Кристаллизация и структурообразование сплавов

Сплав I.

Критическая точка I - начало кристаллизации твердого раство­ра α :

Критическая точка 2. - конец кристаллизации твердого раство­ра α.

При кристаллизации в интервале температур между точками 1-2 жидкая и твердая фазы изменяют состав. Изменение концентрации жид­кости определяется линией ликвидус АnВ, а концентрации твердого раствора - линией солидус АmВ. Например, в сплаве I при температу­ре t₁ состав жидкой фазы соответствует точке c, твердой - точ­ке d , спроектированными на ось концентраций. По правилу отрезков количество твердой фазы

Структура сплава: зерна однородного твердого раствора α.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограничен­
но растворимы в жидком состоянии, ограниченно- в твердом, при
кристаллизации образуют эвтектическую смесь (эвтектику) (рис.7):

АЕС - ликвидус

АВЕFС - солидус

АЕ - начало кристаллизации твердого раствора α _•

АВ - конец кристаллизации твердого раствора α _•

ЕС - начало кристаллизации твердого раствора β_•

СF- конец кристаллизации твердого раствора β _•

ВМ - ограничение растворимости компонента В в кристаллической

решетке компонента А.

FN- ограничение растворимости компонента А в кристаллической

решетке компонента В.

Точки В, F - максимальная растворимость компонентов друг в друге. Диаграмма отличается от диаграммы (рис.4) наличием двух об­ластей граничных твердых растворов α и β. Компоненты в чистом виде в сплавах этой системы макроскопически не присутствуют, а находятся только в виде твердых растворов α и β.

Кристаллизация и структурообразование в сплавах, состав которых находится в интервале проекций точек В и F .диаграммы (рис.7) на ось концентраций, происходят аналогично ранее рассмотренным примерам диаграммы с нерастворимыми в твердом состоянии компонентами, только вместо компонентов А и В присутствуют твердые растворы αи β.

Кристаллизация и структурообразование сплавов IV ( V )

Критическая точка I - начало кристаллизации твердого раствора. α(β), две фазы: жидкость и α(β). В интервале темпера­тур между точками 1 и 2 идет кристаллизация:

Критическая точка 2 - конец кристаллизации α(β), в структуре сплава осталась одна фаза - α(β). В интервале температур меж­ду точками 2 и 3 - охлаждение твердого раствора α(β). За счет снижения растворимости твердый раствор становится насыщенным. Критическая точка 3 - начало выделения вторичного твердого раство­ра β_II(α_II) из пересыщенного твердого раствора α(β) вследствие уменьшения растворимости компонентов при снижении температу­ры. В интервале температур между точкой 3 и комнатной выделяется вторичный твердый раствор β_II(α_II) .В структуре сплава две фазы:

IV - ; V - .

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое диаграмма состояния?

2. Какой метод положен в основу построения диаграммы олово-цинк?

3. Что называется компонентом, фазой?

4. Как определяется концентрация фаз?

5. Как определяется соотношение масс фаз?

6. Каковы особенности эвтектического сплава?

7. Нарисовать диаграмму состояния с ограниченной и неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и проставить все фазы.

8. Нарисовать диаграмму состояния, когда компоненты не растворяют­ся друг в друге, когда образуется устойчивое химическое соеди­нение, проставить все фазы.

9. Как определяется число степеней свободы в критических точках?

3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1.УСЛОВИЯ РАБОТЫ И МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

В широком смысле под механическими свойствами понимают параметры, которые дают информацию о поведении материала под действием внешних нагрузок. Количественные величины этих параметров обусловлены природой взаимодействия молекул и атомов в твердом теле, фазовым составом сплавов, их структурой. Изменения термодинамических параметров (температуры, давления, скорости нагружения) приводят к изменению сил взаимодействия, фазового состава и структуры, а, следовательно, к изменению свойств материалов.

Механические свойства позволяют определить пределы нагрузки для каждого конкретного материала, произвести сопоставимую оценку различных материалов, осуществить контроль качества и пригодность металла в заводских и лабораторных условиях. Результаты определения механических свойств используют в расчетной конструкторской практике при проектировании машин, приборов, конструкций.

К испытаниям механических свойств предъявляется ряд требований. Температурно-силовые условия проведения испытаний должны быть по возможности приближены к служебным условиям работы материалов в реальных изделиях. Вместе с тем методы испытаний должны быть достаточно простыми и пригодными для массового контроля качества.

