Типы связей в твердых телах (ионная, ковалентная, металлическая связь)

Типы связей в твердых телах (ионная, ковалентная, металлическая связь)

Ионная связь

Ионная связь характерна для соединений, у которых один элемент является металлом, а другой близок к последней группе Периодической системы элементов, например для щелочно-галоидных соединений (NaCl, KBr, LiF) ионная связь представляет собой кулоновское взаимодействие разноименно заряженных ионов. Однако электростатические силы не в состоянии удержать систему в равновесии, поэтому ионная связь никогда не бывает "чистой". При сближении ионов возникают силы отталкивания неэлектростатической природы. Это квантовомеханические силы, обусловленные принципом Паули. Согласно этому фундаментальному принципу квантовой механики, два электрона с одинаково направленными спинами (спин - внутренняя квантовая степень свободы, собственный момент вращения частицы) не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, то есть на одном и том же энергетическом уровне. Поэтому электронные оболочки атомов не могут проникать друг в друга, они отталкиваются. Общий характер зависимости энергии связи от межатомного расстояния для ионного типа связи показан на рис. 1. Такой вид энергии означает, что на больших расстояниях между атомами действуют силы притяжения, медленно стремящиеся к нулю при (кулоновское притяжение разноименных ионов), а на достаточно близких расстояниях превалируют силы отталкивания, быстро стремящиеся к бесконечности при (квантовомеханические силы, определяемые принципом Паули). r0 определяет положение устойчивого равновесия и является постоянной решетки.

Ковалентная связь

Классический пример ковалентной связи - молекула водорода H2 (два электрона и два протона), главную роль в образовании которой играют обменные силы. Это силы квантовомеханической природы. Возникают они из-за того же самого кулоновского взаимодействия электронов и принципа Паули, учитывающего корреляцию в движении электронов, обусловленную наличием спина. Уравнение Шрёдингера для молекулы водорода имеет два решения: симметричное относительно перестановки координат электронов (замена местами), соответствующее состоянию с антипараллельными спинами электронов и антисимметричное, когда спины параллельны. Энергия взаимодействия, соответствующая каждому из этих решений, показана на рис. 2, а. Устойчивое состояние молекулы получается только для симметричного решения (связующее состояние). На рис. 2, б показано распределение плотности электронов в молекуле водорода. Плотность электронов в центре линии, соединяющей оба ядра в случае симметричного решения, наибольшая, а в случае антисимметричного обращается в нуль. Симметричное (связующее) состояние энергетически более выгодно, так как электроны одновременно взаимодействуют с обоими ядрами и за счет этого понижается энергия системы.

Для состояния, когда спины антипараллельны, происходит взаимная компенсация спинов внешних валентных электронов. Таким образом, при образовании молекулы электроны во внешних оболочках атомов перестраиваются так, что валентности атомов насыщаются, так как насыщение валентностей состоит во внешней компенсации спинов валентных электронов, поэтому химическую валентность следует определять числом электронов внешней оболочки с нескомпенсированным спином. По этой причине благородные газы не могут образовывать ковалентных кристаллов - обмена электронов с другими атомами нет, так как электронные оболочки заполнены полностью. Классическим примером ковалентных кристаллов являются полупроводники алмаз, кремний, германий. У углерода есть два электрона в s-состоянии, два в р-состоянии. При сближении атомов электронные оболочки перестраиваются так, что все четыре электрона становятся неспаренными. Распределение электронной плотности оказывается сильно неоднородным, направленным и обладает тетраэдрической симметрией, характерной для структуры данных кристаллов. В полупроводниковых соединениях элементов III и V групп, а также II и VI групп Периодической системы, таких, как GaAs, ZnS, межатомная связь представляет уже смесь ковалентной и ионной составляющих.

Металлическая связь

В металлах много свободных электронов. Электроны могут перемещаться с одного атома на другой. Связь между атомами кристалла становится коллективизированной. Поэтому в простейшем случае металлическую связь можно рассматривать или как предел ковалентной связи, или как предел ионной (например, металлический натрий можно представить как Na++ ). При всей искусственности такого подхода в этом есть что-то полезное. Рис. 3 демонстрирует распределение плотности электронного заряда в кристаллах с различным типом связи и переход от ковалентной связи к металлической.

