авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

МИНОБРНАУКИ РОСИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ухтинский государственный технический

университет»

(УГТУ)

Г. Б. Коптяева, О. М. Тимохова

ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Учебное пособие

УХТА, УГТУ, 2013

УДК 669.017

ББК 34.2

К 65

Коптяева, Г. Б.

К 65 Основы материаловедения : учеб. пособие / Г. Б. Коптяева, О. М. Тимохова. – Ухта : УГТУ, 2013. – 182 с.

ISBN 978-5-88179-764-5 Учебное пособие предназначено для студентов специальности 150405 «Машины и оборудование лесного комплекса», направлений 150400 и 151000 «Технологические машины и оборудование» для самостоятельного изучения отдельных тем дисциплин и использования при выполнении практических ра бот‚ курсовых и дипломных проектов. Пособие разработано в соответствии с учебным планом и программой дисциплины «Материаловедение».

УДК 669. ББК 34. Учебное пособие рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом Ухтинского государственного технического университета.

Рецензенты: О. Н. Бурмистрова, директор Института леса УГТУ, д.т.н.;

Е. А. Будевич, ведущий инженер ООО «Газпром трансгаз Ухта», к.т.н.

© Ухтинский государственный технический университет, © Коптяева Г. Б., Тимохова О. М., ISBN 978-5-88179-764- ВВЕДЕНИЕ Надёжность и долговечность машин и конструкций, работающих в рай онах Крайнего Cевера, является основным условием для успешной работы все го лесопромышленного комплекса Республики Коми.

Важным фактором обеспечения их надёжности служит правильный вы бор материала для сооружения конструкций и ремонта машин.

Исходя из условий эксплуатации техники и конструкций, работающей при низких температурах, в основном применяют горячекатаную, термически упрочнённую сталь, а также различные виды чугунов [1, 2]. Неметаллические материалы используются ограниченно.

Настоящее пособие отражает достижения научно-технического прогрес са, теоретические основы и обобщение научных и экспериментальных исследо ваний и промышленной практики в области производства и эксплуатации машин и сооружений лесопромышленного комплекса.

В учебном пособии систематизированы и приведены только наиболее из вестные и широко применяемые марки железоуглеродистых сплавов, состав и свойства которых установлены стандартами, имеются в справочной литературе и в основной учебной литературе. В учебном пособии приведены аналоги зару бежных сплавов, применяемых в промышленности США, Канады, Японии, Франции, Германии. Для успешного освоения учебой программы курса предла гается ряд тестов, которые можно использовать при самостоятельном изучении учебной информации с использованием компьютера.

Основная задача тестов направлена на то, чтобы теоретические знания студентов были более конкретными и целенаправленными на усвоение наибо лее важных положений изучаемой темы с целью применения полученной ин формации в решении практических вопросов.

Учебное пособие может быть использовано инженерно-техническими со трудниками, работающими в области проектирования, сооружения, эксплуата ции и ремонта машин и конструкций лесопромышленного комплекса.

1 ТЕОРИЯ СПЛАВОВ 1.1 Кристаллическое строение сплавов Из всего многообразия химических элементов таблицы Менделеева мож но выделить группу элементов, у которых проявляются общие свойства, обу словленные особенностями их атомного строения, наличием свободных электронов, электронного газа. Эти вещества называют металлами. Перемеще ние электронов внутри металла и малая их связь с атомами определяют наличие таких свойств, как: высокая электропроводность, теплопроводность, блеск, пла стичность и др. Специалистам-механикам особо следует обратить внимание на такое характерное свойство металлов, как пластичность.

Металлы характеризуются упорядо ченным расположением ионов, атомов и молекул в пространстве. Если через цен тры атомов или ионов провести вообра жаемые плоскости в трёх измерениях, то получим представление о пространствен ной кристаллической решётке, в узлах ко торой располагаются атомы или ионы, образующие металл, твёрдое кристалличе Рисунок 1.1 – Пространственная ское тело [3, 4]. Пример такой кристалли кристаллическая решётка ческой решётки приведён на рисунок 1.1.

Металлы при кристаллизации образуют различные типы решёток: ку бическую, тетрагональную, гексагональную, моноклинную, триклинную, тригональную, ромбоэдрическую, а также их разновидности: кубическую объёмно-центрированную (рисунок 1.2, а), кубическую гранецентрирован ную (рисунок 1.2, б), гексагональную плотноупакованную (гранецентриро ванную, рисунок 1.2, в).

Подавляющее большинство металлов имеет одну из следующих типич ных кристаллических решёток: кубическую гранецентрированную (ГЦК), в ко торой атомы расположены по вершинам элементарной кубической ячейки и в центрах её граней (Ni, C u, Fe-, Ca, Ce и др.);

кубическую объёмно центрированную (ОЦК), в которой атомы располагаются по вершинам элемен тарной ячейки и в центре её (W, Mo, V, Fe-, Nb, Тi-, К и др.);

гексогональную плотноупакованную (ГПУ), представляющую собой призму с шестигранником в основании, в которой атомы расположены в три слоя (Мg, Ti-, Cd и др.). Раз меры кристаллической решётки характеризуются параметрами или периодами решётки. Периодами решётки называют расстояние между центрами двух со седних атомов, которое измеряется в ангстремах. Так, например, период решёт ки хрома, имеющего кубическую объёмно-центрированную решётку, равен 2,878 ;

период решётки алюминия, имеющего решётку куба гранецентриро ванного, равен 4,041.

а – кубическая объёмно-центрированная (о.ц.к.);

б – кубическая гранецентрированная (г.ц.к.);

в – гексагональная плотноупакованная (г.п.у.) Рисунок 1.2 – Кристаллическая элементарная решётка Для определения плотности упаковки атомов в пространстве, свойств данного металла, а также типа кристаллической решётки введено понятие ко ординационного числа. Координационным числом называют число атомов, расположенных на наименьшем равном расстоянии от данного атома. Так, ре шётка ОЦК имеет координационное число 8, т. е. К8, где К – обозначает тип решётки, а 8 – координационное число;

решётка ГПУ имеет координационное число Г12 и т. д.

1.2 Превращения в твёрдом состоянии. Аллотропия Не все металлы сохраняют тот тип кристаллической решётки, который получается в результате кристаллизации.

Некоторые металлы, такие как: железо, титан, кобальт, олово, марганец и др., имеют несколько типов кристаллических решёток, которые существуют при определённых температурах. Изменение типа кристаллической решётки при изменении температуры называется аллотропией или полиморфизмом. Раз личные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными или аллотропическими модификациями.

В таблице 1 указаны решётки металлических элементов.

Таблица 1 – Кристаллические решётки металлических элементов 3 Li Be K8 Г 11 12 Na Mg Al К8 Г12 К 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge K8 К12 Г12 К8 К8 кубическая К8 Г12 К12 К12 Г6 тетраго- алмаза (Г12) К8 сложная, К12 К12 нальная кубическая сложная, тетраго нальная 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn К8 К12 Г12 Г12 К8 К8 Г12 К12 К12 К12 Г12 тетраго- алмаза, К8 нальная тетраго нальная 55 56 57-71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 Cs Ba редкоземел. Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb элементы К8 К8 К12 Г12 К8 К8 Г12 Г12 Г12 К12 К12 Г6 Г12 К Г12 К Аллотропические модификации металла обозначаются –,,, и т. д., которые в виде индексов добавляют к символу, обозначающему элемент. Крис таллическая решётка металла, существующая при самой низкой температуре, обозначается индексом, следующая – и т. д. Полиморфные превращения носят характер вторичной кристаллизации и связаны с изменением свободной энергии металла, т. е. термодинамического потенциала F.

Стабильность существования той или иной кристаллической решётки ме талла при определённой температуре и давлении определяется значением тер модинамического потенциала:

F = U – T S, (1.1) где U – полная внутренняя энергия системы;

S – энтропия;

Т – абсолютная температура;

F – свободная энергия металла.

Система в целом будет стабильна при более низком значении термодина мического потенциала F и наоборот, поэтому любая система стремится перейти в состояние с минимальным значением F.

Если рассмотреть, как изменяется свободная энергия Fe- и Fe- в зави симости от температуры, то можно заметить, что чем меньше свободная энер гия, тем устойчивее состояние системы.

На рисунке 1.3 видно, что в интервале температур 910-1392°С устойчивым является -железо (К12) с кристаллической структурой, имеющей меньшую сво бодную энергию, чем -железо, а при температурах ниже 910°С и выше 1392°С ус тойчиво -железо (К8), так как его свободная энергия меньше, чем у -железа.

Рисунок 1.3 – Кривая охлаждения чистого железа Необходимо отметить, что полиморфные превращения происходят не только в чистых металлах, но и в сплавах. Полиморфные превращения сопро вождаются скачкообразным изменением всех свойств металлов и сплавов:

удельного объёма, теплоёмкости, теплопроводности, электропроводности, маг нитных свойств, механических и химических и т. д.

1.3 Дефекты кристаллического строения металлов Металлические изделия состоят обычно из очень большого числа кри сталлов. Подобное строение называется поликристаллическим, а так как кри сталлы в реальных условиях кристаллизации имеют неправильное строение, то их называют зёрнами или кристаллитами, а внутреннее строение металла назы вается структурой.

Так как на реальные процессы кристаллизации влияют различные факто ры, как внешние, так и внутренние, то в металлах наблюдаются несовершенства кристаллической решётки, которые называются дислокациями. Влияние несо вершенств, дефектов в кристаллическом строении на свойства материалов ис ключительно велико.

По размерным характеристикам несовершенства кристаллической решётки могут быть разделены на:

1) точечные (рисунок 1.4), размеры которых близки к межатомному рас стоянию;

2) линейные, размеры которых малы в двух измерениях и велики в треть ем измерении. Они возникают в металлах в виде лишней полуплоскости (экст раплоскости) при пластической деформации металла, а также при фазовых превращениях. Различают краевые (рисунок 1.5), винтовые линейные диcлокации (рисунок 1.6);

3) поверхностные и объёмные, возникающие между отдельными зёрнами, блоками зёрен, субзёрнами, то есть это границы зёрен, границы субзёрен, гра ницы между блоками внутри зерна.

Рисунок 1.4 – Точечные дефекты в кристаллической решётке а – сдвиг, создавший краевую дислокацию;

б – пространственная схема краевой дислокации;

в, г – схемы расположения атомов у дислокации Рисунок 1.5 – Краевые дислокации а – сдвиг, создавший винтовую дислокацию;

б – расположение атомов Рисунок 1.6 – Винтовая дислокация Поверхностные решётки обладают достаточно большой площадью, но малой толщиной, а объёмные имеют достаточную протяжённость в трёх измерениях. По верхностные и объёмные дефекты возникают как при кристаллизации, так и за счёт пластической деформации, возникающей при различных видах обработки металла или же в процессе эксплуатации. Точечные дефекты под влиянием диффузии и са модиффузии могут исчезать и возникать в других местах, переходить из одного ви да в другой. Так, скопление «вакансий» в процессе диффузии может привести к образованию дислокаций, поверхностных и объёмных дефектов. Объёмные, по верхностные дефекты и точечные достаточно очевидны.

Труднее выявить природу дефектов типа дислокации, изображённой на рисунке 1.6, б, наличие экстраплоскости вызывает наиболее сильные упругие искажения в расположении атомов около края экстраплоскости, которые над ней сильно сжаты, под ней – упруго растянуты. По плоскости, в которой нахо дится дислокация, происходит наиболее легко пластическая деформация – сдвиг, что обеспечивает перемещение экстраплоскости в металле с образовани ем краевых, винтовых дислокаций.

В металловедении введено такое понятие, как плотность дислокаций, т. е.

суммарная длина всех линий дислокаций в единице объёма. У мягких (отож жённых металлов) она равна 106 – 108 см –2, при холодной пластической дефор мации возрастает до 1011 – 1012 см –2. Дислокации могут также появляться при кристаллизации, плотность их очень большая, поэтому они значительно влияют на механические свойства материалов.

Качественная зависимость механических свойств от плотности дислока ций показана на рисунке 1.7.

1 – идеальный кристалл без дефектов;

2 – бездефектные кристаллы «усы»;

3 – отожжённые металлы;

4 – металлы с увеличенной плотностью дефектов после обработки Рисунок 1.7 – Схема зависимости сопротивления деформации от плотности дефектов Из рисунка видно, что очень высокой прочностью обладают бездефект ные кристаллы (в том числе длинные и тонкие «усы», полученные из газовой среды), но получить и использовать их пока трудно.

Отожжённые металлы имеют наименьшую прочность, так как плотность дислокаций достаточно невелика, однако, прочность металлов возрастает в не сколько раз при увеличении плотности дефектов в результате термической или специальной механической обработки материала.

В промышленности используют в основном сплавы, в которых при кри сталлизации возникают точечные, линейные и поверхностные дефекты.

Сплавом называется вещество, полученное путём сплавления, спекания, возгонки, электролиза двух или нескольких компонентов.

Компонентами называют вещества, составляющие систему.

1.4 Строение сплавов При получении сплавов в результате взаимодействия компонентов обра зуются различные фазы.

Фаза – часть системы, имеющая границу раздела, при переходе которой резко изменяются состав и свойства. В различных агрегатных состояниях спла вы могут состоять из нескольких фаз.

В зависимости от взаимодействия компонентов при кристаллизации по внут реннему строению сплавы делятся на твёрдые растворы и химические соединения.

Твёрдыми растворами называют сплавы, которые сохраняют в твёрдом состоянии растворимость жидкого состояния полностью или частично.

По механизму образования твёрдые растворы делятся на твёрдые раство ры внедрения (рисунок 1.8, а) и твёрдые растворы замещения (рисунок 1.8, б).

При образовании твёрдых растворов замещения атомы компонента В раство ряются в решётке компонента А путём вытеснения атомов последнего.

Рисунок 1.8 – Схема твёрдого раствора замещения (а) и внедрения (б) При образовании твёрдых растворов внедрения атомы компонента В вне дряются на вакантные места в кристаллической решётке компонента А.

При образовании твёрдых растворов сохраняется решётка одного из элемен тов, образующих сплав, и этот элемент называется растворителем. Атомы раство рённого вещества искажают решётку растворителя, изменяют средние размеры решётки растворителя, а следовательно, изменяются свойства вещества.

По степени растворения сплавы, образующие твёрдые растворы, делятся на твёрдые растворы с ограниченной растворимостью в твёрдом состоянии и на твёрдые растворы с неограниченной растворимостью в твёрдом состоянии.

Твёрдые растворы замещения всегда образуют ограниченную раствори мость в твёрдом состоянии. Они могут быть с ограниченной растворимостью и с неограниченной растворимостью. Для того чтобы образовалась неограничен ная растворимость, необходимы следующие условия:

- оба металла должны иметь одинаковую по типу кристаллическую решёт ку, т. е. оба компонента являются изоморфными, например, если компонент А имеет кристаллическую решётку К8, то и компонент должен иметь кристалли ческую решётку К8;

- оба компонента должны иметь достаточно малое различие атомных размеров, различие не должно превышать 8-15%;

- компоненты должны принадлежать к одной и той же группе Периодиче ской системы элементов или к смежным родственным группам, т. е. близки друг к другу по строению валентной оболочки атомов, по физической природе.

Если два металла не отвечают вышеперечисленным условиям, то они мо гут ограниченно растворяться друг в друге.

Надо отметить, что способностью растворяться друг в друге в твёрдом состоянии обладают не только чистые элементы, но и химические соединения.

Твёрдые растворы на диаграммах состояния сплавов обозначают буквами гре ческого алфавита. Например: твёрдый раствор компонента В в А обозначают буквой, твёрдый раствор компонента В в химическом соединении А2В3 соот ветственно буквой и т. д.

1.5 Основы теории кристаллизации Кристаллизация металла из жидкого или газообразного состояния назы вается первичной. Кристаллизация металла из твёрдого состояния называется вторичной. Как первичная, так и вторичная кристаллизации подчиняются тер модинамическим и кинетических законам кристаллизации.

Скорость процесса кристаллизации слагается из двух одновременно иду щих процессов: зарождения центров кристаллизации и скорости роста этих кристаллов, которые могут зарождаться самопроизвольно (самопроизвольная кристаллизация) или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации (несамопроизвольная кристаллизация).

Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением системы (металла) иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением термодинамического потенциала F.

Термодинамическое состояние вещества при равновесии характеризуется минимальным значением F, энергией Гиббса, т. е. свободной энергией металла F (см. формулу 1.1). С повышением температуры потенциал вещества как в твёр дом, так и в жидком состояниях уменьшается, как схематически показано на рисунке 1.9.

Температура, при которой термодинамические потенциалы твёрдого и жидкого состояния вещества равны, называется равновесной температурой кри сталлизации (ТS), или теоретической температурой кристаллизации. Фактиче ски кристаллизация происходит в том случае, если термодинамический потенциал твёрдого состояния вещества будет меньше термодинамического по тенциала жидкого состояния вещества, т. е. при переохлаждении металла до температур, ниже равновесной температуры.

Одной из движущих сил процесса кристаллизации является термодина мический фактор F (рисунок 1.9).

ТS – температура теоретической кристаллизации;

ТФ – температура фактической кристаллизации Рисунок 1.9 – Изменение энергии Гиббса (свободной энергии) металла в жидком FЖ и твёрдом FТ состояниях в зависимости от температуры Разница между равновесной температурой кристаллизации (ТS) и фактиче ской (ТФ) температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения (n):

n = ТS – Т Ф. (1.2) Скорость процесса кристаллизации зависит от степени переохлаждения и значительно влияет на размер зерна металла (рисунок 1.10). Чем больше степень переохлаждения, тем больше возникает число зародышей (ч. ц.), т. е. центров кри сталлизации, и интенсивнее скорость роста кристаллов (с. к.), тем мельче зерно.

Однако такая зависимость сохраняется до определённого значения степени переох лаждения, затем наблюдается понижение скорости кристаллизации.

Наружный слой слитка (рисунок 1.11) формируется из большого количе ства мелких кристаллов, за ним образуется слой вытянутых к центру слитка столбчатых кристаллов, а в средней части – крупные, беспорядочно ориентиро ванные кристаллы.

Рисунок 1.10 – Схема зависимости ч. ц. и с. к. от степени переохлаждения а – полностью столбчатая структура;

б – смешанная структура;

в – полностью равноосная структура Рисунок 1.11 – Типы структур слитков Это объясняется тем, что на процесс кристаллизации влияет и скорость диффузии, при некоторых степенях переохлаждения (рисунок 1.10) скорость перемещения атомов в жидкости замедляется, и они не способны организовать кристаллы, жидкость застывает, образуя аморфное состояние. Металлы и спла вы в аморфным состоянии нашли применение в промышленности, так как они обладают свойствами, отличными от свойств металлов и сплавов, имеющих кристаллическое строение.

Несамопроизвольная кристаллизация. В реальных условиях процессы кри сталлизации зависят от находящихся в жидком расплаве примесей, которые могут играть роль готовых центров кристаллизации. Особенно эффективны частицы та ких веществ, которые по своему кристаллическому строению похожи на затверде вающий металл. Это сходство проявляется в изоморфности (однотипности) кристаллических решёток, в близком соотношении их линейных параметров.

На практике для измельчения структуры сплава широко применяют мо дифицирование – обработку жидких сплавов небольшими количествами доба вок (модификаторов). В качестве модификаторов используют поверхностно активные вещества (бор – в стали 10ХГНР, натрий – в алюминии и алюминие вых сплавах, магний – в высокопрочных чугунах) и тугоплавкие металлы (ти тан, цирконий в алюминии и его сплавах). Модификаторы добавляют в сплавы в количествах от тысячных до десятых долей процента. При повышении темпе ратуры жидкого металла примеси, играющие роль дополнительных центров кристаллизации, растворяются, а поверхностно-активные вещества дезактиви руются, поэтому повышение температуры жидкого металла перед разливкой приводит к укрупнению зерна при кристаллизации. И, наоборот, подстужива ние металла перед разливкой до температур, незначительно превышающих температуру плавления металла, способствует уменьшению размера зерна.

Подстуживание эффективно при наличии примесей (или модификаторов), обра зующих фазы со структурным и размерным соответствием с основным метал лом;

в этом случае даже после значительного перегрева можно получить мелкое зерно, особенно если удлинить выдержку перед разливкой.

Рисунок 1.12 – Схема зависимости Vкр от F и скорости диффузии Д 2. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ Диаграммы состояния сплава, или фазового равновесия, представляют гра фическую зависимость фазового состава сплава от температуры и концентрации.

Такие диаграммы представляют собой теоретический случай кристалли зации сплава, в практике они используются для рассмотрения превращений при очень медленных скоростях охлаждения или нагрева. Скорость охлаждения при кристаллизации сплава обычно равна 70°/ч, что соответствует охлаждению сплава в печи. По диаграммам состояния сплавов выбирают температурные ре жимы тепловой обработки материала, такие как: ковка, штамповка, сварка, термическая обработка.

Для использования диаграмм состояния в практических вопросах необхо димо сделать фазовый анализ диаграммы состояния сплава.

Общие закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих ус ловиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, называе мой правилом фаз Гиббса.

2.1 Правило фаз Гиббса Правило фаз даёт возможность предсказать и проверить процессы, происхо дящие в сплавах при нагреве и охлаждении. Оно показывает, происходит ли про цесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур, и указывает, какое количество фаз может существовать в сплаве одновременно.

Правило фаз даёт количественную зависимость между числом компонен тов (к), числом фаз (f) и степенью свободы (с).

Степень свободы – это количество внешних (температура, давление) и внутренних (концентрация) факторов системы, которые можно изменять, не нарушая равновесия системы. Так как диаграммы состояния обычно строят при постоянном (атмосферном) давлении, то правило фаз выражается следующим уравнением:

с = к – f + 1.

Если с = 0, то система нонвариантна, находится в равновесии, нельзя из менить ни один фактор, не нарушив равновесия системы.

Если с = 1, то один фактор можно изменить, не нарушая равновесия систе мы, если с = 2, то два фактора можно изменить, сохраняя равновесие системы.

Из правила фаз следует, что в двойной системе при постоянном давлении не может существовать более трёх фаз, иначе нарушается равновесие системы.

2.2 Основные типы диаграмм состояния сплавов Тип диаграммы зависит от взаимодействия компонентов в жидком и твёрдом состоянии. Если система однокомпонентная, например чистый металл, то диаграмма состояния будет иметь одну ось ординат – шкалу температур. На ней будет нанесена одна точка, соответствующая температуре кристаллизации (и, наоборот, плавления) чистого металла Тп. Эта равновесная температура плавления определяется на кривой его охлаждения. Если в системе два компо нента, то вторая ось – ось абсцисс – будет шкалой концентрации сплавов, так как диаграмму состояния двух компонентов строят в двух измерениях (темпе ратура-концентрация). Эта диаграмма состояния сплавов имеет две вертикаль ные шкалы температур, соответствующие по концентрации первому А и второму В компонентам (рисунок 2.1). Каждая точка на диаграмме состояния характеризует состояние сплава данной концентрации при данной температуре.

Каждая вертикаль соответствует сплаву данной концентрации, рассматривае мому при различных температурах.

а) б) ж – жидкий раствор;

– твёрдый раствор А в В;

ж + – двухфазная область;

е – сплав заданной концентрации 25%-ного В и 65% А при данной температуре Т Рисунок 2.1 – Диаграммы состояния однокомпонентной системы (а) и двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью А и В в твёрдом и жидком состояниях (б) Рассмотрим типовые примеры диаграмм состояния двойных систем, об ращая внимание на фазовые превращения в твёрдом состоянии, так как инфор мация о них широко используется на практике.

2.3 Диаграмма состояния сплава, образующего твёрдые растворы с неограниченной растворимостью в твёрдом состоянии Полная растворимость возможна тогда, когда оба компонента имеют изо морфные (одинаковые по типу) кристаллические решётки, а атомные диаметры компонентов мало отличаются по диаметру. Такая диаграмма имеет простой вид и состоит из двух линий (рисунок 2.2), пересекающихся между собой на температурных осях в точках, соответствующих кристаллизации чистых ком понентов А и В.

Верхняя линия называется линией ликвидус, нижняя – линией солидус.

Ликвидусом называют линию начала кристаллизации сплава, солидусом – ли нию окончания процесса кристаллизации сплава. В отличие от чистых компо нентов все их сплавы кристаллизуются в интервале температур (С = 1).

Диаграммы такого типа имеют сплавы Ni-Cu, Ag-Au, Mo-W и др.

Для того чтобы определить состав кристаллизующихся фаз и состав жид кости, пользуются правилом отрезков.

Правило отрезков применяют только в области кристаллизации сплава.

Для этого через любую точку, где идёт кристаллизация, проводят горизонталь ную прямую до пересечения с линиями, ограничивающими исследуемую об ласть. Конец прямой, пересекаясь с линией ликвидус, снесённый на ось концентраций, даёт состав жидкой фазы. Конец прямой, пересекаясь с линией солидус или температурной осью, снесённой на ось концентраций, даёт состав твёрдой фазы.

Сделаем фазовый анализ для сплава К (рисунок 2.2). Для этого проводим температурную ось через точку 3, соответствующую химическому составу сплава, отметим критическую точку начала кристаллизации (точка 1) и критическую точ ку конца кристаллизации (точка 2). Проведём горизонтальную прямую через точ ку 1 и определим состав выпавших кристаллов в этой точке, обозначив точку пересечения прямой с линией солидус индексом s, затем снесём эту точку на ось концентраций и получим состав выпавших кристалликов в точке начала кристал лизации. В данном случае состав кристаллов состоит из 70% В и 30% А. Состав жидкой фазы определяется аналогично проекцией точки 1 на ось концентраций.

Проведя горизонталь через точку а, определяем состав жидкой и твёрдой фазы при промежуточной температуре кристаллизации, аналогично определяется со став фаз и в точке окончания кристаллизации – точке 2.

Рисунок 2.2 – Диаграмма состояния (неограниченная растворимость в твёрдом состоянии). Кривая охлаждения сплава при образовании твёрдого раствора и схема структур Анализируя таким образом состав твёрдой фазы, видим, что кристаллы при разных температурах кристаллизации имеют неодинаковый химический состав. Неоднородность химического состава сплава по сечению слитка назы вается ликвацией. Ликвация отрицательно влияет на механические свойства всех сплавов, она резко понижает ударную вязкость материала, снижает проч ность, отрицательно влияет на электропроводность, теплопроводность мате риала. Пользуясь диаграммами состояния сплава, можно при помощи соответствующей термообработки исправить этот дефект у любого сплава.

Количество этих фаз можно определить. Для определения количества ка ждой фазы (второе положение правила отрезков) обратимся, например, к спла ву К, находящемуся при температуре t1.

Взятый в качестве примера сплав К содержит r% В и 100 – r% А. Следо вательно, если отрезок АВ определяет всё количество сплава, то отрезок rA – количество компонента В в сплаве, а отрезок rВ – количество компонента А в сплаве.

В точке а сплав состоит из кристаллов В и жидкости концентрации b.

Жидкость содержит b% B или в жидкости количество компонента В определя ется отрезком Аb.

При общем весе сплава, равном единице, искомое количество выделив шихся кристаллов равно х, а количество жидкости 1 – х. В этом случае количе ство компонента А, который находится только в жидкости, равно bB( 1 x ) = bB xbB = rB ;

xbB = bB rB ;

bB rB x=.

bB ba Так как bB rB = br = ba, а bB = bc, то x =, т. е. если масса сплава равна bc единице и изображается отрезком bc, то масса кристаллов в точке а у сплава К ba равна отношению.

bc Количество жидкости ba bc ba ac 1 x =1 = =, bc bc bc ac т. е. количество жидкости определяется отношением.

bc Отношение количества твёрдой и жидкой фаз определяется отношением:

ba bc ba х = =.

1 х bc ac ac Если точка а определяет состояние сплава, то точка b – состав жидкой фазы, а точка с – состав твёрдой фазы, то отрезок bc определяет всё количество сплава, отрезок ас – количество жидкости и отрезок ba – количество кристаллов.

Второе положение правила от резков формулируются так. Для того чтобы определить количественное со отношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. От резки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональ Рисунок 2.3 – Рычаг (схема) ны количествам этих фаз. Для на глядности это правило можно сопоставить с примером из механики (рису нок 2.3). Если точка а, показывающая состояние сплава, есть точка опоры ры чага, точка с показывает концентрацию одной фазы, а точка b – другой, то количество этих фаз Р и Q определяется из уравнения моментов рычага первого рода:

Рab = Qac, или P ac =.

Q ab Правило отрезков в двойных диаграммах состояния можно применить только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза;

любая точка внутри области характеризует её концентрацию.

2.4 Диаграммы состояния сплавов с ограниченной растворимостью в твёрдом состоянии Ограниченная растворимость наиболее часто встречается в металличе ских сплавах. При образовании ограниченной растворимости образуются два типа диаграмм – с эвтектикой и перитектикой. В диаграммах состояния реаль ных сплавов (Fe-C, Cu-Sn, Cu-Al и др.) могут встречаться как перитектические, так и эвтектические превращения.

2.5 Диаграмма состояния сплавов, образующих твёрдые растворы с ограниченной растворимостью с эвтектикой В этой системе не могут образовываться чистые компоненты, из жидко сти выпадают твёрдые растворы и (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограничено растворимы в твёрдом состоянии и образуют эвтектику Сплавы I и V, составы которых расположены в областях и, кристалли зуются как и сплавы предыдущей диаграммы состояния (рисунок 2.4), т. е. в этих областях образуются однородные твёрдые растворы: – на основе чистого компонента А с атомной решёткой, характерной для этого компонента, и – на основе чистого компонента В.

Предельная растворимость компонента А в компоненте В определяется линией FQ, и она не изменяется или изменяется так мало, что при выбранном масштабе это не отмечается.

Линия АСВ является на этой диаграмме линией ликвидус, линия AECFB – линией солидус, линия ECF называется линией эвтектики.

Предельная растворимость компонента В в компоненте А определяется линией ЕР, которая определяет равновесное содержание растворённого компо нента при изменении температуры, это линия начала вторичной кристаллиза ции. В точке 3 из пересыщенного твёрдого раствора по правилу отрезков выделяется твёрдый раствор.

Твёрдый раствор является не только ограниченной, но и переменной растворимости. Максимальное содержание компонента В в -фазе определяется точкой Е и при охлаждении снижается до точки Р. Состав -фазы при измене нии температуры определяют по правилу отрезков.

Рассмотрим превращения сплава 1 состава x1. После полного затвердева ния в точке 2 кристаллы имеют состав x1 и сохраняют его до точки 3. При даль нейшем охлаждении состав -фазы, согласно правилу отрезков, меняется по отрезку линии ликвидус вторичной кристаллизации 3-Р, при комнатной темпе ратуре -фаза имеет состав точки P (Р).

По мере уменьшения концентрации в твёрдом растворе компонента В происходит образование из -фазы кристалликов -фазы, которые называются вторичными и обозначаются ;

этим подчёркивается, что они выпали из твёр дого раствора, а не из жидкого. Твёрдые растворы, лежащие левее точки Р (см. рисунок 2.4), не испытывают фазовых превращений в твёрдом состоянии.

Сплав, имеющий состав точки С, называется эвтектическим (наиболее легко плавким). Он кристаллизуется как чистый металл при постоянной температуре с одновременным выделением из жидкости двух твёрдых фаз определённой концентрации: твёрдого раствора состава точки Е (E) и твёрдого раствора состава точки F (F).

Физико-механическая смесь двух фаз, одновременно выпавших из жид кости, называется эвтектикой.

Эвтектическая реакция протекает по следующей схеме:

Жс E + F.

Для эвтектики характерно определённое количественное соотношение фаз, которое определяется отрезками Е/F = СF/CE.

На рисунке 3.4, в в виде схемы изображена структура эвтектического сплава III. Кристаллы и имеют в эвтектике форму пластин и чередуются между собой, образуя зёрна. По своим физическим и химическим свойствам кристаллы и, составляющие эвтектику, не отличается от первоначально вы павших кристалликов, но механические свойства из-за разной величины зерна разные. При охлаждении эвтектического сплава III от температуры эвтектики до комнатной температуры никаких фазовых превращений с фазой не проис ходит, тогда как из пересыщенного твёрдого раствора в этом интервале тем ператур, согласно линии предельной растворимости ЕР, выделяются вторичные кристаллы твёрдого раствора компонента В в А, ().

а – структура сплава – ( + );

б – структура доэвтектического сплава ;

в – структура эвтектического сплава;

г – структура заэвтектического сплава Рисунок 2.5 – Схема структур сплава с образованием эвтектики В доэвтектическом сплаве (см. рисунок 2.5, б) эвтектическому пре вращению предшествует кристаллизация твёрдого раствора из жидкости в интервале температур точек 4-5. В результате этого выделения жидкая фаза обогащается компонентом В. В связи с этим охлаждение до температуры точ ки 5 приводит к образованию в сплаве двух фаз определённого состава Е + ЖС. Количество жидкой фазы определяется отрезком 5Е, а количество твёрдой фазы – отрезком 5С.

При эвтектической температуре точки 5 жидкая часть сплава превратится в эвтектику. При дальнейшем понижении температуры сплава будет происхо дить изменение концентрации -фазы, не только находящейся в эвтектике, но и первоначально выделившейся при охлаждении в интервале температур между точками 4-5 по линии ЕР.

Структура доэвтектического сплава, охлаждённого до комнатной тем пературы, схематично изображена на рисунке 2.5, б.

Для заэвтектического сплава кристаллизация в интервале точек 6-7 сопро вождается выделением -фазы, богатой компонентом В, что приводит к обеднению жидкого раствора этим компонентом. Состав выделяющихся кристаллов изменя ется от точки 6 до точки F, а состав жидкой фазы – от точки 6 до точки С.

При охлаждении до температуры точки 7 фазовый состав будет: Жс + F;

при этом количество -фазы определится отрезком C7, а жидкой фазы – отрез ком 7F. При температуре точки 7 жидкая фаза превратится в эвтектику (Е + F). Конечная структура сплава V показана на рисунке 2.5, г.

Все сплавы состава от точки Е до точки F содержат структурную состав ляющую эвтектику, количество которой тем больше, чем ближе состав сплава к эвтектическому составу.

2.6 Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью в твёрдом состоянии с перитектикой Диаграммы такого типа характерны для сплавов Cu-Zn, которые называ ются латунью, для сплавов Fe-C и др. (рисунок 2.6).

На этой диаграмме линия А1d В1 – линия ликвидус, линия А1СfВ1 – соли дус, линия dCf – линия перитектики, точка С – точка перитектики. Только в этой точке перитектическая реакция протекает полностью без остатка:

Жd + f = c.

Количество фаз Жd и f, необходимое для образования фазы с, определя ется соотношением отрезков Жd/f = fc/cd. При перитектическом превращении образуется новая твёрдая фаза.

Рисунок 2.6 – Диаграмма состояния сплавов твёрдых растворов с ограниченной растворимостью с перитектикой В сплавах с содержанием компонента В меньше c либо больше f, кри сталлизация приводит к образованию однофазных сплавов и соответствен но, так как в этих сплавах нет перитектического превращения.

В сплавах до- и заперитектических при температурах перитектической реакции имеет место избыток жидкой фазы или -фазы соответственно. В связи с этим в заперитектических сплавах (сплав ) перитектическая реакция закан чивается также образованием новой с-фазы, но остаётся избыток -фазы:

Жd + f c + f (ост).

В результате сплав приобретает структуру смеси, состоящей из кристалли ков двух типов: с и f (рисунок 2.7). Полу чающиеся смеси характеризуются тем, что фаза, выделившаяся ранее (-фаза), окру жена фазой, выделившейся позднее. Коли чественное соотношение фаз в такой смеси Рисунок 2.7 – Схема микроструктуры переменно: чем ближе состав сплава к пе заперитектического сплава ритектическому, тем в нём больше фазы с.

Для доперитектического сплава (сплав ) перитектическая реакция не приводит к полному затвердеванию сплава, так как наряду с вновь образовав шейся фазой существует избыточная жидкая фаза:

Жd + f = с + Жd(ост).

В интервале температур точек 2-3 из оставшейся жидкой фазы выделяют ся кристаллы - фазы. Полностью завершится кристаллизация в точке 3, причём структура сплава будет однофазная, и кристаллы, выпавшие из жидкого рас твора, под микроскопом при рабочем увеличении 200 не отличаются от кри сталлов, образовавшихся при перитектической реакции.

2.7 Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения Если компоненты, входящие в сплав, способны вступать при кристалли зации в химическое взаимодействие, то это отразится на диаграмме состояния появлением вертикальной температурной оси, соответствующей соотношению компонентов в химическом соединении.

Химическое соединение устойчиво, если при нагреве до температуры расплавления не разлагается. Неустойчивое химическое соединение при нагре ве, не доходя до температуры расплавления, разлагается, что находит отраже ние в диаграмме состояния.

На рисунке 2.8 показана диаграмма состояния с устойчивым химическим соединением Аm Вn. Точка С соответствует температуре плавления химического соединения.

На диаграмме имеются две точки эвтектики Е1 и Е2. Эвтектика Е представляет собой физико-механи ческую смесь кристаллов компонента А и химического соединения АmВn, а эвтектика Е2 – физико-механическую смесь кристаллов В и химического соединения АmВn.

Соответствующими реакция ми образования эвтектических сме Рисунок 2.8 – Диаграмма состояния с устойчивым химическим соединением сей являются:

ЖЕ1 А + АmВn, ЖЕ2 В + АmВn.

На линиях Е1С и Е2С, согласно правилу отрезков, выпадает химическое соединение АmВn. Следовательно, заэвтектические сплавы в отношении эвтек тики Е1 и доэвтектические сплавы в отношении эвтектики Е2 в твёрдом состоя нии состоят из первичных кристаллов АmВn и эвтектики Е1 или Е2.

Кристаллизация сплавов по этой диаграмме происходит аналогично рас смотренной диаграмме с эвтектикой. Отличие состоит только в том, что со гласно правилу отрезков на линии АЕ1 выпадает чистый компонент А, а на линии Е2В выпадает чистый компонент В.

Таким образом, диаграмма с химическим соединением представляет со бой как бы две простые диаграммы. Можно разделить такую диаграмму на две простые по вертикали, соответствующей химическому соединению, и анализи ровать каждую диаграмму отдельно.

2.8 Диаграммы состояния сплавов с полиморфными превращениями Большое практическое значение имеют диаграммы с полиморфными пре вращениями, так как у них имеются превращения в твёрдом состоянии, и, сле довательно, свойства сплавов можно изменить термообработкой, имеется возможность получения материалов с эффектом памяти формы.

Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением представ лена на рисунке 2.9. Используя правило отрезков для фазового анализа, видно, что после первичной кристаллизации всех сплавов данной системы в опреде лённом интервале температур образуется твёрдый раствор, который при тем пературе tэ испытывает эвтектоидное превращение:

с Е + F.

Физико-механическую смесь двух фаз, выпавшую одновременно из жидкости, называют эвтектоидом. В связи с переменной раствори мостью компонентов в твёр дых растворах и при дальнейшем охлаждении сле дуют вторичные выделения твёрдых растворов и.

Рисунок 2.9 – Диаграмма состояния сплавов Наблюдаемые в мик с полиморфными превращениями компонентов роскоп вторичные кристал- и эвтектоидным превращением лы и показаны на структурной схеме сплавов, приведённой под диаграммой на рисунке 2.9.

2.9 Связь между диаграммами состояния и свойствами сплавов Впервые на связь между видом диаграммы и свойствами сплавов указал Н. С. Курнаков. Для сплавов, образующих неограниченную растворимость в твёрдом состоянии, зависимость механических, физических свойств сплава от состава фаз изменяется по криволинейному закону (рисунок 2.10, а), а для двухфазных смесей – по прямолинейному закону (рисунок 2.10, б). Эти законо мерности указывают на то, что в однофазной структуре твёрдых растворов та кие свойства, как твёрдость НВ, удельное электрическое сопротивление, коэрцитивная сила Нс и другие, всегда выше, чем у металлов, составляющих сплав.

Инженеру-механику необходимо помнить, что только чистые металлы обладают высокой пластичностью. Введение инородного компонента в металл при сплавлении (сварке сплавлением), при напылении, при химико термической обработке и других видах обработки металла, связанных с изме нением его химического состава, приводит к изменению исходных механиче ских свойств материала.

Упрочнение при сохранении пластичности твёрдых растворов на базе чистых металлов находит широкое применение на практике. Так, при растворе нии в железе кремния и марганца (в количестве 2%) увеличивается прочность в два раза, пластичность при этом снижается всего на 10%.

А – зависимость свойств сплава с неограниченной растворимостью;

Б – зависимость свойств сплава с ограниченной растворимостью Рисунок 2.10 – Схема зависимости механических свойств сплавов от вида диаграммы состояния Большой интерес при выборе технологической обработки сплава вызы вают диаграммы состояния. Как правило, сплавы, имеющие в своей структуре эвтектику и перитектику, обладают хорошей жидкотекучестью, что влияет на выбор метода получения детали из сплава, т. е. детали из этих сплавов эконо мически выгодно получить литьём, а не давлением, соответственно, называют ся они литейными.

Сплавы, имеющие в своей структуре твёрдые растворы на основе метал ла, пластичны, хорошо обрабатываются давлением, как правило, хорошо свари ваются. Эти сплавы имеют низкие литейные свойства: плохую жидкотекучесть, склонны к образованию рассеянной пористости и трещин.

Сплавы, имеющие в своей структуре химические соединения, а особенно твёрдые растворы на базе химических соединений, отличаются высокой хруп костью, плохо свариваются и практически в машиностроении широкого приме нения не получили.

Приведённая зависимость свойств сплава от вида диаграммы состояния не учитывает форму и размер кристаллов, их взаимное расположение, темпера туру, так как диаграммы отражают равновесное состояние сплава, поэтому применение на практике этих закономерностей ограничено.

3 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, НАКЛЁП И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ 3.1 Основные механические свойства материалов Для правильного конструирования, изготовления и эксплуатации изделий необходимо знать механические характеристики материалов, из которых их из готавливают, т. е. характеристики прочности материалов в различных условиях эксплуатации. По окончании технологического производства материал подвер гают механическим испытаниям для оценки его механических свойств, по ко торым потребитель определяет пригодность материала для конкретных условий работы. Методы механических испытаний регламентированы государственны ми стандартами или ведомственными инструкциями, поэтому характеристики механических свойств материалов используются в расчётной конструкторской практике.

К основным механическим свойствам материалов относят: прочность, упругость, твёрдость, вязкость, изнашиваемость, выносливость, ползучесть и другие [3, 4].

Прочность – свойство материала сопротивляться разрушению от дейст вия напряжений.

Упругость – свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия нагрузок.

Твёрдость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого тела, не получающего остаточной деформации.

Хрупкость – свойство материала разрушаться без заметного поглощения механической энергии в необратимой форме (без заметной пластической де формации).

Вязкость – свойство материала поглощать в заметных количествах, не разрушаясь, механическую энергию в необратимой форме.

Изнашиваемость – свойство материала подвергаться поверхностному разрушению или повреждению под действием внешнего трения.

Выносливость – свойство материала выдерживать, не разрушаясь, боль шое число знакопеременных напряжений. Постепенное разрушение материала при большом числе повторно-переменных напряжений называется усталостью.

Способность материала медленно и непрерывно деформироваться при посто янном напряжении и при повышенной температуре называется ползучестью.

3.2 Виды напряжений. Упругая и пластическая деформация При эксплуатации машин и механизмов детали конструкций испытывают различные виды напряжений, при этом приложенные к материалу детали на пряжения вызывают деформации, изменяющие форму и размеры металличе ского тела. Деформация, исчезающая после снятия нагрузки, называется упругой. Деформация, остающаяся после снятия нагрузок, называется пласти ческой. Причём начальные деформации всегда являются упругими, величины их всегда находятся в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приве дённой на диаграмме растяжения (рисунок 3.1), упругая деформация характе ризуется линией ОА и её продолжением (пунктир). Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжения вызы вают не только упругую, но и остаточную, пластическую деформацию.

При упругой деформации смещение атомов незначительно, и они после снятия нагрузки возвращаются в исходное положение. При пластической де формации происходит необратимое смещение атомов без разрушения металла.

Физическая сущность пластической деформации монокристалла (единич ного кристалла) заключается в том, что напряжения вызывают перемещение дислокаций (см. рисунок 1.4-1.5), при которых верхняя часть одного зерна сдвигается по отношению к другой части и является как бы его зеркальным от ражением. Такую деформацию называется двойникованием. Любой процесс деформации при возрастании напряжений до предельных величин заканчивает ся хрупким или вязким разрушением.

3.3 Определение механических свойств, общая характеристика методов испытаний материалов Под механическими свойствами подразумевают характеристики, как говори лось выше, определяющие поведение металла или сплава под действием прило женных внешних механических сил. К механическим свойствам металла обычно относят прочность, под которой понимают сопротивление материала деформации и разрушению, и пластичность, т. е. способность металла к остаточной деформации (остающейся после удаления деформирующих сил) без разрушения.

В результате механических испытаний получают числовые значения ме ханических свойств, т. е. значения напряжений и деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояния материала.

Поведение материала конструкции в конкретных условиях эксплуатации зависит от его механических свойств;

так как условия эксплуатации могут быть различные, то и механические свойства определяются в различных условиях испытаний. По этой причине применяют принципиально различающиеся мето ды определения механических свойств: 1) на образцах;

2) на готовых деталях.


В испытаниях первой группы используют образцы определённой и постоян ной формы и размеров. Для большинства они установлены стандартами, то есть в этих испытаниях механические свойства определяются в условиях одинакового на пряжённого состояния. Данные о числовых значениях механических свойств наи более распространённых материалов можно найти в стандартах, в различных справочниках, монографиях. Необходимо, однако, учитывать, что в зависимости от конструкции детали материал воспринимает более сложное напряжённое состоя ние, что отражается на механических свойствах.

Кроме того, в указанных испытаниях используются образцы небольшого сечения. Между тем в крупных деталях встречается больше пороков материала (ликвации, поры, трещины и т. д.), понижающих механические свойства.

В испытаниях второй группы, называемых натурными и проводимыми на готовых деталях, определяется поведение материала в условиях того напряжён ного состояния, которое максимально соответствует конкретным условиям экс плуатации материала. Такие испытания проводятся на специально оборудованных стендах, установках. Так проверяют шестерни редукторов, мно гие коленчатые валы ответственного назначения, двигатели в тракторах и т. п.

Эти испытания проводятся, как правило, на заводах-изготовителях, они очень длительны и требуют больших затрат. Полученные данные нельзя использовать для других деталей из этого же материала, работающих в иных условиях экс плуатации, и при изменении вида напряжённого состояния.

Материалы, используемые для тяжелонагруженных и ответственных де талей и механизмов, подвергают не одному, а нескольким видам испытаний, в которых возникающие напряжённые состояния оказываются различными. Эти испытания выполняются в условиях как статического, так и динамического на гружения, а также при переменных нагрузках.

3.4 Статические испытания Статическими называют испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. Существует несколько способов опре деления механических свойств материала в условиях статического нагружения.

К таким испытаниям относят испытания на растяжение, сжатие, изгиб, опреде ление твёрдости.

Различные напряжённые состояния принято оценивать коэффициентом жесткости –.

= max / S max, max – наибольшее касательное напряжение;

Smax – наибольшее приведён где ное нормальное (растягивающее) напряжение.

Чем выше значения растягивающих напряжений Smax по сравнению с ка сательными, тем меньше значение и тем более жёсткое испытание.

Жёсткость испытаний определяется не только коэффициентом жёсткости, но и свойствами того материала, который испытывают. Материалы с высокой пластичностью испытываются на растяжение, и этот метод испытаний является мягким, а у хрупких материалов, таких как чугун, при этом испытании проис ходит хрупкое разрушение, и этот метод испытаний для них является жёстким.

Испытания на растяжение. Применяется для конструкционных сталей, цветных металлов, их сплавов и позволяет определить сразу несколько важных характеристик материала, его качество и другие необходимые данные для кон структорских расчётов.

Для испытаний используют образцы, определённые стандартом (ГОСТ 1497–95). Испытания проводят на машинах, записывающих диаграмму растяжения (рисунок 3.1).

Кривая 1 характеризует поведение (деформацию) материала под действи ем напряжений, величина которых является условной (G). Её вычисляют деле нием нагрузки Р в данный момент времени на первоначальную площадь поперечного сечения образца F0 (G = P / F0, МПа).

Кривая 2 описывает поведение (деформацию) металла под действием на пряжений S, величина которых является истиной. Её вычисляют делением на грузки Р в данный момент времени на площадь поперечного сечения образца в этот же момент времени.

При испытаниях на растяжение обычно пользуются диаграммой услов ных напряжений. Как видно из рисунке 3.1, а, до точки А деформация пропор циональна напряжению. Напряжения, соответствующие точке А, называют пределом деформации, т. к. до этой точки материал испытывает упругую де формацию. Напряжения, вызывающие остаточную деформацию, равную 0,2%, называют условным пределом текучести (G0,2). На практике предел текучести чаще всего выбирают как показатель прочности материала. Предел текучести характеризует сопротивление материала малым и умеренным деформациям.

Дальнейшее нагружение материала приводит к более значительной пластиче ской деформации. Напряжения, отвечающие наибольшей нагрузке, предшест вующей разрушению образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочности материала GВ (рисунок 3.1, а).

Тангенс угла наклона прямой ОА к оси абсцисс характеризует модуль уп ругости материала Е = G / ( – относительная деформация). Модуль упругости Е определяет жёсткость материала, интенсивность увеличения напряжений по мере увеличения упругой деформации.

а – растяжения материала для условных ( –– ) и истинных (----) напряжений;

б – истинные напряжения.

І – область упругой деформации;

ІІ – область пластической деформации;

ІІІ – область развития трещины Рисунок 3.1 – Диаграммы растяжения материала Физический смысл модуля упругости сводится к тому, что он характери зует сопротивляемость материала упругой деформации, т. е. смещению атомов из положения равновесия в решётке. Модуль упругости лишь весьма незначи тельно зависит от структурного состояния металла. Все другие механические характеристики являются структурно чувствительными и зависят от структуры, т. е. от обработки материала весьма значительно. При испытаниях на растяже ние определяют, кроме того, характеристики пластичности. К ним относятся относительное удлинение:

= (l k l 0 ) / l 0 100%, где l0 и lк – длина образца до и после разрушения, и относительное сужение:

= ( F0 Fk ) / F0 100%, где F0 и FК – площадь поперечного сечения образца до и после разруше ния соответственно.

Для стали и других конструкционных материалов, используемых в лесной промышленности, испытания на растяжение являются основными, и они чаще применяются, чем другие виды нагружения.

Очень часто для определения прочности пользуются простым, не разру шающим изделия методом – измерением твёрдости.

Под твёрдостью материала понимают сопротивление проникновению в него постороннего тела, т. е. по сути дела твёрдость тоже характеризует сопро тивление деформации. Существует много методов и способов определения твёрдости материала. В лесопромышленной области наиболее распространены метод Бринеля и метод Роквелла (рисунок 3.2, а, б).

а – по Бринеллю;

б – по Роквеллу;

в – по Виккерсу Рисунок 3.2 – Схема определения твёрдости По методу Бринелля, в испытуемое тело под действием силы Р внедряет ся шарик диаметром D. Число твёрдости по Бринеллю HB есть нагрузка P, де лённая на сферическую поверхность отпечатка (с диаметром d). Методом Бринелля измеряется твёрдость как твёрдых, так и мягких материалов.

По методу Роквелла (рисунок 3.2, б), индикатором служит алмазный ко нус или маленький стальной закалённый шарик. Числом твёрдости называется величина, обратная глубине вдавливания (h). Имеются три шкалы. При испыта нии алмазным конусом при P = 150 кгс получаем твёрдость HRC, то же при Р = 60 кгс – HRA и при вдавливании стального шарика при Р = 100 кгс – HRB.

При методе Виккерса (рисунок 3.2, в) вдавливается алмазная пирамида, и, измерив диагональ отпечатка (d), судят о твёрдости (HV).

Метод НRВ применяют для мягких материалов, НRС – для твёрдых мате риалов, метод НRА и НV – для тонких слоёв (листов).

Между методами существует корреляция, хотя и не очень точная, напри мер твёрдость закалённой стали, определённой методом Бринелля НВ600, при близительно равна НRС60, т. е. для закалённой твёрдой стали перевод осуществляется простым делением на 10. Необходимо отметить, что для более точного перевода существуют специальные переводные таблицы, которые имеются в справочной литературе.

Число твёрдости, по Бринеллю, примерно в три раза меньше, чем предел прочности GВ. Другими словами, если НВ350, то предел прочности (GВ) при мерно равен 1050 МПа. Этот пересчёт неточный (ориентировочный) и непри меним для хрупких материалов;

возможны отклонения, правда, редко превышающие 10%.

Описанные методы определения твёрдости характеризуют среднюю твёрдость сплава.

3.5 Механические свойства, определяемые при динамических испытаниях Для определения надёжности материала проводят испытания на изгиб.

Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность материала к хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца с концентрато ром напряжений по середине одним ударом маятникового копра (рисунок 3.3).

В зависимости от геометрического профиля надреза канавки (рису нок 3.3, б), которая является концентратором напряжений, в образце создаются различной степени напряжения. Ударная вязкость обозначается (ГОСТ 9454–95) буквами КСV, КСТ и КСU. Первые две буквы КС обозначают символ ударной вязкости, третья буква V, Т, U – вид концентратора (U – радиус концентратора 1 ± 0,07 мм, V – радиус 0,25 ± 0,025 мм, Т – трещина). Размерность – КС, Дж /м2.

Образец устанавливают на двух опорах, затем наносят удар по его сере дине (рисунок 3.3, б) со стороны, противоположной надрезу. Работа, затрачен ная на разрушение образца (рисунок 3.3, а), АН = Рh1 (cos – cos), где Р – масса маятника, кг;

h1 – расстояние от оси маятника до его центра тяже сти, м;

– угол подъёма маятника после разрушения образца;

– угол подъёма маятника перед ударом.

1 – маятник;

2 – образец;

3 – шкала;

4 – стрела;

5 – тормоз Рисунок 3.3 – Схема маятникового копра (а) и образца при испытании (б) Формула даёт возможность подсчитать АН по измеренным углам и (Р и h – постоянные для данного копра).

В пластичном состоянии у металла КСV 50-70 Дж/м2, в хрупком со стоянии КСV 10-20 Дж/м2.

Долговечность материала определяют испытанием на усталость, ползу честь, износ, коррозию и другими методами.


Длительное воздействие на металлические конструкции повторно переменных (циклических) нагрузок (рисунок 3.4, а) может привести к образо ванию трещин и разрушению даже при напряжениях ниже G0,2.

Постепенное накопление повреждений в материале под действием знако переменных нагрузок, приводящее к образованию трещин и разрушений, назы вается усталостью, а способность материала сопротивляться усталости называется выносливостью. При усталостном разрушении в изломе можно вы делить две зоны: зону усталости, которая имеет гладкую притёртую поверх ность излома (рисунок 3.5, поз. 2), и зону долома (рисунок 3.5, поз. 3), которая имеет структуру, характерную для хрупкого или вязкого разрушения при одно кратных нагрузках (статических или ударных).

Рисунок 3.4 – Схема испытаний на усталость (а) и диаграмма циклического изменения напряжений (б) Зона усталости (рисунок 3.5, поз. 2) образуется постепенно. На начальной стадии приложения статистических нагрузок на поверхности образуется боль шое количество трещин, но растёт только одна, которая имеет достаточно большую длину и острую вершину. Поражённая трещинами часть сечения не несёт нагрузки, она перераспределяется на оставшуюся часть, где снова повто ряется этот цикл. В зоне усталости можно видеть полосы («бороздки») (рису нок 3.5, а), отражающие последовательное продвижение трещины в глубь металла.

а – схема излома;

б – макроструктура излома;

1 – очаг зарождения трещины;

2 – излом;

3 – зона долома Рисунок 3.5 – Излом при усталостном разрушении Скорость роста трещины незначительна, она растёт до тех пор, пока сече ние не окажется столь малым, что действующие в нём напряжения превысят разрушающие. Тогда происходит мгновенное разрушение, и образуется вторая зона – зона долома.

Испытание на усталость проводят согласно ГОСТу 12860–95 для опреде ления предела выносливости, под которым понимают наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит уста лостного разрушения образца после произвольно большого или заданного чис ла циклов нагружения.

Цикл напряжения – это совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. За максимальное Gmax и минимальное Gmin на пряжения цикла принимают наибольшее (наименьшее) по алгебраической ве личине напряжение. Цикл характеризуется коэффициентом асимметрии RG = Gmin /Gmax. Если RG = –1, то цикл называют симметричным (рисунок 3.4, б).

Если Gmax и Gmin не равны по величине, то цикл называют асимметричным.

Предел выносливости обозначается GR (R – коэффициент асимметрии цикла), а при симметричном цикле – G-1. Предел выносливости чаще определяют на вра щающемся образце (рисунок 3.4, а) с приложением изгибающей нагрузки по сим метричному циклу. Усталостное разрушение происходит в три этапа: постепенное накопление напряжений до возникновения трещины (рисунок 3.5) – зона I, распро странение трещины – зона II, долом – зона III. Важно при работе в зоне ограничен ной выносливости (выше G-1), чтобы время до зарождения трещин (зона I) было бы возможно большим и чтобы зона II была бы возможно шире, чтобы можно было обнаружить трещину и снять деталь с эксплуатации.

Наличие на поверхности детали напряжений сжатия затрудняет процесс образования трещин усталости и расширяет время до разрушения в зоне огра ниченной выносливости (повышает так называемую «живучесть» детали).

Наоборот, концентраторы напряжений (в том числе даже шероховатость поверхности), создавая напряжения сжатия, понижают предел выносливости и живучесть.

Другой вид постепенного разрушения – это износ, который является следствием трения двух поверхностей. В процессе трения у менее стойкого ма териала происходит отрыв отдельных частиц. Важное значение при износе име ет не только твёрдость материала, но и химическое и физическое взаимодействие материала трущихся пар.

И в этом случае, как и во многих других, но при износе особенно, лабора торные испытания неадекватны натурным.

3.6 Наклёп Вернёмся к диаграмме растяжения (рисунок 3.1, а). Если нагрузка не пре высила значения точки А (условный предел текучести), то после её устранения изменений в металле не произойдет, но если нагрузка превысила предел теку чести, то после снятия нагрузки останется деформация, что соответствует об ласти II – области пластической деформации. Если затем опять нагружать ме талл, то способность его к пластической деформации уменьшится, предел текучести увеличится, т. е., чтобы вызвать пластическую деформацию, следует приложить большие напряжения. Упрочнение металла под действием пласти ческой деформации называется наклёпом, или нагартовкой.

Из сказанного выше известно, что перемещение дислокаций в металле происходит при пластической деформа ции. Пара движущихся дислокаций по рождает сотни и сотни новых дислокаций, в результате этого плот ность дислокаций повышается, что при водит к упрочнению металла.

Качественная зависимость предела прочности (GВ) от плотности дислокаций показана на рисунке 3.6.

С увеличением деформации уве личиваются прочность и твёрдость, од Рисунок 3.6 – Влияние пластической нако снижаются пластичность и деформации на механические вязкость. Это связано с нарушением свойства стали кристаллического строения при наклёпе (нагартовке). Удельное электросопротивление при наклепе повышается на 2-6% у чистых металлов, на 10-12% – у твёрдых растворов и более чем в 2 раза – у упорядоченных твёрдых растворов (связано с нарушениями кристаллической решётки, которые препятствует перемещению электронов). С ростом степени деформации возрастает коэрцитивная сила, понижается магнитная проницае мость, остаточная индукция и плотность металла.

Металл после наклёпа легче растворяется в кислотах, становится химиче ски более активным и менее коррозионностойким, появляется склонность к коррозионному растрескиванию, так как нагартовка значительно уменьшает ве личину сцепления атомов и облегчает их отрыв от кристаллической решётки.

При больших степенях деформации в результате образования текстуры деформации (закономерной ориентировки кристаллитов относительно внешних деформационных сил) проявляется анизотропия механических и магнитных свойств.

Упрочнение при наклёпе широко используют для повышения механиче ских свойств деталей, изготовленных методами холодной обработки давлением.

Очень часто для повышения сопротивления усталости проводят поверхностный наклёп деталей конструкции. Понижение пластичности при наклёпе использу ют для улучшения обрабатываемости резанием вязких и пластичных материа лов (алюминиевых сплавов, латуней и др.).

3.7 Влияние нагрева на структуру. Свойства холоднодеформированных металлов и сплавов Пластическое деформирование придаёт металлу неустойчивое состояние из-за искажения кристаллической решётки и появления внутренних напряже ний. Наклёпанный металл претерпевает внутренние превращения даже при комнатной температуре, возвращающие металл в равновесное, более устойчи вое состояние. Для ускорения этих превращений металл нагревают до темпера туры рекристаллизации (Тр), температуры, когда начинают устраняться остаточные напряжения кристаллической решётки:

Тр = аТпл, где а – коэффициент чистоты металла;

Тпл – абсолютная (термодинамическая) температура плавления металла (в градусах Кельвина).

При нагреве до этих температур, вследствие повышенной подвижности атомов и увеличения свободной энергии металла, происходит частичное вос становление механических свойств в результате снятия остаточных искажений кристаллической решётки без заметных изменений структуры. Такое явление называется отдыхом, или возвратом.

При более высоких температурах нагрева вместо деформированных, вы тянутых зёрен постепенно образуются новые кристаллы – равноосные. При этом металл полностью разупрочняется, механические и физико-химические свойства его достигают исходных значений. Такой процесс называется рекри сталлизацией. На рисунке 3.7 показана зависимость механических свойств де формированного металла от температуры нагрева, а также схема изменения структуры металла при нагревании.

Как видно из рисунка 3.7, до температуры tп. р сохраняется деформиро ванное зерно;

при более высоких температурах в старых зёрнах возникают но вые зёрна в виде зародышей, которые растут, образуя равноосные кристаллы с ненапряжённой решёткой. Необходимо отметить, что при нагреве наклёпанного металла образуется новое зерно, размеры которого могут существенно отли чаться от исходного. Окончательный размер зерна зависит от температуры на грева и времени выдержки при нагреве.

Рисунок 3.7 – Влияние нагрева на механические свойства и структуру металла, упрочнённого деформацией Температура начала рекристаллизации зависит от природы металла, сте пени его наклёпа и других факторов. Чем больше степень деформации, тем ни же, как правило, температура начала процессов рекристаллизации. По данным академика А. А. Бочвара, температура рекристаллизации равна: для чистых ме таллов – Тр = (0,3 – 0,4) Тпл, для сплавов – Тр = (0,6 – 0,8) Тп.

Размер зерна после рекристаллизации зависит от температуры нагрева, времени выдержки при нагреве, степени предшествующей пластической де формации. Чем выше температура нагрева при рекристаллизации, тем крупнее зерно. Степень деформации, при которой получаются крупные рекристаллизи рованные зёрна, называют критической.

Изменение зерна в зависимости от степени предшествующей пластической деформации объясняется различным механизмом их образования. Увеличение степени деформации приводит к росту плотности дислокаций преимущественно в объёмах, прилегающих к границам зёрен. При небольшой степени деформации плотность дислокаций возрастает незначительно, что практически не влияет на размер зерна после рекристаллизации. При критических значениях степени де формации плотность дислокаций на границах зёрен достигает такого значения, когда возможно взаимное уничтожение дислокаций. Это способствует постепен ному уменьшению дислокаций на границах зёрен и, следовательно, слиянию не скольких мелких зёрен в одно большое. Необходимо отметить, что механизм образования новых кристаллов и рост новых зёрен происходит так же, как и при первичной кристаллизации, т. е. этот процесс перекристаллизации подчиняется всем законам первичной кристаллизации из жидкости.