Большое разнообразие условий эксплуатации материалов, повышение и расширение спектра требований к ним привело к разработке широкого круга методов определения свойств. В зависимости от скорости нагружения испытания являются статическими, когда нагружение производится медленно, нагрузка возрастает плавно или остается постоянной длительное время, либо динамическими, если нагрузка возрастает мгновенно (ударно). При повторно- переменных испытаниях изменяется величина и направление нагрузки. Испытания могут проводиться при комнатных, повышенных,отрицательных (криогенных) температурах. Различны и схемы нагружения образцов: растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез.

Каждая схема нагружения характеризуется коэффициентом «жесткости», представляющим собой отношение максимальных нормальных напряжений к максимальным касательным, которые возникают при испытаниях:

,

где S_max – максимальные нормальные напряжения,

τ_max - максимальные касательные напряжения.

Значения коэффициента «жесткости» для различных видов испытаний

Таблица 3.1.

№п/п	Вид испытаний	Коэффициент « жесткости», α
	Растяжение	2,0
	Изгиб	1,35
	Кручение	1,27
	Сжатие	0,54
	Твердость	0,22

Нормальные напряжения приводят к хрупкому разрушению материала, а касательные ответственны за пластичность. Поэтому, чем больше коэффициент «α» тем более хрупко разрушается материал при испытаниях.

При выборе способа испытания материалов учитывается коэффициент «жесткости». Мягкие и пластичные материалы (большинство цветных металлов и сплавов, малоуглеродистые стали для общего машиностроения, применяемые в сыром, незакаленном состоянии) испытываются на статическое растяжение и, по необходимости, динамический изгиб (ударную вязкость).

Стали среднеуглеродистые, применяемые в термически обработанном (закалка + отпуск на среднюю твердость) состоянии, часто работают на знакопеременные нагрузки. Поэтому, кроме прочностных испытаний на растяжение и динамических - на ударную вязкость, эти стали часто испытываются на повторнопеременное нагружение - усталость.

Для высокоуглеродистых инструментальных сталей, закаливаемых на высокую твердость, испытания на статическое растяжение являются «жесткими». Результаты испытаний имеют большой разброс, что создает определенные методические затруднения. Поэтому эти стали подвергают более «мягкому» способу нагружения: на статический изгиб и статическое сжатие. Проводятся и динамические испытания - на ударную вязкость.

Определение твердости является самым «мягким» видом испытания, пригодным для любых материалов. Методическая простота испытаний на твердость и доступность оборудования сделали этот вид испытаний универсальным. Наряду с вышеперечисленными методами испытаний твердость определяется для всех материалов в любом состоянии: упрочненном и неупочненном.

А такие сверхтвердые и хрупкие материалы, как твердые сплавы, подвергаются только испытаниям на твердость, все остальные виды испытаний являются для них «жесткими».

Стали и сплавы специального назначения подвергаются соответствующим видам испытаний. Например, жаропрочные стали подвергаются длительным ( до 10 и даже 30 тысяч часов ) статическим напряжениям при повышенных температурах (до 1100 - 1200°С). Износостойкие материалы подвергаются истиранию с определением потери веса при истирании. Материалы для атомной энергетики подвергаются радиационному облучению различными элементарными частицами с определением способности поглощать эти частицы и изменять или сохранять необходимые свойства.

3.2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

К основным механическим свойствам конструкционных материалов и сплавов, определяющим работоспособность и область их применения, относят: твердость, прочность, упругость, пластичность, вязкость, выносливость. Приведем краткие определения этих понятий.

Твердость– сопротивление материала проникновению в него другого более твердого тела.

Прочность– сопротивление материала разрушению при воздействии внешних напряжений.

Упругость- способность материала восстанавливать свои размеры и форму при снятии внешних напряжений. Не всегда упругость считают отдельной самостоятельной характеристикой материала. Часто упругость считают элементом прочностной характеристики материала.

Пластичность- способность материала приобретать остаточную (пластическую) деформацию при нагружении, менять размер и форму не разрушаясь.

Вязкость- это сопротивление материала динамическому, ударному воздействию нагрузки. Динамические испытания на ударный изгиб позволяют выявить склонность стали к хрупкому разрушению.

Выносливостьили сопротивление усталости - это способность металла сопротивляться процессу постепенного возникновения и развития трещин под влиянием многократных повторных силовых воздействий, величина которых намного меньше предельной прочностной нагрузки, за счет чего при таком разрушении не возникает видимой пластической деформации.