С самого начала своего развития теория металлов основывалась на простейшей модели, в которой электроны проводимости рассматривались как идеальный газ свободных частиц. Первые работы, в которых электронный газ в металле описывался с помощью классической статистики, не смогли объяснить все свойства металлов. Однако положенная в их основу модель была настолько удачной, что дополнение ее принципом Паули привело к удивительно хорошему объяснению экспериментально наблюдаемых свойств, таких, как электропроводность, теплопроводность металлов и др. Успех модели свободных электронов был парадоксальным, поскольку в металле электроны движутся в поле сильного ионного кристаллического (периодического) потенциала. Учет периодичности действующего на электроны в кристалле ионного потенциала позволил показать, что их энергетический спектр имеет зонную структуру, а энергия электронов является функцией импульса (точнее, квазиимпульса - этим подчеркивается, что электрон движется в кристалле). Рассмотрим подробнее эти представления.

Анизотропия металлов

Анизотропия — неоднородность физических, механических и других свойств кристаллов в различных направлениях.

При обработке давлением, особенно при штамповке изделий из меди и других металлов и сплавов, анизотропия вызывает так называемый брак по неровности поверхности.

В поликристаллических телах с бессистемной ориентировкой кристаллитов явление анизотропии не должно иметь места. На практике, это явление наблюдается на отожженном материале и обусловливается главным образом технологическими факторами. В меди анизотропия свойств резко выражена в том случае, если холодная прокатка в последнем пропуске связана с сильной деформацией, а отжиг- перед последним пропуском производится при пониженных температурах. Последний отжиг наготово-(при любых температурах) не устраняет анизотропии, так как в этом случае вместо текстуры деформации появляется текстура рекристаллизации. Анизотропию свойств поликристаллической меди можно ослабить до минимума, применяя рациональную технологию. Однако такая оптимальная технология не может быть одинаковой для всех сортов меди, так как на анизотропию свойств прокатанной меди значительное влияние оказывают также примеси, присутствующие в металле.

Строение слитка

Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения и количества примесей. В направлении отвода теплоты кристалл растет быстрее, чем в других направлениях, в результате образуется древовидный кристалл — дендрит (рис. 2.15). Схематическое изображение дендрита впервые было сделано Д.К.Черновым.

Дендритное строение кристаллов является типичным для литого металла. Кристаллизация жидкого металла начинается у стенок изложницы. При этом весьма интенсивное охлаждение приводит к образованию огромного числа центров кристаллизации. Из-за большой скорости охлаждения образовавшиеся кристаллы не успевают вырасти, поэтому первая зона слитка имеет мелкозернистое строение (рис. 2.16). После образования первой зоны условия кристаллизации изменяются. Снижение температур охлаждаемого металла и повышение температуры стенок изложницы приводят к уменьшению скорости охлаждения. Для этой стадии кристаллизации характерен направленный отвод теплоты перпендикулярно стенкам изложницы. Кристаллы, образующиеся в этот момент, растут перпендикулярно стенкам изложницы внутрь жидкого металла. Это приводит к образованию второй зоны слитка — зоны столбчатых кристаллов.

В процессе дальнейшей кристаллизации направленность отвода теплоты теряется, скорость охлаждения значительно уменьшается, поэтому в центральной части слитка образуются крупные равноосные кристаллы. По мере кристаллизации металла примеси оттесняются в жидкую часть. Это предопределяет неравномерное распределение элементов как в микрообъеме, так и в различных зонах слитка. Неравномерное распределение химических элементов в объеме металла называется ликвацией.

Жидкий металл имеет больший удельный объем, чем твердый, поэтому в верхней части слитка, которая застывает в последнюю очередь, образуется полость — усадочная раковина, обычно окруженная наиболее загрязненной частью металла. Верхнюю часть слитка отрезают и переплавляют, а остальной металл подвергают обработке давлением.

