединения этого типа имеют определенное соотношение числа валентных электронов к числу атомов, т. е. определенную электронную концентрацию.
Эти соотношения, как показал английский металлофизик Юм-Розери,
могут быть 3/2, 21/13 и 7/4, причем каждому соотношению соответствует определенная кристаллическая решетка: объемно центрированная кубическая или гексагональная решетка, сложная кубическая решетка и гранецентрированная кубическая решетка, соответственно.
6.2.3. Фазы Лавеса
Эти фазы имеют формулу АВ2 и образуются между элементами,
атомные диаметры которых находятся примерно в соотношении 1:1,2.
Например, MgZn2, TiCr2 и др. Фазы Лавеса встречаются как упрочняющие интерметаллиды в жаропрочных сплавах.
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.3. Твердые растворы
Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы
других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого
компонента (растворителя), изменяя ее размеры. Таким образом, твердый раствор, состоящий из нескольких компонентов, имеет один тип
решетки и представляет собой одну фазу. Кроме того, твердый раствор существует не при определенном соотношении компонентов (как
в химическом соединении), а в интервале концентраций.
Различают твердые растворы замещения, внедрения и вычитания.
При образовании твердых растворов замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке (рис. 27, б).
При образовании твердого раствора внедрения (рис. 27, в) атомы растворенного компонента располагаются в межузлиях (пустотах)
кристаллической решетки растворителя.
Рис. 27. Кристаллическая решетка ОЦК: а – чистый металл, б – твердый
раствор замещения, в – твердый раствор внедрения; А – атомы основного
металла, В – атомы замещения, С – атомы внедрения
Металлы могут в той или иной степени взаимно растворяться
друг в друге в твердом состоянии, образуя твердые растворы замещения с ограниченной или неограниченной растворимостью. Твердые
растворы с неограниченной растворимостью образуются при следующих условиях:
1) Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристаллическими решетками.
2) Различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать 10-15%.
3) Компоненты должны принадлежать к одной и той же (или
родственной) группе периодической системы элементов.
В некоторых сплавах (например, Cu-Au, Fe-Al), образующих
при высоких температурах растворы замещения (с неупорядоченным
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чередованием атомов компонентов), при медленном охлаждении или
длительном нагреве при определенных температурах протекает процесс перераспределения атомов. Твердые растворы, устойчивые при
сравнительно низких температурах, получили название упорядоченных твердых растворов, или сверхструктур. Упорядоченные твердые
растворы можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями. В отличие от химических соединений кристаллическая решетка упорядоченных твердых
растворов представляет собой решетку растворителя. Образование
упорядоченных твердых растворов сопровождается изменением физических и механических свойств. Прочность обычно возрастает, а пластичность падает.
Способность к образованию твердых растворов присуща не
только чистым элементам, но и химическим соединениям. В этих случаях сохраняется кристаллическая решетка химического соединения,
но избыточное количество атомов одного из компонентов может заменять какое-то количество атомов другого компонента. Кроме того,
при этом в отдельных узлах могут появляться незанятые места – пустоты. Твердые растворы на базе химических соединений, образование которых сопровождается появлением пустых мест в узлах решетки, называются растворами вычитания.
РЕЗЮМЕ
Под сплавом подразумевают вещество, полученное сплавлением
двух или более элементов.
Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой. Фазой называют однородные составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от составных
частей поверхности раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в металлах и сплавах.
Компоненты в сплаве могут образовывать механические смеси, химические соединения или твердые растворы.
Механическая смесь двух компонентов образуется тогда, когда
они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не
вступают в химическую реакцию с образованием соединения.
Химические соединения образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток. Строение и свойства химического соединения отличаются от строения и свойств создавших его компонентов.
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наиболее важные химические соединения, образующиеся в
сплавах:
– Фазы внедрения;
– Электронные соединения (фазы Юм-Розери);
– Фазы Лавеса.
Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы
других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого
компонента (растворителя), изменяя ее размеры.
Различают твердые растворы замещения, внедрения и вычитания.
Вопросы для повторения
1. Что такое сплав?
2. Дать определение терминам «фаза», «система», «структура».
3. Когда в сплаве образуется механическая смесь компонентов,
а когда – химическое соединение?
4. Что такое твердые растворы? Какие виды твердых растворов Вы знаете?
7. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава. Диаграммы состояния строят для условий
равновесия или условий, достаточно близких к ним. Поэтому диаграмма состояния может также называться диаграммой равновесия.
Равновесное состояние соответствует минимальному значению
свободной энергии. Этого состояния можно достичь при отсутствии
перегрева или переохлаждения сплава. Диаграмма состояния представляет собой теоретический случай, т. к. равновесные превращения
(без переохлаждения или перегрева) на практике не могут совершаться. Обычно на практике используются превращения, происходящие
при малых скоростях нагрева или охлаждения.
Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз могут
быть выражены в математической форме в виде правила фаз или закона Гиббса.
Правило фаз дает количественную зависимость между степенью
свободы системы и количеством фаз компонентов.
Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают
число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе.
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Правило фаз.
С= k – f + 2
где С – число степеней свободы, k – число компонентов, f – число фаз,
2 – число внешних факторов.
Правило фаз справедливо только для равновесного состояния.
Независимыми переменными в уравнении правила фаз являются
концентрация, температура и давление. Если принять, что все превращения в металле происходят при постоянном давлении, то число
переменных уменьшится на единицу.
С= k – f + 1
Пример. Посмотрим, как изменяется степень свободы однокомпонентной системы (k=1) для случая кристаллизации чистого металла. Когда металл находится в жидком состоянии, т. е. f =1 (одна фаза – жидкость), число степеней свободы равно 1. Температура в данном случае
может изменяться, не изменяя агрегатного состояния. В момент кристаллизации f =2 (две фазы – твердая и жидкая), С=0. Это значит, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре (температура плавления), и она не может быть изменена до тех пор, пока одна
фаза не исчезнет, т. е. система не станет моновариантной (C=1).
7.1. Общие сведения о построении диаграмм состояния
Диаграмма состояния показывает изменение состояния в зависимости от температуры (давление постоянно) и концентрации.
Если система однокомпонентна, то диаграмма состояния будет
представлена в виде одной оси – шкалы температур, и соответствующие точки на прямой покажут равновесную температуру изменения
агрегатного состояния вещества (рис 28, а).
Если в системе два компонента, то вторая ось покажет концентрацию сплава. Диаграмму в этом случае строят в двух измерениях:
температура и концентрация. По оси ординат откладывают температуру, по оси абсцисс – концентрацию. Общее содержание обоих компонентов в сплаве равно 100%, каждая точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию каждого компонента (рис. 28, б).
В точке С 40% компонента В и 60% компонента А. По мере удаления от точки А увеличивается количество компонента В. Крайние
ординаты на диаграмме соответствуют чистым компонентам, а ординаты между ними – двойным сплавам.
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 28. Координаты для изображения диаграммы состояния:
а) однокомпонентной системы, б) двухкомпонентной системы
Диаграмма состояния сплавов с тремя компонентами имеет пространственный вид (две оси концентрации, одна – температур). Четырехкомпонентную систему и системы с большим числом компонентов
изображают в виде пространственных диаграмм, но с некоторыми
упрощениями.
Каждая точка на диаграмме состояния показывает состояние
сплава данной концентрации при данной температуре. Каждая вертикаль соответствует изменению температуры определенного сплава.
Изменение фазового состояния сплава отмечается на диаграмме точкой. Линии, соединяющие точки аналогичных превращений, разграничивают на диаграмме области аналогичных фазовых состояний.
Вид диаграммы состояния зависит от того, как реагируют оба
компонента друг с другом в твердом и жидком состоянии, т. е. растворимы ли они в твердом и жидком состояниях, образуют они химические соединения и т. д.
7.2. Типы диаграмм состояния
7.2.1. Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (I рода)
Оба компонента в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химических
соединений.
Общий вид диаграммы состояния I рода показан на рис. 29.
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Компоненты: вещества А и В (k=2).
Фазы: жидкость,
кристаллы А и кристаллы В (максимальное
значение f=3).
Линия АСВ – линия ликвидус – начало
кристаллизации, DCE –
линия солидус – конец
кристаллизации. На линии АС начинают при
охлаждении выделяться
Рис. 29. Диаграмма состояния для сплавов,
кристаллы А, а на линии
образующих механические смеси из чистых
СВ – кристаллы В. На
компонентов (I рода)
линии DCE из жидкости
концентрации С одновременно выделяются кристаллы А и В.
На рис. 30 показаны кривые охлаждения для сплавов I, II, III.
Рис. 30. Кривые охлаждения сплавов: а – доэвтектического,
б – эвтектического, в – заэвтектического
Кривая охлаждения доэвтектического сплава (сплав I).
Вначале охлаждается жидкий расплав (до т. 1). Затем из жидкого расплава начинают выделяться кристаллы А (до т. 2). Участок 2–2/
совместно выделяются кристаллы А и В. Потом происходит охлаждение твердого тела.
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На рисунках рядом с кривыми охлаждения показано схематически строение сплавов в разные моменты кристаллизации. Из жидкости
(левый рисунок) выделяются кристаллы А, затем оставшаяся жидкость
кристаллизуется с одновременным выделением кристаллов А и В.
На крайнем правом рисунке показана структура уже закристаллизовавшегося металла. Видны первичные выделения кристаллов А и
механическая смесь кристаллов А и В.
Механическая смесь двух и более видов кристаллов, кристаллизующихся одновременно, называется эвтектикой.
Кривая охлаждения сплава эвтектической концентрации (сплав
II) показывает следующие стадии: охлаждение жидкого расплава, кристаллизация эвтектики, охлаждение закристаллизовавшегося сплава.
Кривая охлаждения заэвтектического сплава (III) иллюстрирует:
охлаждение жидкости, выделение кристаллов В из расплава, кристаллизация эвтектики (А+В), охлаждение закристаллизовавшегося сплава.
Правило отрезков
В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз, и
количество каждой фазы. В любой точке диаграммы, когда в сплаве
одновременно существуют две фазы, можно определить количественное соотношение обеих фаз и их концентрацию. Для этого пользуются
правилом отрезков, или правило рычага.
Чтобы
определить
концентрации компонентов в фазах, через данную
точку, характеризующую
состояние сплава, проводят
горизонтальную линию до
пересечения с линиями,
ограничивающими данную
область (рис. 31). Проекции точек пересечения на
ось концентраций показывает составы фаз.
Рис. 31. Диаграмма состояния
Для того чтобы опре(к применению на ней правила отрезков)
делить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.
Правило отрезков можно применить только для двухфазных областей.
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Любая точка внутри однофазной области характеризует ее концентрацию.
7.2.2. Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной
растворимостью в твердом состоянии (II рода)
Оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом состоянии и не образуют химических соединений (рис. 32).
Рис. 32. Диаграмма состояния (неограниченная растворимость в твердом
состоянии) и кривая охлаждения (II рода)
Компонента: А и В.
Фазы: L и .
Кристаллизация при постоянной температуре не наблюдается, и
горизонтальной линии на диаграмме нет. Диаграмма состоит из трех
областей: жидкости L, жидкости и твердого раствора , твердого раствора.
Линия АnB – линия солидус, AmB – линия ликвидус. Т.1 соответствует началу кристаллизации. Т.2. – конец кристаллизации. Между точками 1 и 2 сплав находится в двухфазном состоянии.
При двух компонентах и двух фазах система моновариантна
(С=2-2+1=1), т. е. если изменяется температура, то изменяется и концентрация компонентов в фазах. Каждой температуре соответствуют
строго определенные составы фаз. Концентрация и количественное
соотношение фаз у сплава, лежащего между линиями ликвидус и солидус, определяется правилом отрезков. Состав жидкой фазы определяется проекцией точки b, лежащей на линии ликвидус, а состав твер-
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дой фазы – проекцией точки с, лежащей на линии солидус. Количество жидкой и твердой фаз определяется из следующих соотношений:
количество жидкой фазы ac/bc, количество твердой фазы ba/bc.
При кристаллизации из жидкости вначале выделяются тугоплавкие компоненты. Состав первых кристаллов определяется проекцией s. Состав жидкости изменяется по кривой 1-l, а состав кристаллов – по кривой s-2. В момент окончания кристаллизации состав кристаллов такой же, как и состав исходной жидкости.
7.2.3. Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (III рода)
Оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно – в твердом и не образуют химических соединений.
Компонента: А и В.
Фазы: L,,  .
В сплавах такого рода возможно существование: жидкой фазы,
твердого раствора компонента В в А (-раствор) и твердого раствора
А в В ( -раствор). В сплавах возможно нонвариантное равновесие при
одновременном существовании трех фаз. В зависимости от того, какая
реакция протекает в условиях существования трех фаз, могут быть два
вида диаграмм: диаграмма с эвтектикой и диаграмма с перитектикой.
Диаграмма с эвтектикой
В этой системе не образуются фазы, представляющие собой чистые компоненты (рис. 33). Из жидкости выделяются твердые растворы. Предельная растворимость компонента В в А определяется линией
DF, а предельная растворимость А в В – линией CG. Сплавы, расположенные между
этими двумя линиями находятся
за пределами растворимости и состоят из двух фаз
 + .
Окончание
кристаллизации
происходит
по
эвтектической
реакции
L
Рис. 33. Диаграмма состояния с эвтектикой (III рода)
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
AEB – линия ликвидус, ADCB – линия солидус.
Кривые охлаждения и схемы структур для сплавов I и II показаны на рис. 34.
Рис. 34. Кривые охлаждения и схемы структур: а – сплава,
образующего при кристаллизации твердый раствор с последующим
выделением вторичной фазы, б – доэвтектического сплава
Кристаллы , выделившиеся из твердого раствора, называются
вторичными кристаллами (II), в отличие от первичных, выделившихся из жидкости. Процесс выделения вторичных кристаллов из твердой
фазы – вторичная кристаллизация. Сплав, концентрация которого лежит левее точки F, не буде иметь вторичных выделений  -кристаллов.
Для любых сплавов выделения вторичных -кристаллов не будет, т. к.
линия CG в отличии от FD вертикальна, т. е. растворимость компонента А в В не зависит от температуры.
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Диаграмма с перитектикой
При эвтектическом превращении жидкость кристаллизуется с
образованием двух твердых фаз. Возможен и другой тип нонвариантного превращения (трехфазного равновесия), когда жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами и образует новый вид кристаллов
L+. Реакция такого
типа называется перитектической (рис. 35).
На диаграмме показаны
три однофазные области:
жидкость L и ограниченные твердые растворы  и . Линия АВС
является линией ликвидус, линия APDB – линией солидус.
Кривые охлаждения и схемы структур
Рис. 35. Диаграмма состояния с перитектикой
(III рода)
сплавов I, II показаны
на рис. 36.
Количественное
соотношение фаз при
перитектической реакции, необходимое для
образования
-фазы,
определяется по правилу отрезков соотношением:
Количество  /
количество L=CP/PD
В рассматриваемом
сплаве количество участвующих в перитектической реакции кристаллов
 и жидкости определяетРис. 36. Кривые охлаждения сплавов после
ся соотношением:
окончания перитектической реакции, в которых
Количество  / ков избытке остаются: а – твердый раствор,
личество
L=C2/2D.
б – жидкая фаза
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7.2.4. Диаграмма состояния для сплавов, образующих химические соединения (IV рода)
Химическое соединение характеризуется определенным соотношением компонентов, а это отражается на диаграмме состояния
вертикальной линией, проходящей на оси абсцисс через точку, отвечающую соотношению компонентов в химическом соединении. Если
компоненты А и В образуют химическое соединение АnВm, то, следовательно, на n + m его атомов приходится n атомов А и m атомов В.
Химическое соединение устойчиво, если его можно нагреть без
разложения до расплавления, и неустойчиво, если при нагреве оно
разлагается. В зависимости от этого могут быть два вида диаграмм.
Кроме того, возможно образование нескольких химических соединений между двумя компонентами, а также растворимость на базе химического соединения – эти обстоятельства также находят отражение в
диаграмме.
А) Диаграмма с устойчивым химическим соединением
Предположим, что оба компонента образуют одно устойчивое
соединение АnВm, причем и это соединение, и чистые компоненты не
образуют в твердом состоянии растворов (рис. 37).
Рис. 37. Диаграммы состояния с устойчивыми
химическими соединениями (IV рода)
Компонентами системы являются вещества А и В, а твердыми
фазами – А, АnВm и В. Из четырех возможных в этой системе фаз могут существовать три L, A, AnBm или L, B, AnBm.Химическое соединение устойчиво. Оно плавится при постоянной температуре. Химическое соединение можно рассматривать как однокомпонентную систему, тогда при плавлении с=0.
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Б) Диаграмма с неустойчивым химическим соединением
Два компонента образуют неустойчивое химическое соединение, которое при нагреве до определенной температуры разлагается на
жидкость и один из компонентов, т. е. не расплавляется полностью
(рис. 38). На линии DCF находятся в равновесии три фазы: жидкость
концентрации D, кристаллы компонента В и кристаллы химического
соединения AnBm.
а
б
Рис. 38. Диаграмма состояния а) с твердым раствором на базе химического
соединения, б) с неустойчивым химическим соединением (IV рода)
При нагреве неустойчивое химическое соединение распадается на
жидкость концентрации D и кристаллы В. При охлаждении произойдет обратная реакция:
LD+BAnBm
Реакция эта подобна перитектической. Жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами, но образует не новый твердый раствор,
как в случае с перитектической реакции, а химическое соединение.
7.2.5. Диаграмма состояния для сплавов, испытывающих полиморфные превращения
В приведенных выше диаграммах рассматривались первичные
превращения, связанные с процессом кристаллизации жидкого сплава.
При вторичной кристаллизации вследствие изменения растворимости с изменением температуры выделяются вторичные кристаллы. Вторичная кристаллизация наблюдается в тех случаях, где хотя бы
один компонент претерпевает аллотропические превращения. Суще-
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ствование одного вещества в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма, или аллотропии. В рассматриваемых
диаграммах с полиморфными превращениями верхняя часть диаграммы характеризует первичную кристаллизацию, нижняя – вторичную.
Превращение (на рис. 39) протекает аналогично кристаллизации
эвтектики, но исходным раствором является не жидкость, а твердый
раствор. Это превращение называется эвтектоидным, а смесь полученных кристаллов – эвтектоидом.
Рис. 39. Диаграммы состояния с полиморфным превращением
7.3. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния
Вид диаграммы состояния зависит от того, какие фазы образуют
оба компонента. Свойства сплава также зависят от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава. Поэтому очевидно, что между видом диаграммы состояния и свойствами сплава
должна существовать определенная связь.
На рис. 40 приведены четыре основных типа диаграмм состояния и соответствующие им закономерности изменения свойств сплава
с изменением концентрации.
1. При образовании смесей (рис. 40, а) свойства изменяются по
линейному закону. Следовательно, значения свойств сплава находятся
в интервале между свойствами чистых компонентов.
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 40. Свойства сплавов и их диаграммы состояния
2. При образовании твердых растворов (рис. 40, б) свойства
сплава, в первую очередь электросопротивление, могут значительно
отличаться от свойств компонентов. Следовательно, при образовании
механической смеси электросопротивление повышается незначительно, при образовании твердого раствора – весьма сильно. Поэтому распад твердого раствора на две (или более) фазы приводит к повышению электропроводности (закон Курнакова).
3. При образовании ограниченных твердых растворов (рис. 40,
в) свойства в интервале концентраций, отвечающем однофазным
твердым растворам, изменяются по криволинейному, а в двухфазной
области диаграммы – по прямолинейному закону, причем крайние
точки на прямой являются свойствами чистых фаз.
4. При образовании химического соединения на диаграмме концентрация – свойства (рис. 40, г) концентрация химического соединения отвечает максимуму (или минимуму) на кривой (в данном случае
перелом кривой). Эта точка перелома, соответствующая химическому
соединению, называется сингулярной (особой) точкой. По диаграмме
состав – свойства можно найти соотношение компонентов данного
химического соединения, определяя, какой концентрации отвечает
сингулярная точка.
Метод изучения изменений свойств в зависимости от изменения
состава и построения диаграммы состав – свойства был положен Н. С.
Курнаковым в основу разработанного им физико-химического анализа
сплавов и нашел широкое применение в исследованиях новых сплавов.
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
РЕЗЮМЕ
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение
состояния сплава.
Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз могут быть
выражены в математической форме в виде правила фаз или закона Гиббса.
Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз компонентов.
Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают
число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе.
Правило фаз.
С= k – f + 2
С – число степеней свободы, k – число компонентов, f – число фаз,
2 – число внешних факторов.
Типы диаграмм состояния.
Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из
чистых компонентов (I рода)
Оба компонента в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химических
соединений.
Диаграмма состояния для
сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии (II рода).
Оба компонента неограниченно растворимы в жидком и
твердом состоянии и не образуют
химических соединений
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в
твердом состоянии (III рода)
Оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии,
ограниченно – в твердом и не образуют химических соединений.
Диаграмма с эвтектикой
Диаграмма с перитектикой
Диаграмма состояния для сплавов, образующих химические соединения (IV рода)
Диаграмма с устойчивым химическим соединением
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Диаграмма с неустойчивым химическим соединением
Диаграмма состояния для сплавов, испытывающих полиморфные превращения
При
вторичной
кристаллизации
вследствие изменения растворимости с изменением
температуры выделяются
вторичные
кристаллы.
Вторичная кристаллизация
наблюдается в тех случаях,
где хотя бы один компонент претерпевает аллотропические превращения.
Существование
одного
вещества в нескольких
кристаллических формах
носит название полиморфизма, или аллотропии.
Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вопросы для повторения
1. Что такое диаграмма состояния?
2. Что такое «число степеней свободы»? Сформулировать
правило фаз (закон Гиббса).
3. Диаграммы состояния для однокомпонентного и двухкомпонентного сплава (в каких координатах строится, что означает точка на диаграмме, что означает вертикальная линия на диаграмме).
4. Диаграмма состояния I рода для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов: графическое изображение,
фазы, компоненты, кривые охлаждения характерных сплавов, микроструктуры.
5. Дать определение терминам: «линия ликвидус», «линия солидус», «эвтектическое превращение», «эвтектика», «перитектическое превращение», «перитектика».
6. Диаграмма состояния II рода для сплавов с неограниченной
растворимостью в твердом состоянии: графическое изображение,
фазы, компоненты, кривые охлаждения характерных сплавов, микроструктуры.
7. Диаграмма состояния III рода для сплавов с ограниченной
растворимостью в твердом состоянии (с эвтектикой): графическое
изображение, фазы, компоненты, кривые охлаждения характерных
сплавов, микроструктуры.
8. Диаграмма состояния III рода для сплавов с ограниченной
растворимостью в твердом состоянии (с перитектикой): графическое
изображение, фазы, компоненты, кривые охлаждения характерных
сплавов, микроструктуры.
9. Диаграмма состояния IV рода для сплавов, образующих устойчивые химические соединения: графическое изображение, фазы, компоненты, кривые охлаждения характерных сплавов, микроструктуры.
10. Диаграмма состояния IV рода для сплавов, образующих неустойчивые химические соединения: графическое изображение, фазы,
компоненты, кривые охлаждения характерных сплавов, микроструктуры.
11. Дать понятие вторичной кристаллизации. Что такое вторичные кристаллы?
12. Диаграммы состояния для сплавов, испытывающих полиморфные превращения (примеры).
13. Что такое полиморфизм? Какие диаграммы характерны
для материалов, испытывающих полиморфные превращения? Что
такое эвтектоидная реакция?
14. Правило отрезков (правило рычага). Определить концентрацию и количественное соотношение фаз указанного сплава.
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15. Описать экспериментальное получение диаграмм состояния
на примере сплава олово-цинк. Какая микроструктура будет у доэвтектических, эвтектических и заэвтектических сплавов системы
олово-цинк после затвердевания?
16. Как и для чего строят кривые охлаждения? Как определить
температуру начала и конца кристаллизации?
8. ЖЕЛЕЗО И ЕГО СПЛАВЫ
Железо (Fe) – металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999% Fe, технические сорта 99,8–99,9% Fe. Температура плавления железа 1539 оС. Железо имеет две полиморфные модификации  и . Модификация  – железа существует при температурах
ниже 910 оС и выше 1392 оС (рис. 41). В интервале температур 1392–
1539 оС  – железо нередко обозначают как  – железо.
Рис. 41. Кривая охлаждения чистого железа
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кристаллическая решетка  – железа – объемно центрированная
кубическая (ОЦК). До температуры 768 оС  – железо магнитно (ферромагнитно). Эту точку перехода от ферромагнитного в парамагнитное состояние называют точкой Кюри (А2).
Модификация  – железа существует при температуре 910–1392 оС.
Оно парамагнитно. Кристаллическая решетка  – железа – гранецентрированная кубическая (ГЦК) (рис. 41).
В дальнейшем точки, соответствующие температуре превращения одной фазы в другую будем называть критическими точками,
обозначающимися буквой А с индексами c и r (c – при нагреве, r – при
охлаждении) и цифрами. Ас3 при нагреве (или Аr3 – при охлаждении) –
переход ↔ при температуре 910 оС. Ас4 (Аr4) – критическая точка
перехода γ↔α при температуре 1392 оС (рис. 41).
Железо со многими элементами образует твердые растворы: с
металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом –
растворы внедрения.
В промышленности обычно используются сплавы железа с другими элементами. Наиболее широко применимы сплавы железа с углеродом – стали и чугуны. Для получения заданных свойств в сталь и
чугун вводят легирующие элементы.
8.1. Диаграмма железо-углерод
Диаграмма состояния железо-углерод дает представление о
строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.
8.1.1. Компоненты и фазы в системе железо – углерод
Кроме железа, рассмотренного ранее, в состав железоуглеродистых сплавов входит углерод. Углерод (С) является неметаллическим
элементом, атомный номер 6, температура плавления 3500 оС. Углерод
в обычных условиях находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.
Углерод растворим в железе в твердом и жидком состояниях, а
также может быть в виде химического соединения – цементита (Fe3C),
а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.
В системе Fe-C различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы – феррит и аустенит, а также цементит и графит.
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Феррит (Ф) – твердый раствор углерода и других примесей в
α- железе. Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен (рис. 42 б). Феррит
пластичен, но обладает низкой прочностью и твердостью.
Аустенит (А) – твердый раствор углерода и других примесей в γ
– железе. Предельная растворимость углерода в γ – железе 2,14 %.
Микроструктура аустенита – полиэдрические зерна (рис. 42 а). Аустенит облазает высокой пластичностью и низкими прочностными свойствами.
Рис. 42. Микроструктура железа, ×400: а – аустенит, б – феррит
Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом –
карбид железа (Fe3C). В цементите содержится 6,67 % С. До температур 210 оС (А0) цементит ферромагнитен. Он обладает очень высокой
твердостью и очень малой пластичностью. Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.
Графит – модификация углерода в равновесном состоянии. Он
мягок, обладает низкой прочностью и электрической проводимостью.
Различают диаграммы состояния железо-углерод и железоцементит. Первая диаграмма соответствует равновесному состоянию,
вторая – метастабильному.
На диаграмме железо-цементит (рис. 43) дан фазовый состав и
структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита
(6,67 % С). В таблице 2 представлены характерные точки этой диаграммы.
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Характерные точки на диаграмме железо-цементит
Точка
А
В
С
D
E
F
G
H
J
K
L
N
P
Q
S
Температура, ºC
1539 (tпл Fe)
1499
1147
~1250
1147
1147
911
1499
1499
727
~600
1392
727
~600
727
Таблица 2
Концентрация С, %
0
0,51
4,3
6,67
2,14
~6,4
0
0,1
0,16
6,67
6,67
0
0,02
0,01
0,8
Рис. 43. Диаграмма железо-цементит
Точки N (1392 ºC) и G(911 ºC) соответствуют полиморфному
превращению α↔γ.
Линии диаграммы состояния Fe-Fe3C имеют следующие обозначения и физический смысл.
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
АВСD – линия ликвидус, AHJECF – линия солидус. АВ показывает температуру, ниже которой происходит кристаллизация δферрита (Фδ) из жидкого сплава (Ж); ВС соответствует температуре
начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава; СD соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита
(Fe3CI) из жидкого сплава; АН является температурной границей области жидкого сплава и кристаллов δ-феррита; ниже этой линии существует только δ-феррит; HJB – линия перитектического равновесия
(1499 ºС) с протеканием перитектической реакции (жидкость состава
точки В взаимодействует с кристаллами δ-феррита состава точки Н с
образованием аустенита состава точки J):
ЖВ+ФНАJ
Линия ECF соответствует кристаллизации эвтектики – ледебурита (АЕ+Fe3C):
ЖС АЕ+Fe3C.
Структура ледебурита характерна для эвтектического сплава,
содержащего 4,3 % углерода. Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение (рис. 44). После охлаждения ниже температуры 727 ºС ледебурит представляет собой эвтектическую смесь перлита и цементита.
Железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2,14 % углерода,
называются сталями, а сплавы, содержащие выше 2,14 % углерода,
чугунами.
Рис. 44. Микроструктура чугунов, ×450: а – доэвтектический чугун (перлит,
ледебурит, вторичный цементит), б – эвтектический (ледебурит),
в – заэвтектический (первичный цементит и ледебурит)
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сплавы, содержащие менее 0,02 % С (точка Р), называются техническим железом (рис. 45, а), имеющего структуру феррита.
При охлаждении ниже температуры 727 ºС (горизонталь PSK)
протекает эвтектоидная реакция:
АЕ  ФР +Fe3C.
Линия эвтектоидного превращения соответствует распаду
аустенита (0,8 % С) с образованием эвтектоида – ферритоцементитной
структуры – перлита (ФР +Fe3C ) (рис. 45, ж).
Рис. 45. Микроструктура стали в зависимости от содержания углерода, ×450:
а – техническое железо, б–е – доэвтектоидные стали (б – 0,1% С, в – 0,22% С,
г – 0,3% С, д – 0,4% С, е – 0,55% С), ж – эвтектоидная сталь (0,8% С),
з–и – заэвтектоидные стали (з – 1,3% С, и – 1,1% С)
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Стали, содержащие от 0,02 до 0,8 % С, называются доэвтектоидными и после полного охлаждения имеют структуру избыточного
феррита + перлит (рис. 45, б-е). В зависимости от возрастания содержания углерода будет увеличиваться перлитная составляющая и
уменьшаться ферритная.
Сталь, содержащая 0,8 % С, называется эвтектоидной и после
охлаждения имеет структуру перлита (рис. 45, ж). Перлит чаще всего
имеет пластинчатое строение, то есть состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита.
Стали, содержащие от 0,8 до 2,14 % С, называются заэвтектоидными и после охлаждения имеет структуру перлита и избыточного
цементита, который располагается по границам перлитных зерен (рис.
45, з). Выделение избыточного цементита в виде сетки или игл делает
сталь хрупкой. Поэтому специальной термической обработкой и деформацией ему придают зернистую форму (рис. 45, и).
Чугуны, в зависимости от содержания углерода, подразделяются
на доэвтектический (2,14–4,3 % С, структура после охлаждения –
перлит, ледебурит (перлит + цементит) и вторичный цементит), эвтектический (4,3% С, структура после охлаждения – ледебурит (перлит + цементит)) и заэвтектические (более 4,3 % С, структура – ледебурит (перлит + цементит) и вторичный цементит) (рис. 44). С повышением содержания углерода количество цементита возрастает.
Сплавы железа с углеродом после окончания кристаллизации
имеют указанную выше различную структуру. Однако фазовый состав всех сплавов одинаков: при температуре ниже 727 ºС они состоят из феррита и цементита.
8.2. Стали
Основной продукцией черной металлургии является сталь, причем приблизительно 90 % изготавливается углеродистой стали и 10 %
легированной. Таким образом, основным металлическим материалом
промышленности является углеродистая сталь.
Углеродистая сталь промышленного производства – сложный
по химическому составу сплав. Кроме основы – железа (содержание
которого может колебаться в пределах 97,0–99,5 %), в ней имеется
много элементов, наличие которых обусловлено технологическими
особенностями производства (марганец, кремний), либо невозможностью полного удаления их из металла (сера, фосфор, кислород, азот,
водород), а также случайными примесями (хром, никель, медь и др.).
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В зависимости от способа выплавки (мартеновский, конвертерный и др.) стали разных производств различаются главным образом
по содержанию этих примесей. Однако один элемент, а именно – углерод, вводится в простую углеродистую сталь специально.
Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Поэтому при малом содержании
всех прочих возможных примесей основным элементом, при помощи
которого изменяются свойства сплава железа, является углерод.
С изменением содержания углерода изменяется структура стали.
Сталь, содержащая 0,8 % С, состоит из одного перлита; в стали, содержащей больше 0,8 % С, кроме перлита, имеется вторичный цементит; если содержание углерода меньше 0,8 %, то структура стали состоит из феррита и перлита.
Как влияют на свойства стали изменения содержания углерода и
соответственно структуры?
Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышению прочности и понижению пластичности. Существенно влияние
углерода на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость.
8.2.1. Влияние постоянных примесей на свойства стали
Постоянными примесями сталей считают марганец, кремний,
фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород).
Обычно содержание этих элементов ограничивается следующими верхними пределами, %: 0,8 Мn; 0,5 Si; 0,05 Р; 0,05 S.
При большем содержании их сталь следует отнести к сорту легированных, когда эти элементы введены специально (отсюда и
название легированные стали или специальные стали).
Марганец. Этот элемент вводят в любую сталь для раскисления.
Марганец заметно влияет на свойства стали, повышая прочность в горячекатаных изделиях, изменяя и некоторые другие свойства.
Кремний. Влияние начальных присадок кремния аналогично
влиянию марганца.
Фосфор вызывает хладноломкость стали (т. е. повышает температур перехода в хрупкое состояние). Таким образом, фосфор является вредным элементом. Следует отметить, что в отдельных случаях
фосфор желательный элемент, так как он, создавая хрупкость, облегчает обрабатываемость стали режущим элементом, а в присутствии
меди повышает сопротивление коррозии.
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сера. Как и фосфор, сера попадает в металл из руд, а также из
печных газов – продукт горения топлива (SO2). Сера вызывает такое
явление, как красноломкость (т. е. процесс охрупчивания при высоких температурах).
«Газы». Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах, зависящих от способа производства.
Водород, азот, кислород могут присутствовать в следующих
формах: находиться в различных несплошностях (газообразном состоянии), находиться в α-твердом растворе; образовывать различные соединения, так называемые неметаллические включения (нитриды, оксиды).
Наличие большого количества кислорода может привести к
чрезвычайно опасным внутренним надрывам в металле (флокенам).
Образованные азотом и кислородом хрупкие неметаллические
включения ухудшают свойства металла.
Из сказанного следует, что наличие водорода, азота и кислорода
в металле ухудшает его свойства.
Примеси цветных металлов. Переплавка бытового и машиностроительного лома приводит к загрязнению стали примесями цветных металлов (Сu, Pb, Zn, Sb, Sn и др.). Обычно содержание этих элементов невелико – сотые и даже тысячные доли процента (кроме меди, содержание которой достигает 0,1–0,2 %). При таком их количестве влияние их на механические свойства практически не сказывается, однако, тщательно поставленные опыты показывают, что все цветные примеси повышают порог хладноломкости.
8.2.2. Маркировка углеродистых сталей общего назначения
В соответствии с ГОСТ 380-71 стали делят на три группы:
– группа А – с гарантируемыми механическими свойствами
(сталь не подвергается горячей обработке);
– группа Б – с гарантируемым химическим составом (сталь подвергается горячей обработке);
– группа В – с гарантируемыми механическими свойствами и
химическим составом (для сварных конструкций).
Сталь группа А маркируется буквами Ст и номером 0, 1, 2, 3 и
т. д. Чем больше номер, тем выше прочность, но ниже пластичность.
Если после марочного обозначения стоит «кп» – значит, сталь кипящая, если «пс» – сталь полуспокойная, «сп» – спокойная.
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8.2.3. Классификация и маркировка легированных сталей
Классификация легированных сталей
Легированные стали могут быть классифицированы по четырем
признакам: по равновесной структуре, по структуре после охлаждения
на воздухе, по составу и по назначению.
Классификация по равновесной структуре
1. Доэвтектоидные стали, имеющие в структуре избыточный феррит.
2. Эвтектоидные стали, имеющие перлитную структуру.
3. Заэвтектоидные стали, имеющие в структуре избыточные
(вторичные) карбиды.
4. Ледебуритные стали, имеющие в структуре первичные карбиды,
выделившиеся из жидкой стали. В литом виде избыточные карбиды совместно с аустенитом образуют эвтектику – ледебурит, который при ковке
или прокатке разбивается на обособленные карбиды и аустенит.
В соответствии с диаграммой Fе–С доэвтектоидные углеродистые стали содержат менее 0,8 % углерода, эвтектоидные 0,8 %, заэвтектоидные 0,8–2,0 % и ледебуритные более 2,0 %.
Следовательно, кроме доэвтектоидного, эвтектоидного, заэвтектоидного и ледебуритного классов, могут еще быть легированные стали ферритного и аустенитного классов.
Классификация по структуре после охлаждения на воздухе
Учитывая структуру, получаемую после охлаждения на воздухе
образцов небольшой толщины, можно выделить три основных класса
сталей: 1) перлитный; 2) мартенситный; 3) аустенитный. Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов, мартенситного – более значительным, и, наконец,
аустенитного – высоким содержанием легирующих элементов.
Классификация по составу
В зависимости от состава легированные стали классифицируются как никелевые, хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и тому подобные стали. Классификационный признак –
наличие в стали тех или иных легирующих элементов.
Классификация по назначению
В зависимости от назначения стали можно объединить в следующие группы.
Конструкционная сталь, идущая на изготовление деталей машин. Конструкционная сталь, как правило, у потребителя подвергается термической обработке. Поэтому конструкционные стали подразделяют на цементуемые (подвергаемые цементации) и улучшаемые
(подвергаемые закалке и отпуску).
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Близкие по составу к конструкционным сталям, но не предназначенные для термической обработки у потребителя, объединяются в
группу так называемых строительных сталей (они в основном применяются в строительстве). Часто их называют низколегированными.
Инструментальная сталь, идущая на изготовление режущего,
измерительного, штампового и прочего инструмента. Инструментальные стали условно подразделяют на следующие четыре категории:
углеродистые, легированные, штамповые и быстрорежущие.
Стали и сплавы с особыми свойствами. К ним относятся стали,
обладающие каким-нибудь резко выраженным свойством: нержавеющие, жаропрочные и теплоустойчивые, износоустойчивые, с особенностями теплового расширения, с особыми магнитными и электрическими свойствами и т. д.
В ряде случаев эти стали содержат такое большое количество легирующих элементов, что их нужно причислять не к сплавам железа, т. е.
не к сталям, а к сложным многокомпонентным сплавам. Однако четкой
границы между такими сплавами и сталями нет, и поэтому их придется
рассматривать вместе со сталями. Более того, некоторые из таких сплавов могут вовсе не содержать железа, хотя по свойствам и назначению
они близки к сплавам, в которых основной элемент – железо.
Маркировка легированных сталей
Для обозначения марок стали разработана система, принятая в
ГОСТах. Обозначения состоят из числа цифр и букв, указывающих на
примерный состав стали.
Каждый легирующий элемент обозначается буквой: Н – никель;
Х – хром; К – кобальт; М – молибден; Г – марганец; Д – медь; Р – бор;
Б – ниобий; Ц – цирконий; С – кремний; П – фосфор; Ч – редкоземельные металлы; В – вольфрам; Т – титан; А – азот; Ф – ванадий; Л –
бериллий; Е – селен; Ви – висмут; Гл – галлий; Кд – кадмий; Ш – магний; Ю – алюминий. Первые цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (у высокоуглеродистых инструментальных сталях в десятых долях процента). Цифры,
идущие после буквы, указывают на примерное содержание данного
легирующего элемента (при содержании элемента менее 1 % цифра
отсутствует; при содержании 1 % цифра 1 и 2 % – цифра 2 и т. д.).
Следовательно, сталь состава 0,10–0,15 % С и 1,3–1,7 % Мn обозначается 12Г2; сталь состава 0,28–0,35 % С; 0–1,1 % Сr; 1,2 % Мn;
0,8–1,2 % Si обозначается ЗОХГС и т. д.
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для того, чтобы показать, что в стали ограничено содержание
серы и фосфора (S < 0,03 %; Р < 0,03 %), а также что соблюдены условия металлургического производства высококачественной, в конце
обозначения марки ставят букву А.
Для сплавов с содержанием железа менее 50 % и большим количеством различных легирующих элементов все они перечисляются
буквами, а цифрой указывается только содержание никеля. Нестандартные стали обозначают самым различным образом. Так, опытные
марки, выплавленные на заводе «Электросталь», обозначаются буквой
И (исследовательские), П (пробные) и порядковым номером, например ЭИ179, ЭИ276, ЭП398.
Рассмотрим более подробно легированные, инструментальные
стали и стали с особыми свойствами.
8.2.4. Легированные конструкционные стали
Легированные стали широко применяют в тракторном, сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной промышленности, тяжелом и транспортном машиностроении и в меньшей степени в станкостроении, инструментальной и других видах промышленности. Эти стали
широко применяют для высоконагруженных металлоконструкций.
В качестве легирующих элементов чаще используют сравнительно недорогие и недефицитные элементы – марганец, кремний,
хром. Стали, содержащие эти элементы, нередко добавочно легируют
титаном, ванадием и бором.
Для изготовления высоконагруженных деталей стали легируют
значительно более дорогими и дефицитными элементами, такими как
никель, молибден, вольфрам, ниобий и др.
Стали, в которых суммарное содержание легирующих элемента не
превышает 2,5 %, относятся к низколегированным, содержание 2,5–10 % –
к легированным, и более 10 % – к высоколегированным (содержание железа более 45 %).
Чем выше легированность стали и меньше размеры полуфабриката, тем стоимость стали больше. Особенно дороги стали, содержащие большое количество никеля, молибдена, вольфрама и кобальта.
Наиболее широкое применение в строительстве получили низколегированные стали, а в машиностроении – легированные стали.
В этих сталях обычно содержится 0,8–1,8 % Мn, 0,4–1,2 % Si,
0,8–2,5 (чаще 0,8–1,0 %) Сr, 1,0–4,5 % Ni, 0,15–0,4 % Мо, 0,5–1,2 % W,
0,06–0,3 % V, 0,03–0,09 % Тi, 0,002–0,005 % В.
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Большинство конструкционных легированных сталей относится
к перлитному классу, а в равновесном состоянии – к доэвтектоидной
группе. Высоколегированные стали, как правило, имеют специальное
назначение (коррозионно-стойкие, жаропрочные, немагнитные и др.)
и относятся к ферритному, мартенситному, аустенитному и смешанным структурным классам.
8.2.4.1. Строительные низколегированные стали
Низколегированными строительными называются стали, содержащие не более 0,22 % С и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов: до 1,8 % Мn, до 1,2 % Si, до 0,8 %
Сr, а также до 0,8 % Ni, до 0,5 % Сu, до 0,15 % V, до 0,03 % Тi, до
0,15 % N и других.
К этим сталям относятся стали 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 14Г2,
17ГС, 15ГФ, 15Г2СФ, 10Г2Б, 15ХСНД, 10ХНДП и многие другие.
Стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении для сварных конструкций, в основном
без дополнительной термической обработки.
8.2.4.2. Конструкционные (машиностроительные) цементируемые (нитроцементируемые) легированные стали
Цементацию (нитроцементацию) широко применяют для
упрочнения среднеразмерных зубчатых колес, валов коробки передач
автомобилей, валов быстроходных станков, шпинделей и многих других деталей машин.
Для изготовления деталей, упрочняемых цементацией, применяют низкоуглеродистые (0,15–0,25 % С) стали. Содержание легирующих
элементов в сталях не должно быть слишком высоким, но должно обеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины. При этом следует иметь в виду, что карбидообразующие элементы
(Сr, Мn и др.) уменьшают растворимость углерода в аустените. Это
способствует образованию в цементованном слое карбидов, при меньшем содержании углерода, обеднению аустенита легирующими элементами и уменьшению прокаливаемости цементованного слоя, как
следствие этого, ухудшению механических свойств. Марганец и хром,
которыми нередко легируют цементуемые стали, повышают прокаливаемость сердцевины и в меньшей степени цементованного слоя. Сильно повышает прокаливаемость цементованного слоя молибден.
После цементации, закалки и низкого отпуска цементованный
слой должен иметь твердость 58–62 HRС, а сердцевина 30–42 HRС.
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сердцевина цементуемых сталей должна обладать высокими механическими свойствами, особенно повышенным пределом текучести,
кроме того, она должна быть наследственно мелкозернистой.
К данной группе сплавов можно отнести следующие: 15Х, 20Х,
20ХФ, 12ХН3Ф,18ХГТ и др.
8.2.4.3. Конструкционные (машиностроительные) улучшаемые легированные стали
Многие детали машин (коленчатые валы, валы, оси, штоки, шатуны, ответственные детали турбин и компрессорных машин и др.)
изготовляют из среднеуглеродистых сталей (0,3–0,5 % С) и подвергают закалке и высокому отпуску (улучшение). Стали закаливаются от
820–880 °С (в зависимости от состава) в масле (крупные детали охлаждают в воде) и проходят отпуск при 550–680 °С. После такой обработки структура стали – сорбит. Стали должны иметь высокий предел
текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, в
изделиях, работающих при многократно прилагаемых нагрузках, высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости. Кроме того, улучшаемые стали должны обладать хорошей прокаливаемостью и
малой чувствительностью к отпускной хрупкости. К этим сталям относятся 30Х, 40ХФА, 40ХГТР, 30ХГС, 30ХН3А и др.
8.2.4.4. Шарикоподшипниковые стали
Подшипники качения являются ответственными деталями многих машин (станков, автомобилей, тракторов, вагонов электродвигателей и др.), определяющих их точность и производительность.
Подшипники качения работают в условиях качения шариков
(или роликов) по наружному и внутреннему кольцам. Наиболее часто
причиной отказа подшипников являются излом, разрушение тел качения и рабочих поверхностей колец, а также усталостное выкрашивание рабочих поверхностей элементов подшипника.
Для изготовления тел качения и подшипниковых колец небольших сечений обычно используют высокоуглеродистую хромистую
сталь ШХ15 (0,95–1,05 % С и 1,3–1,65 % Сr), а больших сечений – хромомарганцевокремнистую сталь ШХ15СГ (0,95–1,05 % С, 0,9–1,2 % Сr,
0,4–0,65 % Si и 1,3–1,65 % Мn), прокаливающуюся на большую глубину. Стали обладают высокой твердостью, износостойкостью и сопротивлением контактной усталости. К сталям предъявляют высокие требования по содержанию неметаллических включений, так как они вызывают преждевременное усталостное разрушение. Недопустима также
карбидная неоднородность.
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Стали изготовляют в виде прутков, труб и проволоки. Для горячей штамповки стали поставляются без отжига, для холодной механической обработки – в отожженном состоянии. После отжига стали получают однородную структуру мелкозернистого перлита с мелкими
включениями вторичных карбидов. Такая структура обеспечивает
удовлетворительную обрабатываемость резанием и достаточную пластичность при холодной штамповке шариков и роликов. Кольца, шарики и ролики проходят закалку в масле (30–60 °С) от 840–860 °С и
отпуск при 150–170 °С. Перед отпуском для уменьшения количества
остаточного аустенита детали подшипника охлаждаются до температуры не выше 20–25 °С. Это повышает стабильность их размеров. Для
подшипников, которые должны иметь особо высокую стабильность
размеров, иногда применяют обработку холодом при –70–80 °С.
Для получения оптимального сочетания прочности и контактной выносливости кольца и ролики подшипников должны иметь после
закалки и отпуска твердость 61–65 HRС для стали ШХ15 и 60–64 НRС
для стали ШХ15СГ, а шарики – 62–66 HRС.
8.2.4.5. Износостойкие стали
Для деталей, работающих на износ в условиях абразивного трения и высоких давлений и ударов (например, для траков некоторых
гусеничных машин, щек дробилок, черпаков землечерпательных машин, крестовин железнодорожных и трамвайных путей и т. д.), применяют высокомарганцевую литую аустенитную сталь 110Г13Л, содержащую 0,9–1,3 % С и 11,5–14,5 % Мn.
Структура этой стали после литья состоит из аустенита и избыточных карбидов (Fе, Мn)3С, выделяющихся по границам зерен, что
снижает прочность и вязкость стали. В связи с этим литые изделия
закаливают с нагревом до 1100 °С и охлаждением в воде. При таком
нагреве растворяются карбиды, и сталь после закалки приобретает
более устойчивую аустенитную структуру. Она обладает следующими
механическими свойствами: В = 800–1000 МПа; 0,2 = 250–350 МПа;
δ = 35–45 %; ψ = 40–50 %; 180–220 НВ. Сталь с аустенитной структурой сильно упрочняется под действием холодной деформации.
Сталь 110Г13Л обладает высокой износостойкостью только при
ударных нагрузках.
8.2.4.6. Коррозионно-стойкие и жаростойкие стали и сплавы
Коррозией называют разрушение металлов под действием окружающей среды. При этом часто металлы покрываются продуктами
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
коррозии (ржавеют). В результате воздействия внешней среды механические свойства металлов резко ухудшаются, иногда даже при отсутствии видимого изменения внешнего вида поверхности.
Различают химическую коррозию, протекающую при воздействии на металл газов (газовая коррозия) и неэлектролитов (нефть и ее
производные), и электрохимическую коррозию, вызываемую действием электролитов: кислот, щелочей и солей. К электрохимической коррозии относятся также атмосферная и почвенная коррозия.
Механизм электрохимической коррозии сводится к следующему. Если в электролит (влажный воздух, водные растворы кислот, солей, щелочей и т. д.) поместить два соприкасающихся различных металла, образуется гальванический элемент. При этом металл, который
легче, отдает электроны, служит анодом, а другой – катодом. В процессе работы гальванического элемента анод разрушается.
Микрогальванические элементы возникают также между различными фазами сплавов и даже в чистых металлах, где роль анодов
играют границы зерен и другие дефектные участки, а роль катода –
тело зерна. Чем больше отдельные фазы (участки) металла отличаются своими электрохимическими потенциалами, тем быстрее происходит коррозионное разрушение.
Существует несколько видов электрохимической коррозии. Если металл однороден (например, однородный твердый раствор), то
наблюдается равномерная коррозия, протекающая примерно с одинаковой скоростью по всей поверхности металла. В неоднородном металле, что является наиболее частым случаем, коррозия носит локальный характер и охватывает только некоторые участки поверхности.
Эту местную, или локальную, коррозию в свою очередь подразделяют
на точечную, пятнистую и с язвами. Очаги пятнистой и точечной коррозии являются концентраторами напряжений. Наиболее опасна так
называемая интеркристаллитная коррозия, распространяющаяся по
границам зерен вследствие более низкого их электрохимического потенциала. Коррозия без заметных внешних признаков быстро развивается по границам зерен, вглубь, резко снижая при этом механические
свойства. Сталь, пораженная интеркристаллитной коррозией, теряет
металлический звук и при изгибе дает надрывы по границам зерен в
местах коррозионного разрушения металла. Кроме того, различают
коррозию под напряжением, которая возникает при одновременном
действии коррозионной среды и напряжений растяжения. Разновидностью этой коррозии является коррозионное растрескивание, т. е. обра81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зование в металле тонкой сетки трещин, проходящих по объему зерна
при воздействии коррозионной среды и напряжений.
Сталь, устойчивую к газовой коррозии при высоких температурах (свыше 550 °С), называют окалиностойкой (жаростойкой). Стали, устойчивые к электрохимической, химической (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной и другим
видам коррозии, называют коррозионно-стойкими (нержавеющими).
Повышение устойчивости стали к коррозии достигается введением в
нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно
связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между
сталью и наружной агрессивной средой, а также повышающих электрохимический потенциал стали в разных агрессивных средах.
Жаростойкие стали и сплавы. Повышение окалиностойкости
достигается введением в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, т. е. элементов, находящихся в твердом растворе
и образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов.
Для изготовления различного рода высокотемпературных установок, деталей печей и газовых турбин применяют жаростойкие ферритные (12X17, 15Х25Т и др.) и аустенитные (20Х23Н13, 12Х25Н16Г7АР,
36Х18Н25С2 и др.) стали.
Коррозионно-стойкие стали. Составы сталей, устойчивых к электрохимической коррозии, устанавливают в зависимости от среды, для
которой они предназначаются. Эти стали можно разделить на два основных класса: хромистые и хромоникелевые. К хромистым относятся,
например, 12Х13, 30Х13 и др. стали, а к хромоникелевым – 12Х18Н9,
08Х21Н6М2Т, 09Х15Н8Ю и др. Коррозионно-стойкие стали чаще всего
подвергаются термический обработке: закалка + отпуск (старение).
8.2.5. Инструментальные материалы
8.2.5.1. Углеродистые и легированные инструментальные стали
Для изготовления режущих инструментов применяют качественные углеродистые инструментальные стали У7, У8, У9, У10,
У11, У12, У13 и высококачественные углеродистые инструментальные стали У7А, У8А, У9А и так далее. Качественные углеродистые
инструментальные стали содержат до 0,05 % серы и фосфора. Высококачественные – до 0,025 % серы и фосфора. Эти стали подвергают
закалке от 760 °С до 820 °С и, как правило, низкому отпуску (в зависимости от назначения инструмента). После такой термической обработки инструменты имеют твердость HRС 62-64, структуру – отпу-
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
щенный мартенсит + вторичный цементит + остаточный аустенит (несколько процентов). Углеродистые инструментальные стали имеют
высокие механические свойства, хорошо шлифуются.
К недостаткам углеродистых инструментальных сталей следует
отнести низкую прокаливаемость (глубину проникновения закаленной
зоны). Закалку инструментов производят в воде, что обуславливает
большие внутренние напряжения, деформацию инструментов и образование трещин. Вторым недостатком инструментальных углеродистых
сталей является их низкая теплостойкость 200 °С. При более высоких
температурах нагрева в процессе резания происходят структурные превращения, связанные с распадом мартенсита отпуска, обуславливающие снижение твердости режущего лезвия инструмента, а, следовательно, притупляемость и быстрый его износ. Поэтому из углеродистых
инструментальных сталей изготавливают металлорежущие инструменты, работающие с низкими скоростями резания: напильники, зубила,
шаберы, ножницы по металлу, ручные развертки, метчики, плашки.
8.2.5.2. Легированные инструментальные стали
Имеют повышенную теплостойкость по сравнению с углеродистыми инструментальными (250° С). Марки наиболее распространенных легированных инструментальных сталей: Х, 9ХС, ХВГ, ХВ5.
Эти стали обладают повышенной прокаливаемостью. Инструменты из этих сталей закаливают в масле (при ступенчатой закалке – в
соли) и прокаливают насквозь. Меньшая скорость охлаждения при
закалке уменьшает опасность образования трещин, деформации и коробления, что наблюдается при закалке углеродистых инструментальных сталей. Из этих сталей изготавливают фасонные резцы, сверла,
протяжки, метчики, плашки, фрезы.
8.2.5.3. Быстрорежущие стали
Быстрорежущие стали предназначены для изготовления инструментов (резцов, сверл, фрез), работающих при высоких скоростях
резания. Теплостойкость быстрорежущих сталей составляет 500–600 °
С. Поэтому инструмент из быстрорежущей стали более производителен, чем инструмент из углеродистой стали. Еще большую производительность можно достигнуть используя инструмент из твердого сплава, так как нагрев до 800 °С мало влияет на его твердость.
Все быстрорежущие стали обозначаются буквой Р, следующая
цифра – содержание вольфрама (буква В пропускается), затем указываются цифры после букв М, Ф, К, показывающие содержание молиб-
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дена, ванадия и кобальта. Наиболее распространенные марки быстрорежущих сталей: Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р6М2Ф5.
Перед термической обработкой быстрорежущие стали, как правило, подвергают отжигу. Обычно проводят изотермический отжиг.
8.2.5.4. Твердые сплавы
Красностойкость твердых сплавов составляет 800–1000 °С. Поэтому твердосплавными инструментами можно работать с большими скоростями, чем инструментами, изготовленными из быстрорежущих сталей.
В настоящее время для скоростного резания металлов применяют инструменты, оснащенные твердыми сплавами (резцы, сверла,
фрезы, зенкеры, развертки). Твердые сплавы получают методом порошковой металлургии. Порошки карбидов вольфрама и титана смешивают с порошком кобальта, который применяется в качестве связки, прессуют в пластинки, размеры и форма которых установлена
ГОСТом, затем спекают при температуре 1500–2000 °С. В результате
получают изделия, состоящие из карбидных частиц, связанных кобальтом. При этом изделие содержит до 5% пор от общего объема.
Твердые сплавы имеют высокую твердость 87-90 НRА, что обусловлено присутствием большого количества карбидов (90–95 %). Поэтому они не подвергаются термической обработке. Пластинки из
твердого сплава припаивают или крепят при помощи болтов к державке, изготовленной из конструкционной или инструментальной
стали. Так изготавливают в настоящее время резцы, сверла, фрезы и
другие металлорежущие инструменты.
Твердые сплавы обладают повышенной хрупкостью и небольшой прочностью при растяжении. При работе с ударами и толчками
твердый сплав выкрашивается, и стойкость его снижается.
По структуре современные твердые сплавы подразделяются на 3
группы.
К первой группе относятся однокарбидные твердые сплавы, состоящие из карбида вольфрама и кобальта. Расшифровываются марки
этой группы так. Сплав ВК2 содержит 2 % кобальта и 98 % карбида
вольфрама, ВК6 – 6 % кобальта и 94 % карбида вольфрама и так далее. Чем больше в сплаве кобальта, тем меньше его твердость, и размягчается он при более низкой температуре, а, следовательно, им
можно работать с меньшими скоростями.
Ко второй группе относятся двухкарбидные сплавы группы
ВТК. Сплав Т5К10 – 5 % карбида титана, 10 % кобальта Co и 85 %
карбида вольфрама WС.
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К третьей группе относятся однокарбидные сплавы, состоящие
из карбида (TiW)С группа TK. Например, сплавы Т30К4, Т60К4. При
таком количестве карбида титана в шихте (30 и 60%) в нем растворяется весь вольфрам.
Карбид титана имеет более высокую твердость и хрупкость по
сравнению с карбидом вольфрама. Поэтому при обработке стали лучше использовать сплавы группы ВТК, для обработки хрупких материалов (например, чугуна) – сплавы группы ВК.
Сплавы группы ТК применяются при обработке горных пород.
8.2.6. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
Магнитные стали и сплавы подразделяют на магнитомягкие и
магнитотвердые.
8.2.6.1. Магнитомягкие стали
1211 (Э11), 1212 (Э12), 1311 (Э21), 1312 (Э22) применяют для роторов и статоров асинхронных двигателей, магнитных цепей электрических машин; сталь 1521 (Э44) – для высокочастотных генераторов;
сталь 1561 (Э45), 1571 (Э47) – для трансформаторов, сердечников.
Сплавы железоникелевые, железокобальтовые и железоникелькобальтовые (пермаллои) обладают высокой магнитной проницаемостью, их применяют в радиотелефонных и телеграфных приборах
(79НМ, 80НХС, 50Н, 69НМП, 27КХ и др.).
8.2.6.2. Магнитотвердые стали
Получают на основе сплавов Fe–Ni–Al и Fe–Ni–Al–Со. Хромистые стали марок EX, ЕХЗ и ЕХЗА, кобальтовую сталь ЕХ5К5, сплавы
ЮНД8, ЮНДК18, ЮН14ДК24 и др. применяют для изготовления постоянных магнитов, приборов звукозаписи.
8.2.6.3. Сплавы с заданным коэффициентом линейного расширения
Типа инвар (36Н, 36НХ) и ковар (29НК) находят применение в
радиоэлектронике. Их используют также в вакуумноплотных соединениях со стеклом, керамикой, сапфиром и др.
8.2.6.4. Сплавы с высоким электросопротивлением
Например, фехраль Х13Ю4, хромаль 0Х23Ю5, ферронихром
Х15Н60, нихром Х20Н80 применяют для изготовления электронагревателей, элементов сопротивления, реостатов, бытовых приборов. Их
выпускают в виде проволоки и ленты.
8.2.6.5. Сплавы с заданными упругими свойствами
40КХНМ, 42НХТЮ применяют для заводских пружин часов, витых цилиндрических пружин, работающих при температуре до 100 ºС.
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8.2.6.6. Сплавы с эффектом памяти на основе Fe и Ni–Ti, Сu–Al–
Ni, Аu–Cd
Применяют для антенн космических спутников. Эффектом памяти называется способность металлов и сплавов, пластически деформированных в мартенситном состоянии, восстанавливать при
нагреве исходную форму. При нагреве устраняется деформация и возвращается форма. При определенной температуре некоторые сплавы,
например нитинол (на основе Ti и Ni), обладают сверхупругими свойствами. Их применяют для заклепочных соединений в труднодоступных местах (подводные домкраты, приборы автоматики и контроля,
элементы которых реагируют на повышение температуры).
8.3. Чугун
Чугун отличается от стали по составу – более высоким содержанием углерода, по технологическим свойствам – лучшими литейными
свойствами, низкой пластичностью, а также дешевизной.
В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном виде
цементита. Такое название он получил по виду излома, который имеет
матово-белый цвет. Обладает высокой твердостью и хрупкостью,
практически не поддается обработке режущим инструментом.
Серый чугун, в котором углерод в значительной степени или
полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого
графита (рис. 46, а).
а
б
в
Рис. 46. Форма графита в чугуне: а – пластинчатая (обычный серый чугун),
б – шаровидная (высокопрочный чугун), в – хлопьевидная (ковкий чугун)
Высокопрочный чугун, в котором в значительной степени или
полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного
графита (рис. 46, б).
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ковкий чугун, получающийся в результате отжига отливок из
белого чугуна, содержит графит хлопьевидной формы (рис. 46, в).
Графит в чугунах может быть в четырех основных формах: пластинчатой, шаровидной, хлопьевидной (названных ранее) и вермикулярной, т. е. в виде червеобразных прожилок (рис. 48).