Все вышеназванные свойства имеют и количественные параметры. Эти параметры могут быть получены с использованием различных схем нагружения. Например, прочность можно оценить при растяжении, сжатии, изгибе, кручении. Естественно, что количественные параметры, полученные с использованием различных схем нагружения, будут существенно отличаться. Предел прочности для серых чугунов, определенный при растяжении, в два раза меньше предела прочности, полученного при изгибе, и в четыре раза меньше, определенного при сжатии. Имеет значение и скорость приложения нагрузки. С увеличением скорости предел прочности растет, для малоуглеродистой стали предел прочности при ударном нагружении на 30% выше, чем при статическом. Чтобы оценить пригодность какого-либо материала, выполнить приемо-сдаточные испытания, а особенно при арбитражных спорах, нужно провести количественную оценку его свойств в условиях, идентичных для подобного класса материалов. Соответствующие виды и способы испытаний оговорены в ГОСТах на каждый класс материалов. Уровень свойств стандартных широко используемых в практике материалов приводится в ГОСТах, справочной литературе или учебниках материаловедения.

3.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Самым распространенным материалом в народном хозяйстве является конструкционная сталь. Поставляемая металлургами в виде проката (прутки, балки, трубы, листы и т.д.) и поковок, сталь используется для строительства мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, строительных конструкций, для изготовления различных машин, станков, изделий широкого потребления и т.д. Как уже упоминалось, основными методами оценки свойств конструкционных сталей являются испытания на статическое растяжение, твердость, динамический изгиб и реже знакопеременные усталостные нагружения.

3.3.1. ИСПЫТАНИЯ НА СТАТИЧЕСКОЕ РАСТЯЖЕНИЕ

Испытания на растяжение при комнатной температуре проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84 на разрывных машинах. В зависимости от принципа действия нагружающего механизма испытательные машины подразделяют на механические и гидравлические. Основной характеристикой разрывной машины является развиваемое ею максимальное усилие. Более мощные машины (Р > 20 т) выполняются, как правило, гидравлическими. На рис. 4.1. показан принцип работы гидравлической машины. Видно, что машина работает по принципу гидравлического пресса, по давлению в цилиндре определяют растягивающую силу, а смещение поршня, измеренное точным прибором, дает возможность определить изменение размера образца. Образцы изготавливают цилиндрическими или призматическими с головками на концах. Диаметр круглого образца может быть от 3 до 20мм, минимальная толщина плоских – 0,5мм.

Зависимость между усилием и изменением длины образца записывается автоматически с помощью диаграммного аппарата испытательной машины в виде кривой «растягивающая сила Р – абсолютное удлинение образца D ℓ» . Это так называемая «первичная машинная диаграмма», которая является результатом влияния двух переменных: механических свойств материала и величины испытуемого образца. Чтобы исключить влияние размеров образцов, от «первичной машинной» диаграммы переходят к «условной» или «удельной» в координатах «напряжение s - относительная деформация или удлинение e». Координаты точек на этой диаграмме определяют по формулам:

; ,

где F₀ и ℓ₀ исходное первоначальное сечение и первоначальная расчетная длина образца.

Рис 3.1 Схема гидравлической разрывной машины

Рис 3.2. Диаграмма растяжения стального образца.

Рис 3.3. Диаграммы растяжения различных материалов

Диаграмма растяжения (рис.4.2.) состоит из трех участков: упругой деформации (прямолинейный участок до точки У) , равномерной пластической деформации (участок УВ) и сосредоточенной деформации шейки образца (участок ВС).

Прямолинейный участок упругой деформации характеризует жесткость материала. Чем меньшую упругую деформацию претерпевает материал под действием нагрузки, тем выше его жесткость, которая характеризуется модулем упругости:

,

Модуль упругости структурно нечувствительная характеристика, определяется силами межатомного взаимодействия в кристаллической решетке и является константой материала.

По условной диаграмме растяжения «s - e» определяются следующие прочностные характеристики:

1. Предел пропорциональности s_п - величина напряжения, соответствующая началу отклонения кривой от линейного хода (от закона Гука: s=Еe).

2. Предел упругости s_у – напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций определенной заданной величины (0,01%; 0,03%;0,05%), причем допуск на остаточную деформацию указывается в индексе (s_0,05).

3. Предел текучести s_т (физический) – напряжение, соответствующее наименьшему напряжению площадки текучести, когда образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки. Если площадка текучести отсутствует на диаграмме, то определяется предел текучести условный, соответствующий остаточной деформации, составляющей 0,2% первоначальной длины образца - s_0,2.

4. Предел прочности или временное сопротивление разрыву s_В – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.

Величина пластической деформации к моменту разрушения характеризует пластичность материала. Для оценки пластичности стали используются две характеристики – относительное удлинение после разрыва d и относительное сужение после разрыва Y.

Относительное удлинение после разрыва представляет собой отношение приращение расчетной длины образца к его первоначальной длине, выраженное в процентах:

%

где ℓ₀ и ℓ_к - первоначальная и конечная (после разрушения) длина образца.