Механические свойства

Если специально приготовленный образец подвергнуть растяжению на машине и записать на диаграммной ленте все изменения, которые будут происходить с ним, то получим кривую, которая называется кривой растяжения.

В первоначальный момент образец растягивается без деформации, т.е. в упругой области. Это имеет место при напряжении s_пц. При растяжении большем s_пц. Пропорциональность степени напряжения и деформации нарушается.

s_пц – получила название предел пропорциональности, который равен:

s_пц=Р_пц/F_о, Мпа

При деформации металла, в процессе повышения нагрузки, на кривой растяжения может появиться площадка, нагрузка при которой металл деформируется без приложенных дополнительных усилий, называется пределом текучести (физический):

s_т=Р_т./F_о, МПа

Деформированием сплавов, у которых отсутствует площадка текучести вводят характеристику, называемую условным пределом текучести.

s₀₂ – это усилие, которое вызывает остаточную деформацию 0,2%;

s_в – предел прочности на растяжение – это максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца.

Помимо характеристик прочности из кривой растяжения можно выделить характеристики пластичности:

d - относительное удлинение;

y - относительное сужение.

К характеристикам прочности материалов относятся также и твердость. Под твердостью понимается сопротивление материалов проникновению в него посторонних тел (индентора).

Из наиболее распространенных методов измерения твердости металлических материалов можно выделить метод измерения твердости по Бренеллю, по Роксвеллу и по Виккерсу. В случае если необходимо измерить твердость отдельных структурных составляющих, применяют метод измерения микро-твердости.

Твердость по Бренеллю измеряют на прессе Бренелля. В качестве индентора применяют шарик 5-10 мм. К индентору прилагается нагрузка. После снятия нагрузки в месте вдавливания появляется лунка. С помощью лунки измеряют диаметр лунки и затем по соответствующим таблицам переходят от диаметра к числу твердости. Твердость по Бренеллю обозначается НВ. Этот метод измерения твердости используется для измерения твердости сравнительно мягких металлов.

Измерение твердости по Роксвеллу проводят на приборе – твердометрРоксвелла. В качестве индентора используют шарик или алмазную пирамиду. Нагрузка на индентор 60,100 и 150 кг. В случае приложения 60 и 150 кг индентором служит алмазная пирамида, при 100 кг – шарик. Обозначение твердости по Роксвеллу если индентор 60 кг – HRA, 100 кг – HRB, 150 – HRC_э.

Твердость по Виккерсу определяется на приборе Виккерса. В качестве индентора используют алмазную пирамидку. Нагрузка на индентор измеряется в граммах. Твердость определяется на специально приготовленных образцах микрошлиф.

После вдавливания и снятия нагрузки с индентора в микрошлифе остается лунка. С помощью линейку, встроенной в окуляр прибора и затем с помощью специальных таблиц переходят от диагонали отпечатки к числу твердости по ВиккерсуHV.

Если необходимо измерить твердость отдельных структурных составляющих, используют метод измерения микро-твердости на ПМТ-приборах.

В качестве индентора также используют алмазную пирамидку. Нагрузка на индентор измеряется в граммах. Твердость определяют на микрошлифах. При увеличении в 400 раз на микрошлифах находят ту структурную составляющую, твердость которой необходимо определить. Под действием нагрузки индентор вдавливается в эту структурную составляющую и оставляет в ней отпечаток. После снятия нагрузки проводят измерение диагонали отпечатка и затем по таблицам переходят к числу твердости.

Ударная вязкость является динамической характеристикой. Образец помещается в крепление и с определенной высоты на него падает маятник, работа тратиться на разрушение образца; ударная вязкость обозначается КСU или КС. Обозначение зависит от формы образца, если образец с подрезом (U-образным), то принимается первое обозначение, если без надреза – второе. С надрезом изготавливаются образцы сравнительно вязких материалов, без надреза – хрупких материалов.

Наклёп

Наклёп – это совокупность структурных изменений и связанных с ними свойств при холодной пластичной деформации.

