Глава 16 МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Для изготовления деталей (заготовок) машин, прибо­ров, агрегатов, радиоэлектронных изделий используют конструкционные материалы и материалы специального назначения (электротехнические, полупроводниковые и др.).

Конструкционные материалы подразделяют на метал­лические, неметаллические и композиционные.

Особо большое значение в народном хозяйстве имеют металлы и их сплавы благодаря наличию ком­плекса свойств: высокой твердости, прочности, вязкости, пластичности, тепло- и электропроводности и др. Все ме­таллы и сплавы делят на черные (на основе железа) и цветные. Наибольшее применение имеют сплавы, полу­чаемые на основе меди, алюминия, цинка.

Металлы и их сплавы могут находиться в твердом, жидком и газообразном агрегатных состояниях. Переход металлов и их сплавов в то или иное агрегатное состоя­ние связан с изменением температуры, давления.

В твердом состоянии металлы и сплавы имеют кри­сталлическое строение. В кристаллах атомы распола­гаются в строго определенном порядке, образуя при этом простые или сложные решетки. Наиболее харак­терными для металлов являются: объемно-центрирован­ная кубическая (рис. 16.1, а), гранецентрированная кубиче­ская (рис. 16.1,6) и гексагональная плотноупакованная (рис. 16.1, в) решетки.

Большое влияние на развитие науки о металлах и за­конов построения кристаллической решетки оказали ра­боты М. В. Ломоносова, Д. И. Менделеева, П. П. Ано­сова, Е. С. Федорова и Д. К. Чернова.

Первичная кристаллизация металла (сплава) — про­цесс его перехода из жидкого в твердое состояние. В от­личие от материалов, которые затвердевают при пониже­нии температуры постепенно (рис. 16.2, а), металлы кри­сталлизуются при постоянной температуре, называемой критической температурой фазового превращения или теоретической температурой кристаллизации T_s. Практи­чески же переход металла из жидкого состояния в твер­дое, кристаллическое проходит при температурах ниже T_s (в интервале от T_s до Т_ф) (рис. 16.2,6).

Рис. 16. 1

Рис. 16.2

Разность температур T_s- Т_ф = AT называется степенью переохлаждения. Таким образом, фазовое превращение — это скач­кообразный переход ме­талла (сплава) из одной фазы в другую под воз­действием внешних фак­торов (температуры, дав­ления) с изменением его свойств. Фазовые превра­щения могут проходить и в твердых металлах при изменении температуры.

В производстве различных изделий детали (заготовки) из чистых металлов применяются очень редко. Это объясняется трудностью получения абсолютно чистых металлов и их низкими механическими свойствами. На­пример, в чистом железе, получаемом современной тех­нологией, содержание примесей не превышает 0,01 %; оно практически не используется.

В электротехническом производстве для изготовления электромагнитов, якорей электрических машин исполь-

Рис 16.3

зуют технически чистое железо, содержание примесей в котором находится в пределах 0,1—0,2%.

В преобладающем большинстве случаев для изгото­вления деталей изделий применяют сплавы. Сплав может представлять собой химическое соединение, твердый рас­твор, механическую смесь или их совокупность.

Химические соединения (интерметаллиды) наиболее характерны для элементов, относящихся к разным перио­дам и подгруппам периодической системы Д. И. Менде­леева (например, золото — цинк, магний — свинец).

Твердые растворы — это твердые фазы, включающие в различных соотношениях атомы разных элементов в одной кристаллической решетке.

Механические смеси образуют вещества, не всту­пающие в химические соединения и не способные образо­вать твердые растворы.

Для получения сплава с требуемыми свойствами под­бирают необходимые компоненты в различных соотно­шениях. Свойства сплава могут изменяться от внешних факторов (температуры, давления и др.). Состояния спла­вов в зависимости от температуры и соотношения ком­понентов иллюстрируются диаграммой состоя­ния сплава.

Следует отметить, что при изменении внешних факто­ров, например температуры, отдельные металлы (железо, кобальт и др.) могут приобретать новые свойства и структуру. Существование вещества с различными кри­сталлическими структурами и физическими свойствами называется аллотропией. Аллотропические формы обо­значают буквами греческого алфавита: α, β, γ, δ.

Простейшая диаграмма состояния для железа — кри­вая охлаждения показана на рис. 16.3.

Наиболее сложной является диаграмма состояния сплава железо - углерод, упрощенный вид которой пред­ставлен на рис. 16.4. Оба элемента (железо и углерод) обладают способностью к аллотропии. Поэтому они мо­гут образовывать химические соединения и твердые рас­творы, в которых даже незначительное изменение содер­жания углерода ведет к изменению структуры и свойств сплава.

Сплавы железо — углерод в зависимости от содержа­ния углерода делятся на стали (содержание углерода до 2,14%) и чугуны (содержание углерода более 2,14%). Предельное содержание углерода в сплаве 6,67%.

Линии диаграммы ACD и AECF соответствуют фа­зовым превращениям. Сплавы железо — углерод, распо­ложенные выше линии ACD, называемой линией ликвиду­са, находятся в жидком состоянии. Линия AECF назы­вается линией солидуса. Ниже линии солидуса сплавы любой концентрации находятся в твердом состоянии. Между линиями ликвидуса и солидуса сплавы имеют жидкотвердое (двухфазное) состояние.

При охлаждении жидкого сплава ниже линии АС в нем образуются кристаллы аустенита — твердого рас­твора углерода в железе (его аллотропической формы γ-железа). Твердый раствор углерода в α-железе называется ферритом; область чистого феррита незначительна (на диаграмме не показана).

Охлаждение сплава (с высоким содержанием углеро­да) ниже линии CD связано с образованием цементита (первичного), т. е. устойчивого химического соединения железа с углеродом Fe₃C (карбида железа).

При дальнейшем понижении температуры аустенит претерпевает вторичную кристаллизацию, сопровождаю­щуюся изменением формы кристаллической решетки и растворимости углерода. В низкоуглеродистых сплавах из аустенита выделяется феррит (ниже линии GS), в спла­вах с более высоким содержанием углерода — цементит вторичный (ниже линии SE).

У низкоуглеродистых сплавов (до 0,8 % С) непрерывно возрастающее количество феррита, вызванное пониже­нием температуры, ведет к выделению углерода и насы­щению им оставшегося аустенита. При 727 °С насы­щенный аустенит превращается в перлит — эвтектоидную смесь цементита и феррита. Структура таких сплавов по­сле охлаждения будет состоять из феррита и перлита.

При охлаждении сплавов, содержащих углерода более 0,8% (до 2,14%), аустенитные зерна непрерывно растут за счет цементитной сетки и обедняются углеродом. При температуре 727 °С аустенит превращается в перлит, а структура охлажденного сплава будет включать перлит и цементит (вторичный).

Сплав, содержащий 0,8% С, называют эвтектоидной сталью; менее 0,8% — доэвтектоидной, а более 0,8 — заэвтектоидной. Структура эвтектоидной стали — перлит.

Чугуны по содержанию углерода делятся на доэвтектические (2,14-4,3% С), эвтектические (4,3% С), заэвтектические (4,3-6,67% С).

Доэвтектический чугун начинает кристаллизоваться при температурах ниже линии АС. С понижением темпе­ратуры содержание аустенита увеличивается, а жидкая фаза обогащается углеродом. При 1147°С происходит эв­тектическое превращение чугуна с образованием ледебу­рита (эотектики - механической смеси аустенита и це­ментита). Наличие ледебурита в структуре характерно для всех видов чугуна.

Часть диаграммы состояния сплава железо — углерод, относящаяся к сталям, имеет огромное значение при вы­боре режимов термической обработки для получения но­вой структуры и свойств сталей.