На практике для определения ℓ_к разрушенные части образца прикладывают друг к другу и измеряют расстояние между рисками или кернами, наносимыми на образец перед испытаниями и задающими расчетную длину. Не имея образца, относительное удлинение можно примерно оценить по диаграмме. Для этого из конечной точки кривой, соответствующей моменту разрушения образца, провести прямую, параллельную прямолинейному участку диаграммы. Отрезок абсциссы, отсеченной этой прямой, будет соответствовать конечному относительному остаточному удлинению образца e_к . Этот результат нужно выразить в процентах:

%

Относительное сужение после разрыва Y представляет собой отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади сечения образца:

%

Величина Y определяется для цилиндрических образцов; для образцов плоских (при испытании полосовой или тонколистовой стали) это оценка приблизительная. По диаграмме растяжения Y определить невозможно.

Условно принято считать металл надежным в эксплуатации при d³15% и Y ³45%.

Сталь перед испытаниями может быть подвергнута различным видам обработки (холодная вытяжка, горячая прокатка, нормализация, отжиг и т.д.), поэтому одна и та же марка будет иметь различные прочностные и пластические свойства, поскольку они являются структурно-чувствительными.

В процессе нагружения образца при достижении предела текучести начинается смещение атомов со своих первоначальных равновесных положений. Но это частичное смещение атомов относительно своих мест не приводит к разрушению материала. Наоборот, происходит его упрочнение, наклеп. Кривая деформации поднимается вверх, но уже более медленно, чем на первом участке, до величины s_в и далее падает с появлением шейки – местного утонения образца. Начало появления шейки считается началом разрушения образца (хрупкие материалы разрушаются без шейки).

Способность материала дополнительно упрочняться за счет пластической деформации оценивается модулем пластичности D. Чем меньше модуль пластичности, тем более хрупко разрушается материал, а хрупкие разрушения опасны своей внезапностью и непредсказуемостью. Определить величину модуля пластичности можно, упростив диаграмму растяжения (рис.4.4.). Соедините предел текучести и предел прочности на кривой растяжения. Тангенс угла наклона прямой АВ равен модулю пластичности:

По кривой растяжения можно определить еще одну характеристику, называемую вязкостью материала. Но эта вязкость будет статической в отличие от ударной вязкости, определяемой при ударном изгибе. Статическая вязкость при растяжении равняется удельной работе разрушения и характеризуется площадью под упрощенной кривой диаграммы «s-e»:

3.3.2 ИСПЫТАНИЯ НА ТВЕРДОСТЬ

Из всех видов механических испытаний твердость материала как сопротивление вдавливанию определяется чаще всего и практически для любых материалов. Это объясняется тем, что испытание на твердость не приводит к разрушению изделий, не ограничивает величину детали или изделия, отличается простотой, скоростью, а также портативностью применяемых приборов. При определении твердости существуют разные методы воздействия твердого тела на поверхность испытуемого материала: метод вдавливания, метод царапанья, упругой отдачи. Поскольку более распространен метод вдавливания, приведем важнейшие способы определения твердости этим способом.

3.3.2.1 ТВЕРДОСТЬ ПО БРИНЕЛЮ

Испытание на твердость по Бринелю проводится путем вдавливания стального закаленного шарика диаметром 10мм, 5мм или 2,5мм под действием нагрузки, величина которой определяется толщиной образца и уровнем измеряемой твердости (табл.4.1.). После снятия нагрузки на поверхности остается отпечаток, который измеряют с использованием особой лупы с делениями. Твердость определяется по формуле:

, , (4.8)

где Р – усилие, действующее на шарик, кг;

S- площадь поверхности отпечатка,мм;

D- диаметр шарика, мм.;

d – диаметра отпечатка, мм;

НВ – твердость по Бринелю.

Чтобы ускорить и упростить испытание для различных значений диаметра отпечатка и и нагрузки Р в специальных таблицах подсчитаны величины НВ.

Образец для испытания на твердость должен быть плоскопараллельным, очищенным от окалины и других загрязнений. С целью повышения точности измерений количество отпечатков должно быть не менее 2, каждый отпечаток промеряется в двух перпендикулярных направлениях, и результат определяется как среднеарифметический. При этом расстояние от края образца до центра отпечатка должно быть не менее 2,5d, а расстояние между отпечатками > 4d. Диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2D < d < 0,6D.

Число твердости при стандартных условиях (шарик 10 мм, нагрузка 3000 кг, выдержка под нагрузкой 10с) пишут так: НВ400 (твердость 400 единиц по Бринелю). Если условия испытания другие, то обозначение твердости дополняется этими условиями. Например, НВ5/250/30-200 означает: число твердости 200 при испытании шариком 5 мм под нагрузкой 250 кг в течение 30 с.