В результате деформации зёрна выстраиваются (вытягиваются в направлении действующей нагрузки. Развивается анизотропия в металле. Под анизотропией понимают различие свойств по различным направлениям в металле. Выше свойства в направлении пластической деформации (действующей нагрузки).

При холодной пластической деформации прочностные характеристики (твёрдость, предел прочности и растяжений) увеличиваются в 2-3 раза, тогда как характеристики пластичности (относит.удлинение, относит. сужение) снижаются 30-40 раз.

Упрочнение металлов при холодной пластической деформации обусловленаувелич. дефектов кристаллич. решётки (вакансий, дислакаций), увеличением числа дислокаций одного знака, а также увеличением угла разориентации м/у блоками.

Изменение стр-ры при дорекристаллизационном отжиге.

Пластическаядеф-ция приводит к переводу металлов в неравновесное состояние, т.е. с повышенным запасом свободной энергии. Как и любая другая сис-ма металл стремиться к уменьшению свободной энергии. Это уменьшение протекает тем интенсивнее, чем выше тем-ра. В зав-ти от тем-ры отжига различают процессы возврата и процессы рекристаллизации.

Возврат.

Возврат явл-ся самой низкой температурной обработкой позволяющей воздействовать на структурные состояния деформированного металла. Различают две стадии возврата: низкотемпературную (отдых) и высокотемпературную. (полигонизация).

В процессе отдыха происходит перераспределение точечных дефектов. Перемещаются по кристаллу и дислокации, однако эти перемещения носят локальныйхар-р. Дислокации различного знака встречаясь друг с другом взаимно аннигилируют, т.е. взаимоуничтожаются. Рез-ом этого являются некоторые снижения плотности дислокации. В процессе полигонизации происходит перемещение дислокации по кристаллу. Дислокации перемещ-сяхаотич. по объёму кристалла. Под воздействием тем-ры дислокации перемещаясь концентрир-ся в определённых участках стр-ры с образованием стенок и т.наз. полигонов.

После полигонизации происходит некоторый возврат св-в к св-вам металла до деф-ции.

Рекристаллизация.

После достижения опред. тем-р происходит изменение уже на микроскопическом уровне. Под микроскопом на фоне вытянутых зёрен можно наблюдать мелкие зёрна равноосной формы. По мере увеличения длительности отжига или повышении тем-ры происходит рост мелких зёрен за счёт вытянутых деформируемых зёрен. Образование и рост новых зёрен за счёт деформированных зёрен той же фазы наз-ся первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки.

При дальнейшем увелич. тем-ры и длительности отжига происходит «поедание» одними зёрнами других зёрен. Следствием явл-сяразнозёренностьстр-р. В пределе можно достичь того, что стр-ра металла будет состоять только зи очень крупных зёрен. Это так наз. собирательная рекристаллизация. Тем-ра начала рекристаллиз. не явл-ся постоянной физ. величиной как, например, тем-ра плавления металла. Тем-ра начала рекристаллиз. будет зависеть от степени предварительной деф-ции металла, длительности процесса и ряда др. факторов.

Тем-рарекристаллиз. для чистых металлов м.б. рассчитана исходя из соотношения предложенного Бочваром А.А.: T_p=aT_пл , а=0,2…0,6.

Отжиг, обеспечивающий получение рекристаллиз. стр-ры после холодной пластической деформации наз-сярекристаллизационным отжигом. Рекрист. отжиг проводиться как межоперационная обработка после операций холодной пластической деформации.

От размера зерна вообще и после рекристаллиз отжига в частности зависят св-ва металла. Чем мельче зерно, тем выше механическиесв-ва. Чем крупнее зерно, тем ниже мех-киесв-ва, но выше магн. или электр. св-ва. Поэтому, например, трансформаторную сталь после холодной деф-ции подвергают рекрист. отжигу с тем, чтобы как можно больший размер зерна можно было получить.

11. Химические соединения, твердые растворы, механические смеси.

Сплавом - называют результат сплавления двух или более компонентов.

Компоненты - это химически индивидуальные вещества образовывающие сплав.

Фаза – однородная часть системы отграниченная поверхностью раздела, при переходе через которую состав и свойства меняются скачкообразно.

В зависимости от характера компонентов, в сплаве могут образоваться хим. соединения, твердые растворы, механические смеси.

Хим. соединения.

Хим. соединения образуются при строго определенном количественном соотношении атомов. Для хим. соединения характерным является то, что кристаллическая решетка его отличается от кристаллической решетки сплавляемых компонентов. Если хим. соединение образуют металлы, то его называют интерметаллидом.

Твердые растворы.

Они образуются в том случае, когда в кристаллической решетке одного компонента атомы замещаются на атомы другого компонента. Это твердые растворы замещения. Бывают твердые растворы внедрения, твердые растворы вычитания.

Твердые растворы замещения подразделяют на растворы неорганической и органической растворимости.

1) Основной металл, атомы в котором замещаются, называется растворителем.

2) Растворенный компонент.

Для того, чтобы получить твердый раствор неорганической растворимости замещаются атомы растворенного компонента. Необходимо выполнение трех условий:

а) Кристаллические решетки обоих компонентов являются изоморфными (однотипными)

б) Разница в атомных радиусах не должна превышать 14 или 15 %

в) Сплавляемие компоненты должны находиться в одной части периодической таблицы.

Невыполнение хотя бы одного из условий приводит к образованию твердых растворов ограниченной растворимости. К растворам, в которых атомы кристаллической решетки растворителя частично замещаются атомами растворимого компонента.

Твердые растворы внедрения.

Твердые растворы внедрения образуются, когда атомы одного компонента внедряются в пустоты или дефекты другого компонента. Такое возможно лишь в случае большого различия в атомных радиусах компонента. Твердые растворы внедрения образуют металлы с углеродом, азотом и твердые растворызамещения.

Твердые растворывычитания.

Они образуются на базе хим. соединений при недостатке атомом одного из компонентов. Отдельные узлы кристаллической решетки растворителя остаются вакантными.

Механические смеси.

Некоторые компоненты при сплавлении не взаимодействуют с образованием хим. соединений или твердых растворов. Они образуют механические смеси. Механические смеси отличаются от хим. соединений и твердых растворов тем, что в них сохраняются типы решеток характерных для сплавляемых компонентов.

12. Построение диаграмм состояния двойных систем

Диаграммы состояния двойных сплавов.

Диаграмма состояния представляет собой графическое отображение состояния сплава в зависимости от температуры, давления и концентрации. Диаграмма есть наглядное отображение устойчивых фаз при комнатнойтемпературе. Мера устойчивости фаз определяется законом Гиббса или правилом фаз. Правило фаз устанавливает связь между числом степеней свободы, числом фаз и компонентов. Под числомстепенейсвободы понимают число внешних и внутренних факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Правило фаз выполняется : с = к - ф + 2, где к – число компонентов, с – число степеней свободы, ф –число фаз, 2 – внешние факторы, т.е. изменяющаяся температура и давление, для сплавов принята несколько иная форма зависимости с = к -ф + 1 при условии постоянства давления.

С учетом правила фаз, как объясняющего процесс кристаллизации, кристаллизацию металлов, которая протекает при постоянной температуре можно объяснить следующим образом:

С₁₂ =1-1+1=1 С₂=1-2+1=0 С_2`-3=1-1+1=1

Для двухкомпонентных систем, которые мы будем рассматривать в случае с=0 процесс будет происходить при постоянной температуре, при с=1 или с=2 с изменением температуры по времени.

Диаграмма состояния для двух компонентной системы образует механическую смесь. Диаграмма состояния строятся в координатах температур (ось ординат) и концетрация компонентов (ось абсцисс).

13. Диаграмма состояния для двухкомпонентной системы, образующая механическую смесь.

Диаграммы состояния строятся в координатах t-оси ординат и концентрация компонентов – ось абсцисс. Линия АДВ – линия ликвидус.а представляет собой геометрическое место точек соответствующих температурам, при которых из жидкости начинают выпадать кристаллы, следовательно выше линии ликвидус сплав находится в жидком состоянии. Линия СДЕ называется солидус. Она представляет собой геометрическое место точек, соответствующих температурам, при которых жидкая фаза исчезает, следовательно ниже линии солидус сплав находится в твердом состоянии. Между линиями ликвидус и солидус сплав находится в жидко- твердом состоянии, и чем ниже температура относительно линии ликвидус, тем больше кристаллов и меньше жидкой фазы в сплаве. В точке Д из жидкости одновременно начинают выпадать кристаллы компонентов (фаз). Для диаграмм этого типа компонент и фаза являются синонимами. Для диаграмм другого типа необходимо говорить только о фазах, поскольку компонент и фаза не являются синонимами. Механическая смесь, состоящая из двух или более фаз, одновременно кристаллизующаяся в жидкости называется эвтептикой. Ниже точки Д на диаграмме структура представляет собой чисто эвтептической.

14.Правило отрезков.

Посредством правила отрезков можно определить состав фаз в любой двухфазной области и количественное их соотношение. Правило отрезков состоит из двух частей. Первая часть: для того чтобы определить состав фаз через заданную точку в двухфазной области (точка соответствует конкретной температуре) проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими эту область. Проекция точек пересечения на ось концентрации даст нам состав фаз. Вторая часть: для того чтобы определить количество фаз через заданную точку проводят горизонтальную линию до пересечения с линией, ограничивающей эту область. Отрезки между заданной точкой и точками с соответствующим составом фаз обратно пропорциональны их количеству.

Правило фаз действует только в двухфазной области.

Углеродистые стали.

Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода до 2,14% называют сталями. Помимо углерода в углеродистые стали при выплавке попадают посторонние примеси: обусловленные тезнологическими процессами (Mn, Si), невозможностью их удаления при плавке (P, S), случайными обстоятельствами (Ni, Cu). Если перечисленные элементы входят в больших количествах, чем предусмотренные ГОСТом на углеродистые стали, эти стали считают легирующими.

Влияние постоянных примесей на структуру с свойства стали.

К постоянным относятся Mn, Si, S, P и газы O, N, H. Верхний предел присутсвияS, P ограничивается 0,05%, Mn, Si – 0,08%.

Марганецвводят в сталь для раскисления, т.е. для устранения вредного влияния закиси железа FeO+Mn®MnO+Fe. При введении марганца происходит восстановление железа из закиси, тем самым несколько увеличиваются характеристики пластичности стали.

Кремнийвводится для раскисления 2FeO+Si®2Fe+SiO₂.

Фосфор – вредная примесь, попадает в сталь вместе с рудой. Присутствие фосфора повышает порог хладноломкости стали, т.е. повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Его удаляют в процессе выплавки стали путем изменения состава шлаков и флюсов.

Сера – как и фосфор, попадает с рудой. Взаимодействуя с железом образует сульфид (FeS), входящий в состав эвтектики плавящейся при Т=988^оС. наличие легкоплавкой эвтектики приводит к охрупчиванию стали при температурах красного коления (»800^оС). Это явление называют красноломкость. Введение в сталь марганца устраняет красноломкость в виду того, что марганец обладает большим сродством к сере, чем железо: FeS+Mn®MnS+Fe. В результате образуется сульфид марганца, который входит состав эвтектики, плавящейся при Т=1620^оС.

Газы. Основные газы, которые попадают в сталь – O, N, H. O и N образуют оксиды и нитриты, которые охрупчивают сталь. Особенно вредно присутствие в стали H, который приводит к внутренним надрывам в металле с образованием, т.н. флокены. Устранение газов возможно при выплавке стали в электропечах или вакууме.

Способы производства стали.

Различают бессемеровский, кислородно-конверторный, мартеновский и способ выплавки в дуговых и индукционных печах.

Бессемеровский способ в настоящее время практически не применяется в связи с низким качеством полученной стали. Сущность способа состоит продувке жидкого чугуна воздухом. Кислород воздуха окисляет углерод, доводя его содержание до количества, необходимого в стали. Низкое качество стали обусловлено тем, что в процессе продувки воздухом сталь насыщается азотом. Кроме того, вредные примеси (сера, фосфор) не удаляются.

В отличие от бессемеровского способа, при кислородно-конверторном способе продувку жидкого чугуна осуществляется чистым кислородом. При этом, равно как и в мартеновском способе, в зависимости от состава шлаков и флюсов, футеровка печи бывает основной (магнезит, хромомагнезит) или кислой (динас). Футеровку выбирают так, чтобы не проходила реакция между шлаком и футеровкой. При основном процессе из стали в большей степени удаляется фосфор, в меньшей -- сера. Однако при этом сталь содержит большее количество газов. Более дорогой кислый процесс проводят в том случае, когда нужно получить чистую по газам сталь.

Наиболее качественная сталь получается при выплавке в дуговых и индукционных печах.

В зависимости от степени раскисления различают стали спокойные, кипящие и полуспокойные. Спокойные стали получают при раскислении марганцем, алюминием, кремнием и обозначают СП. Кипящую сталь получают при раскислении только марганцем. Обозначают такие стали КП. Полуспокойные стали раскисляют марганцем и кремнием и обозначаются ПС.

Углеродистые стали общего назначения (обыкновенного качества).

Потребителю с металлургических заводов стали поставляются в виде проката (ленты, прутки, швеллеры, трубы ). Раньше по ГОСТу стали обыкновенного качества поставляли по трем группам:

- А - с гарантированными механическими свойствами;

- Б - с гарантированным химическим составом;

- В - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

Стали маркировались : группа А - Ст.0,Ст.1,..,Ст.6; группа Б - с указанием способа выплавки - БСт.1,МСт.1 , где

Б - бессемеровский , а М - мартеновский способы выплавки; группа В: - ВСт.1.

В соответствии с ГОСТом , вступившим в действие с 90 г., с учетом того, что стали выплавляют преимущественно электро-способами, стали обыкновенного качества маркируют просто Ст.1,..,Ст.6, где за цифрой может стоять способ раскисления: Ст.1КП. Ст.1ПС, Ст.1СП.

Нагартованная сталь

Широкое применение нашли в хозяйстве проволока, тонкие листы. Эти виды изделий получают в металлургии прокаткой, волочением в холодном состоянии. В результате такой обработки металл упрочняется за счет явления, которое называется наклеп. За счет комнатной температуры упрочнение не снимается. Такой вид обработки называется нагартовкой.

Нагартовка стали сильно зависит от степени наклепа и от содержания углерода.

Рекордные значения σв получены для обжатия до 90 % в стали 1,2 % С при ∅ проволоки 0,1 мм.

Нагартованную проволоку используют в производстве канатов, тросов.

Проволока должна иметь структуру тонкопластинчатого перлита – патентирование. Патентирование – это одна из разновидностей изотермической закалки. Для этого получают тонкопластинчатый перлит обработкой в расплавленных свинцовых ваннах.

Перлитное превращение.

При переохлаждении в верхней части перлитной области аустенит распадается на ферритно-цементитную смесь пластинчатого строения представляющую собой чередующие пластины феррита и цементита такая смесь называется собственно-перлит.При увеличении степени переохлаждения аустенит распадается на более дисперсную феррито-цементитную смесь ,так же имеющую пластинчатое строение. Такая смесь получила название сорбит.При переохлаждении аустенита до температур перегиба С-образной кривой образуется еще более дисперсная смесь феррита и цементита,практически не индентифицируемомпри металлографическом исследовании, но также имеющую пластинчатое строение. Эта смесь смесь получила название тростит. Т.о. собственно перлит, сорбид и тростит представляют собой феррито-цементитную смесь пластинчатого строения отличающуюся только дисперсностью. С увеличением степени дисперсности Ф и Ц свойства сталей возрастают.

Бейнитное превращение.

Оно имеет место при переохлаждении А. До температур ниже перегиба С-образной кривой. В отличие от перлитного превращению, протекающему по диффузионному механизму бейнитное превращение протекает как по диффузионному так и бездиф. (мартенситному) механизму. Поэтому бейнитное превращение иначе называют промежуточным. При таких степенях переохлаждения диффузия атомов возможна, а диффузия атомов железа практически проходить не может. Результатом распада А. В бейнитной области является бейнит – это механическая смесь Ф и Ц, в которой Ф. Несколько пересыщен углеродом и имееет игольчатое строение, поэтому Б иначе называют игольчатый тростит. Различают верхний и нижний Б. Верхний Б имеет так называемую перистую структуру близкую к троститной, образующуюся при переохлаждении несколько ниже перегиба С-образной кривой. Нижний Б имеет игольчатое строение бликое к мартенситу и образующееся при переохлаждении до температур близких к темпер.начала мартенситного превращения (Мн).

Результатом Б. Превращения является структура, получившая название бейнит или игольчатый тростит.

Мартенситное превращение

Мартенсит- является, структурой закаленной стали. Это пересыщенный твердый раствор Углерода в a - железе. С таким же содержанием углерода что и аустенит, из которого образуется мартенсит. В виду того, что атом углерода в ГЦК решетки аустенита остаются в тех же местах решетки мартенсита. Кристаллическая решетка последнего, искажается и становится тетрагональной.

Тетрагональная решетка в отличие от кубической описывается 2-мя параметрами, параметр а и с.

Отношение c/a - называется степенью тетрагональности, (c/a)¹1.

Мартенсит образуется при резком переохлаждении аустенита ниже температуры начала мартенситного превращения. Процесс носит бездифузионный характер в отличие от перлитного и бенитного превращения. Образование мартенсита проходит практически мгновенно. Под микроскопом структура мартенсита выглядит как отдельные иглы, ориентированные под определенными углами друг к другу. Количество превращенного в мартенсит аустенита зависит от процентного содержания углерода в стали. С увеличением процентного содержания углерода, положение точек начала и конца мартенситного превращения снижается область более низких температур, а при содержании углерода более 0,5%, точка конца мартенситного превращения снижается в область отрицательных температур. Поэтому, в структуре стали более 0,5%, после закаления, наряду с мартенситом, присутствует некоторое количество аустенита, который не превратился в мартенсит.

Этот аустенит называется аустенит остаточный. Если превышенное содержание углерода в стали, превышающее 0,5%, влияет на положение точек. Мн – начало мартенситного положения и Мк – конец мартенситного положения, то скорость охлаждения практически не влияет на расположение этих точек. Однако скорость охлаждения влияет на сам процесс превращения. Если стали охлаждения из аустенитной области и в интервале между температурамиМн и Мк дать небольшую выдержку, то во время этой выдержки будет образовываться дополнительное количество мартенсита. В связи с этим различают атермический и изотермический мартенсит. Первый образуется при непрерывном охлаждении до конца превращения. Второй – в процесс выдержки междуМн и Мк.

Твердость мартенсита зависит от содержания углерода, его кристаллической решетки и составляет величину порядка 60-65 HRC_эквив. Твердость стали, зависит от скорости охлаждения из аустенитной области, определяющей тип структуры. Если проводить охлаждение со скоростью V₁, то аустенит будет распадаться на ферито-циментитную смесь пластического строения, которая называется собственно-перлитной. Для стали У8 твердость собственного перлита составляет 250 НВ. С увеличение скорости охлаждения (V_2,V₃) происходит распад аустенита с образованием более дисперсных продуктов, представляет химическую смесь фирита и цементита так же пластичного строения. При скорости охлаждения V₂ - образуется структура – сорбид. V₃ - тростит, с твердостью 200НВ и 250НВ.

Если аустенит переохлаждать до температуры начала мартенситного превращения скорости V₄ то, ни какого распада на ферито-цементитную смесь не происходит. Аустенит по бездифузионному механизму превращается в мартенсит. Скорость охлаждения V₅ является касательной к перегибу с-образной кривой, называется критической скоростью закалки. Это минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит переохлаждается без распада до начала мартенситного превращения. Следовательно, при зака