Образование стабильной фазы графита в чугуне – графитизация –
может происходить в результате непосредственного выделения его из
жидкого (твердого) раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита.
Вероятность образования в жидкой фазе (или аустените) метастабильного цементита значительно больше, чем графита. Графит образуется при очень малой скорости охлаждения, когда степень переохлаждения жидкой фазы невелика. Если чугун, в котором углерод
находится в виде цементита, подвергнуть длительному нагреву при
высоких температурах, в нем протекает процесс графитизации, то есть
распад цементита на графит и феррит.
По строению металлической основы чугун разделяют на:
– перлитный чугун (рис. 47, а). Структура его состоит из перлита с включениями графита (на рис. 47, а графит в виде прожилок; типично для серого чугуна). Как известно, перлит содержит 0,8 % С,
следовательно, это количество углерода в сером перлитном чугуне
находится в связанном состоянии (т. е. в виде Fe3C), остальное количество находится в свободном виде, т. е. в форме графита;
Рис. 47. Микроструктура серого чугуна: а – перлитного, б – ферритоперлитного, в – ферритного
– феррито-перлитный чугун (рис. 47, б). Структура этого чугуна
состоит из феррита + перлит и включений графита. В этом чугуне количество связанного углерода меньше 0,8 % С;
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– ферритный чугун (рис. 47, в). В этом чугуне металлической
основой является феррит. Весь углерод присутствует в форме графита.
На схемах структур (рис. 48) обобщается описанная выше классификация чугуна по строению металлической основы и форме графита.
Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и
графита, то и свойства чугуна будут зависеть как от свойств металлической основы, так и от количества и характера графитных включений.
Рис. 48. Классификация чугуна по структуре металлической основы и форме
графитных включений
Графит по сравнению со сталью обладает низкими механическими свойствами, и поэтому графитные включения можно считать в
первом приближении просто пустотами, трещинами. Отсюда следует,
что чугун можно рассматривать как сталь, испещренную большим количеством пустот и трещин.
Естественно, что чем больший объем занимают пустоты, тем
ниже свойства чугуна. При одинаковом объеме пустот (т. е. количестве графита) свойства чугуна будут зависеть от их формы и расположения. Следовательно, чем больше в чугуне графита, тем ниже его
механические свойства, чем грубее включения графита, тем больше
они разобщают металлическую основу, тем хуже свойства чугуна.
Самые низкие механические свойства получаются тогда, когда графитные включения образуют замкнутый скелет.
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Округлые включения шаровидного графита не создают резкой
концентрации напряжений. Поэтому чугун с этими включениями имеет более высокие прочностные свойства.
В некоторых условиях образование графитных включений может быть полезным. Во-первых, наличие графита облегчает обрабатываемость резанием, делает стружку ломкой. Во-вторых, чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами благодаря смазывающему действию графита; в-третьих, наличие графитных выделений
быстро гасит вибрации и резонансные колебания; в-четвертых, чугун
почти нечувствителен к дефектам поверхности, надрезам и т. д.
Следует также указать лучшие литейные свойства по сравнению
со сталью. Более низкая температура плавления и окончание кристаллизации при постоянной температуре (образование эвтектики) обеспечивают не только удобство в работе, но и лучшие жидкотекучесть и
заполняемость формы. Описанные преимущества чугуна делают его
ценным конструкционным материалом, широко применяемым в деталях машин, главным образом тогда, когда они не испытывают значительных растягивающих и ударных нагрузок.
8.3.1. Марки чугунов
Серый, высокопрочный и ковкий чугуны подразделяют на марки
в зависимости от механических свойств. Серый чугун маркируют буквами СЧ (серый чугун) и двумя цифрами, которые показывают минимальное значение предела прочности чугуна на растяжение. Например,
СЧ25 имеет предел прочности при растяжении равный 250 МПа.
Высокопрочный чугун (ВЧ) также подразделяется на отдельные
марки в зависимости от механических свойств, причем основными показателями являются предел прочности при растяжении и относительное удлинение. Например, ВЧ45-5 имеет предел прочности 450 МПа и
относительное удлинение 5 %.
Сочетание высокой прочности и пластичности этих чугунов
позволяет изготавливать из них ответственные изделия.
Ковкий чугун маркируется следующим образом: КЧ означает
ковкий чугун. Затем ставят число, показывающее предел прочности и
число, показывающее относительное удлинение. Например, КЧ30-6
имеет предел прочности 300 МПа, относительное удлинение 6 %.
РЕЗЮМЕ
Железо (Fe) – металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85. Температура плавления железа 1539 ºС. Железо имеет
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
две полиморфные модификации  и . Модификация -железа существует при температурах ниже 910 ºС и выше 1392 ºС (рис. 41). В интервале
температур 1392–1539 ºС -железо нередко обозначают как -железо.
Кристаллическая решетка -железа – объемно центрированная кубическая (ОЦК). До температуры 768 ºС -железо магнитно (ферромагнитно).
Эту точку перехода от ферромагнитного в парамагнитное состояние
называют точкой Кюри (А2). Модификация -железа существует при
температуре 910–1392 ºС. Оно парамагнитно. Кристаллическая решетка
-железа – гранецентрированная кубическая (ГЦК) (рис. 41).
Точки, соответствующие температуре превращения одной фазы
в другую называются критическими точками, обозначающимися буквой А с индексами c и r (c – при нагреве, r – при охлаждении) и цифрами. Ас3 при нагреве (или Аr3 – при охлаждении) – переход ↔ при
температуре 910 оС. Ас4 (Аr4) – критическая точка перехода γ↔α при
температуре 1392 ºС.
Углерод (С) является неметаллическим элементом, атомный номер 6, температура плавления 3500 ºС. Углерод в обычных условиях
находится в виде модификации графита, но может существовать и в
виде метастабильной модификации алмаза. Углерод растворим в железе в твердом и жидком состояниях, а также может быть в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а в высокоуглеродистых
сплавах и в виде графита.
Фазы диаграммы железо-углерод (цементит)
Феррит (Ф) – твердый раствор углерода и других примесей в αжелезе.
Аустенит (А) – твердый раствор углерода и других примесей в
γ-железе.
Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом –
карбид железа (Fe3C).
Графит – модификация углерода в равновесном состоянии. Он
мягок, обладает низкой прочностью и электрической проводимостью.
Перлит – эвтектоидная смесь кристаллов феррита и цементита.
Ледебурит – эвтектическая смесь кристаллов перлита и цементита.
Стали, содержащие от 0,02 до 0,8 % С, называются доэвтектоидными и после полного охлаждения имеют структуру избыточного
феррита + перлит (рис. 45, б-е).
Сталь, содержащая 0,8 % С, называется эвтектоидной и после
охлаждения имеет структуру перлита (рис. 45, ж).
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Стали, содержащие от 0,8 до 2,14 % С, называются заэвтектоидными и после охлаждения имеет структуру перлита и избыточного цементита, который располагается по границам перлитных зерен (рис. 45, з).
Чугуны, в зависимости от содержания углерода, подразделяются на
доэвтектический (2,14–4,3 % С, структура после охлаждения – перлит, ледебурит (перлит + цементит) и вторичный цементит), эвтектический (4,3 % С,
структура после охлаждения – ледебурит (перлит + цементит)) и заэвтектические (более 4,3 % С, структура – ледебурит (перлит + цементит) и цементит) (рис. 44). С повышением содержания углерода количество цементита
возрастает.
Фазовый состав всех сплавов одинаков: при температуре ниже 727 ºС
они состоят из феррита и цементита.
Классификация легированных сталей
Легированные стали могут быть классифицированы по четырем
категориям.
Классификация по равновесной структуре
1. Доэвтектоидные стали, имеющие в структуре избыточный феррит.
2. Эвтектоидные стали, имеющие перлитную структуру.
3. Заэвтектоидные стали, имеющие в структуре избыточные
(вторичные) карбиды.
4. Ледебуритные стали, имеющие в структуре первичные карбиды, выделившиеся из жидкой стали. В литом виде избыточные карбиды совместно с аустенитом образуют эвтектику – ледебурит, который
при ковке или прокатке разбивается на обособленные карбиды и
аустенит.
Классификация по структуре после охлаждения на воздухе
Учитывая структуру, получаемую после охлаждения на воздухе
образцов небольшой толщины, можно выделить три основных класса
сталей: 1) перлитный; 2) мартенситный; 3) аустенитный. Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов, мартенситного – более значительным, и, наконец,
аустенитного – высоким содержанием легирующих элементов.
Классификация по составу
В зависимости от состава легированные стали классифицируются как никелевые, хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и тому подобные стали. Классификационный признак –
наличие в стали тех или иных легирующих элементов.
Классификация по назначению
В зависимости от назначения стали можно объединить в следующие группы.
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Конструкционная сталь, идущая на изготовление деталей машин. Конструкционная сталь, как правило, у потребителя подвергается термической обработке. Поэтому конструкционные стали подразделяют на цементуемые (подвергаемые цементации) и улучшаемые
(подвергаемые закалке и отпуску).
Близкие по составу к конструкционным сталям, но не предназначенные для термической обработки у потребителя, объединяются в
группу так называемых строительных сталей (они в основном применяются в строительстве). Часто их называют низколегированными.
Инструментальная сталь, идущая на изготовление режущего,
измерительного, штампового и прочего инструмента. Инструментальные стали условно подразделяют на следующие четыре категории:
углеродистые, легированные, штамповые и быстрорежущие.
Стали и сплавы с особыми свойствами. К ним относятся стали,
обладающие каким-нибудь резко выраженным свойством: нержавеющие, жаропрочные и теплоустойчивые, износоустойчивые, с особенностями теплового расширения, с особыми магнитными и электрическими свойствами.
Маркировка легированных сталей
Для обозначения марок стали разработана система, принятая в
ГОСТах. Обозначения состоят из числа цифр и букв, указывающих на
примерный состав стали.
Каждый легирующий элемент обозначается буквой: Н – никель;
Х – хром; К – кобальт; М – молибден; Г – марганец; Д – медь; Р – бор;
Б – ниобий; Ц – цирконий; С – кремний; П – фосфор; Ч – редкоземельные металлы; В–вольфрам; Т–титан; А–азот; Ф – ванадий; Л –
бериллий; Е – селен; Ви – висмут; Гл – галлий; Кд – кадмий; Ш – магний; Ю – алюминий. Первые цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (у высокоуглеродистых инструментальных сталях в десятых долях процента). Цифры,
идущие после буквы, указывают на примерное содержание данного
легирующего элемента (при содержании элемента менее 1 % цифра
отсутствует; при содержании 1 % цифра 1 и 2 % – цифра 2 и т. д.).
Легированные конструкционные стали:
– Строительные низколегированные стали.
– Конструкционные (машиностроительные) цементируемые
(нитроцементируемые) легированные стали.
– Конструкционные (машиностроительные) улучшаемые легированные стали.
– Шарикоподшипниковые стали.
– Износостойкие стали.
– Коррозионно-стойкие и жаростойкие стали и сплавы.
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Инструментальные материалы:
– Углеродистые и легированные инструментальные стали.
– Легированные инструментальные стали.
– Быстрорежущие стали.
– Твердые сплавы.
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
– Магнитомягкие стали.
– Магнитотвердые стали.
– Сплавы с заданным коэффициентом линейного расширения.
– Сплавы с высоким электросопротивлением.
– Сплавы с заданными упругими свойствами.
– Сплавы с эффектом памяти.
Чугун отличается от стали по составу – более высоким содержанием углерода, по технологическим свойствам – лучшими литейными свойствами, низкой пластичностью, а также дешевизной.
В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном виде
цементита.
Серый чугун, в котором углерод в значительной степени или
полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого
графита (рис. 46, а).
Высокопрочный чугун, в котором в значительной степени или
полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного
графита (рис. 46, б).
Ковкий чугун, получающийся в результате отжига отливок из
белого чугуна, содержит графит хлопьевидной формы (рис. 46, в).
По строению металлической основы чугун разделяют на:
– перлитный чугун (рис. 47, а).
– феррито-перлитный чугун (рис. 47, б).
– ферритный чугун (рис. 47, в).
Марки чугунов
Серый чугун маркируют буквами СЧ (серый чугун) и двумя
цифрами, которые показывают минимальное значение предела прочности чугуна на растяжение.
Высокопрочный чугун (ВЧ) также подразделяется на отдельные
марки в зависимости от механических свойств, причем основными
показателями являются предел прочности при растяжении и относительное удлинение.
Ковкий чугун маркируется следующим образом: КЧ означает
ковкий чугун, затем идут цифры, соответствующие значениям предела
прочности на растяжение и относительному удлинению.
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вопросы для повторения
1. Назвать основные компоненты железоуглеродистых сплавов
(сталей и чугунов)? Охарактеризовать их.
2. Какие критические точки в железоуглеродистых сплавах Вы
знаете? Что они обозначают?
3. Какие фазы Вы знаете в сталях и чугунах?
4. Дать классификацию углеродистым и легированным сталям.
5. Какова микроструктура доэвтектоидных сталей?
6. Какова микроструктура эвтектоидных сталей?
7. Какова микроструктура заэвтектоидных сталей?
8. Дать определение типам структуры: «феррит», «перлит»,
«цементит», «ледебурит», «аустенит».
9. По предложенной фотокарточке микроструктуры определить марку доэвтектоидной стали (по содержанию углерода).
10. Марки углеродистых сталей.
11. Как влияет содержание углерода на микроструктуру и
свойства сталей?
12. Какова микроструктура доэвтектических белых чугунов?
13. Какова микроструктура эвтектических белых чугунов?
14. Какова микроструктура заэвтектических белых чугунов?
15. Микроструктура серых чугунов. Марки. Применение.
16. Микроструктура ковких чугунов. Марки. Применение.
17. Микроструктура высокопрочных чугунов. Марки. Применение.
18. Какая структурная основа встречается у чугунов?
19. Как влияет форма графитных включений на механические
свойства чугунов?
20. Какие преимущества имеют чугуны перед сталями благодаря наличию графитных включений?
9. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Технология металлов состоит из трех основных видов: металлургии – получение металла заданного состава; механической технологии – получение из металла изделий заданной внешней формы;
термической обработки – получение заданных свойств.
Конечно, и при металлургическом производстве металлургическое изделие получает определенную внешнюю форму (слиток), но не
это является определяющим. При обработке резанием, ковке, штамповке и т. д. в какой-то степени изменяется структура металла (или
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
его поверхностных слоев), но это следует рассматривать как сопутствующее явление, так же как и изменение формы при термической
обработке, основная цель которой – изменение структуры металла.
9.1. Температура и время термической обработки
Цель любого процесса термической обработки состоит в том,
чтобы нагревом до определенной температуры и последующим охлаждением вызвать желаемое изменение строения металла.
Основные факторы воздействия при термической обработке –
температура и время, поэтому режим любой термической обработки
можно представить графиком в координатах t (температура) и τ (время).
Режим термической обработки характеризуют следующие основные параметры: температура нагрева tmax , т. е. максимальная температура, до которой был нагрет сплав при термической обработке;
время выдержки сплава при температуре нагрева – τв; скорость нагрева vнагр и скорость охлаждения vохл.
9.2. Классификация видов термической обработки
Для изменения свойств сплава, возникающих вследствие термической обработки, необходимо, чтобы в сплаве в результате термической обработки произошли остающиеся изменения, обусловленные в
первую очередь фазовыми превращениями.
Все виды термической обработки можно разделить на четыре
основные группы.
Первая группа. Предшествующая обработка может привести
металл в неустойчивое состояние. Так, холодная пластическая деформация создает наклеп – искажение кристаллической решетки. При затвердевании – не успевают протекать диффузионные процессы, и состав металла даже в объеме одного зерна оказывается неоднородным.
Быстрое охлаждение или неравномерное приложение напряжений делает неравномерным распределение упругой деформации. Неустойчивое состояние при комнатной температуре сохраняется долго, так как
теплового движения атомов при комнатной температуре недостаточно
для перехода в устойчивое состояние.
Нагрев (увеличение тепловой подвижности атомов) приводит к
тому, что процессы, приводящие металл в устойчивое состояние (снятие напряжений, уменьшение искажений кристаллической решетки,
рекристаллизация, диффузия), достигают заметных скоростей.
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, который в результате какой-то предшествующей обработки получил неустойчивое состояние, и приводящая его и более устойчивое состояние, называется отжигом.
Если в сплавах при нагреве происходит фазовое превращение
(аллотропическое превращение, растворение второй фазы и т. д.), то
нагрев выше некоторой критической температуры вызывает изменение в строении сплава. При последующем охлаждении произойдет
обратное превращение. Если охлаждение достаточно медленное, то
превращение будет полное, и фазовый состав будет соответствовать
равновесному состоянию.
Существуют два вида отжига. Если сплав не имеет фазовых
превращений, то любой нагрев сплава с неравновесной структурой
приводит сплав в более равновесное состояние. Такой отжиг называется отжигом первого рода. Если у сплава есть фазовое превращение,
то нагрев сплава с неравновесной структурой (но не обусловленной
закалкой) выше температуры фазовых превращений с последующим
медленным охлаждением приводит сплав в более равновесное состояние. Такая обработка тоже относится к отжигу, но классифицируется
как отжиг второго рода или фазовая перекристаллизация.
Вторая группа. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые
изменения, то полнота обратного (при охлаждении) превращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически можно себе представить
такие условия охлаждения, при которых обратное превращение вовсе
не произойдет, и при комнатной температуре в результате быстрого
охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такая операция называется закалкой. Во многих случаях закалка не фиксирует совсем (или фиксирует не полностью) состояние сплава, устойчивое при высоких температурах. Поэтому предельный случай закалки, когда состояние сплава, характерное для высоких температур, фиксируется, называется истинной закалкой, в отличие от закалки в более широком смысле, когда фиксируется не состояние сплава при высокой температуре, а некоторая его стадия
структурного превращения, при которой в сплаве не достигнуто еще
равновесное состояние.
Закалка бывает объемной (под закалку нагревают насквозь все
изделие) и поверхностной (осуществляют местный, чаще поверхностный) нагрев.
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Между закалкой и отжигом второго рода есть общее. И в том, и в
другом случае сплав нагревается выше температуры фазового превращения, и окончательное строение приобретает в результате превращения
при последующем охлаждении. Однако между обоими видами имеется и
принципиальная разница. При отжиге второго рода цель охлаждения –
приближение сплава к равновесному состоянию, поэтому охлаждение
проводят медленно. При закалке охлаждение быстрое, чтобы отдалить
структурное состояние сплава от равновесного.
Третья группа. Состояние закаленного сплава характеризуется
неустойчивостью. Даже без всякого температурного воздействия в
сплаве могут происходить процессы, приближающие его к равновесному состоянию. Нагрев сплава, увеличивающий подвижность атомов, способствует этим превращениям. При повышении температуры
закаленный сплав все больше приближается к равновесному состоянию. Такая обработка, т. е. нагрев закаленного сплава, но ниже температуры равновесных фазовых превращений, называется отпуском. И
при отжиге первого рода, как и при отпуске, сплав приближается к
структурному равновесию. В обоих случаях начальную стадию характеризует неустойчивое состояние, только для отжига первого рода оно
было результатом предварительной обработки, при которой, однако,
не было фазовых превращений, а для отпуска – предшествовавшей
закалкой. Таким образом, отпуск – вторичная операция, осуществляемая всегда после закалки. Отпуск иногда называют старением. В одних случаях старением называют длительный низкотемпературный
нагрев, объединяя при этом отжиг 1 рода и отпуск, в других – нагрев
закаленной стали называют отпуском, а нагрев закаленных сплавов
цветных металлов – старением. Сейчас рекомендуют такое разграничение отпуска и старения: отпуск – это нагрев закаленного сплава,
имеющего фазовые превращения; старение – это нагрев закаленного
сплава, не имеющего фазовых превращений. В этом случае закаленное
состояние характеризуется пересыщением твердого раствора. Дадим
краткое определение основных видов термической обработки.
Отжиг – термическая операция, состоящая в нагреве металла,
имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей
обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние.
Закалка – термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.
Отпуск – термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры превращения для получения более
устойчивого структурного состояния сплава.
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кроме этих основных видов термической обработки, имеются
еще два принципиально отличных способа, представляющих сочетание
термической обработки с металлургией или механической технологией.
Способность металлов растворять различные элементы позволяет
при повышенных температурах атомам вещества, окружающего поверхность металла, диффундировать внутрь него, создавая поверхностный слой измененного состава. При этой обработке изменяется не только состав, но и структура поверхностных слоев, а иногда сердцевины.
Такая обработка называется химико-термической обработкой (ХТО). К
этому виду химико-термической обработки относится как бы обратный
процесс – удаление элементов путем подбора соответствующих сред.
Диффузионная подвижность неметаллов (С, N, О, Н, В) отлична от подвижности металлов, поэтому химико-термическую обработку подразделяют на диффузионное насыщение неметаллами и металлами.
В последнее время применение получает обработка, в которой в
едином технологическом процессе сочетаются деформация и структурные превращения. Такая обработка получила название деформационнотермическая. В зависимости от того, когда осуществляется пластическая деформация до или после превращения, деформационнотермическую обработку разделяют на термомеханическую обработку
ТМО (деформация осуществляется до превращения) и механикотермическую обработку МТО (деформация осуществляется после превращения). Таким образом, к трем основным видам термической обработки (отжиг, закалка, отпуск) должны быть добавлены две сложные
обработки:
– химико-термическая обработка – нагрев сплава в соответствующих химических реагентах для изменения состава и структуры
поверхностных слоев:
– деформационно-термическая обработка – деформация и последующая термическая обработка, сохраняющая в той или иной
форме результаты наклепа.
9.3. Основные виды термической обработки стали
Если основой при рассмотрении термической обработки сплавов является соответствующая диаграмма состояния, то, очевидно, что
основой для изучения термической обработки стали является диаграмма железо-углерод. Поскольку мы рассматриваем термическую
обработку стали, то нам интересны только сплавы с концентрацией до
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2 % С и соответственно область на диаграмме железо-углерод с концентрацией углерода до 2 % (точнее до 2,14 % С).
Естественно, что верхней температурной границей при термической обработке является линия солидуса, поэтому процессы первичной кристаллизации и, следовательно, верхняя часть диаграммы для
нас в данном случае не имеют большого значения.
Участок диаграммы железо-углерод, который мы будем рассматривать, изображен на рис. 49.
Приведем общепринятые обозначения критических точек.
Критические точки обозначаются буквой А.
Рис. 49. «Стальной» участок диаграммы Fe-C
Нижняя критическая точка, обозначаемая А1, лежит на линии
PSK и соответствует превращению аустенит ↔ перлит. Верхняя критическая точка А3, лежит на линии GSЕ и соответствует началу выпадения или концу растворения феррита в доэвтектоидных сталях или
цементита (вторичного) в заэвтектоидных сталях. Чтобы отличить
критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, рядом с буквой А ставят букву с, в первом случае и r – во втором.
Следовательно, критическая точка превращения аустенита в
перлит обозначается Аr1, а перлит в аустенит Ас1, начало выделения
феррита из аустенита обозначается Аr3; конец растворения феррита в
аустените Ас3. Начало выделения вторичного цементита из аустенита
обозначается также Аr3, а конец растворения вторичного цементита в
аустените – Ас3 .
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ниже дана характеристика основных видов термической обработки стали в соответствии с выше приведенной классификацией.
Отжиг – фазовая перекристаллизация, заключающаяся в нагреве
выше Ас3 с последующим медленным охлаждением. При нагреве выше
Ас1, но ниже Ас3 полная перекристаллизация не произойдет; такая термическая обработка называется неполным отжигом. При отжиге состояние стали приближается к структуре равновесному; структура стали
после отжига: перлит + феррит, перлит или перлит + цементит.
Если после нагрева выше Ас3 провести охлаждение на воздухе,
то это будет первым шагом к отклонению от практически равновесного структурного состояния. Такая термическая операция называется
нормализацией.
Закалка – нагрев выше критической точки Ас3 с последующим
быстрым охлаждением. При медленном охлаждении аустенит распадается на феррит + цементит при Аr1. С увеличением скорости охлаждения превращение происходит при более низких температурах.
Феррито-цементитная смесь по мере снижения Аr1 становится все более мелко дисперсной и твердой. Если же скорость охлаждения была
так велика и переохлаждение было так значительно, что выделение
цементита и феррита не произошло, то и распада твердого раствора не
происходит, а аустенит (γ-твердый раствор) превращается в мартенсит (пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе). Неполная
закалка – термическая операция, при которой нагрев проводят до температуры лежащей выше Ас1, но ниже Ас3 и в структуре стали сохраняется доэвтектоидный феррит (заэвтектоидный цементит).
Отпуск – нагрев закаленной стали ниже Ас1и последующее медленное охлаждение.
Для стали возможны различные виды химико-термической обработки в зависимости от элемента, диффундирующего в сталь. Насыщение стали углеродом называется цементацией, азотом – азотированном, алюминием – алитированием, хромом – хромированием и т. д.
Термомеханическая обработка стали – нагрев до аустенитного
состояния, деформация стали в аустенитном состоянии (в стабильном
состоянии – выше Ас3 или в нестабильном переохлажденном состоянии) и окончательное охлаждение с протекающим при этом превращением наклепанного аустенита.
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9.4. Четыре основных превращения в стали
При изучении кристаллизации мы видели, что этот процесс превращения жидкости в твердое вещество и наоборот совершается
вследствие большей устойчивости одного или другого состояния.
Фазовые превращения, которые совершаются в стали, также вызваны тем, что вследствие изменившихся условий, например температуры, одно состояние оказывается менее устойчивым, чем другое.
Этим и вызываются превращения, протекающие в стали.
Рассматривая структурные превращения в стали, мы, прежде
всего, должны указать, что основными являются три структуры, а переход их из одной в другую характеризуют основные превращения.
Укажем эти структуры:
– аустенит (А) – твердый раствор углерода в γ-железе Feγ (С);
– мартенсит (М) – пересыщенный твердый раствор углерода в
α-железе Feα (С);
– перлит (П) – эвтектоидная смесь из одновременно образующихся феррита и карбида Feα + Fe3С (ничтожно малой равновесной
растворимостью углерода в феррите пренебрегаем).
При термической обработке стали наблюдаются четыре основных превращения.
I. Превращение перлита в аустенит, протекающее выше точки
Ас1, выше температуры стабильного равновесия аустенит–перлит; при
этих температурах из трех основных структур минимальной свободной энергией обладает аустенит:
Feα + Fe3С → Feγ (С) или П → А
II. Превращение аустенита в перлит, протекающее ниже А1:
Feγ (С) → Feα + Fe3С или А → П
III. Превращение аустенита в мартенсит:
Feγ (С) → Feα (С) или А →М
Это превращение наблюдается ниже температуры метастабильного равновесия аустенит–мартенсит (То). При То более устойчивой
фазой является перлит, однако работа, необходимая для образования
мартенсита из аустенита, меньше, чем для образования перлита, поэтому ниже То образование перлита (феррито-карбидной смеси) из
аустенита может произойти только в результате превращения аустенита в мартенсит, а затем уже мартенсита в перлит.
Таким образом, аустенито-мартенситное превращение в данном
случае является промежуточным в процессе перехода аустенита в перлит.
IV. Превращение мартенсита в перлит, точнее, в ферритокарбидную смесь:
Feα (С) → Feγ + Fe3С или М →П.
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Оно происходит при всех температурах, так как при всех температурах свободная энергия мартенсита больше свободной энергии
перлита (точнее феррито-карбидной смеси).
9.5. Образование аустенита
Превращение перлита в аустенит в полном соответствии с диаграммой состояния Fе–С может совершиться лишь при очень медленном нагреве. При обычных условиях нагрева превращение запаздывает
и получается перенагрев, т. е. превращение происходит лишь при температурах, несколько более высоких, чем указано на диаграмме Fe–C.
Перенагретый выше критической точки перлит с различной скоростью в зависимости от степени перенагрева превращается в аустенит.
На рис. 50 приведены данные, показывающие время превращения перлита в аустенит для стали, содержащей 0,86 % С, при разных
температурах (в зависимости от степени перенагрева). Расположение
кривых показывает, что чем выше температура, тем быстрее (т. е. за
меньший отрезок времени) протекает превращение.
Рис. 50. Превращения перлита (П) в аустенит (А) при постоянной температуре
Например, при 780 °С превращение перлит + аустенит завершится за 2 мин. а при 740 °С – за 8 мин.
Диаграмма, приведенная на рис. 50, дана в координатах температура – время, поэтому на нее можно нанести кривые нагрева.
Луч соответствует нагреву стали с какой-то определенной скоростью v2. Он пересекает линии начала и конца превращения в точках а" и
b". Следовательно, при непрерывном нагреве со скоростью v2 мы зафиксируем превращение, протекающее в интервале температур от точ-
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ки а" до точки b". Если нагрев был более медленным, то луч v1 пересекает кривые превращения при более низких температурах (точки а' и
b'), и превращение произойдет тоже при более низких температурах.
Кривые начала и конца превращения, асимптотически приближаясь к горизонтали А1 пересекут ее в бесконечности. Нагрев с бесконечно малой скоростью пересечет горизонталь А1 в бесконечности, где
сливаются кривые начала и конца превращения и где превращение
перлита в аустенит произойдет в одной «точке», т. е. при постоянной
температуре. Это, очевидно, и будет случай равновесного превращения – по диаграмме Fe–С. Реальные превращения, в отличие от равновесных, протекают при температуре выше А1 и не при одной температуре, а в интервале температур, лежащем тем выше, чем быстрее
нагреваем сталь.
Окончание процесса превращения характеризуется образованием аустенита и исчезновением перлита. Однако этот вновь образовавшийся аустенит даже в объеме одного зерна неоднороден. В тех местах, в которых ранее были пластинки (или зерна) перлитного цементита, содержание углерода больше, чем в тех местах, где залегали
пластинки феррита. Поэтому только что образовавшийся аустенит неоднороден.
Для получения однородного по составу (гомогенного) аустенита
при нагреве требуется не только перейти через точку окончания перлитно-аустенитного превращения, но и перегреть сталь выше этой
точки или дать выдержку для завершения диффузионных процессов
внутри аустенитного зерна.
Скорость гомогенизации аустенита в значительной степени
определяется исходной структурой стали – степенью дисперсности
цементита и его формой. Чем мельче частицы цементита и, следовательно, больше их суммарная поверхность, тем быстрее происходят
описанные превращения.
9.6. Рост аустенитного зерна
Начало перлито-аустенитного превращения сопровождается образованием первых зерен аустенита. Первые зерна аустенита образуются на границе между ферритом и цементитом – структурными составляющими перлита. Превращение начинается с образования множества мелких зерен. Размер этих зерен характеризует так называемую величину начального зерна аустенита.
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Дальнейший нагрев (или выдержка) по окончании превращения
вызывает рост аустенитных зерен. Рост зерна – самопроизвольно протекающий процесс, так как при этом уменьшается суммарная поверхность зерен (уменьшается поверхностная энергия), высокая температура обеспечивает лишь достаточную его скорость.
Различают два типа сталей: наследственно мелкозернистую и
наследственно крупнозернистую; первая характеризуется малой
склонностью к росту зерна, вторая – повышенной склонностью.