Твердость испытываемых методом Бринеля материалов не должна превышать НВ450 во избежание деформирования стального шарика и искажения результатов испытания. Такими материалами являются цветные металлы и сплавы, а также сырые незакаленные стали и чугуны.

3.3.2.2 ТВЕРДОСТЬ ПО РОКВЕЛЛУ

Если использование метода Бринеля ограничено средней твердостью (до 450 НВ ), то метод Роквелла позволяет измерить твердость до 1000 НВ, что намного расширяет круг испытуемых материалов и делает этот метод более универсальным. Мягкие материалы испытываются стальным шариком D = 1,58 мм, твердые - алмазным конусом с углом 120 °. Для этого предусмотрены разные нагрузки: шарик нагружается средней нагрузкой - 100 кг, а конус - двумя нагрузками 150 и 60 кг. Большая нагрузка предусмотрена для измерения твердых и относительно прочных материалов, таких как закаленные стали. Твердые и хрупкие материалы, например, твердые сплавы, испытываются при малой нагрузке. В соответствии с этими нагрузками прибор имеет три шкалы измерения: А,B,C. В отличие от метода Бринеля твердость по Роквеллу измеряется не в кг/мм², а в условных единицах, соответствующих разности между глубиной отпечатка от предварительной нагрузки - 10 кг и окончательной нагрузки. За единицу измерения принята величина, отвечающая осевому перемещению шарика или конуса на глубину 0,002 мм.

Рис.3.4. Упрощенное изображение диаграммы растяжения, поясняющие формулы

Это перемещение измеряется автоматически на приборе, и стрелка индикатора сразу показывает отсчет твердости по соответствующей шкале. Запись чисел твердости производится с обозначением шкалы, например, НRС60, НRВ90, НRА70. Твердость по Роквеллу безразмерная величина. При необходимости твердость по Роквеллу может быть переведена на твердость по Бринелю с использованием соответствующих переводных таблиц.

Метод Роквелла вследствие относительной простоты и высокой скорости, широкого диапазона материалов по твердости, высокой точности и небольшого отпечатка на испытуемом материале получил широкое применение. Рекомендуемые условия испытания приведены в таблице 4.2. Расстояние между центрами отпечатков либо до края образца не должно быть меньше 3мм.

3.3.2.3 ТВЕРДОСТЬ ПО ВИККЕРСУ И МИКРОТВЕРДОСТЬ

Испытания по Виккерсу и определение микротвердости идентичны. Нагружение проводится алмазной четырехгранной пирамидой с углом при вершине 136°. По нагрузке, приходящейся на единицу площади отпечатка, определяется число твердости:

НV=1,8544 Р/d², кг/мм² (4.9)

где Р - нагрузка на пирамиду, кг,

d - диагональ отпечатка , мм.

Разница между этими методиками состоит в величинах используемых нагрузок. В методе Виккерса используются нагрузки 5 - 100 кг, а при микроиспытаниях 5 - 500 г. Определение твердости по Виккерсу проводится на твердомере Виккерса, микроиспытания на приборе ПМТ-3.

Толщина испытуемых образцов должна быть не менее 1,5 диагоналей. Чтобы отпечаток имел правильную форму, образец должен быть обязательно плоскопараллельным, его поверхность должна быть шлифованной и полированной, так как отпечаток измеряется с использованием микроскопа ввиду его малых размеров.

Оба метода не имеют ограничений по измеряемой твердости. Метод Виккерса применяется для измерения твердости и толщины упрочненных поверхностных слоев методами цементации, азотирования и цианирования конструкционных сталей. Более тонкие слои, полученные азотированием и цианированием инструментальных сталей, борированием, хромированием инструмента и т.д. испытываются на микротвердомере. Метод микротвердости используется для измерения твердости отдельных структурно-фазовых составляющих. Твердость при микроиспытаниях на приборе ПМТ-3 обозначается Н_{μ .}

Следует отметить, что до твердости НВ400 числа твердости по Бринелю и Виккерсу совпадают, при более высокой твердости величина НV превышает НВ, и чем выше твердость, тем больше расхождение.

3.3.3 СВЯЗЬ МЕЖДУ ТВЕРДОСТЬЮ И ПРОЧНОСТЬЮ МАТЕРИАЛОВ

Статистическая обработка экспериментальных результатов позволила определить зависимость между твердостью по Бринелю и пределом прочности для сырых незакаленных сталей и других металлов и сплавов. Эта зависимость описывается простым уравнением: