Общие сведения о строении материалов

Ключевые слова: Кристаллическое строение и решетки металлов, полиморфизм железа, анизотропия металлов, дефекты кристаллическо­го строения, кристаллизация металлов. Общие сведения о строении сплавов. Строение неметаллических материа­лов.

Кристаллическое строение металлов. Подавляющее большинство металлов имеют кубические решетки: объемно центрированную ОЦК (Сr, Mo, W), гранецентирированную ГЦК (Ni, Ai, Си), и гексагональную плотно упакованную ГПУ (Zn, Mg).

Некоторые металлы и в пер­вую очередь железо, при различ­ной температуре имеют различную кристаллическую форму (модифика­цию), которые обозначаются греческими буквами a, b, g, d и т.д. Существование металла в раз­личных кристаллических формах на­зываетсяполиморфизмом, а переход из одной модификации в другую – полиморфным превращением. Это положение имеет большое значение для понимания основ ме­талловедения и в первую очередь термической обработки.

Установлено, что свойства отдельных кристаллов (монокристаллов) в различных направлениях неодинаковые, поскольку число атомов и расстояние между ними в них различны. Такое явление, как зави­симость свойств металлов от направления, назвалианизотропией,имеющей большое значение в технике. Следует обратить внимание на то, реальные металлы (поликристаллы) являются изотропными, т.е. у них свойства не зависят от направления, если они не подвергнуты специальной обработке, например, прокатке.

Кристаллические решетки металлов не являются идеальными, а имеют многодефектов: точечные – вакансии, смещенные атомы, атомы примесей и линейные – дислокации (краевые и винтовые). Эти дефек­ты в значительной мере изменяют свойства кристаллов. Для поликристалла, состоящего из зерен, которые в свою очередь состоят из блоков монокристаллов ориентированных под различными углами, име­ет место так называемый поверхностный дефект, образующийся на границах зерен и свободных поверхностях.

Процесс кристаллизации металла начинается с образования центров (зародышей) кристаллизации. От них растут первичные (главные) оси будущих кристаллов, затем перпендикулярно к ним – оси высших порядков (рис. 2.2, а). Такие первичные кристаллы, на­поминающие внешним видом дерево, получили название дендритов. Дальнейший их рост и формирование кристаллов происходит за счет жидкого металла,

заполняющего межосевое пространство. В конечном итоге кристаллы, соприкасаясь друг с другом, приобретают случай­ную внешнюю форму (рис. 2.2,б). Такие кристаллы назваются зернами. Величина и количество зерен характеризуется двумя факторами: чис­лом центров кристаллизации (ЧЦ) и скоростью их роста, т.е. ско­ростью кристаллизации (СК). От этих факторов зависит в основном размер зерен, а, следовательно, и свойства металла. С повышением скорости охлаждения ЧЦ увеличивается в большей степени, чем СК, поэтому размер зерен в металле уменьшается. Схематически строение металлического слитка представлено на рис. 2.3. Необходимо объяснить, почему его зерна в разли­чных зонах сильно отличаются друг от друга.

Общиесведения о строении сплавов. Сплавы состоят из двух или более металлов или металлов и неметаллов. В технике металлы и их сплавы обычно относят к одной группе материалов – к металлам. Сплавы или их части могут быть одно – или двухфазными (фаза – од­нородная по составу и строению часть сплава, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачкообразно). Они (сплавы) образуются в виде твердого раство­ра (компоненты растворяются друг в друге в твердом состоянии), механической смеси и химического соединения. Твердый раствор и химическое соединение являются однофазными и имеют один тип крис­таллической решетки, а механическая смесь двух компонентов - двух­фазной и т.д. При этом в твердом растворе атомы растворимого ком­понента либо замещают атомы растворителя в его кристаллической решетке, либо внедряются, в нее.

Строение неметаллических материалов. В основе строения неме­таллических материалов лежат полимеры – вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. При таких больших размерах макромолекул свойст­ва веществ определяются не только химическими составами этих мо­лекул, но и их взаимным расположением и строением.

Макромолекулы полимера представляют собой цепочки, состоящие из отдельных звеньев. Поперечное сечение цепи – несколько анг­стрем, а длина – несколько тысяч ангстрем. Поэтому макромолекулам полимера свойственна гибкость, являющаяся одной из отличительных свойств полимеров. Гибкость полимеров ограничена размером сегмен­тов – жестких участков, состоящих из нескольких участков. Атомы, входящие в основную цепь, связаны прочной химической связью, а силы межмолекулярного взаимодействия, имеющие обычно физическую природу, значительно (в 10-50 раз) меньше. Таким образом, молекулы полимеров характеризуются прочными связями в самих макромоле­кулах и относительно слабыми между ними.

Полимеры встречаются в природе – натуральный каучук, целлю­лоза, слюда, асбест, природный графит. Однако ведущей группой яв­ляются синтетические полимеры, получаемые в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений. Возможности создания но­вых полимеров и изменения свойств уже существующих очень велики. Синтезом можно получать полимеры с разнообразными свойствами и даже создавать материалы с заранее заданными характеристиками.

Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичныеполимеры при нагревании размягчаются, даже плавятся, при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим, т.е. никаких дальнейших химических превращений материал не претерпева­ет. Структура макромолекул таких полимеров линейная или разветв­ленная. Представителями термопластов являются полиэтилен, полис­тирол, полиамиды и др.

Термореактивные полимеры на первой стадии образования имеют линейную структуру и при нагревании размягчаются, затем вследс­твие протекания химических реакций затвердевают (образуется пространственная структура) и в дальнейшем остаются твердыми. Отвержденное состояние полимера называется термостабильным. Приме­ром термореактивных смол могут служить фенолоформальдегидная, глифталевая и другие смолы.

Более подробно см. [рекомендованную литературу, Док. 5 и все учебные пособия по ссылке: http://krivoshchekov.at.ua/index/kursantam/0-15].

Контрольные вопросы для самопроверки по разделу 2.1 темы 2:

1. Что понимают под материаловедением?

2. Какие сплавы называют чугуном и сталью?

3. В чем заключаются физико-химическая сущность и особеннос­ти получения чугуна и стали?

4. Чем характеризуется строение стального слитка?

5. Какие стали называются спокойными, полу спокойными и кипя­щими? Какая из них наиболее дешевая?

6. Как получают медь, алюминий, титан?

7. Что лежит в основе получения неметаллических материалов?

8. Что называют пластмассами, клеями, асбестом?

9. Как и из чего получают резину и лакокрасочные материалы?

Контрольные вопросы для самопроверки по разделу 2.2 темы 2:

1. Какие полиморфные модификации имеет технически чистое же­лезо?

2. Что называют твердым раствором, механической смесью, химическим (интерметаллическим) соединением?

3. Что называют фазой сплава (системы)?

4. Какие кристаллические решетки имеет железопри различных температурах?

5. Что называется анизотропией?

6. Какие основные факторы процесса кристаллизации определяют строение металла?

7. Какими буквами обозначаются полиморфные модификации ме­талла?

8. Какие кристаллические решетки имеют полиморфные модифика­ции железа?

9. Как схематически изобразить кристаллические решетки твер­дых растворов замещения и внедрения?

10. Что лежит в основе строения неметаллических материалов?

2.3. «Механические свойства материалов и методы их определения»

Учёба – это труд и творчество, причём, труд тяжёлый, а творчество мучительное…

Знания в 21-м веке уподобились власти: их не дают, их берут!

«Я беру свои знания там, где их нахожу…». «Ищите и обрящите!»

[Библия, Мольер и автор]

Ключевые слова: Испытание образца материала на растяжение и определение прочности, пластичности и упругости. Определение ударной вязкос­ти и твердости. Методы определения твердости. Деформация и рек­ристаллизация металла.

Под механическими свойствами понимают характеристики, опре­деляющие поведение материала под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам металла обычно относят прочность, под которой понимают сопротивление металла деформации и разрушению и пластичность, т.е. способность металла к остаточ­ной деформации без разрушения. В результате механических испытаний получают числовые значе­ния механических свойств, т.е. значения напряжений или деформа­ций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Эти силы могут быть как внешними, при­ложенными к телу, так и внутренними, возникающими в самом теле под действием изменения объема отдельных кристаллитов при фазовых превращениях, температурного градиента и др. Возникающие при этом напряжения в случае одноосного растяжения имеют следующий вид: s = P/F (МН/м²). Сила Р, приложенная к некоторой площадке F, обычно не пер­пендикулярна к ней, а направлена под некоторым углом, поэтому в теле возникают нормальные и касательные напряжения. Нормальные напряжения подразделяют на растягивающие (положительные) и сжима­ющие (отрицательные).

Внутренние напряжения наиболее часто возникают в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла вследствие неоднородного расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев. Эти напря­жения называют тепловыми. Кроме того, существуют еще так называе­мые фазовые или структурные напряжения, возникающие при кристал­лизации, термической обработке вследствие неоднородного протека­ния структурных превращений по объему и т.д. При небольших напряжениях деформация сопровождается незначи­тельными смещениями атомов со своих мест равновесия. При устране­нии напряжений эти смещения

исчезают, так как атомы возвращаются в свои положения равновесия. В этом случае деформацию называют упругой. При напряжениях, превосходящих предел упругости металла, на­ряду с упругой деформацией возникает пластическая (остаточная) деформация, являющаяся следствием значительных смещений атомов. Чаще всего эти смещения аналогичны скольжению-сдвигу. Атомы нахо­дят новые положения равновесия и при устранении напряжений в ис­ходное положение не возвращаются. Скольжение атомов при пластической деформации происходит под действием касательных напряжений и по вполне определенным плос­костям пространственной решетки, называемым плоскостями скольже­ния. Такими плоскостями являются плоскости, наиболее плотно укомплектованные атомами. Механизм скольжения при пластической деформации наиболее полно объясняется теорией дислокации. Эта теория предполагает, что смещение атомов происходит не путем одновременного перемеще­ния всех атомов, находящихся в плоскости скольжения, а путем пе­ремещения ряда предварительно смещенных атомов, т.е. линейного де­фекта кристаллической решетки - дислокации. Дислокация, перемещаясь в плоскости скольжения, вызывает последовательное - эстафетное - смещение всех атомов, находящихся в плоскости скольжения.

Структурное состояние пластически деформированного металла термодинамически неустойчиво, хотя при комнатной температуре для большинства металлов может сохраняться весьма долго. При нагреве пластически деформированный металл постепенно восстанавливает свою структуру и переходит снова в устойчивое состояние. Этот переход можно разбить на несколько стадий: возв­рат, рекристаллизацию обработки и собирательную рекристаллизацию.

Возврат (или отдых, отпуск) происходит при невысоком нагреве и уст­раняет упругие напряжения. Частично восстанавливаются кристалли­ческая решетка и свойства металла.

Рекристаллизация обработки или первичная рекристаллизация происходит при нагреве металла выше температуры рекристаллизации, определяемой по формуле: Т_р ⁼ aТ_пл,

где Т_р и Т_пл -температура соответственно рекристаллизации и плав­ления;a = 0,4 - для технически чистых металлов и 0,5-0,6 - для сплавов (твердых растворов). Процесс рекристаллизации аналогичен процессу кристаллизации: возникают центры кристаллизации, на которые наслаиваются атомные слои с неискаженной кристаллической решеткой. Микроструктура заме­няется новыми зернами, в большинстве случаев отличающимися по ве­личине от зерен исходного недеформированного металла.

Собирательная рекристаллизация представляет собой процесс дальнейшего роста зерен. Крупные зерна растут, поглощая мелкие, что приводит к уменьшению свободной энергии и делает структуру термодинамически более устойчивой.

Размер зерна рекристаллизованного металла зависит от темпе­ратуры нагрева и степени деформации. С повышением температуры ускоряются диффузионные процессы, что вызывает рост зерна. При очень малых степенях деформации нагрев не вызывает рек­ристаллизации. При 3-15%-ной деформации величина зерна после от­жига резко возрастает и может во много раз превысить размер ис­ходного зерна. Такую степень деформации называют критической. Нагрев после критической степени деформации вызывает только быст­рый рост исходных нерекристаллизованных зерен за счет поглощения других.

Основным видом испытаний для определения прочности и плас­тичности материалов является испытание на одноосное растяжение.Для испытания на растяжение применяют стандартный образец (рис. 3.1), который перед испытанием маркируют, измеряют и разме­чают. Начальная расчетная длина образца l₀ в пределах рабочей длины ограничивается неглубокими кернами.

При испытании указанный образец крепится концами в захват разрывной машины и растягивается с малой скоростью до разрушения. В ходе испытания запи­сывают так называемую кривую растяжения (рис.3.2), представляю­щую собой зависимость между прикладываемой к образцу нагрузкой Р и его абсолютным удлине­нием Dl. Из ри­сунка видно, что кривая растяжения имеет 4 ха­рактерных участка, от­ражающих протекание в материале сложных физи­ческих явлений. Прямая на участке 1 свидетель­ствует, что удлинение пропорционально нагруз­ке, т.е. на этом участ­ке сохраняет силу закон пропорциональности (за­кон Гука). После снятия нагрузки деформация растяжения исчезнет, атомы в решетке займут свое первоначальное положение. Напряжение, при котором нарушается пропорциональность между усилием и удлинением, называется пределом пропорциональности, определяемым по формуле

s_пц = Р_пц / f_o (1)

где f_o - площадь поперечного сечения образца.

Детали машин рассчитывают так, чтобы возникающие в них при эксплуатации рабочие напряжения (s_р) не превышали предела пропор­циональности (упругости). Обычно (s_р) < 0,6 *s_пц.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к появлению остаточ­ного удлинения (участок 11), не исчезающего после снятия нагрузки. В этот момент длина образца увеличивается без увеличения наг­рузки вследствие пластической деформации, перемещения одной части зерна относительно другой по кристаллографическим плоскостям скольжения. Материал как бы течет, а нагрузка Р_т соответствует пределу текучести - минимальному напряжению, при котором образец получает остаточное удлинение без заметного увеличения нагрузки, т.е.

s_т - Р_т / f_o (2)

Большинство металлов не имеет явно выраженной площадки теку­чести, тогда за предел текучести принимают условное напряжение, при котором образец получает остаточную деформацию 0,2 % первона­чальной длины образца, т.е.

s_о.2 = Р_о.2 / f_o (3)

При дальнейшем увеличении нагрузки металл пластически дефор­мируется и несколько упрочняется (участок III).

Временное сопротивление или предел прочности s_в - это напря­жение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, т.е.

s_в = P_в / F_o (4)

Для хрупких материалов достижение нагрузки Рв сопровождается разрушением. У пластичных материалов - до этого момента удлинение образца и сужение его первоначального сечения происходит равномерно по всей расчетной длине. Затем в месте наименьшего сопротивления образу­ется сужение поперечного сечения (шейка): при этом нагрузка уменьшается до Р_к и образец разрушается. Предел прочности для пластичных металлов по формуле (4)меньше истинного сопротивления разрыву, так как фактически пло­щадь сечения к концу растяжения образца меньше F_o.

Для определения характеристик пластичности складывают по по­верхности разрушения половинки разорванного образца и замеряют штангенциркулем расстояние между следами керна l_к и диаметр шейки около поверхности разрушения d_к. Таким образом, под относительным

удлинением d и относительным сужением y понимают соответствующие отношения абсолютного удлинения и сужения образца после разрыва к их начальным расчетным значениям, выраженным в %, т.е.

где l_o и l_к - начальная и конечная расчетная длина образца, мм,

f_k - площадь сечения шейки, мм²; F_o - начальная площадь сечения образца, мм². Относительное удлинение D можно определить также по диаграм­ме растяжения (рис. 3.2). С этой целью из точки Д проводится до пересечения с осью абсцисс прямая, параллельная отрезку ОС. Полу­ченный отрезок соответствует Dl_пласт, равное абсолютному удлине­нию расчетной части образца после разрушения в мм.

Рассмотренные характеристики прочности и пластичности явля­ются исключительно важными для всех материалов, так как на осно­вании этих показателей устанавливаются области использования ста­лей, чугунов, латуней и других материалов для изготовления или восстановления деталей судовых машин и механизмов, воспринимающих и передающих силовые нагрузки. Однако во многих случаях эти свойства не характеризуют прочность материалов в условиях эксплу­атации деталей. Их можно использовать только для ограниченного количества простых по форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к комнатной. Для большинства же изделий и конструкций, особенно из высокопрочных материалов, склонных к хрупкому разрушению, необходимо использо­вать и другие критерии оценки так называемой конструктивной проч­ности. В определенной степени это компенсируется учетом склоннос­ти металла к хрупкому разрушению, определяемому при динамических испытаниях на ударный изгиб и получением соответствующей характе­ристики материала, называемой ударной вязкостью.

Ударная вязкость, а_н, как прочность при ударных нагрузках. определяется путем разрушения стандартного образца ударом массив­ного маятника и представляет собой отношение затраченной на излом образца работы А_н, Дж, к площади поперечного сечения образца F, м², в месте излома, т.е.

а_н = А_н / F (7)

Более подробно о конструктивной прочности см. в [рекомендованной литературе и по ссылке http://krivoshchekov.at.ua ].

Твердость - это свойство материала сопротивляться проникно­вению в него другого более твердого тела определенной формы и размеров. Методика определения твердости весьма проста и может осу­ществляться непосредственно на готовой детали без ее разрушения. В большинстве случаев при определении твердости производят вдав­ливание в испытуемый материал индентора, изготовленного из значи­тельно более твердого материала, чем испытуемый. При вдавливании индентора происходит пластическая деформация испытуемого материа­ла под индентором. Чем больше сопротивление материала пластичес­кой деформации, тем на меньшую глубину проникает индентор и тем выше твердость. Таким образом, твердость при испытаниях методами вдавливания характеризует сопротивление металла пластическим де­формациям, т.е. по существу определяются те же механические свойства материала, которые определяются при испытаниях на растя­жение, но в новых условиях напряженного состояния. Наиболее широко применяются следующие методы определения твердости: Бринелля, Роквелла и Польди.

Твердость по Бринеллю НВ (Па) рассчитывают как отношение ве­личины нагрузки Р (Н) к площади F (м²) поверхности полученного на образце отпечатка, представляющего собой шаровой сегмент. Опреде­ление площади шарового сегмента производят по формуле

(8)

где D - диаметр индентора, м; d - диаметр отпечатка, м.

Тогда окончательная формула для расчета твердости по методу Бринелля будет иметь следующий вид:

(9)

Рассмотренный метод является наиболее точным, однако исполь­зование в качестве индентора стального закаленного шарика невоз­можно для материалов с твердостью более НВ4500 из-за начинающейся деформации самого индентора. Кроме этого, отпечаток на детали по­лучается достаточно больших размеров, что может привести в негодность ее рабочую поверхность.

Выбор диаметра шарика и нагрузки в зависимостиот твердости и толщины испытуемого образца регламентируется ГОСТом и произво­дится по соответствующим таблицам.

По методу Роквелла, твердость определяется по глубине проник­новения вдавливаемого стального шарика Æ 1,588 мм при нагрузке 1000 Н (шкала В) иди алмазного конуса с углом у вершины 120^о при нагрузке 600 и 1500 Н (шкалы А и С). При испытании сначала прик­ладывают предварительную нагрузку Р_о, равную 100 Н, а затем ука­занную, в зависимости от выбранной шкалы. Разность глубин проник­новения шарика или алмаза под нагрузками Р_о и Р характеризует твердость. Чем меньше эта разность, тем тверже испытуемый матери­ал и наоборот, чем больше эта разность, тем мягче материал. Зна­чение твердости (HR) определяется по следующим формулам.

При измерении по шкалам А и С:

HR = 100 - е. (10)

а при измерении по шкале В:

HR = 130 -е, (11)

где е - величина, определяемая по формуле е = (h-ho)/0,002;

h, ho - глубина внедрения индентора в испытуемый материал под действием нагрузок Р и Р_о соответственно; 0,002 - величина, принятая за единицу твердости и соответс­твующая осевому перемещению индентора на 0,002мм.

Твердость по Роквеллу обозначается HRA, HRB или HRC соот­ветственно по шкалам А, В и С. Метод Роквелла менее точен в сравнении с методом Бринелля. Однако, наряду с более широким диапазоном измерения твердости испытуемых материалов, он позволяет избегать вычислений, получать малые от­печатки на рабочих поверхностях, измерять твердость поверхностных слоев деталей после химико-термической обработки, а также твер­дость мелких деталей. Для выбора индентора и нагрузки в зависимости от характерис­тики испытуемого материала рекомендуется использовать табличные данные.

По методу Польди используется та же схема определения твер­дости, что и по методу Бринелля - вдавливание стального закаленно­го шарика. Поэтому ему присущи практически те же ограничения по твердости. Принципиальным же отличием является ударное приложение нагрузки одновременно к детали и эталону, что позволяет исключить ее из рассмотрения и сопоставить значения твердостей с учетом лишь диаметров получаемых отпечатков.

Эталон представляет собой прямоугольный, обычно стальной брусок, у которого заранее в лаборатории судоремонтного завода определена и нанесена на торец твердость по методу Бринелля. Его вставляют в корпус приспособления и зажимают бойком так, чтобы над шарикомне оказался отпечаток от ранее проведенных испытаний. Затем, установив приспособление на зачищенное напильником или наж­дачной бумагой место детали, наносят по бойку сильный удар молот­ком массой 5-10 Н. После этого вынимают эталон и измеряют на нем и детали диаметры отпечатков. Значение твердости детали вычисляют по формуле

НВ_дет = НВ_эт (d_эт / d_дет )² , (12)

где НВ_эт - твердость по Бринеллю материала эталона; d_эт - диаметр отпечатка на эталоне,мм; d_дет - диаметр отпечатка на детали,мм.

Важным преимуществом метода Польди является возможность при­менения его для определения твердости крупных деталей непосредственно на судне или в цехе завода. Это в значительной мере ком­пенсирует сравнительно небольшую точность получаемых при испыта­ниях результатов.

Кроме рассмотренных методов существует метод определения твердостидо Виккерсу и микротвердость. Первый используют для оп­ределения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, а второй - для определения микротвердости мелких деталей и отдельных структурных составляющих сплавов. В обоих случаях твер­дость (Н_*) определяется по формуле:

Н_* = 1,8544 P/d², (13)

где Р - нагрузка, Н; d - диагональ отпечатка, мкм.

Механические свойства неметаллических материалов имеют свои особенности, зависящие от их структуры, физического состояния, температуры и т.д. Вследствие высокой молекулярной массы они не способны при нагревании образовывать низковязкие жидкости, а некоторые, обладающие термостабильной пространственной структурой, даже размягчаться.

Полимеры могут находиться в трех физических состояниях: в стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Стеклообразное состояние - твердое, аморфное (атомы совершают колебательное движение около положения равновесия, движе­ния звеньев и перемещения макромолекул не происходит). Высокоэластчное состояние присуще только высокополимерам, характеризуется способностью материала к большим обратимым измен­ениям формы при небольших нагрузках (колеблются звенья, и мак­ромолекулы приобретает способность изгибаться). Вязкотекучее состояние напоминает жидкое состояние, но отли­чается от него очень большой вязкостью (подвижна вся макромолеку­ла). С изменением температуры линейный или разветвленный полимер может переходить из одного физического состояния в другое.

Полимерным материалам присуще как высокая долговечность и стойкость к внешним воздействиям, так и старение - необратимое самопроизвольное изменение важнейших технических характеристик, проис­ходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся в материале в процессе эксплуатации и хранения. Причинами старения являются свет, теплота, кислород, озон и дру­гие немеханические факторы.

Контрольные вопросы для самопроверки по разделу 2.3.

1. Что понимают под механическими свойствами? Какие из них в основном определяют

работоспособность судовых конструкций и деталей?

2. Какие бывают виды деформаций и в чем их сущность?

3. Какие бывают виды напряжений и в чем их сущность?

4. Что понимают под рекристаллизацией? В чем ее сущность?

5. Как определить температуру рекристаллизации металла (сплава)?

6. Что понимают под критической степенью деформации?

7. Какая деформация и почему необходима для получения мелко­зернистой структуры после

рекристаллизации?

8. Какие факторы влияют на размер зерна рекристаллизованного металла?

9. По каким формулам определяются характеристики прочности, пластичности и ударной вязкости

материалов при соответствующих испытаниях?

10. Какие условные обозначения соответствуют относительному удлинению и сужению, пределу

прочности и ударной вязкости?

11. Как изменяется кристаллическая решетка при упругих де­формациях на соответствующем участке

диаграммы растяжения?

12. Два материала имеют следующие механические характеристи­ки - 1) s_в = 500 МПа; d = 20% и 2) s_в =

500 МПа; y = 2%. Какому из них следует отдать предпочтение при изготовлении детали?

13. Что понимают под твердостью металла?

14. По какой формуле определяется твердость по методу Польди?

15. Каковы преимущества метода определения твердости по Роквеллу?

16. Где применяется определение твердости по методу Польди?

17. Какую форму имеет индентор при различных методах опреде­ления твердости?

18. Какой из методов определения твердости является более точным?

19. Какая аббревиатура соответствует твердости, измеренной методами Бринелля и Роквелла?

20. Какие еще методы определения твердости известны?

21. Каковы особенности механических свойств полимеров и чем они объясняются?

Иллюстрации к теме 2 и другим темам раздела «Материаловедение» – см. Сборник наглядных пособий на сайте.

Тема 3. «Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов». Углеродистые стали и чугуны, легированные стали, состав легирующих элементов

Образовательный идеал 21-го века:учиться познавать, учиться делать, учиться жить и

учиться жить вместе. Современный подход к образовательным технологиям:

перенос акцентов с методов «выучи», «запомни», «используй свой и чужой опыт»

к методам обучения человека мышлению. Воспитание в 21-м веке – творческое приспособление

[ Ю.П.Адлер и автор]

3.1. «Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов».

Ключевые слова: Превращения, происходящие в сплаве в зависимос­ти от концентрации его компонентов и температуры. Фазы и струк­турные составляющие сталей и чугунов: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит.

Диаграмма состояния металлических сплавов вообще представляет собой графическое изображе­ние всех превращений, происходящих в сплаве в зависимости от кон­центрации его компонентов и температуры. Построение ее произво­дится экспериментально, по критическим точкам превращений в спла­вах при их нагреве и охлаждении. Изучая диаграмму состояния спла­ва можно получить четкое представление о тесной взаимосвязи структуры и свойств материала, его кристаллическом строении и фа­зовом составе.

Диаграмма состояния Fe-C дает представление о строении железоуглеродистых сплавов: сталей и чугунов. Первое представление об этой диаграмме дал Д.К.Чернов, который впервые указал на сущест­вование в стали критических точек. Он обнаружил, что при темпера­туре примерно 700°С существует критическая точка A₁, ниже кото­рой сталь не принимает закалки, как бы быстро ее ни охлаждали. Вторая критическая точка А₃ - переменная и зависит от содержания углерода в стали. Учитывая, что железо с углеродом образует ряд химических соединений: Fе₃С, Fe₂C и др., указанную диаграмму мож­но рассматривать по частям. Предметом нашего изучения будет первая часть диаграммы Fe-C, диаграмма Fe-Fе₃С. Это объясняется тем, что на практике применя­ются металлические сплавы с содержанием углерода не более 5%, а ближайшим по содержанию углерода химическим соединением является цементит или Fе₃С, содержащий углерода 6,67%. Таким образом, при разборе диаграммы состояния Fe-C в качестве одного из компонентов рассматривается железо, а другого - химическое соединение Fе₃С. Чтобы понять диаграмму Fe-C необходимо в первую очередь оз­накомиться со строением и свойствами исходных компонентов этой системы: железом и цементитом.

Железо - 26-й элемент таблицы Д.И. Менделеева. На практике используется технически чистое железо с содержанием примесей 0,1...0,2% и температурой плавления 1535^оC. В зависимости от тем­пературы железо, как мы уже рассматривали, существует в разных кристаллических формах или, как их называют, в разных полиморфных модификациях: a, b, g и d. (См. график кривой охлаждения чистого железа в учебниках).

Типовые показатели механических свойств железа следующие: s_в » 250 Н/мм² , sт » 120 Н/мм², d » 50%, y » 86%, НВ = 800 Н/мм², а » 300Нм/см².

Со многими элементами железо образует твердые растворы. Наи­больший интерес представляет образование растворов углерода в же­лезе, которые существенно зависят от того, в какой кристаллической форме существует Fе. Так, растворимость углерода в a - железе составляет около 0,02%. а в g - железе - до 2,14%, т.е. в 100 раз больше. Твердые растворы внедрения углерода в a - и g - железе называ­ются соответственноферритом и аустенитом.

Феррит обозначается буквой Ф, a или Fe a. Его основные меха­нические свойства: НВ ~ 600, s_в = 330 Н/мм², d = 40%.

Аустенит обозначается буквой А,g, или Feg. Его основные ме­ханические свойства: НВ - 1600, s_в = 750 Н/мм², d = 60%.

Цементит – химическое соединение обозначается буквой Ц или Fе₃С, имеет сложную кристаллическую решетку, характер связи между атомами Fе и С точно не установлен. Температура плавления цементита около 1600^OС, твердость НВ=8000, нулевая пластичность, при 217^OС теряет свои магнитные свойства. Цементит- соединение неустойчивое и в опре­деленных условиях может разлагаться на железо и углерод в виде графита, что имеет большое значение в процессе структурообразования чугуна.

Упрощенная диаграмма состояния Fe-Fе₃С приведена на рис. 4.1.

По оси абсцисс на диаграмме приведено содержание углерода и це­ментита. Количество цементита в сплаве равно 15-кратному содержанию углерода.

Линия АСД диаграммы называется линией ликвидус и соответствует температурам начала кристаллизации сплавов Fe-C. Выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии.

Лидия AECF - линия солидус и соответствует температурам кон­ца кристаллизации. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Между линиями ликвидус и солидус сплав находится в двухфазном состоянии: жидком и твердом.

Кристаллизация сталей начинается с образования аустенита (точки 1 на рис. 4.1). После полного затвердевания (точки 2 на рис. 4.1.) все стали состоят из аустенита. При дальнейшем охлажде­нии до линии GSE структура сталей не изменяется.

Линия GS относится к сталям с содержанием углерода до 0,8% и соответствует температурам выделения феррита из аустенита, т.е. ниже точки 3 на рис. 4.1 сталь будет состоять из аустенита и фер­рита, причем выделение феррита приводит к повышению содержания углерода в аустените до 0,8%.

Лилия SE относится к сталям с содержанием углерода более 0,8% и соответствует температурам выделения цементита вторичного из аустенита, т.е. ниже точки 4 на рис. 4.1 сталь будет состоять из аустенита и вторичного цементита, выделение которого снижает содержание углерода в аустените до 0,8%.

Горизонтальная линия на диаграмме, линия PSK, соответствует протеканию следующей эвтектоидной реакции:

т.е. аустенит концентрации точки S при температуре 727°С разлага­ется на феррит концентрации точки Р и цементит концентрации точки К, соответствующей 6,67%С.

В результате этой реакции образуется эвтектоидная смесь фер­рита и цементита называемаяперлитом (вид перламутра). Эта реак­ция происходит у всех сплавов системы, содержащих С > 0,02%, т. е. практически у всех промышленных железоугдеродистых сплавов. Эту реакцию называют эвтектоидным или перлитным превращением. Основ­ные механические свойства перлита пластинчатого: НВ ~ 2000, s = 800 Н/мм², d = 10%; перлита зернистого – НВ ~ 1800, s = 650 Н/мм², d = 20%.

По структуре углеродистые стали классифицируют на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали содержат более 0,02%, но менее 0,8% уг­лерода. Ее структура состоит из светлых зерен феррита и темных зерен перлита, представляющих в свою очередь зерна феррита, про­низанных пластинами цементита (рис. 4.2, г и д).

С увеличением содержания углерода количество феррита в доэвтектоидных сталях уменьшается, а перлита увеличивается. Так как практически весь углерод находится в перлите, то содержание угле­рода в доэвтектоидной стали можно определить по формуле, в %:

С = 0,8 F_n / 100, (1)

где F_n - площадь, занимаемая перлитом, %.

Эвтектоидная сталь содержит 0,8 %С и имеет перлитную струк­туру. В поле зрения микроскопа эвтектоидная сталь с пластинча­тым перлитом отчетливо выявляет форму цементита в виде темных прожилок на светлом фоне феррита (рис. 4.2, а). При большей степе­ни дисперсности цементитных частиц и при малых увеличениях двух­фазное строение перлита может не выявляться. В этих случаях перлит под микроскопом, при травлении стали 4%-ным раствором НNО₃ в спирте, имеет сплошной темный фон.

Заэвтектоидная сталь состоит из перлита и вторичного цемен­тита, располагающегося в виде сетки или зерен (рис. 4.2, б, е). В этих сталях содержание углерода может быть ориентировочно опреде­лено по следующей формуле, %

С = (0,8 F_n + 6,67 F_ц)/100, (2)

где F_ц - площадь, занимаемая вторичным цементитом, в %.

После травления 4%-ным раствором НNО₃ в спирте цементит под микроскопом имеет вид бедой составляющей, также как и феррит, а перлит - вид темной составляющей. Чтобы отличить по микроструктуре цементит от феррита, шлиф, протравленный 4%-ным раствором НNО₃ в спирте повторно полируется, а затем травится щелочным раствором пикрата натрия, который окра­шивает цементит в темный цвет.

Анализ диаграммы состояния железо-углерод показывает, что содержание углерода в стали определяет ее строение и структуру. В связи с этим интересно проследитьвлияние углерода на основные механические свойства стали(рис. 4.3).

Из этого рисунка видно, что с увеличе­нием в стали углерода возрастает твер­дость НВ и предел прочности s_в, умень­шается относительное удлинение d, су­жение y и ударная вязкость а_н. При дальнейшем увеличении в стали углерода (более 0,9% С) твердость возрастает, а предел прочности уменьшается. Это объ­ясняется тем, что по границам зерен выделяется вторичный цементит, образу­ющий сплошной каркас вокруг перлитных зерен (рис. 4.2,е). При испытании на растяжение нагрузка воспринимается прежде всего этим каркасом. Цементит, будучи хрупким, разрушается, что при­водит к преждевременному разрушению образца и снижению предела прочности.

Таким образом,зная микрострукту­ру стали, мы можем по соответствующим зависимостям определить содержание в стали углерода и ее марку, а пользуясь зависимостями рис. 4.3 - значение основных ее механиче­ских свойств.

Кристаллизация чугуна (сплав III на рис. 4.1) начинается с образования аустенита в точке 5. В точке 6, как и в любой другой точке линии ECF, протекает реакция по формуле:

т.е. жидкость концентрации точки С при температуре 1147°С разлаг­ается на аустенит концентрации точки Е и цементит концентрации точки F. Эта эвтектическая смесь (от слова эвтектика - легкопла­вящийся) получила название ледебурит.Таким образом, после полного затвердевания (сплав ниже точки б) микроструктура чугуна будет состоять из аустенита, цементита вторичного и ледебурита.

При дальнейшем охлаждении сплава, до линии PSK, структура чу­гуна не изменяется. Ниже линии PSK, из-за протекания известной эвтектоидной реакции, структура чугуна будет состоять из П+Ц_П+Л(П+Ц_П). При этом аустенит ледебурита также перешел в пер­лит. Аналогичные рассуждения можно провести и для чугуна с содержанием углерода более 4,3%, например, для сплава IV.

По структуре чугуны классифицируют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Доэвтектические чугуны содержат более 2,14%, но менее 4,3% углерода. Его структура состоит из темных зерен перлита, светлых цементита вторичного и ледебурита представляющего собой, в свою очередь, темные точки перлита на светлом фоне цементита, (рис. 4.4,6). С увеличением содержания углерода количество ледебурита увеличивается, а перлита и цементита вторичного уменьшается, пе­реходя в ледебурит с содержанием углерода 4,3%.

Эвтектический чугун содержит 4,3% С и имеет структуру леде­бурита, светлого фона цементита, усеянного темными зернами перли­та (рис. 4.2,а). Заэвтектический чугун состоит из ледебурита и первичного цементита (рис. 4.4, а). Зерна ледебурита в виде серых участков, усеянных мелкими темными включениями перлита, как бы пронизаны светлыми крупными пластинками первичного цементита. Рассмотренные чугуны в изломе имеют белый оттенок и поэтому получили название белых; в них весь углерод находится в связанном состоянии, в виде Fе₃С (цементита). Такие чугуны отличаются высо­кой твердостью и используются в основном для передела в сталь. При длительном отжиге белого чугуна цементит распадается на железо и углерод, происходит так называемая графитизация, когда углерод выделяется в свободном виде, в виде графита. В зависимос­ти от технологии обработки, графит может быть выделен в виде пластин, хлопьев и шаров (рис. 4.4,г-з).Такие чугуны называются соответственно серыми, ковкими и высокопрочными.

Контрольные вопросы для самопроверки по разделу 3.1

1. С какими элементами железо образует твердые растворы внедрения и замещения?

2. Как изменяется объем железа при превращении Feg -> Fea?

3. Что называют фазой сплава (системы)?

4. В чем разница и что общего между твердой фазой сплава и его структурной составляющей?

5. Какие определения имеют основные фазы железоуглеродис­тых сплавов: феррит, аустенит и цементит?

6. Как называются структурные составляющие сплава с содер­жанием углерода 0,8%, 4,3% и 6,67%?

7. Какова предельная растворимость углерода в феррите и аустените?

8. Как называются и что представляют собой микроструктуры железоуглеродистых сплавов с содержанием углерода 0,8 и 4,3%?

9. По каким формулам определяется содержание углерода в доэвтектоидной и заэвтектоидной сталях?

10. Какую микроструктуру имеют доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали, а также доэвтектические, эвтектические и заэвтектические чугуны?

11. Какое влияние оказывает углерод на такие механические свойства стали, как прочность, твердость, пластичность и ударную вязкость?

Иллюстрации к теме 3 – см. Сборник наглядных пособий и др. учебные пособия на сайте.

3.2. «Углеродистые стали и чугуны. Легированные стали. Состав легирующих элементов»

«Верить нельзя никому… уж, Вы, мне поверьте!»

(Русское радио и Автор)