Зависимость между размером зерна, температурой нагрева и степенью деформации изображают в виде диаграмм рекристаллизации (рисунок 3.8, рисунок 3.9).

Рисунок 3.8 – Полная диаграмма рекристаллизации алюминия а – скорость прогрева 7°С/мин.;

б – температура нагрева 1080°С Рисунок 3.9 – Диаграмма рекристаллизации жаропрочного никелевого сплава Эти диаграммы дают возможность в первом приближении выбрать режим рекристаллизационного отжига. Следует отметить, что данные диаграммы не учитывают ряд факторов, таких как: влияния примесей, скорость нагрева, вели чины зерна до деформации. Чем больше скорость нагрева, тем мельче зерно.

При уменьшении размера исходного зерна повышается критическая степень деформации, и рекристаллизованное зерно (при данной степени деформации) оказывается мельче.

Многие металлы можно пластически деформировать в холодном состоя нии, т. е. при температурах ниже температуры рекристаллизации, и в горячем состоянии, заканчивая процесс деформации, – выше этой температуры. Эти два способа по-разному влияют на структуру и свойства деформированного метал ла. После холодной деформации структура напряжённая, волокнистая, металл упрочняется, а его вязкость и пластичность ухудшаются. В таком состоянии металл термодинамически неустойчив, так как обладает повышенным запасом свободной энергии. Последующий нагрев позволяет вернуть металл в более ус тойчивое состояние, что связано с разупрочнением.

Горячая деформация улучшает свойства металла: повышает его плот ность, завариваются усадочная и газовые раковины, уничтожается дендритная структура.

Когда металл после горячей деформации имеет частично рекристаллизо ванную структуру, то такую деформацию называют неполной горячей, или тёп лой. Это происходит тогда, когда окончание деформации происходит несколько ниже температуры рекристаллизации.

4 ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ 4.1 Компоненты и фазы в системе «железо-углерод»

В системе «железо-углерод» различают следующие фазы: жидкий рас твор, твёрдые растворы, неустойчивое химическое соединение карбида железа (Fе3C) и графит.

Сплавы железа и углерода в зависимости от условий кристаллизации об разуют два вида диаграмм: стабильную диаграмму «железо-графит» и метаста бильную «железо-карбид железа». В метастабильной диаграмме при нагреве карбид железа, не доходя до температуры плавления, распадается на графит и жидкую фазу. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов широко ис пользуется в практике работы инженера-механика как при разработке техноло гических процессов, так и при решении конструкторских задач.

Железо и углерод обладают явлением полиморфизма. Углерод может существовать в двух модификациях. Стабильной при комнатной температу ре для углерода является кристаллическая решётка Г6, называемая графи том, метастабильной является решётка алмаза. Такая модификация углерода называется алмазом.

Железо при комнатной температуре имеет решётку К8 и называется -железом (Fe). Эта модификация в равновесном состоянии существует до темпе ратуры 910°С, при этой температуре она перестраивает решётку на К12, и железо с решёткой К12 называется -железо (Fe). Такая решётка сохраняется у железа до температуры 1400°С, при которой оно перестраивает решётку на К8 и снова назы вается -железо. Такая решётка сохраняется у железа до температуры плавления.

Механические свойства технически чистого железа характеризуются сле дующими свойствами:

предел прочности при растяжении (Gвр), МПа………. 250;

предел текучести при растяжении (G02), МПа……….. 120;

удлинение (), % ………………………………………. 50;

сужение (), % …………………………………………. 85;

твёрдость НВ…………………………………………….. 80.

Эти показатели могут колебаться в некоторых пределах, так как на свой ства металла могут влиять некоторые факторы, например размер зерна.

Железо до температуры 768°С магнитно, выше этой температуры – не магнитно, то есть при температуре 768°С происходит потеря магнитных свойств у чистого железа и у его сплавов.

При сплавлении железа и углерода образуется ряд химических соедине ний, поэтому диаграмма «железо-углерод» разбивается на ряд диаграмм. Наи больший практический интерес представляет часть диаграммы, заключённая между железом и карбидом железа – Fe3C (который образуется при следующем соотношении компонентов: 6,67% – углерод, остальная часть – чистое железо).

Химические соединения, как ранее отмечалось, отличаются повышенной хруп костью и высокой твёрдостью. Это характерно и для карбида железа.

Цементит – неустойчиво химическое соединение карбида железа – Fe3C – с твёрдостью НВ800. При нормальных условиях он до температуры 210°С сла бо магнитен, кристаллизуется в сложную плотноупакованную решётку, под микроскопом виден в виде светлых зёрен.

Феррит (Ф) – твёрдый раствор углерода в -железе, максимально раство ряется при температуре 727°С в количестве 0,025%;

минимально растворяется при комнатной температуре – 0,01%. Феррит под микроскопом виден в виде полиэдрических зёрен светлого цвета – эта фаза пластичная, со следующими механическими свойствами: Gв = 300 Мпа;

= 40%;

= 70%;

KCU = 2,5 МДж/м2;

НВ80-100. Феррит имеет кристаллическую решётку К8.

Аустенит (A) – твёрдый раствор углерода в -железе. Максимально рас творяется углерод в аустените до 2,14% при температуре 1147°С, кристалличе ская решётка К12. Аустенит пластичен, но имеет более высокую прочность по сравнению с ферритом (НВ160-200).

4.2 Фазовый анализ диаграммы «железо-углерод»

Диаграмма состояния «железо-углерод» в интервале концентраций от же леза до цементита представлена на рисунке 4.1. Ось абсцисс (концентрацион ная) на этом рисунке двойная: верхняя ось соответствует содержанию углерода в сплавах в % (по массе), нижняя соответствует содержанию цементита.

Линия ABCD – ликвидус первичной кристаллизации. Линия AHJECF – солидус первичной кристаллизации, линия ECF – линия эвтектики.

Так как железо имеет две полиморфных модификации Fe и Fe с темпе ратурой превращения 910°С, то при сплавлении железа с углеродом эта темпе ратура понижается и соответствует линии GSK – линии начала полиморфного превращения в железоуглеродистых сплавах. Линией окончания полиморфных превращений, соответственно, будет являться линия GPSK.

Рисунок 4.1 – Диаграмма «железо-углерод»

Линия SE образована предельной растворимостью углерода в железе-;

предельной растворимостью углерода в железе- объясняется появление линии PQ на диаграмме «Fe-C».

Так как и полиморфные превращения, и предельная растворимость ком понентов в твёрдом состоянии носят характер вторичной кристаллизации, то линия GSE называется линией ликвидус вторичной кристаллизации, а линия GPSK – солидус вторичной кристаллизации.

Три горизонтальные линии на диаграмме (HJB, ECF, PSK) указывают на протекание трёх нонвариантных реакций.

При температуре 1499°С (линия HJB) протекает перитектическая реакция:

Жс + Фн АJ.

В результате перитектической реакции образуется аустенит. Реакция эта наблюдается только в сплавах с содержанием углерода от 0,1 до 0,5%. При тем пературе 1147°С (линия ECF) протекает эвтектическая реакция:

Жс АЕ + Ц.

В результате этой реакции образуется эвтектическая смесь.

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом.

Реакция происходит у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих уг лерода более 2,14%.

При температуре 727°С (линия PSK) протекает эвтектоидная реакция:

AS (Фр + Ц) = ПЕРЛИТ.

Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом. Эта структура имеет слоистое строение, как перламутр, поэтому получила такое на звание. Под микроскопом при большом увеличении видны тонкие пластины феррита и цементита, чередующиеся между собой. При рабочем увеличении (200 крат) пластины сливаются друг с другом, и перлит под микроскопом виден в виде тёмного зерна.

При анализе диаграммы «железо-углерод» удобнее разделить её на части, так как при ближайшем рассмотрении легко можно выделить верхний левый участок, соответствующий перитектическому превращению;

нижний левый угол соответствует эвтектоидному превращению, а правый верхний участок со ответствуют эвтектическому превращению.

На рисунке 4.2 показан левый верхний участок диаграммы «железо углерод» (в области перитектического превращения).

Рисунке 4.2 – Часть диаграммы состояния «Fe-C».

Первичная кристаллизация малоуглеродистых сплавов Рассмотрим кристаллизацию сплава концентрации К1, содержащего угле рода менее 0,1%. Кристаллизация начнётся в точке 1, закончится в точке 2. При анализе состава выпавших кристаллов применяем правило отрезков, для этого через точку а проводим прямую. Концентрация жидкости определится проек цией точки с на ось концентраций, а твёрдой фазы – проекцией точки b;

коли чество твёрдой фазы определится отношением отрезков ас/bc;

количество жид кой фазы – ba/bc. Состав жидкой фазы при кристаллизации сплава от точки 1 до точки 2 изменяется по линии ликвидус, а твёрдой фазы – по линии солидус.

В точке 2, в которой кристаллизация заканчивается, и ниже точки 2 нахо дится твёрдый раствор углерода в -железе, т. е. феррит. Так как линия NH вы звана началом полиморфного превращения высокотемпературного -железа в железо, то в точке 3 сплав вновь испытывает полиморфное превращение фер рита в аустенит. Концентрация фаз изменяется в соответствии с положением линий HN и JN.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.