Переход через критическую точку А1 сопровождается резким
уменьшением зерна (рис. 51). При дальнейшем нагреве зерно аустенита в
мелкозернистой стали не растет до 950–1000 °С, после чего устраняются
факторы, препятствующие росту, и зерно начинает быстро расти.
У крупнозернистой стали ничто не препятствует росту зерна, который и начинается вскоре после перехода через критическую точку.
Под наследственной зернистостью следует подразумевать
склонность аустенитного зерна к росту.
Рис. 51. Схеме изменения размера зерна в зависимости от нагрева
в аустенитной области
Размер зерна, полученный в стали в результате той или иной
термической обработки, – это так называемое действительное зерно.
Таким образом, различают:
1) начальное зерно – размер зерна аустенита в момент окончания перлито-аустенитного превращения; 2) наследственное (природное) зерно – склонность аустенитных зерен к росту; 3) действительное
зерно – размер зерна аустенита в данных конкретных условиях.
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Размеры перлитных зерен зависят от размеров зерен аустенита,
из которых они образовались. Чем крупнее зерна аустенита, тем, как
правило, большего размера перлитные зерна, образующиеся из них
(рис. 51). Аустенитные зерна растут только при нагреве (при последующем охлаждении они не измельчаются), поэтому максимальная
температура нагрева стали в аустенитном состоянии и ее наследственная зернистость определяют окончательный размер зерна.
Укрупнение зерна аустенита в стали почти не отражается на механических свойствах таких, как твердость, сопротивление разрыву,
предел текучести, относительное удлинение, но сильно снижает ударную вязкость.
9.7. Распад аустенита
Превращение аустенита в перлит заключается в распаде аустенита – твердого раствора углерода в γ-железе, на почти чистое αжелеэо и цементит:
Feγ (С) → Feα + Fe3C.
Превращение может начаться не в точке А1, а при некотором переохлаждении, когда свободная энергия феррито-карбидной смеси
(перлита) окажется меньшей, чем свободная энергия аустенита.
Чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение, тем больше разность свободных энергий, тем быстрее происходит
превращение.
В случае перлитного превращения образуются фазы, резко отличающиеся по составу от исходной: феррит, почти не содержащий
углерода, и цементит, содержащий 6,67 % С. Поэтому превращение
аустенит → перлит сопровождается диффузией, перераспределением
углерода. Скорость диффузии резко уменьшается с понижением температуры, следовательно, с этой точки зрения увеличение переохлаждения должно замедлять превращения.
Таким образом, при увеличении переохлаждения (снижения
температуры превращения) вступают в борьбу два фактора, прямо
противоположно влияющие на скорость превращения.
Снижение температуры (увеличение переохлаждения), с одной
стороны, увеличивает разность свободных энергий аустенита и перлита, что ускоряет превращение, а с другой, – вызывает уменьшение
скорости диффузии углерода, а это замедляет превращение. Суммарное действие обоих факторов приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, достигает
при каком-то значении переохлаждения максимума и затем убывает.
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из сказанного следует, что как только созданы надлежащие
условия, зарождаются центры кристаллизации и из них растут кристаллы. Процесс этот происходит во времени и может быть изображен
в виде так называемой кинетической кривой превращения, показывающей количество образовавшегося перлита в зависимости от времени,
прошедшего с начала превращения (рис. 52).
а
б
Рис. 52. а – кинетическая кривая превращения аустенита в перлит;
б – кинетические кривые превращения аустенита в перлит
при различных температурах (t1> t2 >...)
Начальный период характеризуется весьма малой скоростью
превращения – это так называемый инкубационный период, или период инертности. Точка а на кривой показывает момент, когда обнаруживается начало превращения (обычно это соответствует образованию 1 % перлита). На кривой степень превращения – время (рис. 52,
а) видно, что скорость превращения возрастет по мере того, как развивается превращение. Максимум скорости превращения соответствует примерно тому времени, когда превратилось ~50 % аустенита.
В дальнейшем скорость превращения уменьшается и, наконец, превращение заканчивается (точка b).
Скорость превращения зависит от степени переохлаждения. При
малых и значительных переохлаждениях превращение происходит
медленно, так как малы значения скорости роста кристаллов и числа
образующихся центров кристаллизации (рис. 52, б); в первом случае –
из-за малой разности свободных энергий, во втором – из-за малой
диффузионной подвижности атомов. При максимальной скорости
превращения кинетические кривые идут круто вверх, и превращение
заканчивается за малый отрезок времени.
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На рис. 52, б показана серия кинетических кривых, подобных
приведенной на рис. 52, а, но относящихся к разным температурам
(разным степеням переохлаждения).
При высокой температуре t1, (малая степень переохлаждения)
превращение развивается медленно и продолжительность инкубационного периода (отрезок от начала координат до точки a) и время превращения (отрезок от начала координат до точки b), т. е. при увеличении степени переохлаждения, скорость превращения возрастает, и поэтому продолжительность инкубационного периода и продолжительность всего превращения сокращаются. Максимум скорости превращения соответствует температуре t4 , дальнейшее снижение температуры приведет уже к уменьшению скорости превращения.
Если нанести на диаграмму отрезки кривых аустенитоперлитного превращения, соответствующие началу превращения
(время «инкубационного периода») и концу превращения, т. е. точки а
и b расположить по вертикали по мере снижения температуры, то получим диаграмму, приведенную на рис. 53.
Рис. 53. Диаграмма изотермического превращения аустенита (построена по
кривым изотермического превращения на рис. 52)
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кривая начала превращения в зависимости от степени переохлаждения покажет время, когда превращение практически не
наблюдается, т. е. когда имеем переохлажденный аустенит. Мерой его
неустойчивости может служить отрезок от оси ординат до кривой
начала превращения при 500–600 °С (температура t4), когда этот отрезок имеет минимальные размеры, т. е. аустенит начинает превращаться в перлит через наиболее короткий промежуток времени.
Вторая кривая показывает время, необходимое при данном переохлаждении для полного превращения аустенита в перлит. При 500–
600 °С это время также минимально. Следует указать, что по горизонтали шкала логарифмическая. Это сделано для удобства изображения,
так как слишком различны скорости образования перлита около критической точки и у изгиба кривой. В первом случае (для углеродистой
стали) превращение заканчивается через несколько десятков минут
(тысячи секунд), а во втором случае оно происходит за одну – две секунды. Горизонтальная линия Мн показывает температуру начала бездиффузионного мартенситного превращения.
Механизм этого превращения отличается от механизма образования перлита, и будет рассматриваться ниже.
На рис. 53 показано время превращения аустенита в перлит в зависимости от степени переохлаждения, т. е. превращение переохлажденного аустенита при постоянной температуре. Поэтому такие диаграммы
обычно называют диаграммами изотермического превращения аустенита. Кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита
имеют вид буквы С, поэтому их часто называют С-образными или просто
С – кривыми.
Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят
от температуры, при которой происходил процесс его распада (рис. 54).
При высоких температурах, т. е. при малых степенях переохлаждения, получается достаточно грубая (легко дифференцируемая под
микроскопом) смесь феррита и цементита. Эта смесь называется перлитом (рис. 54, а).
При более низких температурах и, следовательно, при больших
степенях переохлаждения дисперсность структур возрастает, и твердость продуктов повышается. Такой более тонкого строения перлит
получил название сорбита (рис. 54, б).
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 54. Структура эвтектоидной стали в зависимости от температуры
распада аустенита: а – перлит, распад при 700 °С, х7500; б–сорбит, распад
при 650 оС, х7500; в – троостит, распад при 600 оС, х15 000
При еще более низкой температуре (что соответствует изгибу Скривой) дисперсность продуктов еще более возрастает, и дифференцировать под оптическим микроскопом отдельные составляющие ферритоцементитной смеси становится почти невозможно, но при наблюдении
под электронным микроскопом пластинчатое строение обнаруживается
вполне четко (рис. 54, в). Такая структура называется трооститом.
Таким образом, перлит, сорбит и троостит – структуры с одинаковой природой (феррит + цементит), отличающиеся степенью дисперсности феррита и цементита.
Перлитные структуры могут быть двух типов: зернистые (цементит в них находится в форме зернышек) или пластинчатые (в форме пластинок).
Однородный (гомогенный) аустенит всегда превращается в пластинчатый перлит. Следовательно, нагрев до высокой температуры,
который создает условия для образования более однородной структуры, способствует появлению пластинчатых структур. Неоднородный
аустенит при всех степенях переохлаждения дает зернистый перлит,
следовательно, нагрев до невысокой температуры (для заэвтектоидной
стали ниже Ас3) приводит при охлаждении к образованию зернистого
перлита. Вероятно, оставшиеся не растворенными в аустените частицы, являющиеся дополнительными центрами кристаллизации, способствуют образованию зернистого цементита.
Таким образом, при исходном нагреве до 900 °С получился пластинчатый перлит, причем более низкая температура превращения
дает более дисперсную структуру. В той же стали при тех же температурах превращения, но после невысокого нагрева (780 °С), получился
зернистый перлит. Размер зерен цементита мельче при более низкой
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
температуре превращения.
Следовательно, размер цементитных частиц зависит от температуры превращения аустенита, а форма цементита – от температуры
нагрева (температуры аустенизации).
Превращения выше и ниже изгиба С-кривой отличаются по кинетике превращения и по форме продуктов распада.
Выше изгиба С-кривой, т. е. при малых переохлаждениях, превращение начинается из немногих центров, и кристаллы перлита растут до столкновения. Ниже изгиба С-кривой возникает игольчатая
микроструктура, образуются иглы-пластины, рост которых ограничен,
и превращение происходит главным образом путем появления
новых кристаллов.
Образующаяся ниже изгиба С-кривой игольчатая структура получила название бейнит. Превращение аустенита в бейнит имеет общие черты с перлитным и мартенситным превращениями, поэтому с
бейнитным превращением следует познакомиться после изучения
превращения аустенита в мартенсит.
В зависимости от содержания углерода и степени переохлаждения существуют следующие области превращения аустенита:
I – превращение аустенит → перлит;
II – предварительное выделение феррита и затем превращение
аустенит → перлит;
III – предварительное выделение цементита и затем превращение аустенит → перлит;
IV – превращение аустенит → бейнит;
V – превращение аустенит →мартенсит и распад остаточного
аустенита с образованием бейнита;
VI – превращение аустенит → мартенсит;
VII – переохлажденный аустенит сохраняется без превращения.
После рассмотрения процесса превращения аустенита при постоянной температуре и разных степенях переохлаждения можно перейти к рассмотрению процесса распада аустенита при непрерывном
охлаждении, когда сталь, нагретая до аустенитного состояния, охлаждается с разной скоростью.
Наложим на диаграмму изотермического распада аустенита
кривые охлаждения (рис. 55).
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 55. Наложение на диаграмму изотермического распада аустенита
кривых охлаждения. Схемы структур и их твердость
Линия v1, характеризующая медленное охлаждение, пересечет линии диаграммы в точках a1 и b1 . При этих температурах, соответствующих положениям точек a1 и b1, и произойдет превращение. Продуктом
превращения будет перлит с низкой твердостью (крупнопластинчатый).
При более быстром охлаждении кривые v2 и v3 пересекают линии диаграммы при более низких температурах (точки a2 и b2, a3 и b3),
образуя более дисперсные продукты.
Диаграмма изотермического распада аустенита строится в координатах температура – время; в этих же координатах изображаются и
кривые охлаждения.
Из этого построения видно, что чем больше скорость охлаждения,
тем при более низкой температуре произойдет превращение, и поэтому
тем более дисперсными и твердыми будут продукты превращения.
Если же охлаждать аустенит с большой скоростью (v5), то превращение в верхнем районе температур не успеет произойти, аустенит
переохладится до низких температур и произойдет его превращение в
мартенсит, т. е. такое охлаждение приведет к закалке.
Следовательно, чтобы закалить сталь, ее следует охлаждать с
такой скоростью, чтобы не успели пройти процессы распада аустенита
в верхнем районе температур.
Из рис. 56 видно, что все скорости, большие, чем vк (vк – кривая
охлаждения, касательная к выступу С-кривой), приводит к образованию
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мартенсита, а меньшие – к распаду
аустенита в верхнем районе температур.
Минимальная скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного
превращения, называется критической
скоростью закалки. Чтобы закалить
сталь, ее следует охлаждать со скоростью не меньшей, чем критическая.
Чем правее лежит кривая начала превращения, тем меньше величина vк.
Другими словами, чем медленнее
происходит превращение аустенита в
Рис. 56. Мартенсит, Х500
перлит, тем легче переохладить аустенит до температур мартенситного превращения и тем меньше критическая скорость закалки.
Если охлаждать со скоростью, немного меньшей критической,
то аустенит в верхнем районе температур превратится лишь частично,
и структура будет состоять из продуктов превращения в верхнем районе температур (троостит (рис. 58, а)) и мартенсита (рис. 56).
9.8. Мартенситное превращение
Если скорость охлаждения стали от высоких температур (выше
Ас3) становится достаточно большой (v > vк, рис. 55) для подавления
распада аустенита на феррито-цементитную смесь, то аустенит испытывает мартенситное превращение [Feγ (С) → Feα (С) или А→М] с образованием новой фазы в стали–мартенсита.
Мартенсит в углеродистой стали есть пересыщенный твердый
раствор внедрения углерода в решетку Feα.
Мартенситное превращение было открыто при изучении закалки и
первоначально под ним подразумевался только процесс, приводящий к
образованию мартенсита в сталях. Однако впоследствии было установлено, что мартенситное превращение следует трактовать шире, так как
его характерные особенности наблюдаются не только в сталях, но и в
других железных сплавах, цветных сплавах и даже в полупроводниках.
Поэтому в настоящее время под мартенситным превращением понимается особый вид фазового превращения в твердом теле, протекающего по
бездиффузионному, сдвиговому механизму, называемому мартенситным, а под мартенситом – продукт такого превращения.
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Можно выделить следующие характерные особенности мартенситного превращения в стали:
1. Мартенситное превращение–бездиффузионное. Концентрация
углерода в мартенсите такая же, как и в исходном аустените, мартенсит – перенасыщенный твердый раствор углерода в Feα.
2. Механизм А → М превращения носит сдвиговый характер.
3. Сдвиговой механизм превращения приводит к образованию
на поверхности полированного шлифа стали характерного рельефа.
4. Кристаллическая решетка мартенсита в сталях не кубическая
как у Feα, а тетрагональная, при этом тетрагональность решетки (отношение параметров с/а) линейно увеличивается с ростом содержания
в стали углерода, а в ряде высоколегированных сталей зависит и от
содержания легирующих элементов.
5. Наиболее типичной формой мартенситного кристалла является пластина или линза с малым отношением толщины к другим линейным размерам, имеющая сложное внутреннее строение. Форма
мартенситных кристаллов соответствует минимуму упругой энергии,
возникающей при мартенситном превращении (рис. 55).
6. Время образования одного кристалла мартенсита менее 10-7 с,
а скорость его роста более 105 см/с, т. е. близка к скорости звука в
твердом теле и не зависит от температуры превращения.
7. А→М превращение протекает в определенном температурном
интервале: начинается при температуре Мн и заканчивается при более
низкой температуре Мк (эти температуры называются мартенситными
точками). При данной температуре с громадной скоростью образуется
только определенное количество мартенсита и для возобновления
превращения сталь надо охлаждать в интервале Мн – Мк.
8. Температура Мн в широком диапазоне скоростей охлаждения
не зависит от ее величины, а А→М превращение невозможно подавить даже при самых больших скоростях охлаждения.
9. Мартенситные точки зависят от состава стали; сильно Мн и Мк
снижает углерод.
10. А→М превращение не идет до конца: в стали всегда существует так называемый остаточный аустенит, количество которого
увеличивается при понижении точки Мн , например за счет легирования углеродом.
11. Приложение внешних упругих напряжений или деформаций
увеличивает количество образуемого мартенсита и повышает температуру начала его образования. Температура, ниже которой возможно
образование мартенсита при деформации, обозначается МД.
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9.9. Бейнитное превращение
Бейнитное превращение (названное так по имени ученого Э.
Бейна) переохлажденного аустенита происходит в интервале температур ниже перлитного и выше мартенситного интервала превращений,
поэтому его иногда называют промежуточным.
Определяющей особенностью бейнитного превращения является то обстоятельство, что оно протекает в интервале температур, когда
практически отсутствует самодиффузия железа и диффузия легирующих элементов, но интенсивно может протекать диффузия углерода.
Вначале аустенит обедняется из-за выделения карбидов углерода и
при достижении необходимого обеднения происходит мартенситная
реакция. Чем выше температура изотермической выдержки, тем
больше должно произойти обеднение аустенита, тем менее углеродистый аустенит претерпевает мартенситное превращение, теряя типичные для него черты. Поэтому внешний вид структуры бейнита существенно зависит от температуры его образования.
Обычно бейнит делят на верхний (рис. 57, а) и нижний (рис. 57,
б), образующийся соответственно в верхнем и нижнем интервале температур бейнитного превращения. Нижний бейнит по своей природе и
свойствам мало отличается от изотермического (реечного) мартенсита.
Рис. 57. Микроструктура бейнита: а) верхнего; б) нижнего
9.10. Превращения при отпуске
Отпуск заключается в нагреве закаленной стали, структура которой состоит из тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита, до
температур ниже Ас1, выдержке при этой температуре и последующем
охлаждении. Так как мартенсит представляет собой перенасыщенный
твердый раствор углерода в Feα,, то структура закаленной стали является нестабильной, и при отпуске протекают процессы, приводящие к
равновесному состоянию стали, что, очевидно, будет достигаться выделением углерода из мартенсита и остаточного аустенита.
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Игольчатый характер строения мартенсита сохраняется до высоких температур и только при продолжительном отпуске при 650 °С
вместо игольчатой мартенситной структуры наблюдаются равновесные мелкие ферритные зерна. Дальнейшее повышение температуры
приводит к процессам возврата (преимущественно уменьшению плотности дислокаций) в феррите и рекристаллизации ферритных зерен.
Сталь, отпущенная при 350–500 °С, имеет структуру троостита
(рис. 58, а), а при 500–600 °С – структуру сорбита (рис. 58, б). Эти
структуры представляющие собой смесь цементита и феррита, различаются по твердости и степени дисперсности цементитных частиц.
Рис. 58. Микроструктура: а) троостита; б) сорбита
9.11. Влияние термической обработки на свойства стали
В результате термической обработки существенно изменяются
свойства стали. Наибольшее значение имеют механические свойства.
В отожженном, нормализованном или отпущенном (tопт > 400 °С)
состоянии сталь состоит из пластичного феррита и включений карбидов
(цементита). Феррит обладает низкой прочностью и высокой пластичностью, цементит же при нулевом значении удлинения и сужения имеет
высокую твердость (около 800 НВ). Более высокое значение прочности и
меньшая пластичность сплавов с содержанием углерода выше 0,01 %
объясняется упрочняющим действием карбидных включений. Поскольку
пластической деформации (при том или ином виде нагружения) может
подвергаться только феррит, упрочняющее действие твердых карбидных
включений можно представить следующим образом.
При малом количестве цементитных включений пластическая
деформация развивается относительно беспрепятственно, и свойства
материала характеризуются невысокой твердостью.
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Если таких частиц будет больше, например, если при термической
обработке измельчаются частицы цементита, то вокруг этих частиц возникает искажение кристаллической решетки, что препятствует движению
дислокаций, и сталь упрочняется. Наоборот, в результате укрупнения этих
частиц освободятся некоторые объемы феррита для движения дислокаций,
и способность стали к пластической деформации увеличится.
Таким образом, объясняется изменение твердости в отожженной
(нормализованной) или отпущенной стали, имеющей структуру феррито-цементитной смеси разной дисперсности. Но объяснить так высокую твердость мартенсита нельзя. Высокая твердость мартенсита
объясняется тем, что элементарные кристаллические ячейки его искажены, вследствие чего пластическая деформация затруднена и образование сдвигов в мартенсите почти невозможно. Чем больше углерода
в стали, тем больше искаженность тетрагональной решетки мартенсита и больше его твердость. Твердость мартенсита зависит в первую
очередь от содержания в мартенсите (в стали) углерода.
Кроме твердости, большое значение имеет пластичность (вязкость) стали. Чем выше твердость, тем, как правило, ниже пластичность и вязкость. Однако и при одинаковой твердости показатели пластических и вязких свойств могут сильно колебаться в зависимости от
структуры и размеров пластин мартенсита. Обычно с укрупнением
структуры пластические и вязкие свойства снижаются.
Для получения высокого комплекса механических свойств следует стремиться к тому, чтобы после закалки получалась мелкоигольчатая мартенситная структура, что достигается лишь при исходной
мелкозернистой аустенитной структуре.
Отпуск – заключительная операция термической обработки, придающая стальному изделию окончательные свойства.
Общая тенденция состоит в том, что твердость с повышением
температуры отпуска падает, так же как и другие показатели прочности (σв, σ0,2), тогда как показатели пластичности (δ, ψ) возрастают. Однако изменение этих свойств с повышением температуры отпуска не
монотонно.
Отпуск при 300 °С приводит к повышению предела прочности и
предела упругости. Эти характеристики вследствие напряженного состояния стали в закаленном состоянии или при отпуске при низкой
температуре получаются пониженными.
Показатели пластичности (δ, ψ) увеличиваются с повышением
температуры отпуска. Наибольшая пластичность (ψ) соответствует
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
отпуску при 600–650 °С, когда весь комплекс механических свойств
выше, чем у отожженной стали. Отпуск выше 650 оС уже не повышает
пластичность (ψ).
Более высокие механические свойства закаленной и высокоотпущенной стали по сравнению с отожженной или нормализованной
(при равной прочности у закаленной и высокоотпущенной σв, σ0,2, ан
выше) объясняются различным строением сорбита (перлита) отпуска
и сорбита закалки, имеющих, как указывалось выше, в первом случае
зернистое, а во втором – пластинчатое строение. Двойная термическая
обработка, состоящая в закалке с последующим высоким отпуском,
существенно улучшающая общий комплекс механических свойств,
является основным видом термической обработки конструкционных
сталей и называется улучшением (термическим улучшением).
РЕЗЮМЕ
Цель любого процесса термической обработки состоит в нагреве
до определенной температуры и последующим охлаждением для желаемого изменения строения и свойств металла.
Основные факторы воздействия при термической обработке –
температура и время, поэтому режим любой термической обработки
можно представить графиком в координатах t (температура) и τ (время).
Классификация видов термической обработки
Первая группа. Термическая обработка, заключающаяся в нагреве
металла, который в результате какой-то предшествующей обработки получил неустойчивое состояние, и приводящая его и более устойчивое
состояние, называется отжигом.
Существуют два вида отжига. Если сплав не имеет фазовых превращений, то любой нагрев сплава с неравновесной структурой приводит
сплав в более равновесное состояние. Такой отжиг называется отжигом
первого рода. Если у сплава есть фазовое превращение, то нагрев сплава
с неравновесной структурой (но не обусловленной закалкой) выше температуры фазовых превращений с последующим медленным охлаждением приводит сплав в более равновесное состояние. Такая обработка тоже
относится к отжигу, но классифицируется как отжиг второго рода или
фазовая перекристаллизация.
Вторая группа. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые
изменения, то полнота обратного (при охлаждении) превращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически можно себе представить
такие условия охлаждения, при которых обратное превращение вовсе
не произойдет, и при комнатной температуре в результате быстрого
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такая операция называется закалкой.
Закалка бывает объемной (под закалку нагревают насквозь все
изделие) и поверхностной (осуществляют местный, чаще поверхностный) нагрев.
Третья группа. Нагрев закаленного сплава, но ниже температуры равновесных фазовых превращений, называется отпуском. И при
отжиге первого рода, как и при отпуске, сплав приближается к структурному равновесию. В обоих случаях начальную стадию характеризует неустойчивое состояние, только для отжига первого рода оно было результатом предварительной обработки, при которой, однако, не
было фазовых превращений, а для отпуска – предшествовавшей закалкой. Таким образом, отпуск – вторичная операция, осуществляемая
всегда после закалки. Отпуск иногда называют старением.
Отжиг – термическая операция, состоящая в нагреве металла,
имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей
обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние.
Закалка – термическая операция, состоящая в нагреве выше
температуры превращения с последующим достаточно быстрым
охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния
сплава.
Отпуск – термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры превращения для получения более
устойчивого структурного состояния сплава.
Кроме этих основных видов термической обработки, имеются еще
два принципиально отличных способа, представляющих сочетание термической обработки с металлургией или механической технологией.
Химико-термическая обработка – нагрев сплава в соответствующих химических реагентах для изменения состава и структуры
поверхностных слоев.
Деформационно-термическая обработка – деформация и термическая обработка, сохраняющая в той или иной форме результаты
наклепа.
Превращения в стали:
I. Превращение перлита в аустенит, протекающее выше температуры стабильного равновесия аустенит–перлит (Ас1).
II. Превращение аустенита в перлит, протекающее ниже А1.
III. Превращение аустенита в мартенсит.
IV. Превращение мартенсита в перлит.
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Диаграмма, на которой показано время превращения аустенита
в перлит в зависимости от степени переохлаждения, т. е. превращение
переохлажденного аустенита при постоянной температуре, называют
диаграммой изотермического превращения аустенита. Кривые на
диаграмме изотермического превращения аустенита имеют вид буквы
С, поэтому их часто называют С- образными или просто С – кривыми.
При высоких температурах, т. е. при малых степенях переохлаждения, получается достаточно грубая смесь феррита и цементита –
перлит. При более низких температурах и, следовательно, при больших
степенях переохлаждения дисперсность структур возрастает, и твердость продуктов повышается. Такая структура называется сорбитом.
При еще более низкой температуре (что соответствует изгибу Скривой) дисперсность продуктов еще более возрастает, и дифференцировать под оптическим микроскопом отдельные составляющие феррито-цементитной смеси становится почти невозможно, но при наблюдении под электронным микроскопом пластинчатое строение обнаруживается вполне четко. Такая структура называется трооститом.
Выше изгиба С-кривой, т. е. при малых переохлаждениях, превращение начинается из немногих центров, и кристаллы перлита растут до
столкновения. Ниже изгиба С-кривой возникает игольчатая микроструктура, образуются иглы-пластины, рост которых ограничен, и превращение происходит главным образом путем появления новых кристаллов.
Образующаяся ниже изгиба С-кривой игольчатая структура получила название бейнит. Превращение аустенита в бейнит имеет общие черты с перлитным и мартенситным превращениями.
Под мартенситным превращением понимается особый вид фазового превращения в твердом теле, протекающего по бездиффузионному, сдвиговому механизму, называемому мартенситным, а под
мартенситом – продукт такого превращения.
Бейнитное превращение (названное так по имени ученого Э. Бейна)
переохлажденного аустенита происходит в интервале температур ниже
перлитного и выше мартенситного интервала превращений, поэтому его
иногда называют промежуточным.
Вопросы для повторения
1. Для чего проводится термическая обработка?
2. Какие факторы оказывают влияние на процесс термической
обработки?
3. Перечислите основные группы видов термической обработки.
4. Назовите основные превращения в стали.
5. Объясните, как и для чего строятся диаграммы изотермического превращения аустенита.
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6. Как влияет температура (степень переохлаждения) на дисперсность и свойства материала?
7. Опишите характерные особенности мартенситного превращения.
8. Когда происходит бейнитное превращение?
10. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Целью химико-термической обработки является получение поверхностного слоя стальных изделий, обладающего повышенными
твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью или коррозионной
стойкостью. Для этого нагретые заготовки подвергают воздействию
среды, из которой путем диффузии в поверхностный слой заготовок
переходят нужные для получения заданных свойств элементы: углерод,
азот, алюминий, хром, кремний и др. Эти элементы диффундируют в
поверхностный слой лучше, когда очи выделяются в атомарном состоянии при разложении какого-либо соединения. Подобное разложение
легче всего происходит в газах, поэтому их и стремятся применять для
химико-термической обработки стали. Выделяющийся при разложении
газа активизированный атом элемента проникает в решетку кристаллов
стали и образует твердый раствор или химическое соединение. Наиболее распространенными видами химико-термической обработки стали
являются цементация, азотирование, цианирование.
10.1. Цементация
Цементацией называется поглощение углерода поверхностным
слоем заготовки, который после закалки становится твердым; в сердцевине заготовка остается вязкой. Цементации подвергают такие изделия, которые работают одновременно на истирание и удар.
Существуют два вида цементации: цементация твердым карбюризатором и газовая цементация.
При цементации твердым карбюризатором применяют древесный уголь в смеси с углекислыми солями – карбонатами (ВаСО3,
Na2CO3, К2СОз, СаСО3 и др.).
Цементации подвергают заготовки из углеродистой или легированной стали с массовым содержанием углерода до 0,08 %. Для деталей, подверженных большим напряжениям, применяют стали, содержащие до 0,3 % С. Такое содержание углерода обеспечивает высокую
вязкость сердцевины после цементации.
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для цементации заготовки помещают в стальные цементационные ящики, засыпают карбюризатором, покрывают крышками, тщательно обмазывают щели глиной, помещают ящики в печь и выдерживают там 5–10 ч при температуре 930–950 °С.
При нагревании в присутствии угля углекислый барий при температуре 900 °С распадается по реакции
ВаСО3 + С → ВаО + 2СО.
В результате образуется оксид углерода, который на поверхности стальных заготовок диссоциирует с выделением активного атомарного углерода; этот углерод адсорбируется и диффундирует в поверхностный слой заготовки, в результате повышается его массовое
содержание в аустените, далее по достижении предела растворимости
образуется цементит
3Fe + С → Fe3C.
Поверхности, не подлежащие цементации, изолируют от карбюризатора нанесением на них обмазок или омедняют электролитическим
способом. Глубина цементации обычно составляет 0,5–3 мм; цементированные заготовки содержат в поверхностном слое 0,95–1,1 % С.
При газовой цементации в качестве карбюризатора применяют
различные газы и газовые смеси (природный, светильный, генераторный газы и др.). В их состав кроме оксида углерода входят углеводороды, из которых особое значение имеет метан СН4. Газовую цементацию выполняют в герметически закрытых безмуфельных или муфельных печах непрерывного действия при температуре 900–950 °С и
непрерывном потоке цементирующего газа или в шахтных печах периодического действия. В шахтных печах для цементации используют
жидкие углеводороды (керосин, синтин), которые каплями подаются в
печь и, испаряясь, образуют газы-карбюризаторы.
Преимуществом газовой цементации перед цементацией твердым карбюризатором являются двух – трехкратное ускорение процесса, чистота рабочего места, возможность лучшего управления процессом. Газовая цементация применяется очень широко.
Цементированные заготовки подвергают однократной или
двойной закалке и низкому отпуску. Однократную закалку с нагревом
до 820–850 °С применяют в большинстве случаев, особенно для
наследственно-мелкозернистых сталей, когда продолжительная выдержка в горячей печи при цементации не сопровождается большим
ростом зерен аустенита. Такая закалка обеспечивает частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины заготовки, а также
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
измельчение зерна и полную закалку цементированного слоя. Закалка
после газовой цементации часто производится из цементационной печи после подструживания заготовок до 840–860 °С.
Двойную закалку применяют, когда нужно получить высокую
ударную вязкость и твердость поверхностного слоя (например, для
зубчатых колес). При этом производят: 1) закалку или нормализацию
с нагревом до температуры 880–900 °С для исправления структуры
сердцевины и ликвидации (растворения) цементитной сетки поверхностного слоя; 2) закалку с нагревом до температуры 760–780 °С для
измельчения структуры цементированного слоя и придания ему высокой твердости (до 60–64 HRC для углеродистой стали). Закаленные
заготовки подвергают низкому отпуску (150–170 °С).
Углеродистая сталь имеет очень большую критическую скорость
закалки, и сердцевина заготовок из такой стали независимо от скорости
охлаждения имеет структуру перлит + феррит. Поэтому, чтобы получить детали с сердцевиной высокой прочности (сорбит + феррит), применяют легированную сталь, имеющую меньшую критическую скорость закалки (например, сталь марок 20Х, 18ХГТ, 25ХГМ и др.).
10.2. Азотирование
Цель азотирования – придание поверхностному слою деталей
высокой твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Азотирование осуществляется при выделении активного азота из диссоциирующего аммиака
2NH3 → 2N + ЗН2.
Азотируют легированную сталь, содержащую алюминий, титан,
вольфрам, ванадий, молибден или хром (например, сталь марок 35ХМЮА,
35ХЮА и др.).
Перед азотированием заготовки подвергают закалке и высокому
отпуску. Азотирование производят в печах при температуре 500–600 °С.
Активный азот, выделяющийся при диссоциации аммиака, диффундирует в поверхностный слой и вместе с перечисленными легирующими элементами и железом образует очень твердые химические соединения –
нитриды (AlN, MoN, Fe3N и др.).
Азотирование на глубину 0,2–0,5 мм продолжается 25–60 ч и в
этом его основной недостаток. Однако азотирование имеет ряд преимуществ перед цементацией: температура нагрева сравнительно низкая, а
твердость более высокая (1100–1200 по Виккерсу, вместо 800–900 после
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
цементации и закалки); у азотированных изделий большие коррозионная
стойкость, сопротивление усталости и меньшая хрупкость. Поэтому азотирование широко применяют для деталей из стали и чугуна (шестерен,
коленчатых валов, цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. д.).
Азотирование приводит к некоторому увеличению размеров заготовок, поэтому после азотирования их подвергают шлифованию.
10.3. Цианирование
Цианирование – насыщение поверхностного слоя одновременно
углеродом и азотом; оно бывает жидкостным и газовым.
Жидкостное цианирование производится в ваннах с расплавами
цианистых солей [NaCH, KCH, Са(СN)2 и др.] при температуре, достаточной для разложения их с выделением активных атомов С и N.
Низкотемпературное (550–600 °С) цианирование применяют,
главным образом, для инструментов из быстрорежущей стали с целью
повышения их стойкости и производится в расплавах чистых цианистых солей. Высокотемпературное (800–850 °С) цианирование осуществляется в ваннах, содержащих 20–40 %-ные расплавы цианистых
солей с нейтральными солями (NaCl, Na2CO3 и др.) для повышения
температуры плавления ванны. Продолжительность жидкостного цианирования от 5 мин до 1 ч. Глубина цианирования 0,2–0,5 мм.
После цианирования заготовки подвергают закалке и низкому
отпуску. Цианирование, как и цементацию, применяют для различных
изделий, при этом коробление заготовок значительно меньше, чем при
цементации, а износо- и коррозионная стойкость более высокие. Недостатком жидкостного цианирования является ядовитость цианистых
солей, а также их высокая стоимость.
Газовое цианирование отличается от газовой цементации тем,
что к цементирующему газу добавляют аммиак, дающий активизированные атомы азота. Газовое цианирование, так же как и жидкостное,
разделяется на низкотемпературное и высокотемпературное.
При низкотемпературном (500–700 °С) газовом цианировании в
сталь преимущественно диффундирует азот (с образованием нитридов), а углерод диффундирует в малых количествах. Это цианирование, так же как и жидкостное низкотемпературное, применяют для
обработки инструментов из быстрорежущей стали.
При высокотемпературном газовом цианировании (800–850 °С)
в сталь диффундирует значительное количество углерода с образова-
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нием аустенита. После высокотемпературного цианирования заготовки закаливают.
При газовом цианировании, называемом также нитроцементацией, отпадает необходимость в применении ядовитых солей и, кроме
того, имеется возможность обработки более крупных деталей.
10.4. Диффузионная металлизация
Наиболее распространенными видами диффузионной металлизации являются алитирование, хромирование, силицирование.
Алитирование представляет собой поверхностное насыщение
стальных и чугунных заготовок алюминием с образованием твердого
раствора алюминия в железе. Его применяют преимущественно для
деталей, работающих при высоких температурах (колосников, дымогарных труб и др.), так как при этом значительно (до 1000 °С) повышается жаростойкость стали.
Для алитирования алюминий сначала наносят на заготовку распылением жидкой струи сжатым воздухом, затем нанесенный слой
алюминия защищают жаростойкой обмазкой и производят диффузионный отжиг заготовок при температуре 920 °С в течение 3 ч. В процессе отжига поверхностный слой заготовки насыщается алюминием
на глубину в среднем 0,5 мм.
Диффузионное хромирование производится в порошковых смесях, составленных из феррохрома и шамота, смоченных соляной кислотой, или в газовой среде при разложении паров хлорида хрома СrCl.
Хромированию подвергаются в основном стали с массовым содержанием углерода не более 0,2 %. Хромированный слой низкоуглеродистой стали незначительно повышает твердость, но обладает большой
вязкостью, что позволяет подвергать хромированные детали сплющиванию, прокатке и т. п. Хромированные детали имеют высокую коррозионную стойкость в некоторых агрессивных средах (азотной кислоте, морской воде). Это позволяет заменять ими детали из дефицитной высокохромовой стали.
Силицирование – насыщение поверхностного слоя стальных заготовок кремнием, обеспечивающее повышение стойкости против коррозии и эрозии в морской воде, азотной, серной и соляной кислотах, применяется для деталей, используемых в химической промышленности.
Силицированный слой представляет собой твердый раствор
кремния в α-железе. Существует силицирование в порошкообразных
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
смесях ферросилиция, а также газовое силицирование в среде хлорида
кремния SiCl4.
РЕЗЮМЕ
Химико-термическая обработка – нагрев сплава в соответствующих химических реагентах для изменения состава и структуры поверхностных слоев.
Наиболее распространенными видами химико-термической обработки стали являются цементация, азотирование, цианирование.
Цементация. Цементацией называется поглощение углерода поверхностным слоем заготовки, который после закалки становится твердым; в сердцевине заготовка остается вязкой. Цементации подвергают
такие изделия, которые работают одновременно на истирание и удар.
Существуют два вида цементации: цементация твердым карбюризатором и газовая цементация.
Азотирование. Цель азотирования – придание поверхностному
слою деталей высокой твердости, износостойкости и коррозионной
стойкости. Азотирование осуществляется при выделении активного
азота из диссоциирующего аммиака.
Цианирование. Цианирование – насыщение поверхностного
слоя одновременно углеродом и азотом; оно бывает жидкостным и
газовым.
Диффузионная металлизация. Наиболее распространенными
видами диффузионной металлизации являются алитирование, хромирование, силицирование.
Алитирование представляет собой поверхностное насыщение
стальных и чугунных заготовок алюминием с образованием твердого
раствора алюминия в железе. Диффузионное хромирование производится в порошковых смесях, составленных из феррохрома и шамота,
смоченных соляной кислотой, или в газовой среде при разложении
паров хлорида хрома СrCl.
Силицирование – насыщение поверхностного слоя стальных заготовок кремнием, обеспечивающее повышение стойкости против коррозии и эрозии в морской воде, азотной, серной и соляной кислотах.
Вопросы для повторения
1. Что такое химико-термическая обработка и когда целесообразно ее проведение?
2. Перечислите виды ХТО.
3. Как и для чего приводится цементация, азотирование, цианирование, диффузионная металлизации?
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Как было отмечено, термомеханическая (термопластическая) обработка заключается в совмещении двух способов упрочнения – пластической деформации и фазовых изменений.
Применительно к стали термомеханическая обработка (ТМО)
заключается в наклепе аустенита с последующим его превращением.
Наиболее распространенными видами ТМО являются (рис. 59):
– высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО),
которая состоит из деформирования аустенита выше температуры рекристаллизации
(tp, рис. 59) обычно выше критических точек и быстрого
охлаждения;
– низкотемпературная
термомеханическая
обработка (НТМО), которая состоит из деформирования
аустенита ниже tp, т. е. нестабильного аустенита переохлажденного ниже критических точек с последующим
охлаждением и фазовым
Рис. 59. Классификационная схема ТМО
превращением.
Имеется еще много
других вариантов ТМО, различающихся условиями нагрева или охлаждения, характером деформации и другими деталями, описывать которые здесь не представляется возможным.
Объединяет все варианты ТМО то, что аустенит в результате
пластической деформации претерпевает изменения, которые в какойто степени (может быть даже полностью) передаются мартенситу. В
результате сталь упрочняется, как за счет мартенситной реакции, но и
дополнительное упрочнение вносят дефекты строения, унаследованные мартенситом от деформированного аустенита.
РЕЗЮМЕ
Термомеханическая (термопластическая) обработка заключается
в совмещении двух способов упрочнения – пластической деформации
и фазовых изменений.
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Термомеханическая обработка (ТМО) заключается в наклепе
аустенита с последующим его превращением.
Виды ТМО: высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) – деформирование аустенита выше температуры рекристаллизации tp (обычно выше критических точек) и быстрое охлаждение; низкотемпературная термомеханическая обработка
(НТМО) – деформирование аустенита ниже tp (ниже критических точек) с последующим охлаждением и фазовым превращением.
Вопросы для повторения
1. Что такое термомеханическая обработка,
2. Какие виды ТМО известны?
3. В чем отличие видов ТМО?
12. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
12.1. Медь и ее сплавы
Медь используется человеком с давних времен и отмечена в истории культуры бронзовым веком. Наиболее важное свойство меди,
обеспечившее ей широкое применение, – хорошие электропроводимость и теплопроводность, высокая пластичность и способность образовывать технологичные сплавы, которые отлично обрабатываются и
обладают хорошими механическими свойствами.
Температура плавления меди 1083 °С, кипения 2360 °С. Предел
прочности чистой меди не очень высок и составляет 220 МПа. Ее кристаллическая решетка – кубическая гранецентрированная с параметрами а = 0,361 нм. Плотность меди 8,93 г/см3, твердость почти в 2 раза
меньше, чем у железа.
Наиболее распространенными и известными сплавами меди являются латуни и бронзы. Латунями называют группу сплавов меди с
цинком. В группу латуней входят томпак (90 % Сu и более, остальное –
цинк) и много других, не только двойных, но и более сложных сплавов.
Механическая прочность латуней выше, чем меди; они хорошо обрабатываются резанием. Латуни широко используют в приборостроении,
общем и химическом машиностроении.
Наибольшее применение нашли латуни, содержащие до 38 %
Zn, так как до этого предела (согласно диаграмме состояния) существует твердый раствор замещения меди цинком и, следовательно,
сохраняется кристаллическая решетка куба с центрированными гранями (рис. 60).
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Эти латуни пластичны, хорошо обрабатываются давлением в
горячем состоянии, коррозионностойки. Вследствие близкого расположения линий ликвидуса и солидуса в системе медь – цинк латуни
имеют хорошие литейные свойства
(большую жидкотекучесть, отсутствие ликвации, малую усадку и
др.). Но при их заливке в формы
необходима хорошая вентиляция
цеха, так как пары, выделяющиеся
из жидких латуней, вредно влияют
на организм человека.
Медно-цинковые латуни выпускают восьми марок и обозначают
русской буквой Л; следующая за буквой цифра указывает средний процент меди в этом сплаве. Марка с
максимальным содержанием меди
Л96, с минимальным – Л60. Латуни
более сложного состава в обозначении имеют после буквы Л другую
Рис. 60. Диаграмма состояния
букву, а цифры, размещенные после
медь – цинк
цифры, показывающей процент меди,
указывают процент добавок в марке латуни. Например, ЛС59-1 означает
латунь свинцовая, содержащая 57–60 % Сu и 0,8–1,5 Pb; ЛМцА-57-3-1 –
латунь марганцово-алюминиевая, содержащая 55,0–58,5 % Сu, 2,5–3,5 %
Мn и 0,5–1,5 % Аl. Все добавляемые к латуни элементы обозначают русскими буквами: О – олово, Ц – цинк, С – свинец, Ж – железо, Мц – марганец, Н – никель, К – кремний, А – алюминий и т. д.
Добавки этих металлов к латуням необходимы для улучшения их
механических свойств или обрабатываемости, а также повышения коррозионной стойкости. Микроструктура латуни приведена на рис. 61.
Рис. 61. Микроструктура латуни, ×200: а – α-латунь, б – α+β-латунь
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Широко известны сплавы меди с оловом, называемые бронзами
(рис. 62). Из бронзы еще в древности делали оружие и инструменты,
сосуды и украшения, так как эти сплавы более прочны и коррозионностойки, чем медь.
Благодаря отличным литейным качествам из этих сплавов в более позднее время стали отливать пушки и колокола. Малый коэффициент трения и устойчивость к износу делает их незаменимыми при
изготовлении вкладышей подшипников, червяков и червячных колес,
шестерен и других деталей ответственных и точных приборов.
Рис. 62. Структура литой бронзы с 6 % Sn, ×200:
а) после отжига, б) до отжига
Бронзы маркируют русскими буквами Бр; справа ставят элементы, входящие в бронзу: О – олово, А – алюминий, Ф – фосфор, Т – титан и другие, обозначаемые так же, как и в латунях, но цифры, стоящие за буквами, обозначают среднее содержание добавок этих дополнительных элементов в бронзе (цифры, обозначающие процентное
содержание меди в бронзах, не ставят). Например, БрОЦ4-3 означает,
что в бронзе содержится в среднем 4 % Sn, 3 % Zn, остальное медь.
Сплавы, содержащие небольшое количество олова, образуют твердый
раствор замещения меди оловом, имеющим кристаллическую решетку
куба с центрированными гранями, т. е. решетку, аналогичную решетке
чистой меди.
Большинство современных бронз редко содержат больше 7 % Sn
и обычно имеют однофазную структуру, состоящую из твердого раствора олова в меди. Олово дороже и дефицитнее меди. Поэтому широкое применение нашли заменители – в первую очередь алюминиевые бронзы как простые БрА5, так и более сложные БрАЖМцЮ-3-1,5.
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сплавы меди с небольшими добавками алюминия (до 10 %) характеризуются хорошей жидкотекучестью, малой ликвацией, хорошо
деформируются в горячем и холодном состоянии, так как эти сплавы
образуют однофазный твердый раствор алюминия в меди. Добавки
никеля, железа, марганца и свинца улучшают механические и некоторые технологические свойства алюминиевых бронз.
Высокими механическими свойствами, пластичностью и коррозионной стойкостью отличаются кремниевые бронзы, например
БрКН-1-3, содержащая 0,6–1,1 % Si; 2,4–3,4 % Ni и 0,1–0,4 % Мn. Антифрикционными свойствами обладают бронзы БрОЦС4-4-4, содержащие по 3–5 % олова и цинка, и 3,5–4,5 % свинца.
Очень большой прочностью и упругостью славятся бериллиевые бронзы БрБ2, в состав которых входят 1,8–2,1 % Be, 0,2–0,5 % Ni
(остальное медь) и др. Из них изготовляют пружины, пружинящие
контакты ответственных приборов и пр.
12.2. Алюминий и его сплавы
Алюминий – второй (после железа) металл современной техники. Наиболее важное свойство алюминия, определяющее его широкое
применение, – это его плотность, равная 2,7 г/см3 (т. е. алюминий почти в 3 раза легче железа), а также хорошая электрическая проводимость, составляющая 65 % электрической проводимости меди. Кроме
того, алюминий имеет высокую теплопроводность и теплоемкость,
химически стоек против органических кислот и хорошо сопротивляется воздействию азотной кислоты. Он очень быстро окисляется на воздухе, покрываясь тонкой пленкой оксида, которая, в отличие от оксида железа, не пропускает кислород в толщу металла, делая его стойким против коррозии. Его кристаллическая решетка – куб с центрированными гранями с параметром а = 0,404 нм. Никаких аллотропических превращений у алюминия не обнаружено.
Температура плавления алюминия 660 °С, температура кипения
~2500 °С. Механические свойства алюминия невысоки. Предел прочности при разрыве составляет 90–180 МПа, НВ 20–40; он имеет высокую пластичность, что дает возможность прокатывать его в очень
тонкие листы. Однако чистый алюминий трудно обрабатывается резанием, а также имеет значительную линейную усадку (1,8 %). Для
устранения этих отрицательных свойств в алюминий вводят различные добавки, поэтому широко распространены сплавы алюминия.
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сплавы алюминия принято делить на две группы: первая –
сплавы, деформируемые обработкой, и вторая – литейные сплавы.
Деформируемые обработкой алюминиевые сплавы характеризуются невысокой прочностью, но хорошей пластичностью (от 6 до 40 %).
К ним относятся сплавы алюминия с марганцем и магнием, содержащие
до 6 % Mg. Из этих сплавов широко применяют сплав АМц, содержащий
1–1,6 % Мn, и сплавы АМг2, АМг5, содержащие соответственно 2,6–1,8
Mg, 0,2–0,6 Мn и 4,8–5,8 Mg, 0,3–0,8 Мn. Эти сплавы почти все однофазные, имеющие структуру твердого раствора. Они хорошо свариваются,
устойчивы против коррозии и применяются для малонагруженных деталей, изготовляемых холодной штамповкой, и для сварных конструкций.
Упрочнение этих сплавов возможно только путем холодной деформации,
так как их упрочнение термической обработкой не удается.
Из группы деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых
термической обработкой, наиболее известны дуралюмины и авиаль.
Эти современные сплавы имеют в своем составе по три-четыре, а
чаще и больше составляющих. Их способность упрочняться термической
обработкой хорошо иллюстрируется двойной диаграммой Аl– Сu (рис. 63);
почти во всех сплавах этой группы обычно присутствует медь, образующая с алюминием твердый раствор с предельной растворимостью 5,6 %
при температуре 548 °С. С понижением температуры растворимость меди
в алюминии быстро уменьшается.
Рис. 63. Диаграмма состояния сплавов алюминия с медью
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Дуралюмины – сплавы на основе Al–Cu–Mg, в которые дополнительно вводят марганец для повышения коррозионной стойкости сплава.
Наиболее известны сплавы Д18, содержащий 2,2–3 % Сu, 0,2–0,5 о/о Mg,
и Д16, содержащий 3,8–4,6 % Сu, 1,2–1,8 % Mg и 0,3–0,9 % Мn. Микроструктура дуралюмина показана на рис. 64.
Рис. 64. Микроструктура дуралюминия: а – отожженное состояние, ×200;
б – закаленное состояние, ×100
Дуралюмины хорошо деформируются и в горячем, и в холодном
состояниях: для их упрочнения обычно применяют закалку в воде и
естественное старение. Наибольшее упрочнение достигается в течение
первых суток после закалки и практически заканчивается в течение
пяти суток. Наиболее прочные алюминиевые сплавы – сплавы типа
В95, содержащие 6 % Zn, 2,3 % Mg, 1,7 % Сu, 0,4 % Mn, 0,2 % Cr. Но,
применяя их, следует иметь в виду, что эти сплавы еще менее коррозионностойки, чем дуралюмины, и не пригодны для работы при температурах выше 150 °С, так как их прочностные характеристики сильно понижаются при повышенной температуре.
Известно много других сложных деформируемых сплавов для
ковки, штамповки и работы при повышенных температурах: АК4,
АК6, АК8, АК4-1.
Литейных алюминиевых сплавов очень много: их принято маркировать двумя буквами: АЛ (алюминиевый сплав, литейный). В соответствии с ГОCТ их принято делить на пять групп.
Группа I – сплавы на основе системы алюминий – кремний
(АЛ2, АЛ4, АЛО). Эти сплавы часто называют силуминами, и они
представляют интерес с точки зрения металловедения.
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Группа II объединяет много сплавов, имеющих основу алюминий – кремний – медь (АЛЗ, АЛ5, АЛ6, а также АЛ32, содержащий,
кроме трех основных компонентов, еще марганец и титан).
Группа III – сплавы на основе системы алюминий – медь (АЛ7 и
АЛ 19), которые из-за наличия значительного количества меди более
дефицитны и дороги.
Группа IV – сплавы на основе системы алюминий – магний
(АЛ8, АЛ 13, АЛ22 и др.), обладающие низкой плотностью (почти в 3
раза легче стали), высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Двойные сплавы начали широко использовать для
получения легких отливок различного оборудования для транспортных машин.
К группе V относят сплавы на основе алюминия и других компонентов. Эта группа особенно велика: наиболее популярны из этой
группы сплавов АЛ1, содержащий медь, никель и магний, сплав
АЛ11, включающий кроме алюминия и кремния большое количество
цинка (7–12 %) и немного магния. В эту группу входит также сплав
АЛ24, содержащий магний, марганец, цинк, титан и др.
Литейные сплавы алюминия с магнием, медью, а также многие
другие более сложные сплавы на основе алюминия подвергают термической обработке, так как их основные прочностные и технологические свойства изменяются при этом в очень широких пределах.
Многие алюминиевые сплавы с добавками меди и магния подвержены
старению, т. е. изменяют свои свойства при хранении. Например, у
сплава АЛ8, содержащего 9,5–11 % Mg, в литом состоянии относительное удлинение δ = 10 %; если этот сплав нагреть под закалку и
медленно охладить с печью, то δ = 2 %, а после пяти суток выдержки
при 20 °С δ увеличится до 20 %.
Наибольшей известностью пользуются силумины и сплавы
алюминия с медью. Микроструктура силумина показана на рис. 65.
Типичный силумин – сплав АЛ2 содержит 10–13 % Si, обладает высокой жидкотекучестью, малой усадкой. Кроме того, он устойчив против коррозии и относительно легкоплавок. Удовлетворительные механические свойства и структуру силумин приобретает только после
модифицирования. Немодифицированный силумин имеет грубую
игольчатую структуру и очень хрупок; после модифицирования эвтектика становится мелкозернистой, в результате чего сплав приобретает
пластичность. Модифицирование проводят добавкой в жидкий сплав
незначительного количества металлического натрия.
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 65. Микроструктура литейных сплавов алюминия, ×200:
а – немодифицированный силумин, б – модифицированный силумин
Однако эффект такого модифицирования сохраняется в жидком
сплаве только 10–15 мин, и поэтому модифицирование необходимо
непосредственно перед разливкой сплава. Более удобно модифицировать силумин смесью солей 2/3 NaF и 1/3 NaCI, которая, будучи загружена в заливочный ковш, сохраняет эффект модифицирования около 1 ч.
12.3. Титан и его сплавы
Титан – металл серебристого цвета с голубоватым отливом;
имеет невысокую плотность 4,507 г/см3, плавится при температуре
1660 °С, кипит при 3260 °С. Титан имеет две аллотропические модификации: до 882 °С существует α-титан, имеющий гексагональную
решетку с параметрами а0 = 0,295 нм и с0 = 0,468 нм, и при более высоких температурах – (β-титан с кубической объемно центрированной
решеткой с параметром и а = 0,304 нм.
Механические свойства титана изменяются от содержания в нем
примесей. Чистый титан ковок, имеет невысокую твердость (НВ 70),
технический титан хрупок и тверд (НВ 180–280).
Вредные примеси титана – азот и кислород резко снижают его пластичность, а углерод при содержании более 6,15 % снижает ковкость,
затрудняет обработку титана резанием и резко ухудшает свариваемость.
Водород в большой степени повышает чувствительность титана к надрезу, поэтому этот эффект называют водородной хрупкостью.
На поверхности титана образуется стойкая оксидная пленка,
вследствие чего титан обладает высокой сопротивляемостью коррозии
в некоторых кислотах, морской и пресной воде. На воздухе титан
устойчив и мало изменяет свои механические свойства при нагреве до
400 °С. При более высоком нагреве он начинает поглощать кислород,
ухудшаются его механические свойства, а выше 540 °С – становится
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
хрупким. При нагреве выше 800 °С титан энергично поглощает кислород, азот и водород, что используется в металлургии при производстве
легированной стали.
Титан образует ряд оксидов. Из них наиболее изучены ТiO2 ,
ТiО3. Двуокись титана TiO2 – амфотерный порошок белого цвета, практически не растворимый в воде и разбавленных кислотах. Двуокись титана является основным продуктом переработки титанового сырья.
Технический титан, применяемый промышленностью, делят на
две марки: ВТ 1-00 и ВТ 1-0; в них допускается следующее содержание
примесей, %: 0,05–0,07 С; 0,1 – 0,12 О2; до 0,04 N2; 0,08–0,01 H2; до 0,2
Fe; 0,008 – 0,1 Si. Однако механические свойства ВТ 1-0 несколько выше за счет увеличения суммы перечисленных примесей в нем.
Для повышения механических свойств титана его почти всегда
легируют алюминием, который повышает температуру аллотропического превращения титана α↔β, поэтому алюминий часто называют
α-стабилизатором титана. Наоборот, элементы, понижающие эту температуру, называют β-стабилизаторами. К ним относятся: молибден,
ванадий, хром, марганец, железо и некоторые другие металлы.
В промышленности применяют титановые сплавы либо со структурой α – твердого раствора, либо смешанной структурой (α+β)-твердого
раствора.
Микроструктура титанового сплава показана на рис. 66.
Алюминий, образуя с титаном твердый раствор, замещая и стабилизируя α-фазу, увеличивает прочность титана, жаропрочность и сопротивляемость окислению при высоких температурах, хотя и понижает пластичность. Поэтому алюминий является наиболее важной составляющей
титановых сплавов и всегда входит в их состав (сплав ВТ5 и др.).
Рис. 66. Микроструктура титановых сплавов, ×400:
а – твердый раствор α (сплав ВТ1); б – фаза α`
(мартенсит, полученный после закалки сплавов ВТ1 с 1075 o С)
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для получения сплавов смешанной структуры титан, кроме
алюминия, легируют дополнительно хромом, марганцем, молибденом,
а иногда и другими β-стабилизаторами.
Сплавы смешанной структуры (α+β) обладают почти удвоенной
прочностью по сравнению с чистым титаном. Однако эта повышенная
прочность сохраняется до температуры 430 °С. Большинство этих сплавов обладает хорошей пластичностью даже при низких температурах, и
поэтому легче куются, штампуются и прокатываются, чем однофазные
титановые сплавы. Сварка этих сплавов затруднена, так как они при
сварке теряют пластичность, а швы приобретают хрупкость.
Наиболее технологичным, дешевым и поэтому широко распространенным в этой группе является сплав ВТЗ-1 (5,5–7 % Аl; 0,8–2,3 %
Cr; 2–3 % Мо; 0,2–0,4 % Si). Он обладает термической стабильностью, не
становится хрупким при длительном нагреве (до 10 000 ч) до температуры 400°С, а при кратковременной работе – до 450 °С; σв = 900–1150
МПа; δ = 10– 16 %.
Сплав ВТ9 (6–7 % Al; 3–4 % Мо; 0,3 % Si; 0,8–2 % Zr) можно применять при изготовлении конструкций и деталей, длительно работающих
при нагреве до температуры 450 °С, σв = 980–1150 МПа, δ = 8–16 %. Эти
сплавы штампуются и куются, из них прокатываются и прессуются прутки и фасонные профили.
Сплавы, содержащие в основном алюминий и поэтому обладающие α-структурой (например, сплав ВТ5, содержащий 4,3–6,2 % Al),
хорошо свариваются, устойчивы против коррозии в атмосферной среде, загрязненной газами до температуры 1090 °С, сохраняют высокую
прочность при нагреве до 650 °С. Однако их пластичность ниже пластичности двухфазных сплавов, имеющих α- и β-фазу. Все деформируемые сплавы титана можно применять и для фасонного литья, но
делают это редко, так как титан легко взаимодействует с газами и
формовочными материалами.
Сплавы титана со структурой, имеющей одну β-фазу, в промышленности почти не применяют, хотя они обладают отличной пластичностью.
Причиной служит их чувствительность к загрязнению атмосферными газами при нагреве, неизбежному в процессе производства.
12.4. Антифрикционные сплавы
Наряду с подшипниками качения в машинах широко используются подшипники скольжения. Поскольку вкладыши подшипников
скольжения непосредственно соприкасаются с валами, их изготовляют
из сплавов достаточно пластичных, чтобы было легко прирабатывать-
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ся к поверхности вращающегося вала, и достаточно прочных, чтобы
служили опорой для вала; кроме того, сплавы должны иметь малый
коэффициент трения с материалом вала и достаточно низкую температуру плавления, что необходимо для заливки подшипников. Сплавы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются подшипниковыми или антифрикционными.
Антифрикционные сплавы имеют пластичную основу, в которой
равномерно рассеяны более твердые частицы. При вращении в подшипнике вал опирается на эти твердые частицы, а мягкая основа сплава по поверхности соприкосновения с валом изнашивается, в результате чего образуется сеть микроканалов, по которым перемещается
смазка. Подшипниковые материалы делят на следующие группы: белые антифрикционные сплавы на основе олова, свинца (баббиты) и
алюминия; сплавы на основе меди, чугуны серые, модифицированные
и ковкие; металлокерамические пористые материалы; пластмассы.
Баббиты. В оловянном баббите марки Б83 пластичной основой
является твердый раствор сурьмы и меди в олове, а твердыми частицами – соединения SnSb и Cu3Sn. Микроструктура баббита Б83 приведена на рис. 67.
Рис. 67. Микроструктура баббита: а – Б83, б – Б16
Баббиты Б83 применяют для заливки подшипников особо
нагруженных машин. Оловянные баббиты дороги, поэтому по возможности их заменяют баббитами, состоящими преимущественно из
свинца (например, баббитом марки Б16).
В свинцовых баббитах с сурьмой (марки Б16) твердые частицы
образуют кристаллы соединений SnSb и Cu3Sn, рассеянные в мягкой
основе – растворе сурьмы и олова в свинце. Эти баббиты уступают по
качеству оловянным, однако с успехом применяются для подшипников средней нагруженности (например, в тракторных и автомобильных двигателях).
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
РЕЗЮМЕ
Медь. Свойства – хорошие электропроводимость и теплопроводность, высокая пластичность и способность образовывать технологичные сплавы
Температура плавления меди 1083 °С, кристаллическая решетка –
ГЦК. Предел прочности чистой меди 220 МПа. Плотность меди 8,93 г/см3.
Сплавы меди – латуни и бронзы. Латуни – сплавы меди с цинком. В группу латуней входят томпак (90 % Сu и более, остальное –
цинк) и много других, не только двойных, но и более сложных сплавов. Механическая прочность латуней выше, чем меди; они хорошо
обрабатываются резанием. Латуни используют в приборостроении,
общем и химическом машиностроении.
Наибольшее применение нашли латуни, содержащие до 38 % Zn.
Медно-цинковые латуни выпускают восьми марок и обозначают
русской буквой Л. Следующая за буквой цифра указывает средний
процент меди в этом сплаве. Марка с максимальным содержанием меди – Л96, с минимальным – Л60. Латуни более сложного состава в
обозначении имеют после буквы Л другую букву, а цифры, размещенные после цифры, показывающей процент меди, указывают процент
добавок в марке латуни. Все добавляемые к латуни элементы обозначают русскими буквами: О – олово, Ц – цинк, С – свинец, Ж – железо,
Мц – марганец, Н – никель, К – кремний, А – алюминий.
Сплавы меди с оловом – бронзы.
Свойства – коррозионностойки, отличные литейные качества,
малый коэффициент трения и устойчивость к износу.
Бронзы маркируют русскими буквами Бр; справа ставят элементы, входящие в бронзу: О – олово, А – алюминий, Ф – фосфор, Т – титан и другие, обозначаемые так же, как и в латунях, но цифры, стоящие за буквами, обозначают среднее содержание добавок этих дополнительных элементов в бронзе (цифры, обозначающие процентное
содержание меди в бронзах, не ставят).
Алюминиевые бронзы (сплавы меди с алюминием) характеризуются хорошей жидкотекучестью, малой ликвацией, хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии. Высокими механическими
свойствами, пластичностью и коррозионной стойкостью отличаются
кремниевые бронзы. Очень большой прочностью и упругостью славятся бериллиевые бронзы.
Алюминий. Свойства – плотность 2,7 г/см3, высокая теплопроводность и теплоемкость, высокая пластичность, химически стоек
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
против органических кислот и хорошо сопротивляется воздействию
азотной кислоты, кристаллическая решетка – ГЦК. Температура плавления алюминия 660 °С. Предел прочности при разрыве 90–180 МПа.
Сплавы алюминия делят на две группы: первая – сплавы, деформируемые обработкой, и вторая – литейные сплавы. Деформируемые сплавы подразделяют на упрочняемые холодной деформацией (сплавы
алюминия с марганцем и магнием) и упрочняемых термической обработкой (дуралюмины и авиаль).
Дуралюмины – сплавы на основе Al–Cu–Mg, в которые дополнительно вводят марганец для повышения коррозионной стойкости
сплава. Наиболее известны сплавы Д18 и Д16. Дуралюмины хорошо
деформируются и в горячем, и в холодном состояниях: для их упрочнения обычно применяют закалку в воде и естественное старение.
Литейные алюминиевые сплавы на основе системы алюминий –
кремний (АЛ2, АЛ4, АЛО). Немодифицированный силумин имеет грубую
игольчатую структуру и очень хрупок; после модифицирования сплав
приобретает пластичность. Модифицирование проводят добавкой в жидкий сплав незначительного количества металлического натрия. Модифицируют силумин смесью солей 2/3 NaF и 1/3 NaCI перед разливкой.
Титан. Свойства – плотность 4,507 г/см3, плавится при температуре 1660 °С, две аллотропические модификации: до 882 °С существует
α-титан (ГПУ решетка), и при более высоких температурах – (β-титан с
ОЦК решеткой. Высокая сопротивляемость коррозии в некоторых кислотах, морской и пресной воде. Технический титан, применяемый промышленностью, делят на две марки: ВТ 1-00 и ВТ 1-0. Для повышения
механических свойств титана его легируют алюминием, который повышает температуру аллотропического превращения титана α↔β, поэтому алюминий часто называют α-стабилизатором титана. Для получения сплавов смешанной структуры титан, кроме алюминия, легируют
дополнительно хромом, марганцем, молибденом.
Сплавы, обладающие такими свойствами как высокая прочность, хорошая прирабатываемость, малый коэффициент трения, низкая температура плавления, называются подшипниковыми или антифрикционными.
Баббиты. В оловянном баббите марки Б83 пластичной основой
является твердый раствор сурьмы и меди в олове, а твердыми частицами – соединения SnSb и Cu3Sn. В свинцовых баббитах с сурьмой (марки
Б16) твердые частицы образуют кристаллы соединений SnSb и Cu3Sn,
рассеянные в мягкой основе – растворе сурьмы и олова в свинце.
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вопросы для повторения
1. Расскажите о свойствах меди, используемых в технике.
2. Какие сплавы меди Вы знаете?
3. Как называются сплавы меди с цинком? Какими свойствами
они обладают? Для чего используются?
4. Как называются сплавы меди с оловом? Какими свойствами
они обладают? Для чего используются?
5. Расскажите о свойствах алюминия, используемых в технике.
6. Какие сплавы алюминия Вы знаете?
7. Каковы свойства и применение дуралюминов?
8. Каковы свойства и применение силуминов?
9. Назовите свойства и применение титана и его сплавов.
10. Какими свойствами должны обладать антифрикционные
сплавы?
11. Назовите типичные антифрикционные сплавы.
13. ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В современном машиностроении широко используют детали и
различные изделия из порошковых материалов.
Технологический процесс производства изделий из порошков
(порошковая металлургия) состоит из получения порошков, их подготовки, формования изделий, спекания и дополнительной обработки.
Порошки изготовляют физико-механическими (дробление, размол стружки, распыление жидкого металла сжатым воздухом, грануляция металла в жидкость и др.) или химико-металлургическими (восстановление металлов из оксидов, электролитическое осаждение металлов из водных растворов их солей и др.) способами.
Подготовка порошков к формованию включает отжиг (для повышения пластичности порошков), разделение по величине частиц и
смешивание.
Формование заключается в придании заготовкам из порошка форм,
размеров, плотности и механической прочности, необходимых для последующего получения изделий. Его осуществляют прессованием.
При спекании непрочные прессованные заготовки превращаются в прочное спеченное тело, которое по своим свойствам сходно с
беспористыми компактными материалами. Для конструкционных материалов на основе железа и графита температура спекания составляет
1100–1200 ºС, для антифрикционных изделий на основе Fe – 1000–
140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1050 ºС, бронзы – 850–950 ºС. Продолжительность спекания 0,5–1,5 ч
в нагревательных печах в защитной атмосфере или в вакууме, чтобы
частицы порошка не окислялись.
После спекания для придания высоких механических и технологических свойств, повышения точности размеров изделия дополнительно подвергают горячему прессованию, штамповке, прокатке.
Для пористых материалов предусматривают также термическую
и химико-термическую обработку: закалку, цементацию, нитроцементацию, азотирование для повышения твердости, износостойкости,
прочности и коррозионной стойкости поверхностного слоя. Иногда
применяют сульфидирование и оксидирование.
Методами порошковой металлургии изготовляют конструкционные, антифрикционные, фрикционные, фильтрующие материалы,
твердые сплавы и другие материалы.
13.1. Конструкционные порошковые материалы
Конструкционные детали – наиболее распространенный вид
продукции порошковой металлургии. Стоимость и трудоемкость их
минимальны, отходы производства почти полностью отсутствуют.
Различают конструкционные порошковые материалы общего назначения, заменяющие обычные углеродистые и легированные стали, чугуны и цветные металлы, и материалы, обладающие специальными
свойствами, – высокими износостойкостью, твердостью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью, магнитными и электрическими характеристиками. В зависимости от условий нагружения статическими
и динамическими нагрузками детали подразделяют на мало-, среднеи тяжелонагруженные, а в зависимости от пористости – на четыре
группы по плотности.
Пористость малонагруженных деталей обычно составляет 16–
25 %. Их изготовляют холодным прессованием и спеканием из железного
порошка с добавкой графита или из порошков углеродистых сталей.
Средненагруженные порошковые детали получают двукратным
холодным прессованием и спеканием из порошков углеродистых и
низколегированных сталей, а также из железного порошка с добавкой
углерода, меди, никеля. Пористость материала 10–15 %.
Тяжелонагруженные статическими нагрузками детали изготовляют из порошков углеродистых или легированных сталей и цветных
сплавов. Пористость их не превышает 9 %. Изделия получают холодным прессованием и спеканием с последующей горячей и холодной
штамповкой или горячим прессованием.
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пористость тяжелонагруженных динамическими нагрузками деталей из порошков углеродистых и легированных сталей, сплавов
цветных металлов не превышает 2 %. Для получения изделий применяют холодное прессование, горячую штамповку, горячее прессование или химико-термическую обработку.
Для обозначения порошковых конструкционных материалов принята буквенно-цифровая маркировка. Материалы на основе порошков железа, графита, хрома и т. д. обозначают так: Ж – железо, Гр – графит, Д –
медь, Н – никель, О – олово, М – молибден. Цифры, стоящие после букв,
показывают содержание элементов в процентах, а в конце марки, после
дефиса – плотность материала (г/см3). Например, ЖГр0,5-7,3;
ЖГр1Д2,5МЗ-7,6; ЖГр0,4Д4НЗ-7,3.
Детали из порошков сталей марок 12X13, 14Х17Н2, 10Х18Н10 и
10Х23Н18 получают одно- и двукратным прессованием с последующей горячей обработкой давлением и применяют для работы в агрессивных средах (пористость не более 3 %).
Детали из порошковых материалов применяют для изготовления
крышек, шайб, колец, втулок, кулачков, рычагов, поршневых колец,
фланцев, подшипников, деталей насосов, пишущих и счетных машинок и др.
Конструкционные материалы на основе цветных металлов и
сплавов изготовляют из порошков алюминия, магния, бериллия, меди,
никеля, бронзы, латуни, титана, хрома и др.
Перспективно использование порошков титана и его сплавов
для тяжелонагруженных деталей. Высокие механические свойства порошковых изделий на основе титана (σв = 650–900 МПа, δ = 8–16 %)
позволяют применять их для шатунов автомобильных двигателей. Это
существенно уменьшает массу, снижает инерционные силы и увеличивает мощность двигателя. Детали из порошков титана (втулки,
крышки, трубы) находят применение в химическом и пищевом машиностроении, приборостроении.
13.2. Фрикционные порошковые материалы
Фрикционные материалы предназначены для работы в тормозных и передаточных узлах автомобилей, гусеничных машин, дорожных и строительных механизмов, самолетов, станков, прессов и т. п.
Фрикционные элементы изготовляют в виде дисков, секторных накладок и колодок разной формы.
Различают неметаллические и металлические фрикционные материалы. К первым относятся асбофрикционные материалы на основе асбе-
142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ста, каучука и смол. Металлические порошковые фрикционные материалы получают на основе меди и железа. Материалы на основе меди – оловянистые и алюминиевые бронзы, содержащие свинец, графит, железо.
Порошковые материалы на основе железа содержат добавки меди, графита, кремния оксида, асбест, сернокислый барий ВаСОз.
Порошковые фрикционные материалы в тормозных передаточных устройствах обеспечивают долговечность, надежность и эффективность фрикционных узлов машин и механизмов и позволяют создавать новые конструкции фрикционных узлов с более высоким коэффициентом трения, повышенными износо- и термостойкостью.
13.3. Пористые фильтрующие элементы
Обычно в качестве фильтрующих элементов применяют ткани,
войлок, керамику, фарфор, а также сетчатые фильтры. К их недостаткам относятся низкие коррозионная стойкость, термостойкость и жаропрочность, невысокая механическая прочность.
Порошковые металлические материалы выдерживают резкие
колебания температур, легко обрабатываются, свариваются и паяются,
обеспечивают достаточную коррозионную стойкость, жаростойкость,
теплопроводность. Благодаря высокой пористости они обладают хорошей проницаемостью для жидкостей и газов при достаточно тонкой
фильтрации (размер частиц до 30 мкм).
Фильтры небольших размеров изготовляют спеканием свободно
засыпанного порошка. Крупные фильтры получают холодным прессованием и последующим спеканием. Для производства тонких пористых лент применяют прокатку.
Пористые фильтры изготовляют из порошков различных металлов и сплавов: углеродистых и коррозионно-стойких сталей, сплавов
никеля с хромом и молибденом, меди, титана, алюминия, вольфрама,
молибдена и др. В технике наибольшее применение находят фильтры
из коррозионно-стойкой стали, бронзы, сплавов никеля и титана.
Фильтры из порошков коррозионно-стойких сталей применяют
для защиты воздуха от попадания пыли, водяного и масляного тумана,
очистки различных жидкостей и газов, для перегородок, отделяющих
газы от жидкостей.
Фильтры из порошков бронзы применяют для защиты топливных насосов, форсунок и других устройств от попадания в них загрязнений из гидросистемы и трубопроводов, для очистки жидкостей и
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
газов, а также дизельного топлива в качестве влагомаслоотделителей.
Фильтры из порошка титана применяют для очистки агрессивных водных растворов кислот и растворов в химикофармацевтической промышленности, а также в медицине и авиационной технике.
Порошковые твердые сплавы были рассмотрены в главе 8, антифрикционные материалы – в главе 12.
РЕЗЮМЕ
Технологический процесс производства изделий из порошков
(порошковая металлургия) состоит из получения порошков, их подготовки, формования изделий, спекания и дополнительной обработки.
Для пористых материалов предусматривают также термическую
и химико-термическую обработку: закалку, цементацию, нитроцементацию, азотирование для повышения твердости, износостойкости,
прочности и коррозионной стойкости поверхностного слоя. Иногда
применяют сульфидирование и оксидирование.
Методами порошковой металлургии изготовляют конструкционные, антифрикционные, фрикционные, фильтрующие материалы,
твердые сплавы и другие материалы.
Вопросы для повторения
1. Из каких этапов состоит технология получения порошковых
материалов?
2. Как классифицируют порошковые материалы по назначению?
3. В чем заключаются преимущества порошковых конструкционных материалов по сравнению с обычными?
4. Как подразделяют фрикционные порошковые материалы в зависимости от металлической основы?
5. Чем пористые фильтры лучше обычных?
14. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы, органические и неорганические; различные виды пластических
масс; композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, а также графит, стекло, керамика.
Такие их свойства, как достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства, делают эти материалы часто незаме-
144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нимыми. Также следует отметить их технологичность и эффективность при использовании. Эти материалы находят все большее применение в различных отраслях машиностроения.
Основой неметаллических материалов являются полимеры,
главным образом синтетические. Создателем структурной теории химического строения органических соединений является А. М. Бутлеров (1826–1886 гг.). Промышленное производство первых пластмасс
(фенопластов) – результат работ, проведенных Г. С. Петровым (1907–
1914 гг.). С. В. Лебедевым впервые в мире осуществлен промышленный синтез каучука (1932 г.). Н. Н. Семеновым разработана теория
цепных реакций и распространена на механизм цепной полимеризации. Успешное развитие химии и физики полимеров связано с именами видных ученых: П. П. Кобеко, В. А. Каргина, А. П. Александрова,
С. С. Медведева, С. Н. Ушакова, В. В. Коршака и др. Развитие термостойких полимеров связано с именем К. А. Андрианова.
В области создания полимерных материалов большой вклад
внесен зарубежными учеными: К. Циглером (ФРГ), Д. Наттом (Италия) и др.
14.1. Понятие о неметаллических материалах
и классификация полимеров
Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Молекулярная масса их составляет от 5000 до 1 000
000. При таких больших размерах макромолекул свойства веществ
определяются не только химическим составом этих молекул, но и их
взаимным расположением и строением.
Макромолекулы в полимере представляют собой цепочки, состоящие из отдельных звеньев. Длина цепи в несколько тысяч раз больше
их поперечного сечения, поэтому макромолекулам полимера свойственна гибкость (которая ограничена размером сегментов – жестких
участков, состоящих из нескольких звеньев). Гибкость макромолекул
является одной из отличительных особенностей полимеров.
Атомы, входящие в основную цепь, связаны прочной химической (ковалентной) связью. Энергия химических связей составляет
330–360 кДж/моль, силы межмолекулярного взаимодействия, имеющие обычно физическую природу, значительно меньше (5–40
кДж/моль). Наиболее сильные межмолекулярные взаимодействия
осуществляются посредством водородных связей (до 50 кДж/моль).
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сцепление молекул материала за счет сил притяжения называется когезией. Макромолекулы могут быть построены из одинаковых по химическому строению мономеров (полимеры) или разнородных звеньев
(сополимеры).
Большое значение имеет стереорегулярность полимера, когда
звенья и заместители расположены в пространстве в определенном
порядке. Это придает материалу повышенные физико-механические
свойства (по сравнению с нерегулярными полимерами).
Полимеры встречаются в природе – натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит. Однако ведущей группой
являются синтетические полимеры.
Классификация полимеров. Для удобства изучения связи состава, структуры со свойствами полимеров их можно классифицировать по различным признакам (составу, форме макромолекул, фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву).
По составу все полимеры подразделяют на: органические, элементоорганические, неорганические.
Органические полимеры составляют наиболее обширную группу соединений. Если основная молекулярная цепь таких соединений
образована только углеродными атомами, то они называются карбоцепными полимерами.
В гетероцепных полимерах атомы других элементов, присутствующие в основной цепи, кроме углерода, существенно изменяют свойства
полимера. Так, в макромолекулах атомы кислорода способствуют повышению гибкости цепи, атомы фосфора и хлора повышают огнестойкость,
атомы серы придают газонепроницаемость, атомы фтора, даже в виде
радикалов, сообщают полимеру высокую химическую стойкость и т. д.
Органическими полимерами являются смолы и каучуки.
Элементоорганические соединения содержат в составе основной
цепи неорганические атомы (Si, Ti, Аl), сочетающиеся с органическими радикалами (СН3, С6Н5, СН2). Эти радикалы придают материалу
прочность и эластичность, а неорганические атомы сообщают повышенную теплостойкость. В природе таких соединений не встречается.
Представителями их являются кремнийорганические соединения.
К неорганическим полимерам относятся силикатные стекла, керамика, слюда, асбест. В составе этих соединений углеродного скелета нет. Основу неорганических материалов составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция и др.
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В силикатах существуют два типа связей: атомы в цепи соединены ковалентными связями (Si–О), а цепи между собой – ионными
связями. Неорганические полимеры отличаются более высокой плотностью, высокой длительной теплостойкостью. Однако стекла и керамика хрупкие, плохо переносят динамические нагрузки. К неорганическим полимерам относится также графит, представляющий собой
карбоцепной полимер.
В технических материалах используют отдельные виды полимеров и сочетание различных групп полимеров; такие материалы называют композиционными (например, стеклопластики).
Классификация по структуре макромолекул.
Своеобразие свойств полимеров обусловлено структурой их
макромолекул. По форме макромолекул полимеры делят на: линейные
(цеповидные), разветвленные, плоские, ленточные (лестничные), пространственные или сетчатые. Линейные макромолекулы полимера
представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в
спираль цепочки (рис. 68, а).
Гибкие макромолекулы с высокой прочностью вдоль цепи и
слабыми межмолекулярными связями обеспечивают эластичность материала, способность его размягчаться при нагреве, а при охлаждении
вновь затвердевать (полиэтилен, полиамиды и др.).
Рис. 68. Формы молекул полимеров: а – линейная, б – разветвленная,
в – лестничная, г – пространственная, сетчатая, д – паркетная
147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Разветвленные макромолекулы (рис. 68, б), являясь также линейными, отличаются наличием боковых ответвлений, что препятствует их плотной упаковке (полиизобутилен). Макромолекула лестничного полимера (рис. 68, в) состоит из двух цепей, соединенных,
химическими связями. Лестничные полимеры имеют более жесткую
основную цепь, и обладают повышенной теплостойкостью, большей
жесткостью, они нерастворимы в стандартных органических растворителях (кремнийорганические полимеры).
Пространственные или сетчатые полимеры образуются при соединении («сшивке») макромолекул между собой в поперечном
направлении прочными химическими связями непосредственно или
через химические элементы или радикалы. В результате образуется
сетчатая структура с различной густотой сетки (рис. 68, г). Редкосетчатые (сетчатые) полимеры теряют способность растворяться и плавиться, они обладают упругостью (мягкие резины). Густосетчатые
(пространственные) полимеры отличаются твердостью, повышенной
теплостойкостью, нерастворимостью. Пространственные полимеры
лежат в основе конструкционных неметаллических материалов. К сетчатым полимерам относятся также пластинчатые (паркетные) полимеры (рис. 68, д, графит).
По фазовому состоянию полимеры подразделяют на аморфные
и кристаллические.
Впервые в работах В. А Каргина, А. И. Китайгородского и Г. Л.
Слонимского (1957 г.) показано, что макромолекулы в полимерах расположены не хаотично, а имеют упорядоченное взаимное расположение.
Структуры, возникающие в результате различной укладки молекул,
называют надмолекулярными. Упорядоченность в структурообразовании
определяется гибкостью линейных и разветвленных макромолекул, способностью их менять форму, перемещаться по частям; большое влияние
оказывают жесткость цепи и силы межмолекулярного притяжения.
Аморфные полимеры однофазны и построены из цепных молекул, собранных в пачки. Пачка состоит из многих рядов макромолекул, расположенных последовательно друг за другом.
Некоторые аморфные полимеры могут быть также построены из
свернутых в клубки цепей, так называемых глобул. Глобулярная
структура дает невысокие механические свойства.
Кристаллические полимеры образуются в том случае, если их
макромолекулы достаточно гибкие и имеют регулярную структуру.
148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тогда при соответствующих условиях возможен фазовый переход в
пачки, и образование пространственных решеток кристаллов.
Гибкие пачки складываются в ленты путем многократного поворота пачек на 180º. Затем ленты, соединяясь друг с другом своими
плоскими сторонами, образуют пластины (рис. 69, а). Эти пластины
наслаиваются, в результате чего получаются правильные кристаллы.
В том случае, когда образование из более мелких структурных
элементов правильных объемных кристаллов затруднено, возникают
сферолиты (рис. 69, б). Сферолиты состоят из лучей, образованных
чередованием кристаллических и аморфных участков.
Рис. 69. Надмолекулярные структуры полимеров: а – схема пластинчатого
единичного кристалла, б – схема сферолита, в – схема фибриллы, состоящей
из трех микрофибрилл
В процессе ориентации гибкоцепных полимеров получаются
фибриллярные структуры, состоящие из микрофибрилл (рис. 69, в).
Между кристаллитами находятся аморфные участки.
Кристаллические структуры являются дискретными, организованными, термодинамически стабильными. Кристаллизация происходит в определенном интервале температур. В обычных условиях полной кристаллизации не происходит, и структура получается двухфазной. Кристалличность сообщает полимеру большую жесткость и
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
твердость, а также теплостойкость. При длительном хранении, эксплуатации и переработке надмолекулярные структуры могут претерпевать изменения.
По полярности полимеры подразделяют на полярные и неполярные. Полярность определяется наличием в их составе диполей –
разобщенных центров распределения положительных и отрицательных зарядов.
Неполярные полимеры (на основе углеводородов) являются высококачественными высокочастотными диэлектриками, они обладают хорошей морозостойкостью. Полярность сообщает полимеру жесткость,
теплостойкость, но морозостойкость у полярных материалов низкая.
Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры при
нагреве размягчаются, даже плавятся, при охлаждении затвердевают;
этот процесс обратим. Структура макромолекул таких полимеров линейная или разветвленная.
Термореактивные полимеры на первой стадии образования
имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются, затем вследствие протекания химических реакций затвердевают (образуется пространственная структура) и в дальнейшем остаются твердыми. Отвержденное состояние полимера называется термостабильным.
14.2. Особенности свойств полимерных материалов
Особенности строения полимеров оказывают большое влияние
на их физико-механические и химические свойства. Вследствие высокой молекулярной массы они неспособны переходить в газообразное
состояние, при нагреве образовывать низковязкие жидкости, а термостабильные даже не размягчаются. С повышением молекулярной массы уменьшается растворимость.
Полидисперсность, присущая полимерам, приводит к значительному разбросу показателей при определении физико-механических
свойств полимерных материалов. Механические свойства полимеров
(упругие, прочностные) зависят от их структуры, физического состояния,
температуры и т. д. Полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем.
Полимеры, как в кристаллическом, так и в стеклообразном состоянии могут иметь ориентацию. Этот процесс осуществляется при
медленном растяжении полимеров, находящихся в высокоэластичном
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
или вязкотекучем состоянии. Свойства материала при этом становятся
анизотропными. Различают одноосную ориентацию, применяемую
для получения волокон, пленок, труб, и многоосную, проводимую одновременно в нескольких направлениях (например, в процессе получения пленок).
Для полимеров характерны процессы старения, приводящие к
самопроизвольному изменению технических характеристик. Процесс
старения происходит в результате сложных химических и физических
процессов, развивающихся в материале при эксплуатации и хранении.
Полимерам свойственны такие процессы, как абляция и адгезия.
Абляция – разрушение материала, сопровождающееся уносом его
массы при воздействии горячего газового потока. В процессе абляции
происходит суммарное действие механических сил, теплоты и агрессивных сред потока. Адгезией называется слипание разнородных тел,
приведенных в контакт. Адгезия обусловлена межмолекулярным взаимодействием. На способности полимеров к адгезии основано их использование в качестве пленкообразующих материалов (клеи, герметики, покрытия), а также при получении наполненных и армированных полимерных материалов. Для создания адгезивного соединения
один из материалов должен быть пластичным, текучим (адгезив), а
другой может быть твердым (субстрат).
14.3. Пластические массы
Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые
на основе органических полимерных связующих веществ. Эти материалы способны при нагреве размягчаться, становиться пластичными,
и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая
затем сохраняется.
Обязательным компонентом пластмассы является связующее
вещество. В качестве связующих используют синтетические смолы,
реже применяют эфиры целлюлозы.
Другим важным компонентом пластмасс является наполнитель
(порошкообразные, волокнистые и другие вещества как органического, так и неорганического происхождения). После пропитки наполнителя связующим получают полуфабрикат, который спрессовывается в
монолитную массу. Наполнители повышают механические свойства,
снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные
специфические свойства. Для повышения эластичности и облегчения
151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обработки добавляют пластификаторы (олеиновую кислоту, стеарин,
дибутилфталат и др.). Кроме того, исходная композиция может содержать отвердители, катализаторы, ингибиторы, красители.
Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов,
их сочетания и количественного соотношения.
По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют на
термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).
По виду наполнителя пластмассы делят на порошковые (карболиты) с наполнителями в виде древесной муки, графита, талька; волокнистые с наполнителем в виде волокон хлопка и льна (волокниты),
стеклянного волокна (стекловолокниты), асбеста (асбоволокниты);
слоистые, содержащие листовые наполнители; газонаполненные (пено- и поропласты).
Особенностями пластмасс являются малая плотность, низкая
теплопроводность, значительное тепловое расширение, хорошие электроизоляционные свойства, высокая химическая стойкость, фрикционные и антифрикционные свойства. Прочность некоторых пластмасс
сопоставима с прочностью стали. Пластмассы имеют хорошие технологические свойства.
Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость,
низкие модуль упругости и ударная вязкость, склонность к старению.
14.4. Неорганические материалы
К неорганическим полимерным материалам относят минеральное стекло, ситаллы (стеклокристаллические материалы), керамику и
др. Этим материалам присуща негорючесть, высокая стойкость к
нагреву, химическая стойкость, неподверженность старению, большая
твердость. Однако они обладают повышенной хрупкостью, плохо переносят резкую смену температур.
Основой неорганических материалов является главным образом
оксиды и бескислородные соединения металлов. Большинство неорганических материалов содержит различные соединения кремния с
другими элементами. Такие материалы называют силикатными. Используются также и другие соединения: чистые оксиды алюминия,
магния, циркония и др.
Неорганическое стекло следует рассматривать как затвердевший
раствор – сложный расплав высокой вязкости кислотных и основных оксидов. Стеклообразное состояние является разновидностью аморфного
152
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
состояния вещества. Неорганические стекла характеризуются неупорядоченностью и неоднородностью внутреннего строения. Неорганические
стекла подразделяют на технические (оптические, светотехнические, электротехнические, химико-лабораторные, приборные, трубные), строительные (оконные, витринные, армированные, стеклоблоки) и бытовые (стеклотара, посудные, бытовые зеркала), что и определяет их назначение.
Ситаллы получают на основе неорганических стекол путем их
полной или частичной кристаллизации. Эти стекла имеют кристаллическое строение.
Из ситаллов изготавливают подшипники, детали для двигателей
внутреннего сгорания, трубы для химической промышленности, оболочки вакуумных электронных приборов, детали радиоэлектроники.
Их также используют в качестве жаропрочных покрытий, в производстве текстильных машин, абразивов для шлифования, фильер для вытягивания синтетических волокон.
Керамика – неорганический материал, получаемый из отформованных минеральных масс в процессе высокотемпературного отжига.
Техническая керамика включает искусственно синтезированные керамические материалы различного химического и фазового состава. Она
обладает специфическими комплексами свойств. Такая керамика содержит минимальное количество или совсем не содержит глины. Любой керамический материал является многофазной системой. В керамике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газовая фазы.
Изделия из керамики применяют во многих областях техники:
резцы, используемые на больших скоростях, калибры, фильеры для
протяжки стальной проволоки, детали высокотемпературных печей,
подшипники печных конвейеров, детали насосов, свечи зажигания в
двигателях внутреннего сгорания и др.
14.5. Древесные материалы
Лучшая полноценная часть ствола различных пород деревьев
является ценным конструкционным материалом, характеризующимся
высокой удельной прочностью и декоративностью, устойчивостью к
органическим кислотам, их солям, спиртам, газам. Кроме того, технологические свойства древесины определяют простоту получения изделий из нее. Она легко обрабатывается режущими инструментами,
хорошо удерживает нанесенные лаки и краски. Недостатками натуральной древесины является ее анизотропность (из-за волокнистого
153
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
строения), гигроскопичность, недостаточная биологическая стойкость,
ухудшение свойств при температуре выше 120–130 ºС.
Заготовки из натуральной древесины – доски и бруски применяют для изготовления железнодорожных вагонов, сельскохозяйственных машин, грузовых автомобилей, судов, мебели и др.
Древесными полуфабрикатными материалами называют продукты
механической переработки натуральной древесины и ее отходов. Древесную муку используют в качестве наполнителя пластмасс и древопластиков, фильтрующего материала и т. д. Древесную стружку применяют при
изготовлении древесных прессованных композиций, а также для упаковки хрупких изделий. Щепа технологическая используется для производства древесно-стружечных плит; шпон лущенный – для изготовления
клееной древесины (фанеры); шпон строганный получают из ценных пород деревьев и применяют в качестве облицовочного материала.
Прессованную древесину (ДПО) получают при обработке прессованием натуральной древесины под давлением, предварительно
пропаренной при температуре 130–140 ºС или пропитанной аммиаком.
В результате древесина пластифицируется. Такая древесина используется для изготовления сборных подшипников крупного размера для
прокатки станов, а также для зубчатых колес, виброгасящих прокладок, челноков ткацких станков.
Клееную древесину получают склеиванием трех и более нечетных слоев шпона и получают фанеры или фанерные изделия. Фанера
используется в авто-, судо-, вагоно-, авиастроении, радио- и электротехнической промышленности.
Древопластиками называют материалы, в которых наполнителем
служит измельченная древесина, опилки, стружка, щепа, обломки шпона. К древопластикам относятся древесно-стружечные плиты, древесноволокнистые плиты, древесно-слоистые пластики, которые используются в качестве конструкционного и антифрикционного материала.
РЕЗЮМЕ
К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы, пластические массы, композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные
покрытия, а также графит, стекло, керамика.
