Архит._материал._-_Шеина_Ч1

по степени окисления – на благородные (золото, серебро, платина) и

обыкновенные (все остальные).

Плотность и твердость металлов

Рисунок 229 – Плотность сплавов

312

Рисунок 230 – Золотая крыша древнего храма в Шангри-Ла

Рисунок 231 – Бронзовый лев охранял в запретном городе дворец китайских императоров

Рисунок 232 – Ансамбль ампирного декора – ионические колонны, отделанные сусальным золотом

Сплавы классифицируют:

по назначению: на общие и специальные (шарикоподшипниковые; твердые и используемые для армирования резцовых инструментов; для изготовления заклепок);

313

по количеству компонентов: на двойные (бинарные) и сложные (трой-

ные, четверные и т.д.);

по наличию специальных примесей: на легированные (от латинского лиго

– связываю) и не легированные (без примесей);

по способу получения из них изделий – на деформируемые (изделия, кото-

рые изготавливают прокаткой, ковкой) и литейные;

по структуре – на твердые растворы, механические смеси и химические соединения.

Твердые растворы представляют собой сплавы, в которых сохраняется решетка растворителя, а атомы растворенного элемента внедряются в кристаллическую решетку (растворы внедрения) или замещают в ней атомы растворителя (растворы замещения) (рисунок 233).

Механическая смесь состоит из смеси кристалликов чистых элементов, твердых растворов или химических соединений.

Рисунок 233 – Кристаллические решетки упорядо-

ченных твердых растворов:

а – СuZn; б – СuАu;

в – Сu3Аu

Химические соединения получают при строго определенном соотношении компонентов. Они образуют новые кристаллические решетки, отличные от решеток входящих компонентов. Примером химического соединения является соединение железа с углеродом Fe3C. Химическое соединение, как правило, намного тверже компонентов, из которых оно образовалось.

Наиболее разнообразные свойства имеют железоуглеродистые сплавы, что связано с их структурой. К структурным составляющим железоуглеродистых сплавов относятся: феррит, аустенит, перлит и ледебурит.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода до 0,02 % в α-железе (рисунок 234). Атомы углерода располагаются в центре граней куба, в вакансиях и на дислокациях. Предельная растворимость углерода в феррите при 20 оС

около 0,006 %, при 727 оС – 0,02 %, в интервале 1392…1539 оС – 0,1 %. Чи-

стый феррит пластичен, имеет небольшую прочность и твердость, σв = 250

МПа, σ0,2 = 120 МПа, относительное удлинение ( ) до 50 %, а поперечное сужение – до 80 %, НВ 800…900 МПа. До температуры 770 С феррит фер-

314

ромагнитен, выше – парамагнитен. Эта структура преобладает у тонколистовой и низкоуглероуглеродистой стали.

Рисунок 234 – Феррит

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода (до 2 %) и легирующих элементов в γ-железе. Предельная растворимость углерода в аустените 2,14 % при 1147 оС. Атомы углерода располагаются в центре элементарной ячейки и дефектных областях кристалла. Повышенная растворимость углерода в аустените обусловлена большим объемом и числом пор в кристаллической решетке γ-Fe. Легирование его Mn, Cr, Si, Mo и В повышает устойчивость аустенита при охлаждении вплоть до комнатной температуры и определяет возможность получения закалочных структур – бейнита и мартенсита, при большой толщине проката. Аустенит устойчив в железоуглеродистых сплавах при температуре более 727 оС. Твердость его равна 1700…2000 МПа, в

– 50…80 МПа. Аустенит обладает и малой склонностью к хрупкому разрушению. Он легко наклепывается, обладает большим температурным коэффициентом теплового расширения. Такую структуру получают при термической и химико-термической обработке. Как в феррите, так и в аустените осуществляется металлический тип связи.

Цементит – химическое соединение железа с углеродом (6,67 %) – карбид железа (Fe3C), имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Цементит является метастабильной фазой, претерпевающей изменения при легировании и термической обработке сплавов. Различают первичный цементит, выделяющийся при кристаллизации из жидкого расплава, вторичный и третичный цементиты, выделяющиеся при распаде аустенита и феррита. В решетке цементита реализуются связи как ковалентные, так и металлического типа. Это подтверждается высокой твердостью, близкой к твердости алмаза (8000…8500 МПа по Бринеллю) и хрупкостью, характерными для промежуточных фаз. Температура плавления цементита точно не установлена и принимается равной около 1600 С.

