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 называется полиморфизмом, 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, назвали анизотропией, 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 много дефектов: 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.

Общие сведения 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.

Термопластичные полимеры 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.

Выбо р 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 твердости до 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 соответственно ферритом 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 называемая перлитом (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 проследить влияние 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, эв тектические 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)