Свойства – достаточная прочность, жесткость и эластичность
при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства.
Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят
154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой
структуры. Молекулярная масса их составляет от 5 000 до 1 000 000. При
таких больших размерах макромолекул свойства веществ определяются
не только химическим составом этих молекул, но и их взаимным расположением и строением.
Макромолекулы в полимере представляют собой цепочки, состоящие из отдельных звеньев. Гибкость макромолекул является одной из отличительных особенностей полимеров.
Атомы, входящие в основную цепь, связаны прочной химической
(ковалентной) связью. Наиболее сильные межмолекулярные взаимодействия осуществляются посредством водородных связей. Сцепление молекул материала за счет сил притяжения называется когезией. Макромолекулы могут быть построены из одинаковых по химическому строению
мономеров (полимеры) или разнородных звеньев (сополимеры).
Стереорегулярность – свойство полимера, когда звенья и заместители расположены в пространстве в определенном порядке. Это
придает материалу повышенные физико-механические свойства (по
сравнению с нерегулярными полимерами).Полимеры встречаются в
природе – натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный
графит. Однако ведущей группой являются синтетические полимеры.
Классификация полимеров.
По составу:
– органические, элементоорганические, неорганические.
По форме макромолекул:
– линейные (цеповидные), разветвленные, плоские, ленточные
(лестничные), пространственные или сетчатые.
По фазовому состоянию:
– аморфные и кристаллические.
По полярности:
– полярные и неполярные.
По отношению к нагреву:
– термопластичные и термореактивные.
Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Эти
материалы способны при нагреве размягчаться, становиться пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая затем сохраняется.
В состав пластмасс входят связующие (синтетические смолы),
наполнитель, пластификаторы (олеиновую кислоту, стеарин, дибутилфталат и др.), отвердители, катализаторы, ингибиторы, красители.
155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют на
термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).
По виду наполнителя пластмассы делят на порошковые (карболиты) с наполнителями в виде древесной муки, графита, талька; волокнистые с наполнителем в виде волокон хлопка и льна (волокниты), стеклянного волокна (стекловолокниты), асбеста (асбоволокниты); слоистые, содержащие листовые наполнители; газонаполненные (пено- и
поропласты).
Особенностями пластмасс являются малая плотность, низкая
теплопроводность, значительное тепловое расширение, хорошие электроизоляционные свойства, высокая химическая стойкость, фрикционные и антифрикционные свойства. Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость, низкие модуль упругости и ударная
вязкость, склонность к старению.
К неорганическим полимерным материалам относят минеральное стекло, ситаллы (стеклокристаллические материалы), керамику и
др. Свойства – негорючесть, высокая стойкость к нагреву, химическая
стойкость, неподверженность старению, большая твердость. Однако
они обладают повышенной хрупкостью, плохо переносят резкую смену температур.
Древесные материалы обладают высокой удельной прочностью
и декоративностью, устойчивостью к органическим кислотам, их солям, спиртам, газам, хорошие технологические свойства. Недостатками натуральной древесины является ее анизотропность (из-за волокнистого строения), гигроскопичность, недостаточная биологическая
стойкость, ухудшение свойств при температуре выше 120–130 ºС.
Древесные материалы:
– заготовки из натуральной древесины;
– древесные полуфабрикаты;
– клееная древесина;
– древопластики.
Вопросы для повторения
1. Какие материалы относятся к неметаллическим конструкционным материалам?
2. Каковы их свойства?
3. Что такое полимеры? Какими свойствами они обладают?
4. Дайте классификацию полимерных материалов.
156
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. Какие материалы называют пластмассами? Какими свойствами они обладают?
6. Классификация пластмасс.
7. Какие компоненты входят в состав пластмасс и для чего?
8. Какие материалы относят к неорганическим полимерам?
Какими свойствами они обладают?
9. Какие материалы относят к древесным материалам? Какими свойствами они обладают?
157
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛИТЕРАТУРА
1. Абрамова В. И., Сергеев Н. Н. Материаловедение. Учебное
пособие. – Тула: Изд-во ТГПУ им. Л. Н. Толстого, 2002. 189 с.
2. Абрамова В. И., Сергеев Н. Н. Методические рекомендации для
самостоятельной работы по курсу «Материаловедение». Учебнометодическое пособие. – Тула: Изд-во ТГПУ им. Л. Н. Толстого, 2010. 44 с.
3. Волков Г. М., Зуев В. М. Материаловедение. Учебник. – М.:
Академия, 2008. 400 с.
4. Материаловедение
и
технология
конструкционных
материалов: Учебник для студентов вузов / С. Н.Колесов,
И. С.Колесов. – М.: 2008.
5. Материаловедение и технология металлов: Учебник для
студентов вузов / Под ред. Г. П.Фетисова. – М.: Высшая школа, 2008.
877 с.
6. Нарва В. К. Технология и свойства порошковых материалов и
изделий из них: конструкционные материалы. Курс лекций. – М.:
МИСИС, 2010 – 124с. [Электронный ресурс] http://e.lanbook.com/books/
element.php?pl1_cid=25&pl1_id=2068.
7. Ржевская С. В. Материаловедение. [Электронный ресурс].
Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Моск. Гос. горный ун-т,
2003.
447 с.
URL:
http://www.biblioclub.ru/79066_Materialovedenie_
Uchebnik_dlya_vuzov.html (дата обращения: 11.05.2012)
8. Ржевская С. В. Материаловедение. М.: Горная книга, 2005,
456 с. URL: http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_cid=25&pl1_id=3217.
9. Ростовцев Н. М., Сергеев Н. Н., Абрамова В. И. Методические
рекомендации к лабораторным работам по курсу «Материаловедение».
Тула: Изд-во ТГПУ им. Л. Н. Толстого, 2002.
10.Сергеев Н. Н., Абрамова В. И. Рабочая тетрадь по
материаловедению. Учебно-методическое пособие. Тула: Изд-во
ТГПУ им. Л.Н.Толстого, 2010.
158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
ЗАДАЧИ
ПО ДИАГРАММАМ СОСТОЯНИЯ
ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ
Диаграммы состояния показывают в условиях равновесия фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации и
позволяют качественно характеризовать многие физико-химические,
механические и технологические свойства сплавов.
Существенно, что анализ диаграмм состояния позволяет, кроме
того, решать важные инженерные задачи; на основании диаграмм
можно определить, какие именно сплавы, и в каком направлении изменяют свою структуру, и многие свойства при переходе к неравновесному состоянию, зависящему от реальных условий литья, обработки давлением и специально выполняемой термической обработки.
В приводимых ниже задачах показаны методические пути и
возможность решения этих вопросов на основании рассмотрения превращений, протекающих в сплавах и указанных в диаграммах состояния. В связи с этим в задачах приведены преимущественно те диаграммы состояния, которые характеризуют фазовый состав сплавов,
близких к широко применяемым в технике.
Решение проводимых ниже задач включает выполнение следующих заданий:
1. Начертить заданную диаграмму состояния (как указано на рис. 1).
2. В каждой области диаграммы указать структуры, образующиеся в сплавах данной системы в состоянии равновесия.
3. Указать на диаграмме состояния заданные в задаче сплавы и
провести соответствующие и провести соответствующие им вертикальные линии (рис. 1).
4. Построить в координатах температура – время кривые охлаждения сплавов.
5. Построить схему кристаллизации заданных сплавов, показать
графически структуры, образующиеся в процессе кристаллизации, а
также превращения, протекающие в сплавах при охлаждении.
6. Дать характеристику состояния заданных сплавов при температурах, указанных в задаче.
7. Ответить в результате сделанного анализа превращений на
основной вопрос задачи о структуре, свойствах, обработке и области
применения заданных в ней сплавов.
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1. Диаграмма состояния Fe-P
Таблица 1
Характеристика состояния сплавов при различных температурах
Фазовый или структурный состав
сплава
I
20
Однородный твердый раствор на
основе α-железа
II
1350
Кристаллы твердого α-раствора
концентрации 0,9 % Р (точка а) и
жидкая фаза, содержащая 4,6 % Р
(точка в)
II
100
Основная структура твердого раствора концентрации 1,2 % Р (точка
д) и небольшое количество вторичных кристаллов химического соединения Fe3P (магнитное)
Сплав
Температура, 0С
III
III
1200
Расчет количества фазовых и
структурных составляющих по
правилу фаз
Количество жидкости (Qж):
Qж = аб 100 = 1,1· 100
ав 3,7
= 30%
Количество α-фазы (Qα):
Qα = зж 100 = 13,5· 100
дж 14,5
= 94%
Количество Fe3P (Q Fe3P):
Q Fe3P = 100 – 94= 6%
Кристаллы химического соединения
Fe2P и жидкая фаза, по концентрации соответствующая точке и -16 %
Р
Qж = кл 100 = 4· 100 =
ил 5
Смесь двух химических соединений
Fe3P и Fe2P
Q Fe3P = но100 = 4· 100
мо 5,5
= 73%
20
=80%
Q Fe2P =27%
160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЗАДАЧИ
№ 1. Разобрать диаграмму состояния Fe-P в части, ограниченной областью Fe –Fe2P, и процессы превращения в сплавах I, II и III,
содержащих: I – 0,05, II – 2, 111 – 17 % Р.
Определить фазовый состав и количественное соотношение фаз:
сплава I при 20 °С, сплава II при 100 и 1350 °С, сплава III при 20 и 1200 °С.
Указать, какие отклонения в структуре при первичной кристаллизации сплавов этой системы можно ожидать в условиях ускоренного охлаждения.
Решение задачи № 1.
Решение по первым вопросам задачи дано в диаграммах и таблице на рис. 1. Ответ на последний вопрос приведен ниже.
Разбираемая диаграмма состояния является равновесной. Между
тем некоторые превращения в сплавах протекают настолько медленно, что практически не заканчиваются полностью даже при очень длительном охлаждении. К таким превращениям относится, в частности,
образование по перитектической реакции твердых растворов или неустойчивых химических соединений.
Изменение скорости охлаждения смещает отдельные точки и линии превращений на диаграмме, причем величина смещения зависит от
степени отклонения сплава от равновесного состояния. Поэтому структуры, наблюдаемые в промышленных сплавах, могут отличаться от ожидаемых на основании равновесной диаграммы состояния.
Для полной характеристики данной системы следовало бы
иметь не только плоскостную равновесную диаграмму в координатах
температура–концентрация, но и пространственную диаграмму в координатах температура–концентрация–время, которая показывала бы
переход от неравновесного к равновесному состоянию. Однако такая
диаграмма была бы очень сложной. Рассмотрение равновесной диаграммы на основе более подробного разбора процессов, протекающих
в сплавах, и закономерностей, которым эти процессы подчиняются,
позволяет с достаточной вероятностью указать характер превращений
при ускоренном охлаждении (особенно при первичной кристаллизации). Рассмотрим с этой точки зрения процесс кристаллизации.
Сплав I, согласно диаграмме, кристаллизуется с образованием
однородной структуры α-твердого раствора. Затвердевание его протекает между 1520 и 1500 °С при изменении концентрации жидкости и
выделяющейся твердой фазы между сотыми долями процента и 1,8 %
Р. Следовательно, сплав подвержен ликвации.
161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При ускоренном охлаждении состав кристаллов твердого раствора не будет однородным, однако концентрация их не превысит
предела растворимости фосфора в железе α (β). Поэтому сплав после
затвердевания в реальных условиях охлаждения не будет отличаться
по фазовому составу от равновесного. Однако отдельные кристаллы
(зерна) сплава по химическому составу будут неоднородными.
Получающаяся неоднородность химического состава кристаллов твердого раствора называется внутрикристаллической или внутридендритной ликвацией и соответственно влиянию фосфора на свойства железа дополнительно снижает ударную вязкость и пластичность, особенно при низких температурах. Это снижение тем значительнее, чем выше концентрация фосфора. Поэтому в высококачественной стали содержание фосфора ограничивается до 0,02–0,03 %, а
в качественной – до 0,04–0,05 %.
Сплав II с 2 % Р в равновесном состоянии после затвердевания
должен, как и сплав I, иметь структуру однородного твердого раствора.
Однако и у этого сплава наблюдается большое расхождение между линиями ликвидуса и солидуса по температуре, а также по концентрации;
следовательно, он должен быть склонен к ликвации, подобно сплаву I (c
0,05 % P). Затвердевание сплава II начинается при температуре около
1500 °С и заканчивается при температуре около 1200 °С. Уже при
1350 °С, как это видно из диаграммы и из таблицы (рис. 1), жидкая фаза
(точка б) содержит примерно 4,6 % Р, т. е. в полтора раза больше, чем
может быть растворено в железе в твердом состоянии при эвтектической температуре. Предел растворимости фосфора в железе (точка В),
как показывает диаграмма (см. рис. 1), равен 2,6 % Р. К концу затвердевания состав жидкой фазы будет соответствовать точке с, что соответствует примерно 7,5 % Р. При ускоренном охлаждении не успевает
пройти полностью диффузия, выравнивающая состав сплава. Поэтому
последняя «порция» жидкой фазы состава с затвердевает подобно доэвтектическому сплаву такой же концентрации, т. е. образуя некоторое
количество кристаллов α-твердого раствора и эвтектическую смесь, состоящую из кристаллов а и химического соединения Fe3P.
Таким образом, при ускоренном охлаждении в сплаве II наряду
с кристаллами α-твердого раствора переменной концентрации может
присутствовать некоторое количество эвтектики. Наличие эвтектики с
низкой температурой плавления улучшает жидкотекучесть. В то же
время эвтектика вследствие повышенной хрупкости ухудшает механические свойства.
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сплав III в процессе затвердевания, кроме химического соединения Fe2P, образует еще неустойчивое при высоких температурах
химическое соединение Fe3P. Поэтому сплав III при нормальной температуре, как следует из диаграммы состояния, должен состоять из
смеси кристаллов двух химических соединений Fe3P + Fe2P. Количество каждого из этих соединений в сплаве III определяется по правилу
отрезков и составляет 73 % Fe3P и 27 % Fe2P (табл. 1).
Образование химического соединения Fe3P происходит по реакции между жидкой фазой состава с и химическим соединением Fe2P,
т. е. по типу перитектической реакции, протекающей, как известно, на
поверхности раздела фаз.
В условиях ускоренного охлаждения такие реакции не идут до
конца, и сплав будет содержать значительно меньшее количество соединения Fe3P, чем это следует из диаграммы, или даже вовсе не содержит его. Более того, в некоторых случаях последние порции жидкой фазы, содержащие больше железа, чем это соответствует составу
химического соединения Fe3P (например, точка д), могут при затвердевании образовать некоторое количество эвтектики, состоящей из
мелкодисперсной смеси Fe3P (Fe2P) и α-твердого раствора. Таким образом, и сплав III при некоторых условиях (ускоренное охлаждение)
может иметь структуру, значительно отличающуюся от ожидаемой по
диаграмме состояния.
Магнитные превращения α-твердого раствора и Fe3P, протекающие в этих сплавах и показанные пунктирными линиями на диаграмме (рис. 1), не вызывают изменений в структуре.
№ 2. Мартенситно-стареющие сплавы на основе системы железо–никель приобретают при закалке мартенситную структуру даже
при замедленном охлаждении, если они имеют определенное содержание никеля.
Определить, при какой концентрации никеля: 5; 10 или 20 % превращение γ→α протекает как мартенситное, а не как диффузионное.
Для решения задачи учесть температуры превращения и по диаграмме сплавов системы Fe–Ni (рис. 2) рассмотреть процессы превращений в указанных сплавах и количественное соотношение фаз в
них при 200 °С.
№ 3. Термическая обработка некоторых высокохромистых сталей с пониженным содержанием углерода существенно улучшает их
вязкость и пластичность. Указать, для каких сплавов системы Fe–Сr
163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
применима такая обработка, в чем она заключается, и какое влияние
она оказывает на структуру такой стали.
Для решения задачи рассмотреть процессы превращений в сплавах с 10, 20 и 30 % Сr (рис. 3) и указать их фазовый состав и количественное соотношение фаз: для сплава I при 20 и 1000 ºC, а для сплавов с 20 и 30 % Сr при 20 °С.
Рис. 2. Диаграмма состояния сплавов Fe-Ni
Рис. 3. Диаграмма состояния сплавов Fe-Cr
164
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 4. Сплавы хрома с железом приобретают стойкость против
эрозии, если содержание хрома составляет 12 %; при еще большем
повышении содержания хрома: до 25 % и выше стойкость против коррозии дополнительно возрастает (рис. 3). Однако в этом случае снижается пластичность сплавов, что затрудняет использование для ряда
назначений.
Объяснить причины указанного влияния хрома на механические
свойства. Для этой цели рассмотреть процессы превращений и структуру сплавов с 12, 25 и 35 % Сr. Определить фазовый состав сплава I
при 1000 и 20 °С, сплавов II и III при 20 °С.
№ 5. Сплавы системы Fe–W (см. рис. 4) определенной концентрации получают очень высокую твердость (HRC 63–65) и высокую
коэрцитивную силу в результате дисперсионного твердения при отпуске 600–650 °С.
Указать: а) примерное содержание вольфрама в таких сплавах; б) термическую обработку, которая должна предшествовать отпуску, и какую
структуру она создает в сплаве; в) причины возрастания твердости и коэрцитивной силы при отпуске. Для решения задачи рассмотреть процессы
превращений в сплавах с 1; 10 и 45 % W и указать их фазовый состав и
количественное соотношение фаз при 400 °С.
Рис. 4. Диаграмма состояния сплавов Fe-W
165
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 6. В некоторых сплавах системы Fe-W протекают превращения
в твердом состоянии. Развитие превращений зависит от термической
обработки и может сильно изменять механические свойства сплавов.
Рассмотреть превращения в сплавах с 2, 15 и 75 % W (рис. 4).
Определить фазовый состав и количественное соотношение фаз
сплавов: I при 1200 °С, II при 400 °С и сплава III при 1400 °С. Указать,
в каких сплавах из числа заданных можно изменить структуру и свойства путем термической обработки и какой именно, и объяснить, в
какой степени (качественно) она может изменить свойства.
166
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение 2
ЗАДАЧИ
ПО РАЗБОРУ МИКРОСТРУКТУР СТАЛЕЙ, ЧУГУНОВ,
ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ МЕТОДАМИ
МИКРОАНАЛИЗА
1. ХАРАКТЕРИСТИКА МИКРОАНАЛИЗА
Микроскопический анализ заключается в исследовании структуры
материалов при больших увеличениях с помощью микроскопа. Наблюдаемая структура называется микроструктурой. В зависимости от требуемого увеличения для четкого наблюдения всех присутствующих фаз, их
количества, формы и распределения, т. е. структуры в целом, в микроскопах используют:
1. Белый свет и обычные оптические системы, меняющиеся комбинацией стеклянных линз и призм (оптическая микроскопия)
2. Электронные лучи или точнее поток электронов, для создания
оптических систем, для которых необходимо применять электромагнитные или электростатические линзы (электронная микроскопия).
Применение различного излучения и поэтому различных конструкций микроскопов – оптических и электронных – требует разной специальной подготовки объектов и особых методов расшифровки наблюдаемых изображений.
2. МЕТОДЫ ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ
Исследование структуры методом оптической микроскопии, предложенное П. П. Аносовым в 1831 г., широко используется для изучения
строения металлов и для технического контроля их качества в промышленности.
Это объясняется тем, что между структурой металла, видимой в
оптическом микроскопе (при использовании белого света), и многими его
свойствами существует определенная, хотя и качественная связь. Микроанализ позволяет во многих случаях объяснить причины изменения
свойств сплавов в зависимости от изменения химического состава и условий обработки.
Применение белого света позволяет наблюдать структуру металлов
при общем увеличении от нескольких десятков до 1500 раз.
Как правило, микроанализ проводят сначала при небольшом увеличении, а затем в зависимости от строения обнаруживаемой структуры и
целей исследования – при больших увеличениях, просматривая в каждом
случае ряд участков шлифа.
167
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Определение фазового состава и структуры сплавов в условиях равновесия
Чистые металлы и однофазные сплавы (твердые растворы) имеют в
литом состоянии характерную дендритную структуру (учебник рис. 62, б),
а после пластической деформации и отжига, приводящего металл в равновесное состояние, структура состоит из сравнительно одинаковых по форме
зерен (равноосных полиэдров) (учебник рис. 62, а).
Применяя глубокое травление, в этих структурах можно выявить
так называемые фигуры травления – геометрически правильные углубления или выступы, ограниченные определенными кристаллографическими плоскостями. Измеряя углы между гранями или определяя
направления ребер на фигурах травления, можно установить ориентировку каждого кристаллита и, следовательно, ориентировку всей совокупности кристаллитов. Наконец, на однофазных сплавах можно выявить
дислокации, представляющие собой особый вид линейных дефектов кристалла. Они выявляются по специальным фигурам травления – группировкам пятен травления. Эти пятна связаны с более сильной травимостью металла в области выхода скопления дислокаций на поверхность, а
также со скоплением примесей на дислокациях. Для выявления пятен
травления применяют различные реактивы, зависящие от природы металла и требующие особенно тщательной подготовки поверхности микрошлифа, исключающей механическое воздействие. По расположению
пятен травления можно определить особенности тонкого строения кристалла – размеры блоков и степень их дезориентации. По числу пятен
травления можно вычислить плотность дислокаций.
Многофазные, в том числе двухфазные, сплавы имеют более сложную структуру, состоящую из различного сочетания фаз, например в виде
эвтектики, эвтектоида и др.
На рис. 44, б (учебник) показана структура эвтектического чугуна.
Если сравнить структуру эвтектоида железоуглеродистых сплавов (учебник рис. 44, ж) со структурой эвтектики, то видно, что обе структуры
имеют тонкое строение, однако эвтектоид является более дисперсным, так
как образуется при распаде твердого раствора, когда процессы диффузии протекают более замедленно.
В многофазных сплавах, не соответствующих по химическому составу точно эвтектической концентрации, наряду с эвтектикой выделяется
также избыточная фаза (учебник рис. 44, а, в; 45, б-е, з).
Избыточная фаза, кристаллизующаяся из жидкости, имеет обычно
форму крупных зерен или дендритов; это связано с особенностями роста
168
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
избыточной фазы в процессе застывания сплава в интервале температур
между ликвидусом и солидусом.
Избыточные фазы, выделяющиеся из твердого раствора, имеют
разнообразную форму, например игольчатую, зернистую или весьма
часто в виде оторочки (сетки) по границам зерен (рис. 1). Формы выделений и свойства избыточной фазы в значительной степени влияют на
свойства всего сплава. Если, например, избыточная фаза является твердой и хрупкой, то выделение ее в виде сетки (рис. 1, б) значительно
ухудшает пластичность и вязкость всего сплава; равномерное распределение избыточной фазы в виде мелких включений зернистой формы в
основной фазе повышает прочность сплава, не вызывая резкого снижения пластичности (рис. 1, а).
Рис. 1. Заэвтектоидная сталь, выделение избыточного (вторичного) цементита:
а – в зернистой форме × 600, б – в виде сетки по границам зерен × 200,
в – в виде игл × 600
На рис. 2 показана двухфазная структура, полученная в результате
перитектической реакции. Округлые участки представляют собой фазу α,
образованную в начале кристаллизации, а область вокруг этих участков –
фазу β, полученную в результате перитектической реакции. Определение
структуры перитектики представляет больше затруднений, чем определение
других многофазных структур, поскольку в условиях охлаждения сплавов,
применяемых на практике, перитектическая реакция, как проходящая
на поверхности раздела фаз, обычно не протекает до конца.
Тройные и более сложные сплавы также имеют подобные формы
структурных составляющих – однофазных твердых растворов и избыточных фаз. Несколько иную форму имеют сплавы, содержащие эвтектику.
Например, при кристаллизации тройного сплава, не соответствующего точно
169
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
эвтектическому составу, сначала выделяется избыточная фаза, затем двойная эвтектика и в последнюю очередь при окончании застывания – тройная
эвтектика. Двойная эвтектика в сплаве из трех компонентов кристаллизуется в интервале повышенных температур, в то время как тройная эвтектика
кристаллизуется при постоянной и более низкой температуре.
Рис. 2. Структура перитектики в сплаве Sn – Sb;
выделение второй фазы вокруг первичных кристаллов ×500
Поэтому выделения двойной эвтектики более крупные и легче различаются при микроанализе, чем выделения тройной эвтектики. На рис. 3 показана микроструктура тройного сплава системы Рb–Bi–Sn, соответствующего по составу линии двойных эвтектик. Такой сплав не имеет избыточной
фазы; на фотографии видны участки с более дифференцированной структурой (двойная эвтектика), расположенной в основной, менее различимой
металлической массе, представляющей выделения тройной эвтектики.
Рис. 3. Структура сплава Pb-Bi-Sn с двойной и тройной эвтектикой ×100
Определение неравновесных структур
Микроанализ выявляет структуры сплавов в неравновесном состоянии, в котором многие сплавы применяются в технике. На рис. 4 представлена микроструктура стали с 0,40 % С в равновесном (после отжига)
170
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и неравновесном состояниях: после нагрева до 750 °С и быстрого охлаждения (неполная закалка) и после нагрева до 840 °С и быстрого охлаждения (полная закалка). Быстрое охлаждение позволило получить
неравновесную структуру и, кроме того, характеризовать превращения,
происходящие в стали при нагреве. Микроанализ отчетливо показывает,
что в результате нагрева до 750 °С, т. е. выше критической точки Ас1, но
ниже точки Ас3, в стали произошло частичное превращение; вместо темной
(т. е. более сильнотравящейся при микроисследовании) составляющей –
перлита и частично светлой – феррита образовалась новая структура – мартенсит, но часть светлой (т. е. менее сильнотравящейся) составляющей –
феррита осталась без изменения. В то же время при более высоком нагреве
(до 840 °С, т. е. выше критической точки Ас3) произошло полное превращение: образовалась новая структура – мартенсит.
Рис. 4. Микроструктура углеродистой стали (0,4% С): а – после отжига,
структура феррит + перлит, × 200; б – после неполной закалки с 750 ºС в
воде, структура феррит + мартенсит, ×500; в – после полной закалки с 840 ºС
в воде, структура мартенсит, ×200
Образование в закаленной стали структуры мартенсита, обнаруживаемое микроанализом, резко изменяет свойства, в частности повышает
прочность, твердость и значительно уменьшает пластичность и вязкость.
При низком отпуске (при 200–250 °С) закаленной стали ее микроструктура
изменяется, но после нагрева выше 300–350 °С микроанализ обнаруживает
еще большие изменения, связанные с распадом твердого раствора (мартенсита) и коагуляцией цементита. Поэтому микроанализ позволяет судить о
тех значительных и важных для практики изменениях механических и физических свойств стали, которые вызывают эти превращения.
171
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Однако микроанализ, обнаруживая в закаленной стали характерное
внешне игольчатое строение мартенсита (рис. 4), отличающее его от других структурных составляющих стали, не позволяет определить природу
этой фазы.
Микроанализ не позволяет также характеризовать структуру
неравновесного сплава в тех случаях, когда избыточные фазы еще не отделились от основной фазы или когда выделения избыточной фазы являются чрезвычайно мелкими (субмикроскопическими), т. е. не могут быть
обнаружены при данной разрешающей способности микроскопа. В частности, это относится к процессам, происходящим при старении или низком отпуске закаленного сплава. Данные о структуре таких сплавов дает
электронная микроскопия и рентгеновский анализ.
Определение характера обработки металла
Способ обработки сплава резко влияет на его структуру и свойства.
С помощью микроанализа можно определять, каким образом изготовлен
изучаемый сплав (или деталь), какой предварительной обработке он подвергается. В частности, микроанализ позволяет определить, находится ли
сплав в литом состоянии или он подвергался обработке давлением, и
какое влияние оказала пластическая деформация на его структуру.
На фотографии микроструктуры однофазной латуни в состоянии
после литья и после обработки давлением и отжига (учебник рис. 61)
отчетливо видно дендритное строение твердого раствора в литом состоянии и полиэдрическое после дальнейшей обработки. Свойства латуни при
этом также изменяются; пластичность латуни, показанной в учебнике на
рис. 61, а, выше, чем приведенной на рис. 61, б.
Во многих случаях микроанализ проводят параллельно с макроанализом. Последний характеризует строение металла на больших участках, а
микроанализ – лишь на отдельных участках, выявляя при этом детали
структуры.
Микроанализ позволяет определить распределение неметаллических включений в материале
Далее, микроанализ позволяет отчетливо определить, подвергался ли
сплав холодной деформации и находится ли он в наклепанном (упрочненном) состоянии или он был подвергнут последующему отжигу (рекристаллизация) для снятия наклепа. На рис. 5 а показана структура низкоуглеродистой стали после холодной деформации, а на рис. 5 б – после рекристаллизации. Можно отчетливо видеть изменение формы и размера зерна,
вызванное рекристаллизацией.
172
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При помощи микроанализа можно установить, в равновесном или в
неравновесном состоянии находится сплав, и во многих случаях определить, какой термической обработке он подвергался. Для этого сравнивают
наблюдаемую структуру с той, которой должен обладать сплав согласно
диаграмме состояния, или подвергают сплав дополнительной термической
обработке, переводящей его в состояние равновесия (т. е. отжигу), и сравнивают получившуюся структуру с исходной. Так, на рис. 5 приведена
микроструктура стали после закалки; микроструктура была различной в
зависимости от того, нагревалась ли сталь при закалке выше Ас1, но ниже Ас3 (неполная закалка) или выше Ас3 (полная закалка).
Рис. 5. Микроструктура низкоуглеродистой стали, ×200:
а – после холодной деформации, б – после рекристаллизации
На рис. 6 показана микроструктура быстрорежущей стали, закаленной
с разных температур; при значительном повышении температуры в сплаве
происходит рост зерна, усиливающий хрупкость стали. Сравнение микрофотографий показывает, что сталь, нагретая до более высокой температуры (рис. 6, б), из-за крупного зерна обладает меньшей пластичностью и прочностью.
Рост зерна стали, происходящий при высоком нагреве, вызывает
также увеличение размеров кристаллов мартенсита, образующегося в
процессе охлаждения, а, следовательно, и большую хрупкость.
Рис. 6. Микроструктура бысторежущей стали после закалки
с различных температур; а – 1250 ºС, б – 1290 ºС. ×200
173
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Микроанализ позволяет также судить о том, была ли достаточной
скорость охлаждения при закалке сплава (рис. 4, б и в).
В промышленности широко применяют процессы, изменяющие)
состав поверхностного слоя стали путем насыщения его углеродом
(цементация), азотом (азотирование) или металлами (диффузионная металлизация). В зависимости от глубины насыщенного слоя и концентрации соответствующих элементов в этом слое изменяются свойства
стали. Микроанализ позволяет определить глубину такого ионного
слоя и примерную концентрацию в нем насыщающего элемента. Содержание углерода, определяемое количеством темной составляющей – перлита, изменяется от поверхности к сердцевине. По количеству перлита
можно приблизительно определить содержание углерода в отдельных
участках слоя, а также толщину слоя, насыщенного углеродом.