Перлит – механическая смесь феррита с цементитом, образуемая при распаде аустенита, с содержанием 0,8 % углерода. Наиболее распространенная структурная составляющая сталей и чугунов (рисунок 235).

Ледебурит в момент образования состоит из цементита и аустенита, а после охлаждения – из цементита и перлита. Содержит 4,3 % углерода, отличается высокой твердостью и хрупкостью. Одна из основных составляющих железоуглеродистых сплавов.

Рисунок 235 – Перлит

Графит – стабильная фаза, выделяющаяся при медленном охлаждении сплава и наличии графитизирующих элементов Si, Ni, Cu, Al и других вклю-

315

13.4 Диаграмма состояния железо – цементит в фазовом виде

Процесс кристаллизации металлических сплавов описывают диаграммы состояния или фазового равновесия, получаемые на основе термического анализа. Они характеризуют окончательное состояние сплавов, в которых все фазовые превращения произошли и полностью закончились. На рисунках 238 и 239 представлены диаграммы состояния железо – цементит, которые условно представляют как Fe – C, имея в виду пропорциональное содержание углерода и цементита в жидкой фазе или аустените при обычном и ускоренном охлаждении значительно больше, чем графита, последний выделяется только при медленном охлаждении сплава.

В сплавах системы Fe-Fe3C встречаются следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы на основе различных кристаллических модификаций железа и химическое соединение Fe3C (цементит).

Рисунок 238 – Схемы микроструктур стали в равновесном состоянии. Условное обозначение структурных составляющих:

1 – феррит; 2 – цементит; 3 – перлит; а – ферритная; б – ферритно-цементитная; в – фер- ритно-перлитная, г – перлитная; д – перлитно-цементитная

317

Рисунок 239 – Фазовая диаграмма состояния же- лезо-цементит

Жидкая фаза

представляет собой неорганический раствор железа и углерода, распространяющийся выше линии ликвидус АСD – от 0

до 6,67 % С.

В данной системе имеются твер-

дые растворы железа с углеродом на основе двух кристаллических модификаций железа. Они являются твердыми растворами внедрения, т.е. атомы железа занимают узлы пространственной решетки, а атомы углерода размещаются в междоузлиях.

Твердый раствор углерода в -железе (феррит) занимает на диаграмме узкую область, примыкающую к железу QPG. Значительно большую область на диаграмме железо-углерод занимает твердый раствор углерода в -железе (аустенит) с гранецентрированной кубической решеткой.

При обычном охлаждении в металлической изложнице, т.е. при значительных переохлаждениях ( Т) процесс затвердевания протекает по метастабильной диаграмме. Углерод в этом случае находится в связанном состоянии в виде карбида железа Fe3C.

Линии, точки, концентрации, температуры. Все линии диаграммы можно разделить на следующие группы согласно таблице 55.

Линия ликвидус – начало затвердения при охлаждении или конец плавления при нагревании (АСD).

Таблица 55 – Характеристики линий диаграммы

Линии превращения в твердом состоянии

Линия солидус – конец затвердевания при охлаждении и начало плавления при нагревании; линии превращения в твердом состоянии (АЕСF). Из них особо выделяются горизонтальные линии (параллельные оси составов), отвечающих нонвариантному равновесию. В таблице 1 приведены основные характеристики линий диаграммы.

Точка А (1539 оС) соответствует температуре плавления чистого железа, точка D (1250 оС) – температуре плавления цементита. Точки N (1392 оС) G (910 оС) соответствуют полиморфному превращению α-Fe ↔ γ-Fe. Точка Е характеризует предельную растворимость углерода (2,14%) в γ-Fe. Верхний левый угол диаграммы характеризует аллотропическое превращение α (δ)- Fe

↔

γ-Fe при высоких температурах. В интервале температур 1392…1539 оС α-Fe нередко обозначается как δ-Fe. До точки Кюри (768 оС) железо ферромагнитно, выше парамагнитно. Линия PQ показывает изменение растворимости углерода в низкотемпературном α-Fe.

Концентрация углерода в характерных точках диаграммы приводится в таблице 56.

Таблица 56 – Характеристики точек диаграммы

Горизонтальные линии диаграммы. В системе железо-цементит имеет место безвариантное трехфазное равновесие: при эвтектическом метастабиль-

ном (1147 С) равновесии, при метастабильном (727 С) эвтектоидном равновесии.

В таблице 57 приведены линии трехфазного равновесия.

Стали после затвердевания не содержат легкоплавкой эвтектики – ледебурита (точка С на диаграмме состояния), характерной для чугуна при содержании углерода 4,3 %. При высоком нагреве стали имеют структуру чистого аустенита. Эвтектоидная структура перлита образуется при концентрации углерода в сплаве 0,8 % (линия РSK).

Таблица 57 – Линии трехфазного равновесия

В зависимости от процентного содержания углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие наименования: техническое железо (С ≤ 0,02 %), доэвтектоидные стали (С = 0,02…0,8 %), эвтектоидные стали (С = 0,8 %), заэвтектоидные стали (С = 0,8…2,14 %), доэвтектоидные чугуны (С = 2 14…4,3 %), эвтектика (С = 4,3 %), заэвтектоидные чугуны (С = 4,3…6,67 %).

Сплавы железа с углеродом после окончания кристаллизации имеют различную структуру, но одинаковый фазовый состав, при температурах ниже 727 оС они состоят из феррита и цементита.

Существует определенная связь между типом диаграммы, пластичными и литейными свойствами сплавов. Твердые растворы имеют низкие литейные свойства и склонность к образованию рассеянной пористости и трещин. Для получения высоких литейных свойств концентрация компонентов в сплавах

320

должна превышать их предельную растворимость в твердом состоянии и приближаться к эвтектическому составу. Поэтому чугуны обладают лучшими литейными свойствами, чем стали. Для обеспечения пластичных свойств сплавов концентрация компонентов не должна превышать их предельной растворимости при эвтектической температуре.

13.5Свойства металлов и сплавов

Косновным свойствам, характеризующим металлы, а также сплавы на их основе, относятся физические, механические, химические и технологические свойства.

Важнейшими физическими свойствами являются: плотность, температура плавления и кипения, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость и электрические свойства. Металлы и сплавы различаются также по цвету, некоторые из них имеют специфический запах. Название 76 элемента – осмий, оно происходит от греческого слова οσμη, что означает «запах». Осмий имеет неприятный раздражающий запах, похожий одновременно на запахи хлора и чеснока.

Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света – это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном состоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке. Наиболее хорошо отражают свет алюминий, серебро и палладий – из этих металлов изготовляют зеркала.

Цвет у большинства металлов примерно одинаковый – светло-серый с

голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий имеют соответственно жёлтый, красный и светло-жёлтый цвет. Нет ничего необычного в том, что любой из известных нам металлов, подвергаясь какой-либо обработке, может менять

и чугун во всех своих «ипостасях», имеет несравнимую ни с каким другим металлом цветовую растяжку. В холодном состоянии оно может быть серым, черным, почти белым, голубым, и синим, золотистым и красноватым. Более того, железо является единственным металлом, который может сам себя украшать декоративным орнаментом, проступающим как бы изнутри. Варианты этого фактурного орнамента бесконечны, и их нельзя причислить ни к одному из общеизвестных, так как этот рисунок рождается самим металлом.

Плотность чугуна составляет 7000…7800 кг/м3, стали – 7800…7900 кг/м3, ртути (жидкой) – 13600 кг/м3. Температура плавления стали 1300…1400оС; расплавленные (жидкие) металлы кипят при следующих температурах, оС: 1740 (свинец), 2270 (олово), 2600 (медь), 3200 (чистое железо).

Осмий – оловянно-белый металл с серовато-голубым оттенком. Это самый тяжелый из всех металлов (его плотность 22,6 г/см3) и один из самых

321