2 Микроанализ

Микроанализом называется исследование структуры металлов и сплавов с помощью микроскопа при увеличении от 75—100 до 1500— 2000. Структура металлов, наблюдаемая при этом исследовании, называется микроструктурой. Микроскопический анализ впервые применил в 1831 г. великий русский металлург П. П. Аносов для исследования стали.

В задачи металлографического исследования входит определение величины и формы кристаллитов, составляющих сплав, выявление структур, характерных для некоторых видов обработки, обнаружение микропороков (засорение металла неметаллическими включениями, микротрещины и т. д.), а в некоторых случаях и определение химического состава сплава (например, для отожженных углеродистых сталей). Зная микроструктуру, можно судить о качестве термической обработки, объяснить причины удовлетворительности или неудовлетворительности механических свойств и т. д.

Для проведения микроанализа из исследуемого металла изготовляют так называемый микрошлиф. С этой целью из испытываемого материала вырезают небольшой образец, например, кубик с ребром 10 мм или шайбу диаметром 10—15 мм и высотой 15 мм.

Рис. 2. Схема установки для электролитического полирования: 1 — ванна с водой; 2 — сосуд с электролитом; 3 — шлиф (анод); 4 — катод из нержавеющей стали.

Одну из граней образца выравнивают напильником или наждачным кругом, а затем шлифуют специальной металлографической наждачной бумагой, помещенной на толстое стекло или закрепленной на быстро вращающемся круге. Начинают шлифование на грубой наждачной бумаге и заканчивают на бумаге с наиболее мелким зерном. После шлифования шлиф подвергается полированию на вращающемся круге с натянутым тонким сукном, фетром или бархатом, на который непрерывно наносится абразивное вещество (окись алюминия, окись хрома и др.) чрезвычайно тонкого помола.

Нередко для изготовления микрошлифов применяют электролитическое полирование (рис. 2). Микрошлиф 3 при этом служит анодом, а катодом пластинка 4 нержавеющей стали. При пропускании через электролит постоянного тока плотностью 0,2—4 а/см² происходит локальное растворение всех неровностей (выступающих элементов) и шлиф приобретает зеркальную поверхность. Электролитическое полирование сокращает время приготовления шлифа и полностью устраняет деформацию поверхностных зон при шлифовании, могущую исказить характер структуры металла.

Для выявления структуры шлиф подвергается травлению специальными реактивами. Для стали и чугуна в качестве реактива для травления наиболее часто применяется 4—5%-ный спиртовой раствор азотной или пикриновой кислоты. Для алюминиевых сплавов широко применяется 0,5%-ный раствор фтористой кислоты в воде, а для медных сплавов — 8%-ный аммиачный раствор СаС1₂ и другие реактивы. Следует отметить, что в последнее время широко применяют электролитическое травление шлифов, основанное на различной скорости электролитического растворения отдельных структурных составляющих сплава.

В результате травления имеет место неодинаковое отражение света отдельными структурными составляющими, что дает возможность выявить их под микроскопом.

На рис. 3 приведены типичные микроструктуры чистого железа (рис. 3, а) и стали, содержащей 0,8% С (рис. 3, б).

В отличие от биологических микроскопов металлографические микроскопы рассматривают изучаемый объект не в проходящем, а в отраженном свете.

Рис. 3. Микроструктура:

а — чистого железа; б — стали, содержащей 0,8% С X 600.

Схема оптической системы металлографического микроскопа приведена на рис. 4.

Рис. 4. Оптическая схема микроскопа МИМ-7:

1 — осветитель (лампа); 2 — коллектор; 3 — зеркало; 4 — линза; 5 — апертурная диафрагма; 6 — линза; 7 — призма; 8 — линза; 9 — отражательная пластинка; 10 — объектив; 11 — объект; 12 — ахроматическая линза; 13— окуляр; 14 — зеркало; 15 — фотоокуляр; 16— зеркало; 17 — фотопластинка; 18 — полевая диафрагма; 19 — затвор; 20 — линза для работы в темном поле; 21 — кольцевое зеркало; 22 — параболическое зеркало; 23 — заслонка (включается при работе в темном поле); 24 — поляризатор; 25 — анализатор

На рис. 5 приведен общий вид отечественного металлографического микроскопа типа МИМ-7.

Рис. 5. Общий вид микроскопа МИМ-7:

а — вид со стороны трансформатора; б — вид со стороны фотокамеры; 1— 25 — см. рис. 33; 26 — плита; 27 — основание или корпус фотокамеры; 28 — фотокамера; 29 — фонарь осветителя; 30 — винты, центрирующие лампу; 31 — диск со светофильтром; 32 — рукоятка для поворота диска с тремя фотоокулярами; 33 — рукоятка для смещения и поворота ирисдиафрагмы 5; 34 — винт, фиксирующий поворот диафрагмы 5; 35 — корпус микроскопа; 36 — предметный столик; 37 — макрометрический винт для вертикального перемещения столика; 38 — стопорное устройство для макровинта; 39 — визуальный тубус; 40 — микрометрический винт. 41 — осветительный тубус; 42 — рукоятка полевой ирисдиафрагмы; 43 — механизм центрировки; 44 — винты для перемещения предметного столика в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Рис 6. Общий вид и схема электронного микроскопа

1 — электронная пушка; 2 — конденсаторная линза; 3 — люк для смены образцов; 4 — камера объекта; 5— электромагнитная линза объектива; 6 — проекционная электромагнитная линза; 7 - люк для выемки фотопластинок; 8 — световой микроскоп; 9 - насос; 10 — вакуумное распределительное устройство.

Наряду с обычным оптическим микроскопом, для изучения металлов и сплавов в настоящее время применяется электронный микроскоп (рис. 6), позволяющий изучать металл при полезном увеличении до 100 000 раз (наиболее часто применяют увеличение 10 000—25 000).

Источником электронных лучей является так называемая электронная пушка, состоящая из вольфрамовой спирали, которая при нагреве до высокой температуры испускает электроны. При помощи электронного микроскопа изучается не непосредственно поверхность металла, а кварцевый или коллодиевый слепок, полученный с этой поверхности (шлифа) и воспроизводящий детали ее рельефа. На рис. 7 приведен пример структуры металла, полученной под электронным микроскопом.

Рис. 7. Микрофотография железа, полученная под электронным микроскопом. X 8000. (А. И. Гардин.)

РЕНТГЕНОВСКИЙ АНАЛИЗ

Рентгеновский анализ широко применяется для изучения кристаллического строения металлов и обнаружения внутренних пороков в них.

Рентгеновские лучи имеют ту же природу, что и световые, но длина волны их приблизительно в 10 000 раз меньше, что позволяет им проникать глубоко внутрь непрозрачных тел и отражаться от атомов, выявляя их расположение в пространстве. Длина волны рентгеновских лучей того же порядка, как и параметр кристаллической решетки металлов (0,1—10 А).

Получаются рентгеновские лучи в так называемых рентгеновских трубках, в которых пучок катодных лучей (поток отрицательно заряженных частиц) ударяется о поверхность металлического антикатода и вызывает образование рентгеновского излучения.

Структурный рентгеновский анализ. При прохождении рентгеновских лучей через кристаллическое тело, вследствие правильного расположения в нем атомов, происходит интерференция (взаимодействие) лучей, рассеянных каждым атомом в отдельности. В результате интерференции на фотопластинке, на которую падает узкий пучок рентгеновских лучей, прошедших через кристалл, кроме центрального пятна, образующегося под действием основного луча, появляется серия пятен, симметрично расположенных вокруг центрального пятна.

Наличие этих пятен является признаком кристаллического строения вещества.

При исследовании поликристаллического тела отдельные пятна сливаются, образуя сплошные кольца.

По расположению отдельных колец (пятен) можно судить о характере расположения атомов, т. е. установить тип кристаллической решетки.

Рентгеновское просвечивание применяется для контроля литых, сварных и кованых деталей, с целью выявления внутренних пороков (раковины, пористость, непровар и т. д.). На рис. 8 приведена схема установки для просвечивания.

Современные аппараты для просвечивания дают лучи, проникающая способность которых позволяет контролировать изделия из стали толщиной до 80—100 мм, из меди и ее сплавов—до 60 мм и деталей из алюминия и его сплавов до 300—400 мм.

Рис. 8. Схема просвечивания рентгеновскими лучами.

Для больших сечений лучшие результаты дают γ -лучи, впервые примененные в СССР в 1926 г. Атомные ядра некоторых радиоактивных веществ (радия, тория, мезотория и др.). обладая весьма неустойчивой структурой, самопроизвольно излучают большую энергию в виде α -частиц (ядер гелия), β-частиц (быстрых электронов) и γ -лучей. γ-лучи тождественны рентгеновским лучам, однако длина волны их еще меньше (10-10 — 10-11 см), вследствие чего они проникают на большую глубину по сравнению с рентгеновскими лучами.

Источником излучения γ-лучей является ампула, содержащая наибольшее количество радиоактивного вещества, обычно смесь радия и 34% мезотория. Такая ампула служит до 60 лет.

ДРУГИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Термический анализ. Впервые термический анализ был применен Д. К. Черновым.

Всякое изменение в состоянии металла или сплава сопровождается выделением или поглощением тепла. Термический анализ

Рис. 9. Кривые охлаждения: а - чистого металла; 6 и в— сплава.

сводится к выявлению температур, при которых имеет место поглощение или выделение тепла. Чтобы уловить, при каких температурах происходит поглощение или выделение тепла, достаточно через равные промежутки времени определять температуру нагревающегося или охлаждающегося металла (сплава). Зависимость между температурой и временем изображают в виде кривой (рис. 9). Переломы на кривой или горизонтальные площадки указывают температуры, при которых происходит выделение (при охлаждении) или поглощение (при нагреве) тепла, связанное с протеканием в сплаве того или иного превращения. Температуры, при которых в сплаве происходят те или другие изменения, называются критическими точками.

В этом виде термический анализ применим лишь в тех случаях, когда превращение сопровождается выделением (поглощением) заметного количества тепла. Для фиксирования превращений, протекающих с малым тепловым эффектом, применяют дифференциальный термический анализ. При этом определяют не температуру нагреваемого или охлаждаемого металла (сплава), а разность температур исследуемого металла и другого вещества (эталона), не имеющего превращений, одновременно нагревая и охлаждая их в совершенно одинаковых условиях. Развитию термического анализа во многом способствовали работы Н. С. Курнакова.

Дилатометрический анализ. Дилатометрический анализ применяется для определения критических точек путем наблюдения за изменением длины образца при его нагреве или охлаждении или в изотермических условиях (при постоянной температуре).

Рис. 10. Общий вид дифференциального оптического дилатометра:

а — схема; б — общий вид; 1 и 2 — кварцевые трубки; 3— эталон из сплава „пирос" (82% Ni-7% Cr, 5% W, 3% Fe и 5% Мn), не испытывающий превращений при нагреве; 4 — испытываемый образец; 5, 6 — кварцевые стержни; 7, 8 —стальные стержни с пружинами; 9 — зеркало; 10, 11 и 12 — опоры зеркала (опора 10 соединена с эталоном, 11 — с образцом и 12 неподвижна); 13 — фотопластинка, помещенная в фотокамеру; 14 — электрическая лампа; 15 — линза.

При расширении образца и эталона зеркало повертывается, и световой зайчик чертит на фотопластинке дифференциальную дилатометрическую кривую, показывающую объемные изменения в металле в зависимости от температуры.

Изменение длины образца характеризует объемные изменения, сопровождающие то или иное превращение в металле. Этот метод наиболее часто применяется для определения критических точек в стали. Для повышения точности наблюдений применяется дифференциальный метод дилатометрического анализа. В этом случае измеряется разность расширения эталона и исследуемого образца в зависимости от температуры.

Для анализа применяются специальные приборы—дилатометры (рис. 10). Дилатометр служит также для определения коэффициента термического расширения в заданном интервале температур.

Электрический анализ. Электрический метод изучения превращений в металлах (сплавах) осуществляется путем измерения электросопротивления, меняющегося в образце при изменении его температуры или вследствие превращений в нем при неизменной температуре. Этот метод для изучения металлов и сплавов был впервые применен Н. С. Курнаковым и его школой.

Магнитный метод. Магнитный метод нашел применение главным образом для изучения внутренних превращений в стали. Магнитный метод основан на изменении магнитных характеристик в результате того или иного превращения в стали при ее нагреве или при постоянной температуре. Этот метод исследования получил особенно широкое применение в СССР. Исключительно широко применяются магнитные методы контроля (магнитная дефектоскопия) для выявления дефектов, выходящих на поверхность детали (закалочные, шлифовочные, усталостные трещины, волосовины, непровар и т. д.).

Сущность метода сводится к тому, что при намагничивании ферромагнитной детали (рис. 11) в местах нарушения сплошности (трещина, волосовина) образуются области рассеяния и по краям трещин возникают полюса. При погружении такой детали в масляную (бензиновую, спиртовую и т. д.) ванну (поливание) с взвешенными в ней частицами магнитного порошка (магнитная суспензия) эти частички притягиваются к краям дефекта, выявляя его.

Рис. 11. Прибор для намагничивания деталей и поле рассеяния в месте дефекта.

МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МЕТАЛЛОВ

Все детали машиностроения в процессе их эксплуатации подвергаются воздействию внешних сил, вызывающих в них напряжения. Для того чтобы эти напряжения, а следовательно и деформации, не превосходили допустимых пределов, необходимо подбирать для изготовления этих деталей соответствующие материалы.

Для этого необходимо знать основные характеристики (прочность, пластичность, вязкость и т. д.) как машиностроительных материалов, так и готовых изделий. В связи с этим в основу большинства технических условий на качество выпускаемых изделий и на приемку металлов, идущих на изготовление деталей машин и металлических конструкций, положены результаты механических испытаний.

Механическими называют испытания специально изготовленных образцов стандартной формы (реже изделий и конструкций) на специальных машинах для получения характеристик прочности, пластичности и вязкости материала.

Механические испытания можно производить в различных условиях нагружения металла. Испытание может быть:

статическим, когда нагрузка возрастает медленно и плавно; нагружение металла осуществляют путем растяжения, сжатия, кручения или изгиба;

динамическим, когда нагрузка возрастает с большой скоростью, ударно;

3) повторно-переменным (статическим или ударным), когда нагрузка в процессе испытания изменяется по величине или по величине и направлению.

Кроме механических испытаний, в практике широко применяют так называемые технологические пробы. При помощи этих проб устанавливается способность металла к таким пластическим деформациям, которые он испытывает в процессе последующей горячей или холодной обработки.

Ниже рассматриваются основные виды механических испытаний и технологических проб.

ИСПЫТАНИЕ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Испытания на растяжение относятся к статическим испытаниям, т. е. к таким, когда нагрузка на образец в процессе испытания

Рис. 12. Образцы для испытания на разрыв.

Расчетная длина образца l₀ берется для длинного образца l₀=11,3 F₀ и короткого l₀= 5,65 F₀ , где F₀ — произвольное сечение образца в мм. Нормальный размер длинного образца l₀ = 200 мм, F₀=314 мм и d₀ 4= 20 мм.

возрастает относительно медленно от нуля до некоторой конечной величины. Для испытания на растяжение применяют стандартные образцы (ГОСТ 2055-43) цилиндрической (рис. 12, а) или плоской формы (рис. 12,6).

Головки образцов закрепляют в захватах разрывной машины. Механические свойства при растяжении определяются на расчетной длине образца l₀. Для испытания на растяжение наиболее широко применяют универсальную рычажно-маятниковую машину типа Р5(рис. 13), пресс Гагарина и разрывную машину типа ИМ-4Р, созданную в ЦНИИТМАШ И. В. Кудрявцевым и др. (рис. 14), работающую по принципу пресса Гагарина1.

Все разрывные машины имеют два основных механизма:

1) механизм для нагружения испытываемого образца (гидравлический или механический привод);

2) механизм для измерения усилий, приложенных к образцу (рычаг с подвижным грузом, маятниковый рычаг, манометр). Машины снабжены самозаписывающим прибором, который автоматически вычерчивает так называемую диаграмму растяжения, показывающую изменение длины образца в зависимости от приложенной к нему нагрузки. Наиболее точную диаграмму растяжения дают пресс Гагарина и мaшинa ИМ-4Р.

Рис. 13. Общий вид разрывной машины типа Р5.

На рис. 15, а приведена диаграмма растяжения для малоуглеродистой стали. Как видно из приведенной диаграммы,

вначале удлинение образца пропорционально нагрузке. Закон пропорциональности остается справедливым до некоторой нагрузки Р_р, которая носит название «нагрузка при пределе пропорциональности».

Напряжение, вычисленное по первоначальной площади поперечного сечения образца f₀,

σ_p=P_p/f₀ кг/мм²

называется пределом пропорциональности.

Напряжения, не превышающие предела пропорциональности, практически вызывают лишь упругие деформации, т. е. деформации, исчезающие после снятия нагрузки. Поэтому нередко предел пропорциональности отождествляют с пределом упругости (σ_l = σ_p). По существу это не вполне точно, но практически вполне приемлемо. Обычно предел упругости σе определяется как напряжение, при котором остаточная деформация получается равной 0,005% начальной расчетной длины образца (l₀).

Рис. 14. Разрывная машина типа ИМ-4Р:

а — общий вид; б — схема устройства машины; 1 и 2 зажимы машины 3 — винт нагружающего механизма; 4—рычаг; 5 —маятник; 6 — электромотор; 7 —стрелка; 8 — шкала; 9 — перо для записи диаграммы растяжения; 10 — диаграммный барабан; 11 и 12 — зубчатые пары.

Рис. 15. Диаграмма растяжения.

Пределы пропорциональности и упругости являются важными характеристиками металла. Любая конструкция или деталь машины должна рассчитываться так, чтобы рабочие напряжения в ней не превышали σ_s и σ_р.

До предела пропорциональности между напряжениями в образце и его удлинением существует следующая зависимость:

σ=E δ;

Е= σ/ δ=tgα

Коэффициент пропорциональности Е называется модулем упругости и характеризует жесткость материала, т. е. его сопротивление упругим деформациям при растяжении.

Модуль нормальной упругости Е мало зависит от структуры сплава, термической обработки и изменения его состава и определяется в основном типом кристаллической решетки.

Модуль упругости для некоторых металлов приводится ниже.

Металл	А1	Сu	Ag	Fe	Mg	Zn
Е в кг/м2	7 200	12100	8 000	21000	4 500	10 000

Железо, имеющее наибольшее значение модуля нормальной упругости, имеет наиболее важное техническое значение.

Повышение нагрузки выше Р_р нарушает прямолинейную зависимость между нагрузкой и удлинением образца. Прямая переходит в кривую, и при некоторой нагрузке P_s на диаграмме отмечается горизонтальная площадка. Наличие горизонтальной площадки указывает, что металл течет (удлиняется) без увеличения нагрузки. Нагрузка P_s называется нагрузкой при пределе текучести, а соответствующее напряжение пределом текучести.

σ_s=P_s/f₀ кг/мм²

Таким образом, пределом текучести называется наименьшее напряжение, при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки.

Выше предела пропорциональности уже имеет место пластическая деформация, т. е. деформация, остающаяся после снятия нагрузки. Если упругая деформация вызывала лишь упругие искажения кристаллической решетки, то пластическая деформация вызывает явление сдвига, т. е. одна часть кристалла перемешается по отношению к другой.

Большинство металлов не имеет четко выраженной площадки текучести. Диаграмма растяжения в этом случае плавно переходит от упругого участка к участку, который характеризует пластическую деформацию (рис. 14, б).

В этом случае определяют условный предел текучести, т. е. напряжение, при котором образец получает остаточное удлинение, равное 0,2% первоначальной расчетной длины (σ_0,2).

Предел текучести благодаря простоте определения широко применяется как показатель прочности в машиностроении и вытеснил такие характеристики, как σ_s и σ_p, требующие для определения наличия точных приборов и кропотливой работы.

Таким образом, пределы σ_р и σ_s характеризуют сопротивление металла малым пластическим деформациям. Дальнейшее повышение нагрузки вызывает более значительную пластическую деформацию во всем объеме металла.

Наибольшая нагрузка Р_в, которую выдерживает образец без разрушения, называется нагрузкой при пределе прочности, а соответствующее напряжение пределом прочности.

σ_в=Р_в/f₀ кг/мм²

Пределом прочности σb называется напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. Для хрупких металлов достижение предела прочности сопровождается разрушением. У пластичных металлов, начиная с напряжения, отвечающего величине σ_в, деформация сосредоточивается в одном месте. На образце образуется местное сужение поперечного сечения, так называемая шейка, нагрузка падает, и в некоторый момент образец разрушается. Следовательно, для пластичных металлов предел прочности характеризует сопротивление металла значительным пластическим деформациям.

Кроме показателей прочности σ_p, σ_s, σ_в, при испытании на растяжение определяются и показатели пластичности, характеризующие способность металла деформироваться не разрушаясь.

К характеристикам пластичности относятся:

1. Относительное удлинение δ%, под которым понимают отношение приращения длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине, выраженное в процентах

δ =100(l₁-l₀)/l₀

где l1 —.длина образца после разрыва.

2. Относительное сужение ψ%, под которым понимают отношение уменьшения поперечного сечения разорванного образца к первоначальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах

ψ =100(f₀-f₁)/f₀

При определении σ_р , σ_s, σ_в соответствующие им нагрузки Р_р, P_s, Р_в относились к первоначальной площади поперечного сечения образца f₀. Следовательно, диаграмма растяжения, приведенная на рис. 14, не учитывает значительного уменьшения поперечного сечения образца при напряжениях выше предела текучести и особенно при образовании шейки.

Более точную зависимость между деформацией образца и действительным напряжением дают так называемые диаграммы истинных напряжений. Эти диаграммы строятся в координатах истинные напряжения— относительное сужение g, которое характеризует истинную деформацию образца в процессе испытания. Относительное сужение определяется из следующего уравнения:

s=P/f_x

g=100(f₀-f_x)/f₀

где f_x —поперечное сечение образца в данный момент испытания.

На рис. 14, в, приведена диаграмма истинных напряжений. На диаграмме предел текучести обозначен S_s, а предел прочности S_k. Величины S_k и σ_в для хрупких металлов, разрушающихся без значительной пластической деформации, практически равны. Для пластичных металлов S_k всегда больше σ_в.

Построение истинных диаграмм растяжения связано с большими трудностями, поэтому при контрольных испытаниях обычно пользуются условными диаграммами растяжения. При исследовательских работах нередко строят диаграммы истинных напряжений.

ИСПЫТАНИЕ НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ

Из всех видов испытания на удар наибольшее распространение получило испытание на изгиб образцов, снабженных выточкой — надрезом (рис. 16, б). Для проведения испытания на удар применяют маятниковые копры (рис. 16, а). Образец устанавливается на двух опорах так, чтобы прорезь его была расположена против того места, где ударит маятник. Маятник весом G поднимают на высоту h₁ (рис. 16, а); при падении маятника с этой высоты он разрушает образец и поднимается на высоту h₂. Следовательно, работа, затрачиваемая на разрушение образца, будет равна К=G|h₁-h₂| МДж.

Высоту подъема маятника до и после удара можно выразить, через углы подъема маятника (см. рис. 15). В этом случае работа, затраченная на излом образца, будет равна К=Gl|cosα₁-cosα₂| МДж.

Угол начального подъема маятника является величиной постоянной, а угол взлета маятника после разрушения образца определяется по специальной шкале, имеющейся на маятниковом копре.

Зная работу разрушения образца, можно определить величину ударной вязкости:

Ударная вязкость является сложной характеристикой, учитывающей вязкость и прочность материала. Ударную вязкость пока еще нельзя использовать при расчетах, однако это испытание, как правило, предусматривается техническими условиями для углеродистых и легированных сталей.

Рис. 16. Схема испытания на удар.

а — схема маятникового копра; б — образец для испытания на удар.

Ударная проба дает возможность выявить отклонения от правильного технологического процесса, которые не отмечаются статическими испытаниями. Так, например, ударная проба весьма чувствительно улавливает влияние величины зерна (перегрева стали), выделение по границам зерна хрупких прослоек (карбидов, фосфидов и т. д.), отпускную хрупкость, старение и т. д.

ИСПЫТАНИЕ НА ТВЕРДОСТЬ

Твердостью называется сопротивление металла проникновению в него другого, более твердого, не получающего остаточных Деформаций тела.

Испытание на твердость вследствие быстроты, простоты и возможности без разрушения изделия судить о его свойствах, получило широкое применение для контроля качества металла и металлоизделии во всех отраслях промышленности. Рассмотрим наиболее распространенные методы испытания твердости.

Определение твердости вдавливанием стального шарика (метод Бринелля). Этот метод испытания твердости основан на том, что в плоскую поверхность испытываемого металла вдавливается под постоянной нагрузкой Р стальной закаленный шарик (рис. 17, а). Испытываемый образец 1 (рис. 17, б) устанавливается на столик 2 и при помощи маховика 3 и винта 4 подводится к шарику 5. Затем посредством ручного насоса 6 масло из резервуара перекачивается в цилиндр и создает давление на шарик 5. Давление одновременно передается на рычаг с грузами и манометр 7. Величина давления определяется весом грузов. Путем подбора соответствующих грузов можно создать давление на шарик, равное 500, 750, 1000 и 3000 кг. После снятия нагрузки на поверхности испытываемого металла образуется отпечаток (лунка).

Рис. 17. Испытание твердости методом вдавливания стального шарика:

а — схема испытания; б— общий вид пресса Бринелля.

Если обозначить площадь шаровой поверхности лунки через F мм², то число твердости по Бринеллю H_B выразится

H_B=P/F

Таким образом, число твердости по Бринеллю представляет собой отношение нагрузки, приложенной к шарику в период испытания, к величине поверхности лунки, образуемой при вдавливании шарика в испытываемый материал.

Если поверхность лунки F выразить через диаметр шарика D и лунки d, то число твердости по Бринеллю может быть определено по следующей формуле:

Диаметр шарика D и прилагаемая нагрузка постоянны и выбираются в зависимости от твердости и толщины испытываемого образца (табл. 4 ГОСТ 10241-40). Диаметр лунки измеряется при помощи специальной лупы, имеющей шкалу с ценой деления 0,1 мм.

Для определения твердости НВ по известному значению диаметра лунки d обычно пользуются специальными таблицами, заменяющими длительные и сложные вычисления.

Между твердостью по Бринеллю и пределом прочности существует приближенная зависимость: I) для закаленной стали σь = 0,36 НВ

2) для стального литья σb= (0,3...0,4) НB; 3) для чугуна σ6= (HB- 40)/6.

При испытании материалов, имеющих твердость более 450 НB, применять метод Бринелля не рекомендуется, так как шарик может легко деформироваться, что исказит результаты испытания.

Таблица 4

Материал	HB	Толщина испытываемого материала в мм	Соотношение между нагрузкой Р и диаметром шарика D	d в мм	Р в кг	Выдержка под нагрузкой в сек.
Сталь, чугун	До 450	Более 6; 6-3; менее 3	Р = 30d2	10; 5; 2,5	3000; 750; 187,5	10-30*
Медь и ее сплавы, магниевые сплавы и др.	31,8-130	Более 6; 6-3; менее 3	Р = 10d2	10; 5; 2,5	1000; 250; 62,5	30
Алюминий, баббиты	8 - 35	Более 6; 6—3; менее 3	Р = 2,5d2	10; 5; 2,5	250; 62,5; 15,6	60

* Для твердости до Н_В = 140 выдержка 30сек. для более твердых материалов 10 с.

Определение твердости по глубине вдавливания алмазного конуса или шарика (метод Роквелла). Этот метод испытания, как и метод Бринелля, основан на проникновении одного тела в другое под действием статической нагрузки; этим методом измеряется не диаметр, а глубина отпечатка.

В качестве наконечника при испытании твердости по Роквеллу служит алмазный конус с углом между образующими 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,5875 мм. Алмазный конус применяется для испытания материалов с высокой твердостью, а шарик — для более мягких материалов.

Конус и шарик вдавливаются двумя последовательными нагрузками: предварительной Р₀ (равной 10 кг) и основной Р, равной 100 кг для шарика (шкала В) и 150 кг для алмазного конуса1 (шкала С). Для испытания очень твердых материалов применяется алмазный конус и нагрузка 60 кг (шкала А). Для испытания тонких материалов применяется супер-роквелл—прибор, в котором предварительная нагрузка устанавливается равной 3 кг, а окончательная 15,30 или 45 кг.

Результаты вдавливания наконечника на приборе Роквелла измеряются непосредственно индикатором (указателем), шкала которого составлена в условных единицах твердости, определяемых по формуле

H_R=(K-|h₁-h|/C)

где К — постоянная величина, равная для алмаза 0,2, а для шарика 0,26;

Рис. 18. Схема определения твердости вдавливания алмазного конуса:

1—1 —углубление конуса под действием предварительной нагрузки Р₀; 2—2 — углубление конуса под действием окончательной нагрузки Р; 3—3—углубление конуса при уменьшении окончательной нагрузки Р до значения предварительной нагрузки P₀.

h₁ — глубина проникновения конуса (шарика) в мм, полученная после снятия нагрузки (рис. 18);

h — глубина проникновения конуса (шарика) под действием предварительной нагрузки Р₀ (рис. 18);

С—цена деления циферблата, равная соответствующему углублению наконечника (конуса, шарика) на 0,002 мм.

На рис. 19 приведены общий вид и схема устройства наиболее распространенного прибора типа РВ для испытания твердости по Роквеллу. Метод Роквелла благодаря высокой производительности, простоте обслуживания, высокой точности и небольшому размеру отпечатка на испытываемой поверхности получил широкое применение в промышленности.

Числа твердости по Роквеллу можно приближенно перевести в числа твердости по Бринеллю, пользуясь специальными таблицами или графиками.

Метод определения твердости алмазной пирамидой (по Виккерсу) 2. Этот метод испытания твердости широко применяется для определения твердости металлов высокой твердости, а также весьма малых сечений и тонких наружных слоев — цементованных, азотированных и т. д.

Твердость определения вдавливанием в испытываемую поверхность (шлифованную или даже полированную) правильной четырехгранной алмазной пирамиды (угол между гранями 136°) и выражается числом твердости, полученным путем деления нагрузки килограммы) на поверхность отпечатка (квадратные миллиметры), вычисленную по его диагоналям. Число твердости определяется по следующей формуле

HV=(2Psinα/2)/d²=1,8544P/d² ;

где Р — нагрузка на пирамиду (5, 10, 20, 30, 50, 100 или 120 кг); α — угол между противоположными гранями пирамиды (α = 136°); d — среднее арифметическое обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки в мм.

1 Основная нагрузка складывается из предварительной и окончательной.

2 ГОСТ 2999-45.

Рис. 19. Схема прибора Роквелла типа РВ:

1 - столик прибора; 2 — штурвал для подъема столика; 3 - шарик или алмаз; 4 -пружина; 5 - рукоятка для включения основной нагрузки; 6 - система рычагов; 7, 8 и 9 - съемные грузы; 10 - масляный тормоз.

Величину нагрузки выбирают в зависимости от характера испытываемого материала. Чем тоньше испытываемый материал, тем меньше должна быть нагрузка. Чем больше нагрузка, тем точнее результат испытания.

Обычно твердость по Виккерсу определяется из специальных таблиц по значению d (длины диагонали отпечатка). Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю имеют одинаковую размерность и для материалов с твердостью до 450 совпадают. При большей твердости числа твердости по Виккерсу превышают числа твердости по Бринеллю. На рис. 20 приведена схема прибора Виккерса для определения твердости.

Метод определения микротвердости. Метод определения микротвердости в настоящее время широко используется для определения твердости очень тонких слоев, изделий мелких размеров, твердости отдельных структурных составляющих сплавов и т. д. Сущность конструкций приборов для испытания микротвердости заключается в соединении механизма для вдавливания алмазной пирамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа.

Рис. 20. Прибор Виккерса: а — схема устройства; 1 — столик для установки

испытуемого образца; 2 - маховик; 3 – шток; 4 - спусковая рукоятка микрошлифа; 3 - окуляр; 4 - объектив; 5- грузы; 6 -педаль; 7 –микроскоп.

Рис. 21. Прибор для измерения микротвердости: 1 - микрошлиф; 2 - столик для установки; 3 - окуляр; 4 - объектив; 5- грузы; 6 - ручка для поворота столика; 6 - ручка для измерения отпечатка на приборе поворота груза; 7 - алмазная пирамида; 8 — груз; 9 — фотокамера.

Одним из лучших приборов для измерения микротвердости является прибор, созданный в Институте машиноведения АН СССР (рис. 20).

В данном приборе испытание твердости производится путем вдавливания в испытываемую поверхность алмазной пирамиды под нагрузкой от 1 до 120 г. Число твердости определяется по формуле

H =1,8544P/d²

где Р — нагрузка в г, d —диагональ отпечатка в мкм.

Образцы для определения микротвердости изготовляются так же, как микрошлифы. Образец рекомендуется подвергать электрополированию, что позволяет устранить тонкий слой наклепанного металла, неизбежно возникающий в процессе шлифования образца и могущий исказить результаты измерения твердости. На рис. 22 приведен пример измерения микротвердости отдельных структурных составляющих в азотированном слое.

Рис. 22. Испытание на микротвердость структурных составляющих азотированного слоя. Нагрузка 10 г.

ИСПЫТАНИЯ НА УСТАЛОСТЬ

Большинство современных деталей машин работает в условиях, когда действующие силы меняют свое значение как по величине, так и по знаку (рис. 23).

Установлено, что металл, испытывающий в работе знакопеременные напряжения (сжатие σ — и растяжение σ +), повторяющиеся через определенные промежутки времени (рис. 23), разрушается при напряжении, лежащем не только ниже предела прочности σь, но и ниже предела текучести σs. Разрушение имеет место и при повторно-переменной нагрузке, т. е. когда изменяется только величина нагрузки без изменения знака напряжения (рис. 23). Явление разрушения металла под действием повторных или знакопеременных напряжений называется усталостью металла.

В результате усталостного разрушения получается характерный излом, состоящий из двух зон (рис. 24). Зона 1 имеет гладкую поверхность и носит название «зона усталости». Зона усталости образуется постепенно.

Рис. 23. Знакопеременные и знакопостоянные циклы перемен нагрузок.

Первоначально в наиболее слабом месте сечения образуется микротрещина, которая постепенно развивается в макротрещину. После того как трещина заняла значительную часть сечения, происходит мгновенное хрупкое разрушение по части сечения 2. Поверхность излома в этой зоне имеет кристаллический характер.

При выборе металла для изготовления той или другой детали необходимо учитывать его сопротивление разрушению от усталости, т. е. способность выдерживать без разрушения значительное число повторно-переменных напряжений.

Рис. 24. Излом усталости.

Сопротивление металла усталости характеризуется так называемым пределом усталости (выносливости). За предел усталости (выносливости) σь принимается наибольшее напряжение, при котором образец выдерживает без разрушения заданное число циклов, принимаемое за базу.

Согласно ГОСТ 260-45 предел усталости (выносливости) стальных образцов определяют на базе 5 млн., а образцов из легких литейных сплавов—на базе 20 млн. циклов. Большое количество исследований показало, что если металл выдержал указанное число циклов без разрушения, то он выдержит такое же напряжение и при значительно большем числе перемен нагрузок.

Определение предела усталости наиболее часто осуществляется путем воздействия на вращаемый образец одной или двух изгибающих нагрузок, вызывающих в образце знакопеременные напряжения (растяжение — сжатие) по симметричному циклу. На рис. 25 приведена принципиальная схема испытания на усталость при изгибе с вращением консольно закрепленного образца.

Рис. 25. Схема испытания на усталость при изгибе с вращением.

Для определения предела усталости должно быть подвергнуто испытанию не менее шести образцов. Первый образец испытывают при напряжении σ₁ равном для стали 0,6 σь (предела прочности при растяжении) и определяют число циклов, вызвавших разрушение образца N1. Для второго и последующих образцов напряжения σ₂, σ₃ и т. д. каждый раз снижают или повышают на 2 или 4 кг/мм² в зависимости от числа циклов, вызвавших разрушение первого образца.

Результаты испытаний наносят на диаграмму в координатах напряжения σ кг/мм² — число циклов N в пропорциональных или логарифмических масштабах.

Такого рода диаграмма, называемая диаграммой усталости, приведена на рис. 26.

Величина предела усталости в сильной степени зависит от размеров образца, наличия концентраторов напряжений (галтель, выточка и т. д.), степени чистоты поверхности, коррозии и т. д.

Рис. 26. Кривая усталости.

С увеличением размеров образца величина предела усталости понижается.

Наличие на образце (деталях) концентраторов напряжений в виде надрезов, резких переходов, выточек и т. д. резко снижает предел усталости. Чем тщательнее обработка поверхности образца (детали), тем выше значение предела усталости. Коррозия сильно понижает предел усталости. Поверхностное упрочнение деталей машин (поверхностная закалка, азотирование, цементация и т. д.) сильно повышает предел усталости и значительно уменьшает отрицательное влияние концентраторов напряжений.

ИСПЫТАНИЯ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Многие детали современных машин работают в условиях высоких температур. Для суждения о прочности металла при высоких температурах проводятся специальные испытания. Наиболее часто осуществляются следующие основные виды испытания при растяжении при высоких температурах:

Кратковременные испытания на растяжение проводятся аналогично испытанию на растяжение при комнатной температуре. Целью испытания является определение прочности и пластичности при заданной температуре. На рис. 27 приведена установка для испытания на ползучесть. Образец помещается в электрическую печь, где нагревается до заданной температуры при одновременном приложении нагрузки к образцу при помощи рычага 4 и груза 5. Возникающая в образце деформация измеряется с точностью до 0,001 мм специальным зеркальным прибором. При каждой заданной температуре испытывают четыре-пять образцов под различными нагрузками и для каждой из них строят кривые удлинение — время (кривые ползучести).

Рис. 27. Установка для испытания на ползучесть:

1 — образец; 2 — захваты машины; 3 — печь; 4 — рычаг; 5 —груз; 6 — термопара; 7 — зеркальный прибор для измерения деформаций.

Испытание на ползучесть. Ползучестью называется способность металлов медленно и непрерывно пластически деформироваться при постоянной нагрузке при высоких температурах (для стали выше 350°). Целью испытания является определение предела ползучести, т. е. величины длительно действующего при данной температуре напряжения, при котором скорость ползучести за данный промежуток времени не превышает предусмотренных техническими условиями величин.

На кривых ползучести (рис. 28) участок Оа соответствует упругой и пластической деформации, вызванной мгновенным приложением нагрузки; далее следует участок аб, где металл деформируется с неравномерной (замедляющейся) скоростью, и наконец участок бс, характеризующий равномерную скорость ползучести.

Предел ползучести может характеризоваться, например, напряжением, вызывающим суммарную деформацию 1 % за 300 час. Видимо этому случаю будет соответствовать напряжение σ₃. Если технические условия предусматривают предел ползучести как 1 % за 100 час, то этому значению соответствует напряжение σ₄. Для деталей, работающих длительное время при повышенных температурах, принимается во внимание лишь скорость ползучести при установившемся процессе и задаются граничные условия, например 0,1% за 1000 час или 0,1% за 10000 час.

Испытание на длительную прочность. Испытание на длительную прочность представляет собой разновидность испытания на ползучесть, при котором испытываемый образец доводится до разрушения. При испытании определяется время, необходимое для разрыва образца при заданной температуре и напряжении. Кроме того, нередко определяют остаточное удлинение и поперечное сужение после разрыва.

Если принять время равным 100 час, то напряжения, вызывающие разрыв за этот отрезок времени, будут соответствовать σ6 (рис. 28).

Рис. 28. Кривые ползучести.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

На практике металлы нередко испытывают простыми технологическими пробами. Технологические пробы имеют целью выявить способность металла к тем или иным деформациям, которым он подвергается при его службе или обработке в холодном или горячем состоянии.

Удовлетворительность или неудовлетворительность металла по технологическим пробам определяется по внешнему виду металла после испытания; отсутствие надрывов, трещин, расслоения или излома свидетельствует о том, что металл выдержал пробу.

Испытание на вытяжку применяют для определения способности тонких листов подвергаться штамповке, вытяжке и другим аналогичным операциям. На рис. 29 приведен прибор для испытания на вытяжку. Образец помещают в пространство 1 между пуансоном и матрицей. Равномерно вращая штурвал 2, вытягивают испытываемый материал до момента его разрыва, следя за поведением материала в зеркало 3. Глубина вдавливания пуансона до разрыва определяется по шкале 4 с точностью до 0,1 мм.

Проба на изгиб (ОСТ 1683) служит для определения способности металла (листов, прутков различных профилей и т. д.) принимать заданный по размерам и форме загиб.

Рис. 29. Прибор для испытания на вытяжку.

Различают загиб до определенного угла, загиб вокруг оправки до параллельности сторон и загиб вплотную. Тот или другой вид загиба должен быть оговорен в технических условиях. Для проведения испытания на загиб применяют специальные машины, прессы, тиски с закругленными губками и т. д.

Проба на перегиб служит для определения способности металла (проволоки, полосового и листового материала) выдерживать повторный загиб и разгиб. Проба производится только в холодном состоянии.

Проба на завивание проволоки проводится в холодном состоянии. Образец считается выдержавшим пробу, если после навивания (и развивания) в нем отсутствуют расслоения, трещины и другие дефекты.

При работе с трубами нередко применяются следующие технологические пробы: 1) на раздачу; 2) на обжатие; 3) на бортование: 4) на сплющивание; 5) на расплющивание.

Вопросы для самопроверки:

1. Что понимают под макроструктурой?

2. Что называют микроструктурой?

3. Как осуществляется проба на характер распределения серы?

4. Для каких целей применяется электронный микроскоп?

5. Для каких целей применяется оптический микроскоп?

6. Для каких целей используется структурный рентгеновский анализ?

7. В чём сущность и в каких целях применяют: термический анализ, дилатометрический анализ, электрический анализ, магнитный метод?

8. Какие методы механических испытаний металлов и сплавов Вы знаете?

9. Как проводится испытание на растяжение?

10. Что понимают под твёрдостью? На каких приборах и какими методами ее измеряют?

11. Что такое ударная вязкость? На каком приборе проводятся испытания?

12. Как проводятся испытания на ползучесть?

13. Как может характеризоваться предел ползучести?

14. С какой целью проводят технологические пробы?

15. Какие технологические пробы Вы знаете?

Литература:

1. Готтштайн Г. Физико-химические основы материаловедения / Г. Готт­штайн ; пер. с англ. К. Н. Золотовой, Д.О.Чаркина ; под ред. В. П. Зломанова. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. — 400 с.: ил. — (Лучший зарубежный учебник).

2. Гуляев А.П. Металловедение: Учеб. пособие для вузов. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1986. – 542 с.89-141

3. Иваней А.А. Электронный конспект лекций.

4. Кларк Эшли Р., Эберхардт Колин Н. Микроскопические методы исследования материалов Москва: Техносфера, 2007. - 376с.

5. Солнцев Ю.П. Оборудование пищевых производств. Материаловедение: Учеб. для вузов.- СПб.: Изд-во «Профессия», 2003.- 526с.

6. Технология конструкционных материалов: Учебник для вузов /Под ред. А.М. Дальского. – 2-е изд. перераб. и доп. /М.: Машиностроение, 1985. – 448 с.

7. Технология металлов и материаловедение: Учебник для вузов и техникумов /Под ред. Л.Ф. Усовой – Производственное издание. М.: Металлургия, 1987. – с.106-123;

8. Фетисов Г.П., Карпман М.Г., Матюнин В.М. и др. Материаловедение и технология металлов. – М.: Высш. шк., 2000. – 638 с.

Форма отчета

Практическая работа № 1.

«МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ»

1. Дать определение макроструктуры и микроструктуры.

2. Указать методы, используемые при макроанализе и микроанализе.

3. Проанализировать свойства материалов: механические, физические, химические, санитарно-гигиенические и т.д. и методы их определения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 2

СВЯЗЬ МЕЖДУ СВОЙСТВАМИ СПЛАВА И ТИПОМ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

Цель работы - ознакомиться с методикой построения диаг­рамм состояния двухкомпонентных сплавов, изучить изменение свойств сплавов в зависимости от изменения концентрации их компонентов для основных типов диаграмм состояния.

Задания:

1. Изучить теоретические сведения о строении металличес­ких сплавов.

2. Усвоить методику экспериментального построения диаг­рамм состояния двухкомпонентных сплавов.

3. Научиться практическому использованию правила фаз и правила отрезков.

4. Изучить связь между свойствами сплавов и типом диаграмм состояния.

Наглядные пособия и материалы. Плакаты с диаграммами состояния двухкомпонентных систем, карандаши, линейки.

Краткие теоретические сведения

Строение металлических сплавов

Основными конструкционными материалами являются металлические сплавы - вещества, полученные сплавлением двух или более элементов (компонентов).

К основным понятиям в теории сплавов относятся; система, компонент, фаза.

Система - группа тел, выделяемый для наблюдения и изучения. В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой (однокомпонентной) системой.

Компонентами называют вещества, образующие систему (сплав). В металлических сплавах компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы) и химические соединения (не диссоцирующие при нагревании).

Фазой называется однородная часть системы, отделенная от другой части системы (фазы) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменя­ется скачком,

Следовательно, однородная жидкость является однофазной системой, а механическая смесь двух видов кристаллов - двухфазной, так как каждый кристалл отличается от другого по составу или по строению и они отделены один от другого поверхностью раздела. В твердых сплавах фазами могут быть зерна чистого металла, зерна твердого раствора и зерна химического соединения. Механическая смесь двух компонентов А и В образуется тогда, когда они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. При этих условиях сплав будет состоять из кристаллов А и В, отчетливо выявляемых на микроструктуре. Рентгенограмма сплава покажет наличие двух решеток компонентов А и В.

Твердыми растворами называют такие твердые фазы, в которых соотношения между компонентами могут изменяться. Рентгеновский анализ обнаруживает в твердом растворе, как и у чистого металла, только один тип решетки. Следовательно, в отличие от механической смеси твердый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку; в отличие от химического соединения твердый раствор существует не при определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций. В твердом растворе одно из входящих в состав сплава веществ сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, a второе вещество, утратив свое кристаллическое строение, в виде отдельных, атомов распределяется в кристаллической решетке первого. Первое вещество является растворителем, второе - растворимым.

В зависимости от характера распределения атомов раствори­мого элемента различают твердые растворы внедрения, замещения и вычитания. Независимо от типа твердого раствора общим для них является то, что они однофазны и существуют в интервале концентраций. Для твердых растворов характерен металлический тип связи. В твердых растворах внедрения атомы растворимого элемента распределяются в кристаллической решетке металла-растворителя, занимая места между его атомами.

В твердых растворах замещения атомы растворимого элемента занимают места атомов основного металла. Посторонние атомы могут замещать атомы растворителя в любых местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченными и неограниченными. Одно из условий неограниченной растворимости - размерный фактор: чем больше различие в атомных радиусах, тем меньше растворимость.

Неограниченная растворимость компонентов присуща системам, в которых атомные радиусы элементов различаются не более чем на 8...15%.

С понижением температуры в твердых растворах замещения может произойти перераспределение атомов, в результате которого атомы растворенного элемента займут строго определенные места в решетке растворителя. Такие твердые растворы называют упорядоченными твердыми растворами, а их структуру - сверхструктурой. Температуру перехода неупорядоченного состояния в упорядоченное называют точкой Kyрнакова.

Твердые растворы вычитания образуются на основе некоторых химических соединений, когда к химическому соединению добав­ляется один из входящих в его формулу элементов. Атомы этого элемента занимают нормальное положение в решетке соединения, а места, где должны были бы находиться атомы второго компонента, оказываются незаполненными, пустыми (поэтому эти растворы иногда называют растворами с дефектной решеткой).

Образование любого типа твердых растворов сопровождается изменением параметров решетки металла-растворителя. Это важный момент, определяющий изменение свойств твердого раствора.

Химическое соединение чаще всего образуется между элемен­тами, расположенными далеко друг от друга в таблице Д.И. Менделеева, т. е. существенно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между атомами однородными.

Химические соединения имеют ряд особенностей, отличающих их от твёрдых растворов:

а) соотношение чисел атомов элементов, образующих соеди­нение, строго определенное, соответствующее стехиометрической пропорции, выраженной формулой вида AnВm;

б) они имеют свою кристаллическую решетку, отличную от решеток элементов, образовавших это соединение, с правильным упорядоченным расположением атомов компонентов в кристаллической решетке;

в) свойства соединения заметно отличаются от свойств исходных элементов;

г) как и чистые металлы, они имеют постоянную температуру плавления (диссоциаций). Как правило, химические соединения обладают большой твердостью и очень хрупки.

Понятие о диаграммах состояния

Диаграмма состояния - графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от его концентрации и температуры.

Диаграмма состояния показывает равновесные, устойчивые состояния, т.е. такие, которые при данных условиях обладают минимальной свободной энергией. Они имеют большое теоретическое и практической значение, так как изучение любого сплава начи­нается с построения и анализа диаграммы состояния с целью изучения фаз и структурных поставляющих сплава.

С помощью диаграммы состояния можно установить возмож­ность проведения термической обработки и ее режимы, температуры литья, горячей пластической деформации и т.д.

В любой системе число фаз, находящихся в равновесии, зависит от внутренних и внешних условий. Закономерности всех изменений, происходящих в система, подчинены общему закону равновесия, который называется правилом фаз или законом Гиббса, который выражает зависимость между числом степеней свободы С (вариантностью) системы, числом компонентов К и числом фаз системы Ф, находящихся в равновесии. Правило фаз записывают в виде: С = К - Ф + 1 (при постоянном атмосферном давлении).

Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Построение диаграмм состояния осуществляют различными экспериментальными методами. Чаще всего используют метод термического анализа, сущность которого заключается в отборе нескольких сплавов данной системы с различным соотношением масс входящих в них компонентов. Сплавы помещают в огнеупорные тигли и нагревают в печи. После расплавления сплавов тигли со сплавами медленно охлаждают и фиксируют скорость охлаждения. По полученным данным строят кривые охлаждения в координатах время - температура.

В результате измерений получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.

Температуры, соответствующие фазовым превращениям, назы­ваются критическими точками. Точки, отвечающие началу кристаллизации, называют точками ликвидус (жидкий), а конца кристаллизации - точками солидус (твердый).

По полученным кривым охлаждения (критическим точкам) для различных сплавов изучаемой системы строят диаграмму состояния в координатах; по оси абсцисс - концентрация компонентов, по оси ординат - температура.

Рассмотрим диаграмму состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (1 рода).

В этом случае оба компонента в жидком состоянии неограни­ченно растворимы, а в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химических соединений. С некоторым приближением можно принять, что такими компонентами могут быть свинец - сурьма, образующие данную систему (рис. 1).

Для построения этой диаграммы выбирают три-четыре сплава различной концентрации, перенасыщенных либо свинцом, либо сурьмой, и на вспомогательной диаграмме температура – время (рис. 1 слева) наносят, пользуясь данными наблюдений температуры кристаллизации чистого свинца и чистой сурьмы, а также нижеперечисленных сплавов:

1. 95 % Pb; 5 % Sb;

2. 90 % Pb; 10 % Sb;

3. 87 % Pb; 13 % Sb;

4. 60 % Pb; 40 % Sb.

Вначале вычерчивают кривые кристаллизации Pb и Sb (1 и 6).

Свинец кристаллизуется при 327 ⁰С, сурьма – при 631 ⁰С. Их кристаллизация отмечена горизонтальным участком кривой. Первый сплав (кривая 2) начинает кристаллизоваться при 300 ⁰С с выделением избыточных кристаллов свинца. Оставшаяся часть сплава бедна свинцом, значит, концентрация сурьмы в ней возрастает, и, когда она достигает 13 %, при 246 ⁰С происходит окончательная кристаллизация (см. горизонтальный участок кривой). Второй сплав (кривая 3) кристаллизуется аналогично первому, но точка начала кристаллизации у него ниже, а кончается кристаллизация также при 246 ⁰С, когда концентрация сурьмы достигает 13 %. Третий сплав (кривая 4) кристаллизуется полностью при одной температуре (246 ⁰С) с одновременным выпадением кристаллов свинца и сурьмы. Четвертый сплав (кривая 5) начинает кристаллизоваться при 400 ⁰С с выделением избыточных кристаллов сурьмы. В жидком сплаве сурьмы становится все меньше, и, когда ее содержание снизится до 13 %, при 246 ⁰С произойдет окончательная кристаллизация.

Все точки начала и конца кристаллизации свинца, сурьмы и указанных четырех сплавов перенесем на основную диаграмму. Соединив все точки начала кристаллизации, получают линию АЕВ. Эта линия называется ликвидусом. Все сплавы, лежащие выше ликвидуса, находятся в жидком состоянии. Линия МЕN называется солидусом. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. В интервале между ликвидусом и солидусом имеется две фазы: жидкий сплав (ж.с.) и кристаллы одного из компонентов. В области МАЕ – жидкий сплав и кристаллы свинца, а в области ЕВN – жидкий сплав и кристаллы сурьмы.

Сплав, содержащий 13 % сурьмы, кристаллизующийся при одной температуре, называется эвтектическим. Он имеет самую низкую температуру кристаллизации и отличается равномерной структурой. Сплавы, содержащие менее 13 % сурьмы, лежащие влево от эвтектики, называются доэвтектическими, а более 13 % сурьмы – заэвтектическими. Структуры эвтектического, доэвтектического и заэвтектического сплавов сильно различаются между собой. Эвтектика – структура с равномерно распределенными компонентами. В доэвтектических сплавах наряду с эвтектикой имеются кристаллы свинца, в заэвтектических – наряду с эвтектикой кристаллы сурьмы.

Различие структур определяет различие свойств сплавов. Для определения состояния сплава при любой температуре и нахождения точек кристаллизации с помощью диаграммы нужно из точки концентрации данного сплава восстановить перпендикуляр до пересечения с линиями ликвидуса и солидуса. Точки пересечения перпендикуляра укажут начало и конец кристаллизации.

Практическое применение диаграммы свинец – сурьма находят, например, при выборе подшипникового сплава. Пользуясь этой диаграммой, установили, что наиболее пригодными для подшипниковых сплавов являются заэвтектические сплавы, состоящие из мягкой эвтектики и твердых вкраплений сурьмы. Мягкая основа несколько изнашивается, а твердые кристаллы сурьмы сохраняются, и поэтому в микроуглублениях мягкой основы хорошо удерживается смазка. Наиболее подходящими сплавами для подшипников из всех заэвтектическими оказались сплавы с содержанием 15- 20 % Sb, так как температуры кристаллизации (плавления) этих сплавов (340-360 ⁰С) соответствуют температурам, при которых происходит заливка подшипников.

Итак, по диаграмме состояния первого типа затвердевают те сплавы, компоненты которых в жидком состоянии неограниченно растворяются друг в друге, а в твердом состоянии образуют простую механическую смесь кристаллов обоих компонентов. По диаграмме состояния второго типа затвердевают сплавы, компоненты которых обладают неограниченной растворимостью как в жидком, так и в твердом состоянии.

Диаграмма 2-го рода соответствует сплавам, у которых компоненты и в жидком и в твердом состоянии образуют раствор. К ним относятся сплавы медь – никель, железо – никель и др. Диаграмма состояния медь – никель приведена на рис. 2.

Кривая 1 относится к чистой меди, точка кристаллизации которой 1083 ⁰С, а кривая 5 – к никелю, точка кристаллизации которого 1452 ⁰С. Кривая 2 характеризует кристаллизацию 20 %-го сплава никеля (или 80 %-го сплава меди). Началу кристаллизации этого сплава соответствует точка а, когда кристаллизуется решетка меди, в которой имеется 20 % никеля. В точке b кристаллизация заканчивается.

Аналогично кристаллизуется 40 %-ный (кривая 3) и 80 %-ный (кривая 4) сплавы никеля, однако точки начала (а₁ и а₂) и конца (b₁ и b₂) кристаллизации у первого сплава ниже, чем у второго.

Перенеся все точки начала и конца кристаллизации меди и никеля и указанных выше сплавов на основную диаграмму (рис. 9 справа) и соединив эти точки, получим линии ликвидуса АаВ и линию солидуса АbВ. Выше линии АаВ сплавы меди с никелем находятся в жидком состоянии, а ниже линии АbB – в твердом. В зоне между АаВ и АbB имеются две фазы: жидкий сплав и кристаллы твердого раствора никеля в меди. Диаграмма 2-го рода отличается от диаграммы 1 –го рода тем, что здесь образуется одна кристаллическая решетка, а значит, нет и эвтектического сплава, как это наблюдается у сплавов, образующих механическую смесь. Подавляющее число металлов в жидком состоянии образует однородные жидкие растворы.

При переходе в твердое кристаллическое состояние во многих сплавах сохраняется однородность, следовательно, сохраняется взаимная растворимость. Такая однородная фаза называется твердым раствором.

Диаграмма состояния третьего типа рассматривает случай, когда два металла обладают полной взаимной растворимостью в жидком состоянии и ограниченной растворимостью в твердом состоянии; при этом растворимость в твердом состоянии уменьшается с понижением температуры (например, свинец - олово).

На рис. 3 приведена диаграмма состояния для этого случая в общем виде. Линии АС и СВ соответствуют линии ликвидуса. По линии АС из жидкого сплава кристаллизуется твердый раствор компонента В в компоненте А (α), по линии СВ – чистый компонент В.

Линия ADCF отвечает линии солидуса. Точка D характеризует предельную растворимость В и А при эвтектической температуре t_э, а точка Е – предельную растворимость компонента В в компоненте А при нормальной комнатной температуре. Следовательно, линия DE показывает изменение растворимости В и А с понижением температуры; каждая точка линии DE указывает на предел растворимости В и А (предел насыщения) при соответствующей температуре.

В точке С одновременно из жидкой фазы кристаллизуется твердый раствор В в А (α) предельной растворимости (точка D) и компонент В с образованием эвтектики, т.е. механической смеси обеих фаз.

Рассмотрим процесс кристаллизации сплавов 1, 2, 3. Кристаллизация сплава 1 начинается при температуре t₁ и заканчивается при температуре t₂. После затвердевания сплав состоит только из твердого раствора α (В и А) и при дальнейшем понижении температуры никаких превращений не испытывает. Процесс кристаллизации сплава 2 начинается при температуре t₃ и заканчивается при температуре t₅.

Состав жидкой фазы в процессе кристаллизации меняется по линии ликвидуса, а твердой фазы по линии солидуса. Так, например, при температуре t₄ состав жидкой части сплава определяется точкой а, а кристаллов твердого раствора точкой b. После окончания кристаллизации сплав 2 будет состоять только из твердого раствора α. После достижения температуры t₆ твердый раствор этого состава оказывается насыщенным, а при более низких температурах – пересыщенным, что влечет за собой его распад с выделением избыточного количества металла В. Следовательно, при температуре ниже t₆ сплав состоит из двух фаз: α +В. Состав α –раствора с понижением температуры изменяется по точкам линии DE и при нормальной комнатной температуре сплав будет состоять из кристаллов твердого раствора α состава, отвечающего точке Е, и кристаллов металла В.

Сплав 3 начинает затвердевать при достижении температуры t₇ и окончательно затвердевает при температуре t_э.

В процессе кристаллизации состав жидкой части сплава непрерывно меняется по линии ликвидуса, стремясь к эвтектическому составу (точка С), а состав твердой фазы изменяется по линии солидуса в сторону предельной растворимости (точка D). Соотношение между жидкой и твердой фазой в процессе кристаллизации сплава определяется по правилу отрезков. По достижении температуры t_э состав жидкой фазы достигает эвтектической концентрации С, и сплав окончательно затвердевает с одновременным выделением из жидкой фазы кристаллов твердого раствора α (концентрации точки D) и кристаллов компонента В, образующих эвтектику. Следовательно, после затвердевания сплав будет состоять из первичных предельно насыщенных (точка D) кристаллов твердого раствора α, выделившихся в интервале температур t₇ – t_э и эвтектики (α_D +В), образовавшейся при температуре t_э.

Вследствие изменения растворимости В в А при дальнейшем понижении температуры твердый раствор α (как свободный, так и входящий в состав эвтектики) претерпевает распад с выделением избыточного металла В. После окончательного охлаждения состав α – фазы определится точкой Е.

Сплав, имеющий концентрацию, соответствующую точке С, после затвердевания будет состоять из одной эвтектики (α+В).

Кристаллизация заэвтектических сплавов будет протекать совершенно аналогично сплаву 3, только вместо первичных кристаллов α будет выделяться кристаллы чистого компонента В.

Свойства сплавов, как это показал Н.С. Курнаков, изменяются в области однородных твердых растворов по кривой, а в области смеси фаз - по прямой; крайние точки на прямой соответствуют свойствам предельно насыщенных твердых растворов. Как показал академик А.А. Бочвар, чем больше интервал температур, в котором происходит процесс кристаллизации, тем меньше жидкотекучесть сплава, т.е. тем хуже сплав заполняет форму, тем большее развитие получает рассеянная по всему мелкая пористость и тем выше склонность сплава к образованию горячих трещин. Наилучшими литейными свойствами обладают сплавы, затвердевающие в небольшом интервале температур, в частности эвтектический состав. Сплавы, имеющие структуру однородного твердого раствора, обладают высокой пластичностью и легко деформируются как в холодном, так и в горячем состоянии. Пластическая деформация сплавов, имеющих двухфазное строение, связана со значительно большими трудностями. Особенно снижается пластичность при появлении в структуре эвтектики.

Поэтому в сплавах, предназначенных для обработки давлением, максимум растворимости при эвтектической температуре является верхним пределом содержания компонентов. Наоборот, для обеспечения высоких литейных свойств концентрация компонентов в литейных сплавах обычно превышает максимальную растворимость в твердом состоянии при эвтектической температуре. Сплавы, обладающие ограниченной растворимостью в твердом состоянии, могут быть упрочнены путем термической обработки.

По диаграмме состояния четвертого типа (рис. 4) затвердевают сплавы, компоненты которых в жидком состоянии неограниченно растворяются друг в друге, а при затвердевании образуют химическое соединение.

Химическое соединение представляет собой фазы постоянного состава, обычно имеющие свою особую кристаллическую решетку, отличную от решеток образующих его компонентов. Поэтому свойства химического соединения самостоятельны и не зависят от свойств компонентов.

На базе химических соединений могут образовываться твердые растворы. При образовании твердого раствора кристаллическая решетка химического соединения сохраняется, а избыточное количество атомов, например компонента В, замещает в решетке часть атомов компонента А.

Нормальные валентные соединения типа Mg₂Si, Mg₂Sn (станнум), Mg₂Pb в металлических сплавах образуются редко. В большинстве случаев образующиеся в металлических системах химические соединения не подчиняются нормальным правилам валентности.

В металлических системах большое значение имеют электронные соединения.

Соединения этого типа имеют совершенно определенное отношение числа валентных электронов к числу атомов, входящих в соединение. Так, существует ряд соединений, у которых это отношение равно 3:2, у других 21:13, у третьих 7:4. Каждому из этих соотношений соответствует и определенный тип кристаллической решетки. Все соединения, имеющие отношение числа валентных электронов к числу атомов, равное 3:2, имеют кристаллическую решетку центрированного куба. К этому типу относятся такие соединения, как CuZn (цинкумат), Cu₃Al, Cu₅Sn и другие, известные под названием β-фаз.

Соединениям Cu₅Zn₈, Cu₉Al₄ и другим, имеющим отношение 21:13, свойственна сложная кубическая решетка; эти соединения носят название γ-фазы.

Наконец, таким соединениям, как CuZn₃, Cu₃Sn, Cu₃Si и другим, имеющим отношение 7:4, свойственна гексагональная решетка. Эти соединения носят название ε-фазы. Большая группа металлов (Fe, Cr, Mo, W, Ti и др.) образуют с углеродом, азотом, водородом, и бором, имеющими малый атомный радиус, химические соединения, которые носят название фазы внедрения. Эта группа соединений образуется при условии, если отношение атомного радиуса металлоида к атомному радиусу металла меньше или равно 0,59. В этом случае образуется соединение, имеющее формулу М₄Х (Mn₄N, Fe₄N и т.д.), М₂Х (W₂N, Fe₂N), MX (TiN, TiC, WC, VC) или (ZrH₂).

Металлические атомы в фазах внедрения образуют одну из наиболее простых кристаллических решеток (кубическую, гексагональную), в которую внедряются атомы металлоидов, занимая в ней свободные поры.

Диаграмма состояния для случая, когда два компонента обладают полной взаимной растворимостью в жидком состоянии, не растворимы в твердом состоянии и образуют устойчивое химическое соединение, представлена на рис. 4.

Процесс кристаллизации сплавов А-А_nВ_m начинается при температурах, отвечающих линии АС₁D; при этом по линии АС₁ кристаллизуется металл А, а по линии C₁D – химическое соединение А_nВ_m. Окончание процесса кристаллизации соответствует эвтектической температуре (линия ЕС₁F).

Кристаллизация сплавов А_nВ_m – В начинается при температурах, соответствующих линии DC₁₁B; при этом по линии DC₁₁ кристаллизуется соединение А_nВ_m , а по линии C₁₁B – чистый металл В. Конец кристаллизации соответствует эвтектической линии GC₁₁K. Как видно из рис. 11, в данной системе образуются две эвтектики; одна С₁, состоящая из смеси кристаллов А и соединения А_nВ_m , и другая С₁₁, состоящая из смеси соединения А_nВ_m и кристаллов В.

В первой системе А - А_nВ_m доэвтектические сплавы состоят из первичных кристаллов компонента А и эвтектики С₁, а заэвтектические сплавы – из кристаллов соединения А_nВ_m и эвтектики С₁. Во второй системе А_nВ_m – В доэвтектические сплавы содержат, кроме эвтектики С₁₁, первичные кристаллы соединения А_nВ_m и заэвтектические сплавы – кристаллы чистого металла В.

Однако следует иметь в виду, что в подавляющем большинстве случаев чистые компоненты и химическое соединение образуют области твердых растворов в ограниченных пределах. В этом случае диаграмму следует рассматривать как сложную, состоящую из двух диаграмм эвтектического типа с ограниченной растворимостью в твердом состоянии.

Правило отрезков

В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить концентрацию обеих фаз и их количество. Для этого служит так называемое правило отрезков или правило рычага.

В точке а, показывающей состояние сплава К при температуре t₁ (риc. 1), сплав состоит из кристаллов сурьмы и жидкости. Выше точки l сплав находится в однофазном состоянии, и концентрация компонентов в этой фазе (т.е. в жидкости) определяется проекцией точки a. При охлаждении из, сплава выделяются кристаллы сурьмы, и состав жидкости изменяется в сторону увеличения в ней свинца. При температуре t₁ концентрация сурьмы в жидкости определяется проекцией точки в; это максимальное количество сурьмы, которое может содержать жидкость при t₁.

По достижении эвтектической температуры жидкость принима­ет эвтектическую концентрацию. Следовательно, при охлаждении сплава К концентрация жидкости меняется по кривой 1с. Выделяющиеся кристаллы свинца имеют постоянный состав - это чистый свинец, концентрация которого лежит на вертикальной оси BN.

Первое положение правила отрезков формулируется следующим образом: чтобы определить концентрацию компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечений с линиями, ограничивающими данную область: проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.

Второе положение правила отрезков формулируется так; для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорционально количествам этих фаз.

В качестве примера определим концентрацию (состав) фаз и количественное соотношение фаз для сплава с содержанием 60 % Sb и 40 % Pb при 350 °С.

В соответствии с первым положением правила отрезков, концентрация твердой фазы определится проекцией точки а на ось абсцисс, т.е. она равна 100 % Sb, состав жидкой фазы определится проекцией точки в на ось абсцисс, что соответствует 30 % Sb.

В соответствии со вторым положением правила отрезков весовое количество фаз сплава при температуре 350 °С определится отрезками: ва - вес кристаллов Sb, ас - вес жидкой фазы, вс - вес всего сплава.

Спроектировав концентрационные отрезки на ось абсцисс, получим: ва = 60 - 30 = 30 %; ас =100 - 60 = 40 %; ВE=100-30=70 %.

Следовательно, весовое количество сурьмы Q_Sb и жидкости Q_l, определится соотношением отрезков:

Q_Sb ва Q_с ▪ ва

— = ----- ,откуда Q_Sb = ------ ▪100 %;

Q_с BE BE

Q_l ac Q_c ▪ ac

— = —; Q_l = —— ▪100 %;

Qc BE BE

Qс - количеcтво всего сплава.

Вид диаграммы определяется характером взаимодействий, которые возникают между компонентами в жидком и твердом состояниях.

Наиболее типичные диаграммы состояния металлических систем приведены на рис. 5.

1. Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (I типа, риc. 5,а).

Оба компонента в жидком состоянии неограниченно раствори­мы, а в твердом - нерастворимы и не образуют химических соединений,

Компоненты: А и В (К = 2). Фазы: жидкость L, кристаллы А и кристаллы В (Ф = 3).

Линия A₁CB₁ является линией ликвидус, линия ДСЕ - линией солидус и линией эвтектического превращения. На линии ДСЕ из жидкости концентрации точки С одновременно выделяются кристаллы А состава точки Д и кристаллы В состава точки Е. т.е.

Lc = кр.А_д + кр.В_Е

Эта механическая смесь называется эвтектикой.

Сплавы, лежащие левее точки С, называют доэвтектическими, а сплавы, лежащие правее точки С, - заэвтектическими.

Доэвтектические сплавы состоят из смеси кристаллов А и эвтектики (кр.А + Э), заэвтектические - из смеси кристаллов В и эвтектики (кр.В + Э).

2. Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состояния (II типа, рис.5,б).

Оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом состоянии и не образуют химических соединений.

Компоненты: А,В (К - 2). Фазы: L, кристаллы α (Ф=2),

линия АmВ -линия ликвидус, линия АnВ - линия солидус.

Если два компонента неограниченно растворяются в жидком и твердом состояниях, то возможно существование только двух фаз -жидкого раствора L и твердого α-раствора. Следовательно, трех фаз быть не может, кристаллизации при постоянной температуре не наблюдается и горизонтальной линии на диаграмме нет. Диаграмма состоит из трех областей: жидкость, жидкость - твердый раствор и твердый раствор.

При двух компонентах и двух фазах система моновариантна (С=K-f + l = 2-2+l=l), т.е. если изменяется температура, то изменяется и концентрация компонентов в фазах; каждой температуре соответствуют строго определенные составы Фаз.

Концентрация и количество фаз у сплава, лежащего между линиями ликвидус и солидус, определяется правилом отрезков.

Следует обратить внимание на то, что во всем интервале кристаллизации (между линиями ликвидус и солидус) из жидкого сплава выделяются кристаллы, более богатые тугоплавким компонентом.

3. Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (III типа, рис. 5,в).

Оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно - в твердом и не образуют химических соединений.

Компоненты А и В (К = 2), Фазы ( L, кристаллы α, кристаллы β (Ф = 3), кристаллы α - твердый раствор компонента В в компоненте А, кристаллы β - твердый раствор компонента А в компоненте В.

Линия A₁CB₁ - линия ликвидус.

Линия A₁ECFB₁ - линия солидус.

Линия ECF - линия эвтектического превращения:

Lc = кр.αЕ + кр. βЕ

└ эвтектика ┘

Линия ES - линия ограниченной растворимости в твердом состоянии компонента В в компоненте А.

Линия FM - линия ограниченной растворимости в твердом состоянии компонента А в компоненте В.

Структурные составляющие, образующиеся в процессе охлаждения сплавов данной системы, показаны на рис 5,в.

4. Диаграмма состояния для сплавов, образующих химическое соединение (IV типа, рис. 5,г).

Если компоненты А и В образуют химическое соединение A_nB_m, то, следовательно, на n + m его атомов приходится n атомов А и m атомов В.

Компоненты А и В (К =2).Фазы: кристаллы А, кристаллы A_nB_m и L или кристаллы А_nB_m кристаллы В и L.

Линия A₁CДС'B₁ - линия ликвидус

Линия ДCEД₁E₁ - линия солидус

Линия ДСЕ - линия эвтектического превращения:

L_c =кр.А_д + кр.А_nВ_mЕ , (Ф = 3)

└ (эвтектика) ┘

Линия Д₁C'E₁ - линия эвтектического превращения:

Lc' = кр.А_nB_mД₁. + кр.B_Е1 , (Ф = 3)

└ (эвтектика) ┘

Диаграмму состояния, приведенную на рис. 2,г. следует рассматривать как сложную, состоящую ив двух простых диаграмм:

1. Компонент А - химические соединение A_nB_m.

2. Компонент В - химическое соединение A_nB_m.

Точка Д' - сингулярная точка, где образуется химическое соединение A_nB_m.

5

Связь между свойствами сплавов и типом диаграмм состояния

Химический состав и структура определяют свойства металлического сплава. Структура, в свою очередь, зависит от характера взаимодействия компонентов, входящих в состав сплава, что и отражают диаграммы состояния. Следовательно, между диаграммами состояния и полученными свойствами сплавов существует определенная зависимость. Эта зависимость впервые была изучена Н.С. Курнаковым, который представил ее в виде диаграммы состав - свойства. На рис. 5 приведены четыре основных типа диаграмм состояния и соответствующие им закономерности изменения свойств сплава с изменением концентрации. По ординате на нижних диаграммах откладывают показатели свойств или обратные им числовые величины. В данном случае рассмотрены твердости (кривая I) и электропроводность (кривая 2). Крайний ординаты на диаграммах показывают свойства чистых компонентов.

Если компоненты сплава образуют механические смеси, то свойства сплавов

сконцентрированной усадочной раковиной.

Обработке давлением лучше поддаются однофазные сплавы - чистые металлы или однородные твердые растворы, обладающие меньшим сопротивлением пластическому деформированию.

Обрабатываемость режущим инструментом повышается c приме­нением структурно-неоднородных сплавов. Наличие в сплаве твердых фаз способствует износу режущего инструмента. Это однофазные твердые растворы и химические соединения. Если в сплаве отсутствуют твердые фазы, то двухфазные сплавы легче обрабатываются резанием, чем однофазные, которые имеют более высокую коррозионную стойкость, чем двухфазные. Таким образом, характер образующихся фаз определяет свойства сплава и обусловливает вид диаграммы состояния.

Для усвоения материала необходимо:

1. Вычертить схемы четырех типов диаграмм состояния и построить графики изменения свойств сплавов в зависимости от их состава.

2. Охарактеризовать линии, точки и области диаграмм состояния указанных типов.

3. Для всех диаграмм состояния (по заданию преподавателя) построить кривую охлаждения сплава и определить при конкретной температуре концентрацию и количество фаз сплава, пользуясь правилом фаз и правилом отрезков.

4. Используя полученные данные описать изменение механических, физико-химических и технологических свойств сплавов в зависимости от изменения концентрации компонентов.

Вопросы для самопроверки:

1. Что понимают под системой?

2. Что называют компонентами?

3. Какая часть системы называется фазой?

4. Когда образуется механическая смесь?

5. Какие фазы называют твердыми растворами?

6. Чем отличаются твердые растворы внедрения от твердых растворов замещения?

7. Какие растворы называют неупорядоченными?

8. Назовите одно из условий неограниченной растворимости.

9. Какие твердые растворы называют упорядоченными?

10. Какую механическую смесь называют эвтектикой?

11. Что выражает закон Гиббса?

12. Что понимают под числом степеней свободы (вариантностью) системы?

13. Сформулируйте первую и вторую часть правила отрезков.

14. Какую температуру называют точкой Курнакова?

Литература:

1. Иваней А.А. Электронный конспект лекций.

2.Технология металлов и материаловедение: Учебник для вузов и техникумов /Под ред. Л.Ф. Усовой – Производственное издание. М.: Металлургия, 1987. – с.106-123;

3. Гуляев А.П. Металловедение: Учеб. пособие для вузов. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1986. – 542 с.89-141

Форма отчета

Практическая работа № 2.

«СВЯЗЬ МЕЖДУ СВОЙСТВАМИ СПЛАВА И ТИПОМ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ»

1. Дать определение каждого типа диаграмм состояния.

2. Вычертить схемы четырех типов диаграмм состояния и построить графики изменения свойств сплавов в зависимости от их состава.

3. Охарактеризовать линии, точки и области диаграмм состояния указанных типов.

4. Для всех диаграмм состояния (по заданию) построить кривую охлаждения сплава и определить при конкретной температуре концентрацию и количество фаз сплава, пользуясь правилом фаз и правилом отрезков.

5. Используя полученные данные описать изменение механических, физико-химических и технологических свойств сплавов в зависимости от изменения концентрации компонентов.

Таблица заданий.

№ варианта	Температура, 0С
	I тип	II тип	III тип	IV тип
1	210	1490	190	635
2	220	1480	195	630
3	230	1470	200	625
4	240	1460	205	620
5	250	1450	210	615
6	260	1440	215	610
7	270	1430	220	605
8	280	1420	225	600
9	290	1410	230	595
10	300	1400	235	590
11	310	1300	240	585
12	320	1290	245	580
13	330	1280	250	575
14	340	1270	255	570
15	350	1260	260	560
16	360	1250	265	555
17	370	1240	270	550
18	380	1230	275	545
19	390	1220	280	530
20	400	1200	285	525

Далее представлены 4 типа диаграмм для выполнения задания.

Практическая работа 3

КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ, ИХ СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Цель работы: ознакомиться с классификацией и маркировкой сталей, их свойствами и применением.

Задачи:

1. ознакомиться с принципами маркировки сталей по Российским и международным стандартам.

2. ознакомиться с классификацией сталей.

3. изучить свойства сталей и их применение в пищевой промышленности.