ЗАДАЧИ
ПО СТАЛЯМ И ЧУГУНАМ
Студенты должны ознакомиться с типовыми структурами чугуна и
стали и цветных металлов в равновесном и неравновесном состоянии, а
также с методикой определения данных структур
№ 1. На рис. 7 показано макростроение слитка низкоуглеродистой
кремнистой стали (0,1 % С и 4 % Si); по сечению слитка видны отдельные зоны с различными, но характерными для каждой зоны формой и расположением кристаллов.
Рис. 7. Макроструктура слитка (поперечный разрез) низкоуглеродистой
кремнистой стали (0,1 % С, 4 % Si)
Описать макростроение и свойства в отдельных зонах стального
слитка и объяснить причины образования различного строения кристаллов по сечению.
174
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2. На рис. 8 показана микроструктура фасонной стальной отливки (с 0,3 % С): а) после литья; б) после термической обработки. Указать, какая структура характеризует сталь непосредственно в литом состоянии, и описать приведенные структуры. Объяснить, для какой цели
была проведена термическая обработка отливки, в чем она заключалась
и в каком направлении она изменила механические
Рис. 8. Углеродистая сталь (0,3 % С) в фасонной стальной отливке, ×200:
а – микроструктура после литья; б – после термической обработки
№ 3. На рис. 9, а показана микроструктура стали болта, приведенного на рис. 9, б. Охарактеризовать микроструктуру и указать содержание угле рода в стали. Описать способ изготовления болта, используя результаты макроанализа (рис. 9, б).
Указать, чем отличалось бы макростроение болта, если бы он
был изготовлен резанием из катаного прутка.
Рис. 9. Сталь в кованном болте: а – макростроение (нат. вел),
б – микростроение стержня болта, ×400
№ 4. На рис. 10 показаны микроструктуры низкоуглеродистой
стали двух плавок А и Б с содержанием углерода около 0,06%. Одна из
сталей обнаружила при холодной деформации (штамповке) более низкую пластичность по сравнению с другой.
175
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 10. Микроструктура низкоуглеродистой стали: а – сталь А, × 100;
б – сталь Б, ×100, в – сталь Б, ×400
Указать, какая из этих сталей имела пониженную пластичность; на
основании данных микроанализа объяснить это различие в свойствах.
Указать также, какие особенности структуры низкоуглеродистой
стали, кроме приведенных на фотографии, определяют пластичность и
способность принимать вытяжку в холодном состоянии.
№ 5. При исследовании якоря парусного судна, построенного в
прошлом столетии, была выявлена микроструктура, показанная на
рис. 11.
Рис. 11. Микроструктура углеродистой стали, ×300
Описать структуру, определить по структуре примерное содержание углерода, указать способ производства стали подобного типа и
объяснить, почему такую сталь не изготавливают в настоящее время, а
также почему она обладает пониженными механическими свойствами
по сравнению с современной сталью, содержащей такое же количество
углерода.
176
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 6. На рис. 12 показана микроструктура чугунов двух различных
классов.
Рис. 12. Микроструктура чугунов, используемых для изготовления
деталей машин, ×200
Описать структуры, указать различие в структуре, свойствах,
способах производства и приведенных чугунов.
№ 7. Механические свойства чугуна зависят от характера металлической основы, а также от формы и количества графита.
Рис. 13. Нетравленые шлифы чугунов двух различных
структурных классов, ×100
Указать, какой из двух чугунов, микроструктуры которых показаны на рис. 13, обладает более высокими механическими свойствами.
№ 8. На рис. 14 показана микроструктура цементированной
низкоуглеродистой стали.
Указать, как изменится структура от поверхности к сердцевине
после цементации и закалки, и указать толщину поверхностного слоя,
на которую воздействовала химико-термическая обработка. Определить примерную продолжительность цементации, если линейная скорость диффузии составляла приблизительно 0,1 мм/ч (для цементации
в твердом карбюризаторе).
177
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 14. Микроструктура низкоуглеродистой стали после цементации, ×100
№ 9. На рис. 15 показана микроструктура быстрорежущей стали
Р18 одной плавки, но прокатанной с различной степенью деформации.
Рис. 15. Микроструктура быстрорежущей стали Р18, прокатанной с разной
степенью деформации, ×500: а – из проката диаметром 60 мм, б – из проката
диаметром 10 мм
Охарактеризовать влияние пластической деформации на условия распределения карбидов и указать, в каком состоянии сталь получает более высокие прочность и вязкость.
№ 10. На рис. 16 показана микроструктура быстрорежущей стали
Р12 ( 0,9 % С, 12 % W, 4 % Сr, 1,7 % V) после закалки и после отпуска.
178
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 16. Микроструктура быстрорежущей стали Р12, ×500: а – после закалки,
б – после закалки и трехкратного отпуска 560º
Характеризовать структуру стали в этих состояниях, и указать, в каком из них быстрорежущая сталь может иметь более высокую твердость.
ЗАДАЧИ
ПО ЦВЕТНЫМ МЕТАЛЛАМ И СПЛАВАМ
№ 1. На рис. 17 показана микроструктура двух широко применяемых латуней с разным содержанием цинка.
Рассмотрев диаграмму (учебник рис. 58), описать приведенные
микроструктуры, и указать их фазовый состав.
Исходя из общих закономерностей влияния фазового состава и
структуры на свойства, указать, в чем заключается различие механических свойств латуней, показанных на рис. 17.
Рис. 17. Микроструктура латуней с различным содержанием цинка после
обработки давлением и отжига, ×200
179
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2. Латуни с 1–3 % Al имеют по сравнению с простыми латунями
повышенную прочность и большую устойчивость против коррозии.
Введение в эту латунь, кроме того, 1 % Fe дополнительно повышает прочность.
На рис. 18, а показана микроструктура латуни с 70 % Cu и 2 % Al
(остальное цинк), а на рис. 18, б – такая же латунь, содержащая, кроме
того, 1 % Fe (структуры приведены в состоянии после деформации и
рекристаллизации).
Рис. 18. Микроструктура латуни с 70 % Zn и 2 % Al, ×100: а – без добавки
железа, б – с добавкой 1 % железа
Объяснить, какие изменения в структуре латуни вызывает добавление железа, и почему эти изменения повышают прочность.
№ 3. На рис. 19 показана микроструктура меди, содержащей небольшую примесь висмута.
Рис. 19. Микроструктура литой меди, содержащей небольшое
количество висмута, ×130
Указать структурную форму выделений, наблюдаемых на микрофотографии.
180
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Характеризовать влияние висмута, учитывая его механические
свойства. Указать, какие пределы содержания висмута установлены
ГОСТ для наиболее чистых сортов меди.
№ 4. На рис. 20 показана микроструктура алюминиевой бронзы с
10,2 % Al после прессования, и после прессования и термической обработки.
Рис. 20. Микроструктура алюминиевой бронзы с 10,2 % Al после
прессования и после прессования и термической обработки: а – после
прессования, ×150, б – после закалки, ×150, в – после отпуска, ×520
Описать приведенные структуры и механизм превращения в
бронзе с 10,2 % Al при ее закалке. Описать процессы, происходящие в
закаленной алюминиевой бронзе при отпуске до 500 ºС. Указать, как
изменятся свойства алюминиевой бронзы при закалке и отпуске.
№ 5. Химический состав алюминиевых сплавов выбирают в зависимости от способа изготовления деталей (обработка давлением или литье).
Рис. 21. Микроструктуры алюминиевых сплавов, широко используемых
в технике, один – литой, другой – деформированный: а – ×500, б – ×200
Описать показанные на рис. 21 структуры алюминиевых сплавов,
широко используемых в технике, и указать, какой из этих сплавов деформированный и какой литой.
181
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 6. Для повышения механических свойств литых алюминиевых
сплавов (силуминов), применяемых в виде отливок, проводят специальную обработку жидкого металла. На рис. 22 показана микроструктура силумина, содержащего 12 % Si, выплавлявшегося без упомянутой обработки (рис. 22, а) и с обработкой (рис. 22, б).
Рис. 22. Силумин, ×200: а – после литья без применения специальных добавок
в жидкий металл, б – после литья с применением специальных добавок
Описать различие в структуре и способе обработки жидкого металла и объяснить, как изменяются при этом свойства силумина.
№ 7. На рис. 23 показана микроструктура оловянистого подшипникового сплава (баббита) с 11 % Sb и 6 % Cu; образцы отлиты в различных условиях охлаждения.
Рис. 23. Микроструктура оловянистого баббита; условия отливки образцов
а и б были различными, ×130
В чем заключается различие в микроструктуре на приведенных
фотографиях, и в каком случае охлаждение происходило с большей
скоростью?
182
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение 3
ЗАДАЧИ
ПО ВЫБОРУ СПЛАВОВ И РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ РАБОТЫ
ДЕТАЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЙ
Решение приводимых задач ниже предусматривает обоснованный выбор сплава и его обработки, при использовании которых в
наибольшей степени обеспечиваются надежность и стойкость деталей
в условиях эксплуатации, указанных в каждой отдельной задаче. Как
правило, в задачах приведены более типичные условия использования
изделий, имеющие место в разных отраслях промышленности. Кроме
того, в задачах сформулированы характерные свойства, которые должен иметь сплав в соответствующем изделии.
Для решения задачи надо, прежде всего, определить группу сплавов (например, конструкционных сталей общего назначения, чугунов,
жаропрочных сталей и сплавов, инструментальных сталей, полимерных
материалов и т. п.), обладающих свойствами, близкими к требуемым.
Затем для окончательного определения наиболее пригодного
сплава из числа приведенных в выбранной группе и рекомендации режима его обработки необходимо в качестве общего правила рассмотреть возможность использования более дешевого материала, например
для деталей машин – углеродистой стали обыкновенного качества или
серого чугуна. Свойства основных материалов приведены в учебниках
и в указываемой ниже справочной литературе.
Если при рассмотрении свойств намечаемых сплавов окажется,
что они не удовлетворяют требованиям задачи, например, по прочности или по вязкости, то следует рассмотреть возможность их улучшения выбором термической или химико-термической обработки. Дорогие легированные стали, содержащие никель, вольфрам, молибден или
цветные сплавы, следует рекомендовать в тех случаях, когда выбор
более дешевых материалов не может обеспечить требований, указанных в задаче. Сделанный выбор сплава надо обосновать.
Если для улучшения свойств выбранного материала нужны термическая или химико-термическая обработки, то необходимо указать
их режимы, получаемую структуру и свойства. При рекомендации режимов обработки необходимо также указывать наиболее экономичные
и производительные способы, например для деталей, изготовляемых в
больших количествах, – обработку, с индукционным нагревом, газовую
цементацию (при необходимости химико-термической обработки) и др.
183
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для деталей, работающих в условиях переменных нагрузок, например
для валов, зубчатых колес, многих типов необходимо рекомендовать
обработку повышающую предел выносливости (в зависимости от рекомендуемой стали к ним относятся: цементация, цианирование, азотирование, закалка с индукционным нагревом, обработка дробью).
Для получения навыков в выборе материала и обосновании принимаемой рекомендации ниже приведены примерные решения трех
типов задач по конструкционным сталям общего назначения (№ 1),
инструментальным сталям (№ 6) и цветным сплавам (№ 10).
ЗАДАЧИ
ПО КОНСТРУКЦИОННЫМ СТАЛЯМ
И ЧУГУНАМ
№ 1. Заводу нужно изготовить вал диаметром 70 мм для работы
с большими нагрузками. Сталь должна иметь предел текучести не ниже 750 МПА, предел выносливости не ниже 400 МПа и ударную вязкость не ниже 900 кДж/м2.
Завод имеет сталь трех марок: Ст 4, 45 и 20ХНЗА. Какую из
этих сталей следует применить для изготовления вала? Нужна ли термическая обработка выбранной стали и если нужна, то какая? Дать
характеристику микроструктуре и указать механические свойства после окончательной термической обработки.
Решение задачи № 1
Стали марок Ст 4, 45 и 20ХНЗА имеют химический состав, приведенный в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав сталей, %
Сталь
ГОСТ
С
Mn
Si
Ст4
380–71
0,18–0,27
0,40–0,70
0,12–0,30
Сталь45
1050–60
0,42–0,50
0,50–0,80
0,17–0,37
20ХНЗА
4543–71
0,17–0,23
0,30–0,60
0,17–0,37
Сталь
ГОСТ
Cr
Ni
S
Р
Ст4
380–71
≤0,3
≤0,3
≤0,050
≤0,040
Сталь 45
1050–60 ≤0,25
≤0,25
≤0,045
≤0,040
20ХНЗА
4543–71 0,60-0,90 2,75-3,15 ≤0,025
≤0,025
Сталь марки Ст4, согласно ГОСТ, имеет следующие свойства в
состоянии поставки (после прокатки или ковки): (σв = 420÷540 МПа,
σт = 240÷260 МПа; δ = 21 %.
184
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сталь 45, согласно ГОСТ, в состоянии поставки (после прокатки
и отжига) имеет твердость не более НВ 207. При твердости НВ 190– 200
сталь имеет предел прочности не выше 600–620 МПа, а при твердости
ниже НВ 180 предел прочности не превышает 550–600 МПа. Для
отожженной углеродистой стали отношение σт/σв составляет примерно
0,5. Следовательно, предел текучести стали 45 в этом состоянии не превышает 270–320 МПа.
Сталь 20ХНЗА, согласно ГОСТ, в состоянии поставки (после
прокатки и отжига) имеет твердость не более НВ 250. Следовательно,
предел прочности при твердости НВ 230–250 не превышает 670–750
МПа и может быть ниже 600 МПа для плавок с более низкой твердостью. Тогда предел текучести составляет 350–400 МПа, так как σт/σв
для отожженной легированной стали 0,5–0,6.
Таким образом, для получения заданной величины предела текучести вал необходимо подвергнуть термической обработке.
Для низкоуглеродистой стали Ст4 улучшающее влияние термической обработки незначительно. Кроме того, Ст4 – как сталь обыкновенного качества имеет повышенное содержание серы и фосфора
(табл. 1), которые понижают механические свойства и особенно сопротивление ударным нагрузкам.
Для такого ответственного изделия, как вал двигателя, поломка
которого нарушает работу машины, применение более дешевой по
составу стали обыкновенного качества нерационально.
Сталь 45 относится к классу качественной углеродистой, а сталь
20ХН3А – к классу высококачественной легированной стали. Они содержат соответственно 0,42–0,50 и 0,17–0,23 % С и принимают закалку.
Для повышения прочности можно применять нормализацию или
закалку с высоким отпуском.
Последний вариант обработки сложнее, но позволяет получить
не только более высокие характеристики прочности, но и более высокую вязкость. В стали 45 минимальные значения ударной вязкости (aн
после нормализации составляют 200–300 кДж/м2, а после закалки и
отпуска с нагревом до 500 °С достигают 600–700 кДж/м2.
Так как вал двигателя воспринимает в работе динамические нагрузки, а также и вибрации, более целесообразно применить закалку и отпуск.
После закалки в воде углеродистая сталь 45 получает структуру мартенсита. Однако вследствие небольшой прокаливаемости углеродистой стали
эта структура в изделиях диаметром более 20–25 мм образуется только в
сравнительно тонком поверхностном слое толщиной до 2–4 мм.
185
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Последующий отпуск вызывает превращение мартенсита и троостита в сорбит только в тонком поверхностном слое, но не влияет на
структуру и свойства перлита и феррита в основной массе изделий.
Сорбит отпуска обладает более высокими механическими свойствами, чем феррит и перлит.
Наибольшие напряжения от изгиба, кручения и повторно переменных нагрузок воспринимают наружные слои, которые и должны
обладать повышенными механическими свойствам. Однако в сопротивлении динамическим нагрузкам, которые воспринимает вал, участвуют не только поверхностные, но и нижележащие слои металла.
Таким образом, углеродистая сталь не будет иметь требуемых
свойств по сечению вала диаметром 70 мм.
Сталь 20ХНЗА легирована никелем и хромом для повышения
прокаливаемости и закаливаемости. Она получает после закалки достаточно однородные структуру и механические свойства в сечении
диаметром до 75 мм.
Для стали 20ХНЗА рекомендуется термическая обработка:
1. Закалка с 820–835 °С в масле.
При закалке с охлаждением в масле (а не в воде, как это требуется для углеродистой стали) возникают меньшие напряжения, а, следовательно, и меньшая деформация. После закалки сталь имеет структуру мартенсита и твердость не ниже HRC 50.
2. Отпуск 520–530 °С. Для предупреждения отпускной хрупкости, к которой чувствительны стали с хромом (марганцем, вал после
нагрева следует охлаждать в масле.
Механические свойства стали 20ХНЗА в изделии диаметром до
75 мм после термической обработки:
Предел прочности σв=900–1000 МПа, предел текучести σт=750–800
МПа, относительное удлинение δ = 8–10 %, относительное сужение
ψ = 45–50 %, ударная вязкость ан = 900 кДж /м2 .
Таким образом, эти свойства обеспечивают требования, формулированные в задаче, для вала диаметром 70 мм.
№ 2. Зубчатые колеса в зависимости от условий работы и возникающих напряжений можно изготавливать из стали обыкновенного
качества, качественной углеродистой и легированной с различным
содержанием легирующих элементов.
Выбрать, руководствуясь техническими и экономическими соображениями, сталь для изготовления колес диаметром 50 мм и высотой 30 мм с пределом прочности не ниже 360–380 МПа.
186
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Указать термическую обработку колес, механические свойства и
структуру выбранной стали в готовом изделии и для сравнения механические свойства и структуру сталей 45 и 40ХН после улучшающей
термической обработки.
№ 3. Выбрать сталь для изготовления валов диаметром 50 мм для
двух редукторов. По расчету сталь для одного из валов должна иметь
предел текучести не ниже 350 МПа, а для другого – не ниже 500 МПа.
Указать: 1) состав и марку выбранных сталей; 2) рекомендуемый
режим термической обработки; 3) структуру после каждой операции
термической обработки; 4) механические свойства в готовом изделии.
Можно ли применять углеродистую сталь обыкновенного качества для изготовления валов требуемого сечения и прочности?
№ 4. Коленчатые валы диаметром 80 мм, работающие при повышенных напряжениях, изготавливают на одном заводе из качественной углеродистой стали, а на другом – из легированной стали.
Какую сталь следует применять для этой цели? Указать ее химический состав и марку.
Рекомендовать режим закалки и отпуска и сопоставить механические свойства, которые могут обеспечить углеродистая качественная и
легированная стали выбранных марок для вала указанного диаметра.
№ 5. Выбрать сталь для изготовления тяжело нагруженных коленчатых валов диаметром 60 мм: предел прочности должен быть не
ниже 750 МПа.
Рекомендовать состав и марку стали, режим термической обработки, структуру и механические свойства после закалки и после отпуска.
ЗАДАЧИ
ПО ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫМ СТАЛЯМ И СПЛАВАМ
№ 6. Стойкость сверл и фрез, изготовленных из быстрорежущей
стали умеренной теплостойкости марки Р12 и обрабатывавших конструкционные стали твердостью НВ 180–200, была удовлетворительной.
Однако стойкость этих сверл резко снизилась при обработке
жаропрочной аустенитной стали.
Рекомендовать быстрорежущую сталь повышенной теплостойкости, пригодную для производительного резания жаропрочных сталей, указать ее марку и химический состав, термическую обработку и
микроструктуру в готовом инструменте.
Сопоставить теплостойкость стали Р12 и выбранной стали.
187
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Решение задачи № 6
Режущие инструменты для производительного резания изготовляют из быстрорежущих сталей, так как эти стали обладают теплостойкостью. Они сохраняют мартенситную структуру и высокую
твердость при повышенном нагреве (500–650 °С), возникающем в режущей кромке.
Однако стойкость инструментов из быстрорежущих сталей,
подвергавшихся оптимальной термической обработке, определяется
не только их химическим составом, структурой и режимом резания,
но сильно зависит от свойств обрабатываемого материала.
При резании сталей и сплавов с аустенитной структурой (нержавеющих, жаропрочных и др.), получающих все более широкое
применение в промышленности, стойкость инструментов и предельная скорость резания могут сильно снижаться по сравнению с получаемыми при резании обычных конструкционных сталей и чугунов с
относительно невысокой твердостью (до НВ 220–250). Это связано
главным образом с тем, что теплопроводность аустенитных сплавов
пониженная. Вследствие этого тепло, выделяющееся при резании,
лишь в небольшой степени поглощается сходящей стружкой и деталью и в основном воспринимается режущей кромкой. Кроме того,
эти сплавы сильно упрочняются под режущей кромкой в процессе резания, из-за чего заметно возрастают усилия резания.
Для резания подобных материалов, называемых труднообрабатываемыми, мало пригодны быстрорежущие стали умеренной теплостойкости, сохраняющие высокую твердость (HRC 60) и мартенситную структуру после нагрева не выше 615–620 °С. Для обработки
аустенитных сплавов необходимо выбирать быстрорежущие стали
повышенной теплостойкости, а именно кобальтовые. Кобальт способствует выделению при отпуске наряду с карбидами также и частиц
интерметаллидов, более стойких против коагуляции, и затрудняет
процессы диффузии при температурах нагрева режущей кромки. Кобальтовые стали сохраняют твердость HRC 60 после более высокого
нагрева: до 640–645 °С. Кроме того, кобальт заметно (на 30–40 %) повышает теплопроводность быстрорежущей стали, а следовательно,
снижает температуры режущей кромки из-за лучшего отвода тепла в
тело инструмента. Наконец, стали с кобальтом имеют более высокую
твердость (до HRC 68 у стали Р8МЗК6С).
Для сверл и фрез, применяемых для резания аустенитных сплавов,
рекомендуются кобальтовые стали марок Р12Ф4К5 или Р8МЗК6С. Тер188
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мическая обработка кобальтовых сталей принципиально не отличается от
обработки других быстрорежущих сталей. Она следующая.
Инструменты закаливают с очень высоких температур (1240–
1250 °С для стали Р12Ф4К5 и 1210–1220° С для стали Р8МЗК6С), что
необходимо для растворения большего количества карбидов и насыщения
аустенита (мартенсита) легирующими элементами: вольфрамом, молибденом, ванадием и хромом. Еще более высокий нагрев, дополнительно усиливающий перевод карбидов в раствор, недопустим: он вызывает рост зерна, что снижает прочность и вязкость. Структура стали после закалки: мартенсит, остаточный аустенит (15–30 %) и избыточные карбиды, не растворяющиеся при нагреве и задерживавшие рост зерна. Твердость HRC 60–62.
Затем инструменты отпускают при 550–560 °С (3 раза по 60
мин). Отпуска вызывает: а) выделение дисперсных карбидов и интерметаллидов из мартенсита (дисперсионное твердение), что повышает
твердость до HRC 66–69; б) превращает мягкую составляющую –
остаточный аустенит в мартенсит; в) снимает напряжения, вызываемые мартенситным превращением.
После отпуска инструменты шлифуют, а затем подвергают цианированию, чаще всего жидкому в смеси NaCN (50 %) и Na2CО3 (50 %) с
выдержкой 15–30 мин (в зависимости от сечения инструмента).
Твердость цианированного слоя на глубину 0,02–0,03 мм достигает
HRC 69–70; немного (на 10 °С) возрастает и теплостойкость. При нагреве
для цианирования снимаются также напряжения, вызванные шлифованием. Цианирование повышает стойкость инструментов на 50–80 %.
После цианирования целесообразен кратковременный нагрев
при 450–500 °С в атмосфере пара и с охлаждением в масле; поверхность инструмента приобретает тогда синий цвет и несколько лучшую
стойкость против воздушной коррозии.
№ 7. Выбрать сталь для червячных фрез, обрабатывающих конструкционные стали твердостью НВ 220–240.
Объяснить причины, по которым для этого назначения нецелесообразно использовать углеродистую инструментальную сталь У12 с
высокой твердостью (HRC 63–64).
Рекомендовать режим термической обработки фрез из выбранной быстрорежущей стали, приняв, что фрезы изготовлены из проката
диаметром 40 мм.
189
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 8. Завод должен изготовить долбяки, обрабатывающие с динамическими нагрузками конструкционные стали с твердостью НВ
200–230.
Выбрать марку быстрорежущей стали, наиболее пригодной для
этого назначения, рекомендовать режим термической обработки и указать структуру и свойства (для долбяков наружным диаметром 60 мм).
Р18.
№ 9. Завод изготовлял протяжки из высоковольфрамовой стали
Указать, можно ли использовать для протяжек менее легированную, а следовательно, более экономичную быстрорежущую сталь.
Выбрать марку стали для протяжек, обрабатывающих конструкционные стали с твердостью до НВ 250, указать ее термическую обработку, структуру и свойства для случаев, когда протяжки изготовляют
из проката диаметром 40 и 85 мм.
ЗАДАЧИ
ПО ЦВЕТНЫМ МЕТАЛЛАМ И СПЛАВАМ
№ 10. Многие изделия изготавливают из латуни вытяжкой из листа в холодном состоянии. Иногда в изделиях обнаруживаются трещины, возникающие без приложения внешних нагрузок (так называемое «сезонное растрескивание»). На рис. 1 показана деталь после глубокой вытяжки и после растрескивания при вылеживании.
Рис. 1. Растрескивание латунной детали после глубокой вытяжки
и вылеживания
Объяснить сущность этого явления и указать способы его
предубеждения.
Подобрать марку латуни, не подверженной сезонному растрескиванию. Кроме того, описать структуру, технологические свойства α и
α + β'-латуней.
190
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Решение задачи № 10
Латуни в зависимости от содержания цинка и структуры можно
разделить на три класса:
1. α-латуни ....... До 39,5 % Zn
2. α + β'-латуни ..... От 39,5 до 45,7 % Zn
3. β'-латуни ....... От 45,7 до 51 % Zn
Увеличение содержания цинка изменяет структуру и свойства латуни (рис. 2).
Рис. 2. Механические свойства латуни в зависимости от содержания цинка:
а – литая латунь; б – катаная и отожженная латунь
Увеличение содержания цинка до определенного предела повышает
пластичность и прочность. Пластичность достигает максимальных значений при 30–32 % Zn, а прочность – при 40 %. При дальнейшем увеличении содержания цинка прочность и пластичность снижаются.
Это изменение свойств определяется свойствами соответствующих фаз, образующихся при введении цинка.
α-фаза представляет твердый раствор типа замещения, пластичность и прочность которой возрастают по мере увеличения содержания цинка.
β'-фаза – твердый раствор на базе электронного соединения с центрированной кубической решеткой и упорядоченным расположением
атомов. Эта фаза отличается повышенной хрупкостью и твердостью;
поэтому образование β-фазы снижает вязкость и повышает твердость.
При нагреве выше 450 °С β'-фаза превращается в неупорядоченный твердый раствор β, отличающийся большей пластичностью, чем
β'-фаза. Из диаграммы состояния видно, что α + β'-латуни приобретают при таком нагреве однородную структуру β-твердого раствора, а
следовательно, и большую пластичность.
Эти свойства фаз определяют технологический прогресс изготовления изделий из различных сортов латуни, а также их назначение.
191
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Изделия из α-латуни изготавливают главным образом холодной
или горячей деформацией; обработка резанием не дает достаточно
чистой поверхности. Изделия из α + β'-латуни изготавливают горячей
(прессование, штамповка) или холодной деформацией (но без вытяжки) или обработкой резанием.
В результате последующего отжига прочность сплава понижается, но пластичность возрастает (рис. 3).
Рис. 3. Механические свойства латуни Л68 в зависимости:
а – от степени деформации; б – от температуры отжига
Холодная деформация латуни создает в изделии остаточные
напряжения. Они возникают и в результате местной холодной деформации (при изгибе деталей, чеканке, развальцовке и т. п.).
При вылеживании или эксплуатации в латунных изделиях иногда
возникают трещины. «Сезонное растрескивание» наблюдается главные образом в латунях с содержанием более 20% Zn и отчетливо обнаруживается, например, в полых изделиях, прутках и т. д. Сезонное
растрескивание усиливается в химически активных средах, особенно в
парах аммиака, ртутных солях, ртути, мыльной воде и т. д. Образование трещин является результатом совместного действия остаточных
напряжений, созданных холодной деформацией (наиболее опасны
растягивающие напряжения), и химически активных сред.
Для предохранения от сезонного растрескивания нужен отпуск с
нагревом до 200–300 °С, это снимает большую часть остаточных
напряжений и незначительно снижает прочность.
Но в условиях изготовления и монтажа конструкций с применением
развальцовки, гибки и т. д. не всегда возможно избежать возникновения
местных, даже незначительных деформаций, а, следовательно, и сезонного
растрескивания. В таких случаях применяют более дорогие (и имеющие
меньшую прочность), но не склонные к сезонному растрескиванию латуни
Л96 и Л90. Латуни Л96 и Л90 обладают высокой теплопроводностью.
192
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Латуни можно заменить алюминиевой бронзой, не склонной к сезонному растрескиванию и обладающей аналогичными значениями
прочности и пластичности.
№ 11. Гребные винты морских пароходов имеют сложную форму
и очень массивны, например масса винта современного крупного океанского теплохода достигает 30–50 т.
Наметить схему технологии изготовления винта, учитывая его
форму. Исходя из этой схемы и условий работы винта в морской воде,
подобрать состав сплава и указать его структуру и механические
свойства.
№ 12. Некоторые детали арматуры турбин, котлов гидронасосов и
т. п., работающие во влажной атмосфере и изготавливаемые массовыми партиями литьем, имеют сложную форму. В процессе литья должна быть обеспечена максимальная точность размеров.
Указать состав применяемого для этой цели цветного сплава, его
структуру и механические свойства; привести способ литья, позволяющий создать требуемую высокую точность с минимальной последующей механической обработкой.
Привести химический состав стали для форм, применяемых для
литья выбранного сплава, и указать режим термической обработки, а
также структуру стали в готовом изделии.
№ 13. Многие детали приборов и оборудования, подверженные
действию морской воды, изготавливают из цветного сплава путем холодной деформации в несколько операций.
Подобрать сплав, стойкий против действия морской воды, и привести его химический состав.
Указать режим промежуточной термической обработки выбранного сплава и привести его механические свойства после деформации
и термической обработки. Сравнить состав стали, стойкой против
действия морской воды. Привести режим ее термической обработки,
механические свойства и структуру.
№ 14. Трубки в паросиловых установках должны быть стойки
против коррозии.
Подобрать марку сплава на медной основе, пригодного для изготовления трубок и не содержащего дорогих элементов; привести состав выбранного сплава.
Указать способ изготовления трубок и сравнить механические
свойства выбранного сплава, получаемые после окончательной обработки, с механическими свойствами стали, стойкой против коррозии в
тех же средах.
193
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
АБРАМОВА Влада Игоревна
СЕРГЕЕВ Николай Николаевич
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Учебник
Подготовка оригинал-макета – Е. В. Манухина.
Художественное оформление – Е. А. Свиридова.
Подписано в печать 28.06.2012. Формат 60  90/16. Бумага офсетная.
Гарнитура «Таймс». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 12,1.
Уч.-изд. л. 12,1. Тираж 100 экз. Заказ 12/071. «С» 1108.
Издательство Тульского государственного педагогического
университета им. Л. Н. Толстого. 300026, Тула, просп. Ленина, 125.
Отпечатано в Издательском центре ТГПУ им. Л. Н. Толстого.
300026, Тула, просп. Ленина, 125.
194
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
90
Размер файла
6 310 Кб
Теги
материаловедению, 10063
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа