|
Общие сведения о металлах и сплавах
Тысячи различных машин, станков и приборов производятся ежегодно на наших заводах. И почти в каждой машине, механизме, приборе основными материалами для изготовления являются различные металлы или сплавы. Металлические материалы в громадных количествах применяются в различных отраслях нашего народного хозяйства. Мощные автомобили и экскаваторы, тысячекилометровые магистрали железных дорог, гигантские мосты и миниатюрные приборы, металлорежущие станки и космические ракеты, разнообразные приборы быта — все это изготовлено из металла.
Металлы не случайно являются важнейшими материалами современной техники. Дело в том, что металлы способны к взаимному растворению, образованию многочисленных соединений различного типа, разнообразным фазовым превращениям, а это позволяет по-
лучать большое число сплавов, отличающихся различной структурой и самыми разнообразными сочетаниями полезных свойств. В зависимости от количества составляющих, входящих в тот или иной сплав, могут в значительной степени изменяться механические, физические и химические свойства, которыми обладает данный сплав.
Наиболее широко применяются на практике технические металлы, среди которых прежде всего нужно назвать железо и его сплавы с углеродом и другими элементами, или так называемые черные металлы. Вторую группу составляют такие металлы, как медь, алюминий, магний, никель, цинк, олово, свинец и их сплавы, которые относятся к техническим цветным металлам и сплавам.
Знание свойств и особенностей металлов и сплавов, применяемых на производстве, позволяет более рационально строить технологический процесс их обработки и повышать производительность труда.
Понятие о структуре металлов
Все металлы и металлические сплавы являются в твердом состоянии веществами кристаллическими со строго упорядоченным расположением атомов. Кристаллическое (зернистое) строение можно отчетливо видеть при изучении свежего излома некоторых металлов. Но судить по излому о величине зерен очень трудно. Для различных сплавов, а в ряде случаев для одного и того же сплава, но после разной термической обработки структура сплава (внутреннее его строение) может резко отличаться. Иногда в изломе видны очень крупные зерна, а иногда в нем вообще нельзя различить никаких зерен, и они выявляются только при рассмотрении под микроскопом.
Современные достижения науки и специальные методы рентгеноструктурного анализа позволили не только выявить внешний вид металлических зерен, но и установить их внутреннее строение.
Применение электронного микроскопа, позволяющего наблюдать строение вещества при увеличениях в несколько десятков тысяч раз, дало возможность изучить мельчайшие структурные составляющие.
Различными способами исследования установлено, что атомы металлов занимают в пространстве строго определенное положение, образуя пространственную (кристаллическую) решетку.
Строение кристаллической решетки и расположение в ней атомов зависит от природы, металла. Рассматривая схему элементарной ячейки, кристаллической решетки (рис. 1), можно заметить, что расположение в решетке атомов может быть различным в зависимости от расстояний а, Ь, с (параметры решетки) и углов между осями решетки — а, р, у.
При сочетании различных параметров и углов могут получаться различные типы кристаллических решеток.
В металлах и сплавах наиболее широко встречаются три из них:
а) кубическая объемноцентрированная решетка (центрированный куб); б) кубическая решетка с центрированными гранями (гране-центрированный куб); в) гексагональная решетка с плотной упаковкой атомов.
Схема кристаллической решетки в виде центрированного куба представлена на рис. 2, а. В элементарной ячейке такой решетки находится 9 атомов, из которых один расположен в центре, а остальные — по вершинам куба. Решетку типа центрированного куба образуют после затвердевания такие металлы, как ванадий (V), вольфрам (W), калий (К), молибден (Мо), натрий (Na), хром (Сг) и др. Такую же решетку имеет железо (Fe) при температурах ниже 910° и в интервале температур от 1390 до 1535° (это состояние железа условно обозначается Fe — а).
Схема кубической решетки с центрированными гранями (гранецентрированный куб) представлена на рис. 2, б. В элементарной
ячейке такой решетки расположено 14 атомов, из которых 8 — по вершинам куба, а 6 — в центре каждой из его граней.
Кубическую решетку с центрированными гранями образуют в процессе кристаллизации металлы: алюминий (А1), кальций (Са), медь (Си), никель (№), свинец (РЬ) и др.
Решетку «гранецентрированный куб» имеет также железо в интервале температур от 910° до 1390°; это состояние железа обозначается Fe — у.
Гексагональная решетка с плотной упаковкой атомов представлена на рис. 2, в. В элементарной ячейке такой решетки расположено 17 атомов: 12 — по вершинам решетки, имеющей вид правильной шестигранной призмы, 2 — в центрах верхнего и нижнего оснований и 3 — в средней части ячейки. Характеристикой гексагональной решетки являются два параметра — сторона шестигранника (а) и высота призмы (с).
В гексагональную решетку кристаллизуются такие металлы, как бериллий (Be), кадмий (Cd), кобальт (Со), магний (Mg), титан (Ti), цинк (Zn) и некоторые другие.
Исследованиями установлено, что такие свойства металлов и сплавов, как твердость, прочность, пластичность, зависят от кристаллического строения металла, от его структуры.
Строение металла изучается современными методами макроструктурного и микрострук-турного анализа.
Макроскопический анализ
Для оценки качества и свойств металлов и их сплавов — сталей, чугунов и цветных сплавов — большое значение имеют металлографические исследования, проводимые для изучения структуры металла.
Существуют два метода исследования структуры — макроскопический (макроанализ) и микроскопический (микроанализ).
К макроанализу относятся исследования структуры металлов и сплавов, при которых изучаемый образец рассматривается невооруженным глазом или при небольшом увеличении (до 30 раз).
Макроскопическое исследование позволяет выявить и изучить видимую структуру и различные дефекты поверхности изделия или образца — пористость, раковины, трещины, газовые пузыри, включения вредных примесей (серы и фосфора), волосовины и т. д. Макро-
анализ выявляет также структуру первичной кристаллизации или изменение структуры в результате деформации первичных кристаллов
Рис. 3. Макрошлиф деформированной заготовки.
при обработке металлов давлением (рис. 3). Этот способ используется и для выявления неоднородности сплава по химическому составу в отдельных участках.
Для исследования макроструктуры образцы, вырезанные из детали, грубо шлифуются и протравливаются специальными реактивами. На полученных таким образом макрошлифах выявляются трещины, пузыри, раковины, шлаковые включения и первичная кристаллизация. Реактивами для травления служат обычно растворы соляной и серной кислот.
Макроанализ широко применяется для выявления характера распределения в стали вредной примеси — серы.
Неоднородное строение стали после прохождения различного вида термической или химико-термической обработки также отчетливо выявляется макроанализом.
Изучение структуры при помощи микроскопа
Микроскопический метод исследования структуры (микроанализ) заключается в том, что изучаемый металл или сплав рассматривается при помощи специальных металлографических микроскопов, могущих давать увеличение до 2 000 — 3 000 раз.
Знание микроструктуры позволяет оценить качество термической обработки и установить соответствие полученных механических свойств требуемым от данной детали по техническим условиям.
Структура сплава (различная для различных способов термообработки) при одном и том же химическом составе оказывает решающее влияние на механические свойства сплава.
Для определения микроструктуры из испытуемого металла вырезают образец, подвергаемый грубой обдирке при помощи напильника или шлифовального круга и шлифованию наждачной бумагой различных номеров.
После шлифования бумагой самого тонкого номера производится полировка образца, а затем, для выявления микроструктуры, — травление шлифа специальными реактивами.
Действие реактивов сводится к следующему. Различные кристаллы (зерна) сплава имеют различную травимость и поэтому разъедаются при травлении неодинаково. Если такой протравленный шлиф осветить, то часть зерен будет отражать падающий на них свет на объектив, и они будут казаться при наблюдении в микроскоп светлыми. Часть зерен будет отражать свет в сторону, и они будут казаться темными. Темными линиями будут также выявляться границы зерен.
Выявление границ зерен облегчается еще и тем, что скопляющиеся на стыке зерен примеси, загрязняющие металл, травятся сильнее. Кроме этого, разные зерна после травления кажутся окрашенными по-разному, что дополнительно помогает разобраться в строении металла.
Для исследования микроструктуры применяются специальные металлографические микроскопы, позволяющие рассматривать поверхность шлифов в отраженном рвете
Рис. 4. Общий вид металлографического микроскопа.
В настоящее время для изучения строения металлов начинают применять электронный микроскоп, дающий увеличение в 20 ООО — -30 000 раз и больше. Электронный микроскоп значительно расширяет возможности дальнейшего изучения структуры металлов.
Рис. 5. Структура стали У12 в закаленном состоянии (электронная микрофотография).
На рис. 5 приведена микрофотография стали, содержащей 1,2% С, снятая на электронном микроскопе при увеличении в 12 000 раз.
Выявляемые под микроскопом различия в структурах различных металлов объясняются их природой и особенностями процесса кристаллизации.
Схема процесса кристаллизации
В жидком состоянии металла атомы его находятся в непрерывном хаотическом движении. При охлаждении металла переход из жид-
кого состояний в твердое сопровождается образованием кристаллической решетки, при этом атомы металла занимают строго определенное положение, образуя кристаллы. Процесс образования кристаллов при переходе металла из жидкого состояния в твердое называется первичной кристаллизацией (в отличие от вторичной кристаллизации, происходящей при некоторых условиях в твердом металле).
Переход металла из жидкого в твердое состояние можно проследить, пользуясь построением так называемых кривых охлаждения. Для этого через короткие, равные промежутки времени замеряют (обычно при помощи термопары) температуру охлаждаемого металла или сплава. Получаемые значения температур наносят на график в координатах «температура — время» (рис. 6).
При некотором значении температуры tK на кривой виден горизонтальный участок, свидетельствующий об остановке температуры при охлаждении. Это и есть температура затвердевания металла, или температура перехода из жидкого состояния в твердое. До тех пор пока вся жидкость не превратится в твердые кристаллы, температура металла не будет изменяться, так как процесс изменения агрегатного состояния металла (процесс кристаллизации) сопровождается выделением тепла. После полного затвердевания никаких изменений для нашего случая (рис. 6) с металлом при дальнейшем охлаждении не происходит, и кривая охлаждения будет с течением времени плавно опускаться.
Исследования структур твердых металлов позволили установить, что некоторые из них при различных температурах могут иметь различное строение кристаллической решетки или различные параметры при сохранении формы решетки. Эти изменения строения кристаллической решетки всегда сопровождаются изменением физико-механических свойств металла.
Перестройка атомов одного вида кристаллической решетки в другую или изменение решетки при определенных температурах называется полиморфизмом, или аллотропией.
Различные кристаллические формы металла, получающиеся в результате аллотропического превращения, называются аллотропическими модификациями. Они обозначаются буквами греческого алфавита а (альфа), 3 (бета), у (гамма) и б (дельта), начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре.
Переход одной аллотропической формы в другую при охлаждении металла сопровождается выделением тепла и протекает при постоянной температуре.
Поэтому на кривой охлаждения, построенной в координатах «температура — время охлаждения» для металлов, имеющих различные аллотропические модификации, процесс перехода из одной модификации в другую характеризуется горизонтальной площадкой.
Так, замеряя при охлаждении расплавленного железа через равные промежутки времени его температуру, мы замечаем, что при температуре 1535° на кривой охлаждения (рис. 7) появляется горизонтальный участок. При этой температуре происходит кристаллизация железа, переход его из жидкого состояния в твердое. При дальнейшем охлаждении уже твердого железа при температуре 1390° на кривой охлаждения появляется снова горизонтальный участок. Для железа в температурном интервале 1535 — 1390° характерным является строение кристаллической решетки в виде центрированного куба. Эта модификация носит название а(6)-железо. При температуре 1390° происходит аллотропическое превращение а(6)-железа в у-железо, имеющее решетку в виде куба с центрированными гранями. Эта модификация (у-железо) оказывается устойчивой от 1390° до 910°. При температуре 910° на кривой охлаждения наблюдается опять горизонтальный участок. При этой температуре у-железо превращается в немагнитное а-желе-зо (обозначаемое иногда как (3-железо), устойчивое до 768°, имеющее решетку в виде центрированного куба. Эта же решетка сохраняется и от 768 до 0° у магнитного а-железа.
Таким образом, железо имеет две аллотропические модификации: a-железо, существующее от 0 до 910° и свыше 1390° (б-железо), и у-железо, существующее в интервале температур 910 — 1390° (площадка при температуре 768° связана не с аллотропическим превращением, а с изменением магнитных свойств).
Кроме железа, к полиморфным металлам относятся: олово, титан, марганец, кобальт и др.
Как указывалось выше, изменение в строении кристаллической решетки сопровождается изменением свойств. Так, a-железо почти не растворяет углерода (предел растворимости до 0,04% С), а у-железо растворяет значительное количество углерода (до 2% С). В даль-
нейшем будет показано, что это имеет большое значение при образовании железоуглеродистых сплавов — сталей и чугунов.
Особенно большое значение для практики имеют аллотропические превращения железа в его сплавах с углеродом. Изучая процессы, происходящие при нагреве и охлаждении стали, Д. К. Чернов нашел, что при изменении температуры меняются размеры зерен и свойства стали, т. е. происходят структурные превращения при определенных температурах, зависящих от химического состава стали. Эти температуры Чернов назвал критическими точками «а» и «б»; теперь их называют точками Чернова. Эти точки связаны с перестройкой пространственной решетки, чем и определяется физическая сущность тепловых превращений в железе и стали. Открытие Черновым превращений в стали в твердом состоянии и установление зависимости критических точек от содержания углерода дало возможность создать научно обоснованную технологию термической обработки.
Строение железоуглеродистых сплавов
В машиностроении чистые металлы находят весьма ограниченное применение. Для изготовления различных деталей применяются преимущественно сплавы. Сплавы — вещества сложные, состоящие из двух или нескольких химических элементов, называемых компонентами. Например, бронзы представляют собой разнообразные сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом или другими металлами; латуни — это сплавы меди с цинком; сложные сплавы железа с углеродом и другими элементами образуют чрезвычайно разнообразные группы сталей и чугунов.
Важнейшей особенностью сплавов является то обстоятельство, что они значительно прочнее компонентов, входящих в их состав. А повышение прочности сплава означает, что для изготовления детали или машины потребуется меньше металла, вес машины будет облегчен, а стоимость ее снизится.
Отдельные элементы, вводимые в сплав, способны значительно повышать износостойкость деталей, что удлиняет срок службы деталей и машин в целом.
В процессе кристаллизации могут образовываться различные по строению составные части сплава — механическая смесь, твердый раствор или химическое соединение.
Механическая смесь образуется в том случае, когда компоненты нерастворимы в твердом состоянии и не образуют химических соединений. Так, если компонент А и компонент В образуют при сплавлении механическую смесь, то мы при изучении структуры такого сплава увидим под микроскопом мельчайшую смесь кристалликов А и В (рис. 8).
Каждый из компонентов, образующих механическую смесь, сохраняет в сплаве свою кристаллическую решетку. Особенностью сплавов, состоящих из механической смеси двух компонентов, является то, что можно подобрать такое соотношение компонентов, при котором сплав будет иметь наименьшую температуру плавления. Сплавы такого состава называются эвтектическими (легкоплавкими) или просто эвтектикой.
Эвтектические сплавы имеют мелкокристаллическое однородное строение, высокую прочность и хорошие литейные свойства.
Рис. 8. Схема структуры сплава, образующего механическую смесь.
Рис. 9. Схема кристаллической решетки химического соединения компонентов А. и В.
При образовании химического соединения в сплавах компоненты А я Б образуют общую кристаллическую решетку (рис. 9), отличающуюся от структуры образующих соединение элементов.
Кристаллы химических соединений обычно имеют повышенную твердость и хрупкость.
Поскольку при образовании химического соединения расположение атомов в общей кристаллической решетке характерно только для данного химического соединения, его состав может быть выражен химической формулой. Например, в сплавах железа с углеродом может образоваться химическое соединение цементит, формула которого Fe3C; при введении в сталь добавок в виде вольфрама может образоваться другое химическое соединение — карбид вольфрама WC. Карбиды вольфрама, хрома, молибдена отличаются очень высокой твердостью, поэтому они всегда находятся в специальных инструментальных сплавах — в быстрорежущих сталях и в твердых сплавах.
Твердые растворы занимают промежуточное положение. При образовании твердых растворов из некоторых компонентов А и Б они могут растворяться не только в жидком виде, но и в твердом состоянии. В этом случае при остывании структура такого раствора может состоять из кристаллической решетки металла Л, в которой размещены атомы металла ?, или наоборот (рис. 10).
При рассмотрении под микроскопом кристаллы твердого раствора не отличаются от кристаллов чистого металла. С точки зрения структуры твердые растворы не похожи ни на механическую смесь, ни на химическое соединение. От механической смеси их отличает то, что твердые растворы имеют одну кристаллическую решетку.
В отличие от химических соединений твердые растворы образуют кристаллическую решетку, не общую для обоих компонентов, а свойственную одному из металлов, входящих в сплав (металлу-растворителю), в которой количество атомов растворенного металла не постоянно, а зависит от его концентрации в сплаве и от температуры. Специальные исследования показали, что существуют два вида твердых растворов.
В твердых растворах замещения (рис. 10, а) атомы растворенного металла Б замещают один или несколько атомов в решетке металла-растворителя А. Твердые растворы замещения образуются, например, сплавами железа с никелем, марганцем, хромом, меди с никелем и др.
Твердые растворы внедрения (рис. 10, б) образуют кристаллическую решетку, в которой атомы растворенного металла Б внедряются в промежутки между атомами растворителя. Такие твердые растворы внедрения получаются в сплавах железа с углеродом.
Возможность замещения атомов металла-растворителя атомами других элементов широко используется в технике для специальных химико-термических процессов (цементация, азотирование, хромирование и др.).
Рассмотренные выше однородные составные части сплава (механические смеси, твердые растворы и химические соединения), в зависимости от соотношения компонентов, входящих в сплав, и от температур, могут образовывать различные структуры.
Рассмотрим в качестве примера структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.
Феррит — твердый раствор углерода в альфа-железе (Fe-a). Феррит представляет собой мелкие зерна почти чистого железа. Твердость феррита характеризуется 70 — 90 единицами по Бринеллю (70 — 90 НВ) 1. Феррит обладает высокой пластичностью, малой прочностью и магнитными свойствами. Кристаллическая решетка феррита — объемноцентрированный куб; пределы растворимости углерода в феррите 0,008% при комнатной температуре и 0,04% С при 723°. Под микроскопом феррит различается как светлые зерна (рис. 11).
Ау стен ит — твердый раствор углерода в гамма-железе (Fe-y). Структура аустенита приведена на рис. 12.
1 Способы определения твердости см. на стр. 37.
Аустенит значительно тверже феррита. Твердость аустенита соответствует 170 — 220 НВ.
Аустенит характерен хорошей сопротивляемостью истиранию и химической стойкостью. Кристаллическая решетка аустенита — гра-нецентрированный куб, у которого в центре помещается атом углерода. Предел растворимости углерода в аустените при ИЗО0 равен 2%. Сохранению аустенита способствуют добавки марганца, хрома и других элементов, поэтому аустенит при комнатных температурах можно наблюдать только в структуре некоторых легированных сталей. В чистых железоуглеродистых сплавах аустенит существует только при высоких температурах, а при температуре ниже 723° он распадается с образованием перлита.
Цементит — химическое соединение
углерода с железом (карбид железа Fe3C). Очень хрупкая и самая твердая структурная составляющая. Твердость цементита около 800 НВ. Цементит имеется во всех железоуглеродистых сплавах, содержащих свыше 0,008% углерода (за исключением серого ферритного чугуна и ковкого чугуна).
Рис. 13. Структура цементита в виде сетки между зернами.
При рассмотрении под микроскопом цементит наблюдается в виде пластинок, игл или сетки по границам зерен (рис. 13).
Форма цементита в стали влияет на механические свойства, особенно на ударную вязкость. При образовании сетки цементита по границам зерен сталь становится очень хрупкой. Для разрушения цементитной сетки необходима специальная термическая обработка стали.
Перлит — механическая смесь кристаллов феррита и цементита, содержащая 0,83% углерода. Структура перлита образуется в результате распада аустенита при температуре 723°. При этом часть углерода образует твердый раствор с а-железом (феррит), а часть углерода, выпадающего из аустенита, образует химическое соединение Fe3C (цементит). Твердость перлита составляет 160 — 200 НВ. В зависимости от формы частичек цементита перлит под микроскопом наблюдается в виде пластинчатого (рис. 14, а) или в виде зернистого строения (рис. 14, б).
Форма цементита в виде пластинок неустойчива — при нагреве цементит стремится принять стабильную форму зерен.
Ледебурит (рис. 15) — механическая смесь цементита и аустенита, содержащая 4,3% углерода и образующаяся при достижении охлаждаемым железоуглеродистым сплавом температуры 1130°.
Рис. 15. Структура ледебурита.
При охлаждении ниже 723° в связи с превращением аустенита в. перлит составледебурита будет: цементит + перлит. Ледебурит — твердая и хрупкая структурная составляющая.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
