помечены, и потому этот метод называют иногда методом меченых атомов.

помечены, и потому этот метод называют иногда методом меченых атомов.

Меченые атомы во всех процессах, протекающих в металле, ведут себя так же, как и нерадиоактивные. Поэтому они позволяют просле­дить за процессами, происходящими в металлах при их получении и обработке. Например, для изучения характера распределения элемен­тов при кристаллизации металла в него при выплавке вводят некото­рое количество радиоактивного изотопа того элемента, распределение которого изучают. Изготовленный из этого металла микрошлиф при­водят в контакт с эмульсией фотопленки. Излучение радиоактивных изотопов засвечивает участки фотопленки. После фотографической об- <! работки получается негатив, который с помощью микроскопа увели-чивают и получают микрорадиограмму (рис. 1.20).

Широкое распространение получили методы изучения с помощью | меченых атомов процессов диффузии в сплавах.

ГЛАВА 2

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

*fe

§ 2.1. Упругая и пластическая деформация

Механической деформацией называется изменение размеров и фор­мы изделия под действием приложенных сил. Деформация бывает упругой, исчезающей после прекращения действия внешних сил, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

При упругой деформации под действием приложенной нагрузки расстояние между атомами в кристаллической решетке изменяется.

При растяжении атомы удаля­ются друг от друга, а при сжа­тии сближаются. Изменение межатомного расстояния мало, и после снятия нагрузки сме­щенные атомы под действием сил притяжения (после растя­жения) или отталкивания (после сжатия) становятся на свои места.

При пластической деформа­ции происходит скольжение

(сдвиг) одной части кристалла относительно другой как результат перемещения атомов по определенным плоскостям кристаллической решетки.

Для того чтобы сдвиг произошел путем одновременного смещения одной части кристалла относительно другой (рис. 2.1, а), потребова­лось бы усилие, в сотни раз выше, чем при деформировании реального металла. Рассмотрим, как происходит процесс скольжения в реальном металле и почему реальная прочность металла значительно ниже тео­ретической.

Рис. 2.1. Схемы пластического сдвига

"Теоретическая прочность

Прочности усоВ

Как было указано, кристалл реального металла имеет ряд несовер­шенств — дислокаций; пластический сдвиг в реальном кристалле есть процесс перемещения дислокаций. На рис. 2.1, б показана схема сдви­говой деформации, из которой видно, что перемещение дислокации через весь кристалл приводит к смеще­нию (сдвигу) соответствующей части кристалла на одно межатомное расстоя­ние. В реальном металле число дислока­ций очень велико. Образование дислока­ций требует значительной энергии, но на их перемещение энергии затрачивается мало. Таким образом, процесс скольже­ния в кристалле реального металла происходит не путем одновременного сдвига всей атомной плоскости, а путем перемещения дислокаций вдоль плоско­сти скольжения.

Если в кристалле нет дислокаций, то он обладает весьма высокой прочно­стью, близкой к теоретической. Это до­казано на примере бездислокационных кристаллов в виде очень тонких нитей, называемых нитевидными кристаллами

или усами. Малые размеры нитевидных кристаллов (толщина до 2 мкм и длина до 10 мм) ограничивают их практическое примене­ние. В кристаллах же больших размеров появляются дислокации, и

Лиспа, дислокаций

Рис. 2.2. Зависимость прочности кристалла от числа дислокаций

Рис. 2.3. Влияние пластической деформации на микрострук-* туру металла:

а ^ до деформации; б —• после деформации

прочность их резко снижается. G увеличением в металле числа дис­локаций (рис. 2.2) прочность сначала понижается, а затем повыша­ется. Упрочнение металла при избытке дислокаций объясняется тем, что они препятствуют перемещению друг друга и затрудняют пластическую деформацию.

Способами упрочнения, увеличивающими число дислокаций, яв­ляются термическая и термомеханическая обработка, а также холод­ная пластическая деформация. Упрочнение металла в результате хо­лодной деформации называется наклепом. При наклепе повышаются прочность и твердость, но понижается пластичность. Большая степень деформации приводит к изменению формы и соотношения размеров зерен (рис. 2.3).

§ 2.2. Методы испытания механических свойств металлов

В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств металлов делят на три группы:

статические, когда нагрузка возрастает медленно и плавно: испы­тания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость;

динамические, когда нагрузка возрастает с большой скоростью: испытание на ударный изгиб;

циклические, когда нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по значению: испытание на усталость.

ГТ]л 1

Со 4'

Рис. 2.4. Образцы для испытания на

растяжение (/„ — начальная расчетная

длина образца)

Рис. 2.5. Схема испытательной маши­ны с механическим приводом:

/ — подвижной груз; 2 — рычаг; 3 ч» образец; 4 — нагружающий механизм

Необходимость проведения различных видов испытаний опреде­ляется различием в условиях работы деталей машин, инструментов и других металлических изделий. Методы соответствующих механи­ческих испытаний установлены государственными стандартами.

Испытание на растяжение. Для испытания на растяжение приме­няют цилиндрические или плоские образцы (рис. 2.4). Испытание об­разцов проводят на разрывных машинах с гидравлическим или меха­ническим приводом, (рис. 2.5). Машины снабжены устройством, автома­тически записывающим диаграмму растяжения.

Образец растягивают на машине, прикладывая к нему некоторую нагрузку F. Чтобы результаты опыта не зависели от размеров образца, а определялись только свойствами материала, диаграмму растяжения строят в- относительных координатах. По оси ординат откладывают растягивающие напряжения а ==' F/S0, где S0 — начальная площадь поперечного сечения образца. По оси абсцисс откладывают относи­тельную деформацию к = Л///0, где А/ — изменение длины образца;] /о — начальная его длина.

Рис..2.6. Диаграмма растяже­ния

Типичный вид диаграммы растяжения образца из пластичного ма­териала показан на рис. 2.6. От начала нагружения до точки 0„ц зависимость прямая, т. е. удлинение пропорционально прилагаемой нагрузке. Напряжение, соответствующее точке 0ПЦ, называется преде­лом пропорциональности. Если нагрузка вызывает в образце напря­жение а < 0ПЦ, то после снятия нагрузки образец полностью восста­навливает первоначальные размеры. При приложении несколько боль­шей нагрузки график зависимости теряет прямолинейность. Если теперь снять нагрузку, то образец окажется длиннее, чем до опыта, т. е; в нем возникнет остаточная дефор­мация (удлинение). Напряжение, при котором относительное остаточное удли­нение A/// sc 0,001 -=- 0,005, называется пределом упругости 0у..

При дальнейшем росте нагрузки кри­вая на диаграмме растяжения для боль­шинства металлов имеет горизонталь­ный участок, т. е. деформация увели­чивается при постоянном напряжении. Металл как бы течет, поэтому напряже­ние, соответствующее горизонтальной площадке, называется пределом теку­чести 0Т. У некоторых металлов на диаграмме площадка текучести отсутствует, и за предел текучести при­нимают напряжение 0ог, при котором остаточное удлинение Л/// = = 0,2 %.

Еще большее повышение нагрузки вызывает рост напряжений в об­разце, которые достигают максимального значения, называемого пре­делом прочности (временным сопротивлением) ств. При этом напряже­нии на образце образуется «шейка» (местное утоныпение) и, хотя на диаграмме напряжение уменьшается, действительные напряжения з области шейки растут, и в точке сгк происходит разрыв образца.

Кроме того, при испытании на растяжение определяют характери­стики пластичности — относительное удлинение (после разрыва)

6=Ц_1°.юо

<о

и относительное сужение (после разрыва)

.4 = ^^-100, ' '*

°

выражаемые в процентах. Здесь 5К — площадь поперечного сечения образца, после разрыва.

Испытание на твердость. Под твердостью понимают сопротивление испытуемого металла вдавливанию в него металлического или алмаз­ного наконечника. Определение твердости является наиболее часто применяемым методом испытания металлов. Для определения твер­дости не требуется изготовления специальных образцов, т. е. испыта­ние может проводиться на реальной детали без ее разрушения. Для

этой цели применяют несложные по устройству и простые в обраще­нии приборы.

Испытание на твердость по Бринел л ю. В по­верхность испытуемого металла с определенной силой вдавливают стальной закаленный шарик диаметром 1; 2; 2,5; 5 и 10 мм (рис. 2.7, а). В результате на поверхности металла получается отпечаток'(лунка). Число твердости по Бринеллю НВ — характеризуется отношением нагрузки, действующей на шарик, к поверхности отпечатка:

9,88 " 9,8я£> (О

где F — нагрузка на шарик, Н; S — поверхность отпечатка, ммй; D — диаметр вдавливаемого шарика, мм; d — диаметр отпечатка, мм.

Рис. 2.7. Схемы определения твердости: о s^ по Бринеллю; 6 -^ по Роквеллу; в — по Виккерсу

Для того чтобы не вычислять твердость по приведенной выше фор­муле, на практике пользуются специальной таблицей, в которой диа­метру отпечатка соответствует определенное число твердости НВ.

Выбор диаметра шарика D, нагрузки F.и продолжительности выдержки под нагрузкой зависит от твердости материала и толщины детали. При этом диаметр d отпечатка должен находиться в пределах 0,2Z) < d< 0,6D.

При измерении твердости шариком D = 10 мм под нагрузкой F= 29,4 кН в течение 10 с твердость обозначается символом НВ, например НВ 200. При дру­гих условиях измерения после символа НВ указывают диаметр шарика, значение нагрузки в кгс и продолжительность выдержки под нагрузкой. Например, из обо­значения твердости НВ 5/250/30 — 200 следует, что число твердости 200 получено при испытании шариком диаметром D = 5 мм под нагрузкой F = 2,45 кН (250 кгс) в течение 30 с,

Испытание на твердость по Роквеллу. В по­верхность испытываемого металла вдавливают алмазный конус с углом 10П° или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм.

'Trt*»ww--.-..__________________. _-.—

120е

- ----------------- — «j^***i,u,ii4m\-ip\Jlvl I,UJ MlVi.

Шарик и конус вдавливают в испытуемый образец, последователь-']

но прилагая предварительную нагрузка (рис. 2.7, б)

0 и основную Рг нагрузку. Общая j

Предварительная нагрузка F0 во всех случаях равна 98 Н, а основ­ная • FI и общая F нагрузки составляют:

при вдавливании стального шарика (шкала В)

при вдавливании алмазного конуса (шкала С)

Ft=1372H; /Г=1470Н; при вдавливании алмазного конуса (шкала А)

Л = 490 Н; /=' = 588 Н

(по шкале А измеряют очень твердые материалы, а также тонкие об­разцы).

Твердость по Роквеллу выражается в условных единицах; ее обо­значают в зависимости от условий испытания HRA, HRB, HRC (в со­ответствии с наименованием шкалы). Твердость определяют по глу­бине отпечатка h. За единицу твердости принята величина, соответ­ствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм.

Определение твердости по Роквеллу имеет широкое применение, так как дает возможность испытывать твердые и мягкие материалы; при этом отпечатки от конуса или шарика очень малы, поэтому можно испытывать готовые детали без их порчи; испытание выполняется легко и быстро (30 — 60 с).

Испытание на твердость по Виккерсу. В по­верхность металла вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду (рис. 2.7, в). Число твердости HY определяют по формуле

2F. a F

где F — нагрузка на пирамиду, Н; d — среднее арифметическое дли­ны обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм; а = 1369 —. угол между противоположными гранями пирамиды при вершине.

При испытании применяют нагрузки от 9,8 до 980 Н. Возможность применения малых нагрузок позволяет испытывать твердость поверх­ностных слоев (например, после цианирования, азотирования).

Для определения числа твердости HV пользуются специальными таблицами.

Испытание на микротвердость, применяют при определении твердости микроскопически малых объемов металла, на­пример твердости отдельных структурных составляющих сплавов. Микротвердость определяют на специальном приборе (рис. 2.8, а), со­стоящем из механизма нагружения с алмазным наконечником и ме­таллографического микроскопа. Поверхность образца подготавливают так же, как и для микроисследования (шлифование, полирование, травление). Четырехгранная алмазная пирамида (с углом при вер­шине 136°, как и у пирамиды при испытании по Виккерсу) вдавлива­ется в испытываемый материал под очень небольшой нагрузкой 0,049 — 4,9 Н. Число твердости Н определяют по размерам отпечатков (рис. 2.8, б), как и твердость по Виккерсу.

Значение микротвердости находят по специальным таблицам.

Испытание на ударный изгиб. Детали в процессе работы зачастуЯнЮю Тн границы критического интервала. В этом интервале темпера-подвергаются ударным (динамическим) нагрузкам. Поэтому необхоЖур ударная вязкость понижается и изменяется характер излома-^ димо знать, насколько хорошо сопротивляется металл действию этих! от вязкого (волокнистого) до хрупкого (кристаллического), нагрузок Обычно за порог хладноломкости принимают среднюю температуру

Испытание на ударный изгиб проводится на специальном приборе —• маятниковом копре. Для испытаний используют надрезанный образец,]

Рис. 2.8. Прибор для испы­тания на микротвердость (а) и отпечатки на микрошли­фе (б):

/ — образец; 2 — алмазная пи­рамида; 3 — груз; 4 — окуляр; 5 — объектив

интервала (Тв — Тн), но для ответственных деталей берут верхнюю границу Те или принимают температуру, при которой в изломе появ-

ляются кристаллические участки еще высокое значение

Mecnjo надреза

свободно установленный на две опоры копра (рис. 2^)). Удар произвс дится падающим с определенной высоты массивным маятником. Удар| ная вязкость КС; Дж/см2, т. е. работа, израсходованная на ударньц излом образца, определяется по формуле

где К — работа, Дж, затраченная- на излом образца, определяема: по разности энергий маятника до и после удара; S0 — площадь попе­речного сечения образца в месте надреза, см2.

Определение ударной вязкости КС является наиболее простым и достаточно чувствительным способом оценки склонности некоторый металлов к хрупкости при работе в условиях низких температур, на­зываемой хладноломкостью. Практически хладноломкость определяю^ при испытании на ударный изгиб серии образцов при температурам до —100 °С. Температура, при которой происходит переход металла! от вязкого разрушения к хрупкому, называется критической темпе-1 ратурой хрупкости или порогом хладноломкости. Обычно на гр; фике зависимости ударной вязкости от температуры (рис. 2.10) на! блюдается переходная зона, и поэтому различают верхнюю Тв и ни:

хотя ударная вязкость сохраняет

КС

УЗар маятника

Рис. 2.9, Положение об­разца при испытании на УДар

Ъ Та Т

Рис. 2.10. Зависимость удар­ной вязкости К.С от темпе­ратуры Т:

1 *—- вязкое разрушение; 2 = хрупкое разрушение

Испытание на усталость. Усталость — это процесс постепенного.накопления повреждений в материале под действием периодически из­меняющихся (циклических) нагрузок, приводящих к образованию врещйн, а затем — к разрушению мате­риала. Свойство металла выдерживать рюльшое число циклов нагрузок, т. е. противостоять усталости, называют со-уротив'лением усталости.

Циклическим нагрузкам подверга­ется в процессе работы многие детали: Ьалы, оси, шатуны, пружины, рельсы и Г. п. Опыт показывает, что в таких де-1~алях после некоторого числа циклов 1южет наступить разрушение при на-ряжениях, значительно меньших, чем предел прочности материала. На по-ррхности излома детали обнаружива- рис. 2.11. Усталостный излом 1 i две разнородные зоны (рис. 2.11).

она 1 имеет сглаженную «затертую» структуру, получившуюся в ре-I |'льтате трения поверхностей в областях накапливающихся микро-щин. В зоне 2 хорошо видно кристаллическое строение — резуль-хрупкого разрушения. Такое разрушение возникает внезапно, 1 огда накопившиеся трещины в зоне 1 ослабляют сечение детали.

Существующие методы испытания металлов на усталость разд чают по характеру прилагаемой нагрузки и по условиям проведеш испытаний. Циклическое нагружение стандартных образцов при исщ танин на усталость создают различными видами их деформировани изгибом, растяжением—сжатием, кручением.

Э- д

П,ерио8,

"тех

Рис. 2,12, Схема испытания на усталость изгибом при вращении образца (а} и диаграмма цикла напряжений (б)

Под циклом напряжений понимают совокупность последовател ных значений напряжений за период. Наибольшее и наименьшее н пряжения цикла обозначают соответственно crmax и сттщ. Их отнош ние называют коэффициентом асимметрии цикла:

•f\ = tfmin/ffmax-

Цикл называется симметричным (рис. 2.12, б), если crmax = —о-(R — —1), и асимметричным, если сттах и 0min имеют разные чио вые значения (R =£= —1). \

Наибольшее распространение получили испытания на усталое в условиях симметричного цикла. На рис. 2.12, а приведена схе

машины для испытания образцов усталость. Образец / зажат во враща щихся цангах 2 и -3. Усилие 2F дается от груза, подвешенного на cej гах 4 и 5. Счетчик 6 фиксирует чис оборотов образца. Когда образец лок ется, происходит автоматическое откл чение двигателя 7.

Испытания на усталость проводят серии образцов, чтобы можно было с ределить число циклов, которое выд< живает образец до разрушения п заданном напряжении.

По результатам испытаний строят кривую усталости (рис. 2.13) график, характеризующий зависимость между максимальными нащ жениями цикла и долговечностью образцов (числом циклов испытан JV). Число циклов, до которого ведется испытание, называется беи испытания. Для металлов и сплавов, имеющих горизонтальный у1 сток на кривой усталости, например сталей, база испытания составу

Рис. 2.13, Кривая усталости

О7 циклов; для легких сплавов, закаленных сталей и других сплавов, ривые усталости которых не имеют горизонтального участка, база;спытания более высокая: 108 циклов.

В результате испытаний устанавливают то значение максимального;апряжения цикла, при котором образец не разрушается до базы испы-ания. Это напряжение называется пределом выносливости и обознача­тся OK (для симметричного цикла предел выносливости обозначают cr_i).

ГЛАВА 3

МЕТОДЫ ВЫЯВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ БЕЗ РАЗРУШЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

§ 3.1. Магнитный метод

Для неразрушающего контроля стальных деталей с целью выявле-ия дефектов широко применяется магнитная дефектоскопия. Этим летодом выявляют мелкие трещи-ы, раковины, волосовины и другие 1ефекты, расположенные на по-!ерхности или близко около по-!ерхности. Сущность магнитного гетода заключается в следующем. 1,еталь намагничивают в специаль-юм приборе — магнитном дефек-оскопе. Если в детали есть де->ект, возникающий магнитный по-ок рассеивается в месте располо­жения дефекта и искажает картину:оля на поверхности (рис. 3.1).!атем намагниченную деталь по­рывают магнитным порошком «иси железа (сухой метод), поли-ают суспензией, состоящей из порошка окиси железа и керосина, ли погружают в нее (мокрый метод). Частицы магнитного порошка риентируются по силовым линиям, и расположенные вблизи чю-ерхности дефекты становятся видимыми.

§ 3.2. Рентгеновский метод

Рентгеновский метод выявления дефектов, называемый рентгенов-кой дефектоскопией, основан на способности рентгеновских лучей оникать через любое тело и в различной степени поглощаться при рохождении через материал различной плотности. Если на пути рентгеновских лучей поместить деталь с дефектом -Щнной, раковиной и т. п.),-то рентгеновские лучи при прохожде-через дефект будут поглощаться слабее. На расположенной за де-алью рентгеновской пленке темные места в виде точек, линий или пя-н свидетельствуют о наличии в детали дефектов.

Рис. 3.1. Распределение магнитного поля у границ дефектов:

1 — дефект поперек магнитного поля; 2 — дефект вдоль магнитного поля

Рентгеновская дефектоскопия имеет большое значение и няется в заводской практике для контроля (выявления де^к/лв литых, кованых и штампованных деталей, а также сварных соеди^

НИИ.

§ 3.3. Люминесцентный метод

Люминесценцией называют холодное свечение некоторых вещест вызываемое различными причинами: освещением, электрическим i ком, химическими процессами. Одним из видов люминесценции явл ется флюоресценция — свечение некоторых' веществ под действием

тового излучения, в части сти ультрафиолетового ди пазона.

На свойстве некоторь органических соединен! флюоресцировать, т. е. ев титься под действием ультр фиолетовых лучей, и основг люминесцентный метод выя ления дефектов.

Этим методом можно вы: вить только поверхность дефекты, например микротр щины. Практически контрол люминесцентным методом ос; ществляют следующим обр; зом. Деталь, подлежащу: контролю, тщательно очищ ют и погружают в ванн; содержащую флюоресцируй щий раствор (смесь трансфо^

маторного масла, керосина и специального зелено-золотистого n<i рошка), и выдерживают в нем 10—15 мин. При этом раствор пр{| никает в микротрещины. Затем флюоресцирующий раствор смываки' деталь сушат на воздухе и облучают ультрафиолетовым светом. Пр наличии поверхностных микротрещин проникший в них флюоресц? рующий раствор под действием ультрафиолетовых лучей светите и тем самым позволяет их выявить (рис. 3.2).

§ 3.4. Ультразвуковой метод

Дефект в изделии можно обнаружить с помощью звука. Например; постукивая молотком по бандажу вагонного колеса, по звуку опреда ляют, есть ли в нем дефект.

Но по звуку, слышимому человеком, можно обнаружить тол! дефекты больших размеров.

С помощью ультразвука (с частотой свыше 20 кГц) можно обг ружить мелкие дефекты детали, расположенные очень глубоко.

nP*4Bfi ясняется тем, что чем больше частота, тем меньше длина звуковой л.~.-Щ£(ь^ ^ тем меньший дефект с ее помощью можно обнаружить.

Ультразвуковой метод выявления дефектов основан на отражении уковых волн от- дефекта, расположенного внутри металла. Ультразвуковой прибор для обнаружения дефектов в деталях ра-отает следующим образом (рис. 3.3). Пучок волн от ультразвукового енератора направляется на поверхность исследуемой детали и через сю толщу металла проходит ультразвуковая волна. | Если внутри детали имеется дефект (трещина, раковина и т. п.),

Рис, 3.2. Схема люминесцентного метода об­наружения поверхностных дефектов:

/ — Яампа, излучающая свет и ультрафиолето­вые лучи; 2 — светофильтр, пропускающий ульт­рафиолетовые лучи и поглощающий свет; 3 —«ультрафиолетовые лучи; 4 — поток люминесцен­ции от веществ, находящихся в дефектах; 5 —-поверхностные дефекты

Если внутри детали ---------- „., v,.

нормальное распространение ультразвуковых волн Еасть волн отражается от 1ефекта, возвращается к юверхности и появляется льтразвуковое эхо. Ос-альные волны идут дальше 1 возвращаются обратно к юверхности после отраже-ия от донной части де-гали.

Ультразвуковое

нарушается.

эхо

'лавливается датчиком, [реобразуется в электри-[еский сигнал, который [Южно увидеть на экране кщиллографа.

Рис. 3.3. Схема

работы ультразвукового фектоскопа

де-

шллографа.

Для определения глубины залегания дефекта в детали ультразвук [ссылается в деталь не непрерывно, а периодически с перерывами. 1о времени между посылкой ультразвука в деталь и возвращением его Кратно (эхо) и определяют глубину залегания дефекта в детали. В тот гамент, когда на поверхность детали направляются ультразвуковые 1олны, на экране появляется пик / (рис. 3.3). Когда на поверхность,етали возвращаются ультразвуковые волны, отраженные от дефекта, ia экране появляется пик 2, располагающийся правее пика 1. При юзвращении ультразвуковых волн, отраженных от донной части де-али, с правой стороны экрана появляется пик 3. Измеряя расстояние ежду пиками / и 2, определяют глубину залегания дефекта в детали.

Г Л А В А 4 ТЕОРИЯ СПЛАВОВ

s 4.1. Основные сведения о сплавах

Чистые металлы в большинстве случаев не обладают требуемым лплексом механических и технологических свойств и поэтому редко '•меняются для изготовления изделий. В большинстве случаев в тех­нике применяют сплавы.

Металлическим сплавом называется вещество, со-оящее из двух или более элементов (металлов или металлов и метал-

лоидов), обладающее металлическими свойствами. Обычным спос приготовления сплавов является сплавление, но иногда примени спекание, электролиз или возгонку.

В большинстве случаев входящие в сплав компоненты в жидк состоянии полностью растворимы друг в друге, т. е. представля собой жидкий раствор, в котором атомы различных элеме| тов более или менее равномерно перемешаны друг с другом. В тверд виде в сплавах могут образовываться твердые р а с т в о рЗ химические соединения, механические смес

Рис. 4.1. Структура (вверху) и строение элементарной ячейки пространственной кристаллической решетки (вни­зу) различных сплавов из двух металлов А (белые кружки) и В (черные кружки)

Твердым раствором двух (или более) элементов называют однор ное твердое тело, имеющее определенный тип кристаллической шетки (рис. 4.1, а). Микроструктура твердого раствора представля собой однородные зерна, похожие на структуру чистого металла. X мическим анализом в твердом растворе можно обнаружить разные i щества.

Вещество, кристаллическая решетка которого сохраняется в тве дом растворе, называется растворителем. Атомы растворенного щества располагаются в кристаллической решетке растворителя.

По расположению атомов в кристаллической решетке различи

растворе замещения атомы растворенного элемента занимают атомов элемента растворителя, т. е. расположены в узлах кристаллической решетки (рис. 4.2, а). В твердом растворе внедрен атомы растворенного элемента располагаются между атомами раст рителя (рис. 4.2, б).

Растворимость в твердом состоянии может быть неограниченно! ограниченной. Если твердый раствор получают при любом кол) ственном соотношении элементов, то говорят о неограниченной рас"

«мости. Если твердый раствор получают лишь при определенном оличественном соотношении, то растворимость элементов — ограни-

енная.

При образовании твердых растворов свойства сплавов изменяются чавно в зависимости от содержания элементов и отличаются от свойств истых металлов, из которых они состоят.

Химическое соединение. Особый характер металлической связи (сплавах приводит к образованию особого вида химических соедине-ий. В отличие от обычных химических соединений многие металли-еские соединения имеют переменный состав, который можетчизменять-я в широких пределах. Характерной особенностью металлического имического соединения является образование кристаллической ре-1СТКИ (см. рис. 4.1, б), отличной от решеток образующих элементов, существенное изменение всех свойств. Иногда в металлических спла-ах образуются также химиче-кие соединения с неметаллами оксиды, сульфиды), а _также оединения металлов с резко тличным электронным строени-м атомов (Mg2Sn, Mg2Pb и др.).

Механическая смесь. Если лементы, входящие в состав плава, не растворяются друг друге в твердом состоянии и е вступают в химическую реак-ию с образованием соедине-ия, то они образуют меха-ические смеси. Атомы каждого элемента образуют отдельные кри-таллические решетки (см. рис.. 4.1, е). При образовании механиче-кой смеси, когда каждый элемент кристаллизуется самостоятельно, войства сплава получаются промежуточными между свойствами эле-ентов, которые его образуют.

Механические смеси могут образоваться также в случаях, когда лементы обладают ограниченной растворимостью, а также когда об­язуют химическое соединение. Если в сплаве количество элементов |ревышает их предельную растворимость, то возникает механическая месь двух насыщенных твердых растворов. При наличии в сплаве химического соединения образуется механическая смесь из зерен вердого раствора и химического соединения. -

При изучении процессов, происходящих в металлах и сплавах

Рис. 4.2.

Расположение атомов в твер­дых растворах:

— твер-

а — твердый раствор замещения; дый раствор внедрения

!,а,М6!^!,™Я!! ™рл^е Pf"B°™! внедрения. В тверд|фи их превращениях, и описании их строения в металловедении поль-„™™ т,„~™ ~™,,™„™ „„„„ „„ уются рядом понятий.

Системой называют совокупность фаз, находящихся в равно-«сии при определенных внешних условиях (температуре, давлении), истема может быть простой, если она состоит из одного компонента, сложной, если она состоит из нескольких компонентов. Фазой называют однородную по химическому составу, кристал-ическому строению и свойствам часть системы, отделенную от других астей системы поверхностью раздела. Фазами могут быть металлы

и неметаллы, жидкие и твердые растворы, химические соединен^ Однофазной системой является, например, однородная жидкое! двухфазной — механическая смесь двух видов кристаллов.

Компонентами называют вещества, образующие систем Компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы) или ycrq чивые химические соединения. •

<*

§ 4.2. Диаграммы состояния двойных сплавов

Диаграмма состояния представляет собой графичесн изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температу] и концентрации в условиях равновесия.

Диаграмма состояния позволяет для конкретных сплавов npocj дить за превращениями, происходящими при их нагревании и охла дении, определить температуру начала и конца плавления (затверд вания) сплава, выяснить, будет ли сплав однородным, каковы «J.жидкотекучесть, пористость. Эти сведения необходимы при разр ботк'ё литейной технологии. Сведения о структурных превращения их характере, структуре, получаемой в результате этих превращени температурах, при которых начинаются и заканчиваются эти превр щения, и т. п., необходимы при разработке технологии термическ обработки деталей из данного сплава. Эти и другие сведения необ| димы также при разработке технологии горячей обработки и свари выборе того или иного сплава для изготовления из него изделий.

Кроме качественной оценки структуры по диаграмме состояв) можно определить, например, количественное соотношение жидкой и твердой фазами сплава при данной температуре.

.- В зависимости от характера строения сплава (в жидком состоян: оба компонента неограниченно растворяются друг в друге, образ! однородный жидкий раствор) различают следующие основные тй| диаграмм состояния:

диаграмму состояния сплава с полной нерастворимостью KOMI нентов в твердом состоянии (вернее, с очень незначительной раство| мостью);

диаграмму состояния сплава с неограниченной растворимостью к| понентов в твердом состоянии;

диаграмму состояния сплава с ограниченной растворимостью к| понентов в твердом состоянии;

диаграмму состояния сплава, в котором компоненты образуют;! мическое соединение.

§ 4.3. Диаграмма состояния сплавов с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии

Рассмотрим построение диаграмм состояния. Диаграмму состояв строят в координатах температура — концентрация. Для построен диаграммы состояния изготовляют серию сплавов различного сосв и для каждого из них строят кривую охлаждения по результатам 1

мического анализа (так же, как для чистых металлов). Критические точки каждого сплава наносят на сетку в координатах температура — концентрация.

Рассмотрим построение диаграммы состояния для сплавов состоя­щих из свинца РЬ и сурьмы Sb. На рис. 4.3 приведены кривые охлаж­дения свинца, сурьмы и трех сплавов с различным содержанием ком­понентов (а — в, д, е) и диаграмма состояния (г) сплавов свинец — сурьма.

Время

Рис'. 4.3. Диаграмма состояния свинец—сурьма, кривые охлаждения и схемы

структур'

Приведенные графики показывают, что три кривые охлаждения (рис. 4.3, а, в, е) — для свинца, сурьмы и сплава, содержащего 87 % РЬ и 13 % Sb, имеют одну критическую точку (горизонтальную шго-|щадку). Горизонтальные площадки для чистых металлов: свинца при 327 °С и сурьмы при 631 °С (рис. 4.3, а, е) — являются температурами их затвердевания. Для сплава, состоящего из 87 % РЬ и 13 % Sb (рис. 4.3, в), горизонтальная площадка при 246 °С является темпера­турой затвердевания данного сплава с образованием механической смеси кристаллов свинца и сурьмы. Такая механическая смесь на-, зывается эвтектикой. Температура, при которой образуется эвтектика (в данном случае 246°С), называется эвтектической темп ер а т у р о и, состав сплава, при котором образуется эвтек­тика (в данном случае 87 % РЬ и 13 % Sb), называется э в т е к т и.ч е-ским составом..

Для других сплавов свинец — сурьма (рис. 4.3, б, д) имеются две Критические точки / и 2, указывающие на то, что эти сплавы затверде­вают не при одной постоянной температуре, а в интервале температур, сплавах температура начала затвердевания.ниже, чем у металлов, оставляющих сплав, а температура конца затвердевания не зависит т состава сплава. Для всех сплавов она равна температуре затверде--ания эвтектического состава (для данной системы 246 °С).

На кривой охлаждения каждого сплава температура, соответствую->я точке /, отвечает началу затвердевания сплава и называется

2 Закяч ль юпо

езг

ti

температурой ликвидуса (liquidus — жидкий); температура точ ки 2 соответствует концу затвердевания сплава и называется темпера­турой солидуса (solidus — твердый).

Характерным для данной системы является то, что сплавы любого состава окончательно затвердевают только в том случае, если они имеют эвтектический состав (87 % РЬ и 13 % Sb). Поэтому, например, в сплаве состава 95 % РЬ и 5 % Sb (рис. 4.3, б), имеющем большее количество свинца, чем в эвтектическом составе, в интервале темпера­тур от точки 1 до точки 2 из жидкого сплава выделяются кристаллы свинца до тех пор, пока жидкий сплав не обогатится сурьмой до 13 "' и затвердеет при 246 9С с образованием эвтектики. После окончатель-1 ного затвердевания получается структура свинец + эвтектика (сви нец + сурьма).

В сплаве состава 60 % РЬ и 40 % Sb (рис. 4.3, д), наоборот, имеется избыток сурьмы, и поэтому в интервале температур от точки / до точки 2 выделяются кристаллы сурьмы и жидкий сплав обогащается свинцом

до содержания,87 % и затвердевает при 246 °С с образованием эвтектики. После окончательного затвердевания получа­ется структура сурьма -f- эвтектика (сви­нец + сурьма).

Если с кривых охлаждения крити ческие температуры перенести на сетк} в координатах температура — концен трация и соединить эти точки межд} собой, то получим диаграмму состояния сплавов свинец — сурьма (рис. 4.3, На этой диаграмме линия АСЕ — ли ния начала затвердевания сплавов — линия ликвидуса. Выше температур, об разующих эту линию, все сплавы это£ системы находятся в жидком состоя

нии. Линия ОСЕ — линия конца затвердевания — линия солидуса При температурах ниже этой линии все сплавы этой системы нахо дятся в твердом состоянии. Между этими линиями часть сплава нахо дится в твердом, а часть — в жидком состоянии. По линии А С и жидкого сплава выделяются кристаллы свинца, а по линии СВ -кристаллы сурьмы. Между линиями АС и DC наряду с жидким спла вом присутствуют кристаллы свинца, а между линиями СВ и СЕ -жидкий сплав и кристаллы сурьмы.

Линия солидуса DC£ является также линией образования эвтек тики (свинец + сурьма). Сплав, содержащий 13 % Sb (соответствуе точке С), после затвердевания состоит только из одной эвтектика Сплавы, по своему составу лежащие левее эвтектической точки С (н линии DC), называются доэвтектическими, а сплавы, п своему составу лежащие правее эвтектической точки С (на линии СЕ) называются заэвтектическими.

По диаграмме состояния можно определить не только число обрз зующихся фаз, но и их концентрацию.

Рис, 4.4. Диаграмма состояния свинец—сурьма

ч

Например, чтобы определить концентрацию фаз сплава /—/ (80 % Sb и 20 % РЬ) при температуре 280 С° (рис. 4.4), на диаграмме состоя­ния проводят прямую линию КМ. Проекция точки К линии ликвидуса на ось концентраций показывает содержание жидкой фазы: '20 % Sb и 80 % РЬ, а проекция точки М — содержание твердой фазы: 100 % Sb. Соотношение твердой и жидкой фаз определяют по правилу отрезков, согласно которому это соотношение равно частному от деления длины отрезка, прилегающего к противоположной фазе, на длину всего от­резка КМ.

Количество твердых кристаллов сурьмы обозначим Qr, а количе­ство жидкой фазы — Qx. Линия сплава /—/ делит горизонтальную линию КМ длиной 80' единиц (от 20 до 100) на отрезок КЛ длиной 60 единиц (от 20 до 80) и ЛМ длиной 20 единиц (от 80 до 100).

По правилу отрезков:

КМ

ЛМ

"80 20

=~- 100 =. 100 = 25 %

,

т. е. этот сплав при 280 °С будет состоять из 75 % кристаллов сурьмы и 25 % жидкого сплава.

§ 4.4. Диаграмма состояния сплавов

с неограниченной растворимостью компонентов в твердом

состоянии

Неограниченной растворимостью в твердом состоянии обладают многие двойные сплавы: Fe—Сг, Fe—V, Си—Ni и др. На диаграмме (рис. 4.5) верхняя линия— • «- э - R /• i это линия ликвидуса, а ± ^ш шдб (ш^ нижняя — линия солиду- Л -•———~7\ \

са. Выше линии ликвиду- •• JL~- ^^±g>tfJ--------—

са сплав находится в жид­ком состоянии, ниже ли­нии солидуса — в твердом состоянии («-твердый рас­твор). Между линиями ликвидуса и солидуса про­исходит затвердевание сплавов и они состоят из жидкой и твердой фаз.

Рассмотрим процесс кристаллизации какого-

ГТТ.2Г-

Время

Рис. 4.5. Диаграмма состояния сплавов для случая неограниченной растворимости компо­нентов в твердом состоянии

--------UUM|mt JYCtlW* *J~

либо сплава по этой диаграмме при очень медленном охлаждении, т- е- в равновесных условиях. Пусть кристаллизуется сплав /—/, срстоящий из 50 % компонента Л и 50 % компонента В (рис. 4.5). 1]Ри температуре /, начинается кристаллизация и образуются пер-Bbie кристаллы.

Так как компоненты А и В неограниченно растворяются в жидко» и твердом состояниях, то возможно существование только двух фаз — жидкого раствора (ж. с.) и твердого раствора (а). Состав твердо! фазы сплава (состав кристаллов, которые могут находиться в равно весии с жидкостью) при данной температуре t, определяется проек цней точки М на ось концентраций. Следовательно, первые образовав шиеся кристаллы имеют состав точки М. При дальнейшем охлажде нии, когда сплав достигает, например, температуры /1(в равновесш с жидкостью уже находятся только кристаллы состава точки Л.

Рассмотрим, каким образом ранее образовавшиеся кристаллы со става точки М превращаются в кристаллы состава точки Л. В кри сталлах состава М больше компонента В, чем в кристаллах состава следовательно, кристаллы состава М обогащаются компонентом А Этот процесс происходит за счет диффузии атомов компонента А в уж имеющиеся, т. е. возникшие до этой температуры, кристаллы. При до статочной выдержке или медленном охлаждении при температуре устанавливается равновесие кристаллов состава точки Л и жидког сплава. Но в кристаллах состава точки Л, компонента В больше, че в сплаве, следовательно, жидкая часть сплава беднее компонентом Б При этой температуре состав жидкой фазы сплава определяется проел циёй точки N линии ликвидуса на ось концентраций.

При дальнейшем охлаждении, когда Сплав достигает температуры и устанавливается равновесие, сплав состоит из кристаллов твердог раствора состава точки К. и жидкой части сплава состава точки 1

Таким образом, чем ниже температура, тем больше кристалле сс-твердого раствора и тем ближе они-по составу к исходному. Пр температуре tc сплав полностью затвердевает и состоит из однородны кристаллов а-твердого раствора исходного состава. Так происходи процесс при условии очень медленного охлаждения, когда состав кр! сталлов успевает полностью выравняться. При ускоренном охлажд нии'(в реальных условиях охлаждения) состав кристаллов не получ; ется однородным. Это происходит потому, что скорость кристаллиз. ции больше скорости диффузии.,

Неоднородность состава внутри кристалла называется внутр.

кристаллитной ликвацией; а так как такая неоднородность связа*

с дендритным характером кристаллизации, то эту неоднородное!

_ по составу называют также дендритной ликвацией.

Дендритную ликвацию можно устранить продолжительным нагр вом сплава при высоких температурах, называемым диффузионны отжигом, во время которого интенсивно протекает процесс диффузи, Неоднородность по объему, т. е. зональную ликвацию, устранить нельз

§ 4.5. Диаграмма состояния сплавов

с ограниченной растворимостью компонентов в твердом

состоянии

Характерной особенностью диаграммы является наличие при тЯЦИаграммь: пературах ниже линии солидуса, т. е. для твердого состояния, лиш (или линий) ограниченной растворимости (рис. 4.6). На этой диаграм

верхняя линия KCD—линия ликвидуса; линия KECF —, солидуса. Следовательно, ниже линии KECF все сплавы, состс из компонентов А и В, находятся в твердом состоянии.

Линия SF показывает изменение растворимости с пониж температуры компонента В в компоненте А в твердом состо В данном случае с понижением температуры растворимость уме] ется. Следовательно, если кристаллизуется сплав, состав кот находится левее точки S, то при любой температуре все колич компонента В находится в твердом раствоое. Кристаллизация ' сплавов ничем не отличается от рассмотренных выше условий кри­сталлизации в случае неограничен­ной растворимости, т. е. после за­твердевания и вплоть до полного охлаждения структура таких спла­вов состоит из зерен твердого рас­твора.

Другой характер имеет кри­сталлизация и структура сплавов, состав которых находится правее точки S. Рассмотрим для приме­ра процессы, происходящие при охлаждении, например, сплава

/ (рис. 4.6),

Выше температуры & сплав жидкий. Ниже этой температуры начинается кристаллизация и до температуры 4 образуются крист! твердого раствора В в А (обозначим их а). В точке 2 сплав и структуру кристаллов а. При охлаждении до температуры-4 струк сплава не меняется. При температуре t3 линия /—/ сплава пересе линию SE предельной растворимости компонента В в А. Ниже температуры растворимость становится все меньшей и меньшей, количество компонента В уже не может находиться в растворе. Ч компонента В выходит из раствора и образует отдельные кристг компонента В, называемые вторичными (вц).

После полного охлаждения сплав имеет структуру, состоя! из твердого раствора а и вторичных кристаллов бц.

Процесс выделения вторичных кристаллов из твердого раст] называется вторичной кристаллизацией в отличи образования -кристаллов в жидком сплаве (первичная к ^таллизация).

В сплавах, лежащих по составу правее точки Е, образуется эв гика. Особенность этой эвтектики в том, что она представляет ci не кристаллов А и В, а смесь кристаллов твердого раствора а и i баллов ком-понента В.

Фазовые состояния сплавов и структуры в различных облас.1 указаны на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Диаграмма состояния BOB для случая ограниченной f римости компонентов в твердо, стоянии

§ 4.6. Диаграмма состояния сплавов,

в которых компоненты образуют химические соединения

Химическое соединение обозначают АтВл. Это означает, что в ном соединении на т атомов компонента А приходится /г атомов ком понента В. Состав химического соединения является постоянным т. е. при нагреве и охлаждении не изменяется.

Диаграмма состояния сплавов (рис. 4.7) как бы составлена из дву: диаграмм для случая механической смеси. В сплавах левее точки (

(соответствующей по состав' химическому соединению АтВп

А*эВт.\АтВп+э8т. (А+АтВа)

ническая смесь АтВп + А. В сплавах правее точки

Л

Рис. 4.7. Диаграмма состояния сплавов для случая образования между компонен­тами химического соединения

единение. Следовательно, в этщ сплавах образуется механичв екая смесь АтВп + В. Кристал лизация таких сплавов в прин ципе не отличается от кристал-лизации по диаграмме, когда образуется механическая смесь\ Особенность заключается в том, что в левой части диаграммы обра­зуется эвтектика, состоящая из кристаллов А и химического соедине­ния АтВ„, а в правой части диаграммы — эвтектика, состоящая из| кристаллов В и химического соединения АтВп. Состояние и струн-туры сплавов в каждой области диаграммы указаны на рис. 4.7.

3) при образовании химического соединения свойства изменяются скачком (рис. 4.8, в).

По диаграммам состояния можно также определить технологиче­ские свойства сплавов. Чем больше температурный интервал между линиями ликвидуса и солидуса, тем больше склонность сплава к лик-вадии, больше рассеянная пори-jcTOCTb и склонность к образова-1нию трещин в отливках. Лучшими ~t

литейными свойствами обладают эвтектические сплавы. Эти же сплавы имеют лучшую обрабаты-

содержание компонента А вьйзаемость резанием. Однофазные ше, чем входит в химическо^сплавы— твердые растворы — луч-соединение. Следовательно, этих сплавах образуется

деформируются в холодном и ррячем состоянии.

Из изложенного видно, что диа-•граммы состояния позволяют на

нр

компонента В больше, чем мДнаучной основе предвидеть свойст-жет входить в химическое cqfa сплавов, выбирать сплавы в зави-

4*77^7

имости от назначения, применять рациональные виды обработки.

ГЛАВА 5 ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

§ -5.1. Исходные материалы

Рис, 4.8. Свойства сплавов и вид их диаграмм состояния

Железо в чистом виде редко встречается в поверхностных слоях земной коры: из-за большой склонности к окислению обычно встре­чаются окислы железа в смеси с соединениями других элементов. Насчитывается около 200 различных минералов, содержащих железо, ведущие ученые в области геологии академики В. И. Вернадский и А. П. Виноградов считали, что в земной коре (до глубины 16 км) со­держится примерно 5 % железа в виде окислов, карбонатов, сульфи­дов и других соединений. В отдельных местах земной коры содержа-ие соединений железа еще выше. Наиболее крупные и богатые окис--

Свойства сплавов зависят от вида взаимодействия компонентошленными соединениями железа скопления минералов называют место-т. е. от того, какая структура в них получается. Ясно, что доляя»™™----------

§ 4.7. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

быть связь между свойствами сплава и его диаграммой состоят Основоположником учения о связи диаграмм состояния со свойства сплавов является акад. Н. С. Курнаков.

На рис. 4.8 схематически показана зависимость твердости Я удельного электрического сопротивления р от типа диаграммы состо ния. Отсюда можно вывести следующее:

1) при образовании механической смеси свойства изменяются п£ молинейно (рис. 4.8, а);

2) при образовании твердых растворов свойства, изменяются плавным кривым (рис. 4.8, б);

<SfHMMH железных РУД- Рудами называют горные породы, дат технически возможно и экономически целесообразно перера-«лъшать для извлечения содержащихся в них металлов. •с»л? Железь?ш РУДам относят красный, бурый, магнитный и шпатовый IPCT "' РУДЫ с°даРжат значительное количество рудного ве-:ител а ИЛИ ^оединений железа, из которого оно извлекается, и отно-1ппи п Н€;большое количество пустой породы, легко отделяющейся I ^пиереработке.

х трТЗЯ п°Р°Да — это такие минералы, которые не вносят серьез-Iй лег\~хнологических осложнений в металлургическую переработку I ко отделяются от рудных минералов в процессе обогащения

Дата добавления: 2015-08-29