- •С. В. Сапунов
- •1.2. Мировое производство материалов
- •1.2.1. Черные и цветные металлы
- •1.2.2. Преимущества и недостатки стали
- •1.2.3. Принципы маркировки и сортамент материалов
- •Обозначения стали 45
- •1.3. Строение металлов
- •1.3.1. Основные типы кристаллических решеток
- •1.3.2. Дефекты в кристаллах
- •1.4. Строение металлического слитка
- •1.5. Деформация и разрушение металлов
- •1.6. Возврат и рекристаллизация
- •1.6.1. Структура и свойства сплавов после горячей обработки давлением
- •1.7. Механические свойства материалов
- •1.7.1. Испытание на растяжение
- •1. Характеристики прочности
- •2. Характеристики пластичности
- •1.7.2. Определение твердости
- •1. Определение твердости по Бринеллю
- •2. Определение твердости по Роквеллу
- •3. Определение твердости по Виккерсу
- •1.7.3. Определение ударной вязкости при изгибе
- •1.8. Полиморфные превращения
- •1.9. Строение сплавов
- •1.10. Диаграмма состояния железо – цементит
- •Механические свойства основных структурных составляющих сталей и чугунов
- •1.11. Железо и сплавы на его основе
- •1.12. Легирующие элементы в стали
- •1.12.1. Структурные классы легированных сталей
- •1.12.2. Цели легирования
- •Раздел 2 управление свойствами металлов и сплавов
- •2.1. Термическая обработка
- •2.1.1. Отжиг
- •2.1.2. Закалка и отпуск
- •2.1.3. Старение сплавов
- •2.2. Термомеханическая обработка
- •Сравнительные данные по механическим свойствам
- •2.3. Деформационное упрочнение
- •2.4. Химико-термическая обработка
- •Раздел 3 промышленные материалы
- •3.1. Классификация сталей
- •3.2. Конструкционные стали и сплавы
- •3.2.1. Углеродистые стали
- •3.2.2. Легированные стали
- •3.2.3. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
- •3.3. Инструментальные стали и сплавы
- •3.4. Чугуны
- •3.5. Магний и сплавы на его основе
- •3.6. Алюминий и сплавы на его основе
- •Классификация алюминиевых сплавов
- •3.7. Титан и сплавы на его основе
- •3.8. Медь и сплавы на ее основе
- •3.9. Тугоплавкие металлы и сплавы
- •3.10. Антифрикционные материалы
- •3.11. Полимеры и пластмассы
- •3.12. Композиционные материалы
- •Библиографический список
- •Приложение а
- •Приложение б Кратные и дольные приставки к физическим единицам
- •Содержание
1.8. Полиморфные превращения
Многие металлы в твердом виде при нагреве и охлаждении испытывают полиморфные превращения – скачкообразное изменение кристаллического строения, сопровождающееся изменением физических и механических свойств. Например, железо при охлаждении из жидкого состояния до комнатной температуры (рис. 1.19) претерпевает в твердом виде три превращения кристаллической решетки δ → γ → α и одно магнитное превращение, не связанное с изменением решетки. Ниже температуры Кюри Тк = 768С железо становится ферромагнитным (сильно притягивается к магниту), а выше – парамагнитным (не притягивается).
1.9. Строение сплавов
Чистые металлы, содержащие 99,99–99,999% основного металла, как правило, обладают низкой прочностью, и по этой причине их применение в качестве конструкционных материалов крайне ограничено. Гораздо чаще применяют сплавы металлов с металлами и неметаллами. Химические элементы, образующие сплав, называют компонентами. Сплавы состоят из двух и более компонентов. Сплавы получают сплавлением жидких компонентов или диффузионным спеканием твердых порошков.
В металловедении широко используются понятия система, фаза и структура.
Система – это совокупность большого числа фаз, находящихся в равновесии.
Фазой называют однородные (гомогенные) составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от других составных частей системы поверхностями раздела.
Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения отдельных фаз в металлах и сплавах. Различают макроструктуру (т.е. строение металла и сплава, видимое невооруженным взглядом или при увеличении до 30–40 раз) и микроструктуру (наблюдаемую с помощью оптических и электронных микроскопов при большем увеличении).
В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов в сплавах могут образовываться три вида фаз.
а
б
Рис. 1.20. Схема образования твердых растворов замещения (а) и внедрения (б)
1. Жидкие растворы могут содержать одну или несколько фаз, если они не смешиваются (например: вода и масло, железо и свинец).
2. Твердые растворы – это фазы, в которых сохраняется кристаллическая решетка одного из компонентов, а атомы другого компонента располагаются внутри решетки, изменяя ее размеры. Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения (рис. 1.20). Все металлы в той или иной степени растворяются друг в друге (например, в алюминии растворяется до 5% меди; в меди может раствориться до 39% цинка – однофазная латунь). Важнейшими для нас твердыми растворами внедрения являются: феррит – твердый раствор углерода в α-Fe и аустенит – твердый раствор углерода в γ-Fe.
3. Химические соединения, в отличие от твердых растворов, обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток; при этом кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток всех компонентов, а между компонентами соблюдается кратное соотношение AnBm, где n и m – простые целые числа. Важнейшим для нас химическим соединением является цементит – карбид железа Fe3C; он имеет алмазоподобную кристаллическую решетку и поэтому отличается очень высокой твердостью, прочностью и хрупкостью.
Твердые растворы и химические соединения представляют собой однофазные структуры; в отличие от них механические смеси представляют собой двухфазные и более структуры, состоящие из перемежающихся мелких зерен различных фаз, между которыми имеются границы раздела. Важнейшими для нас механическими смесями являются: перлит – механическая смесь зерен феррита и цементита, содержащая в среднем 0,81% С, и ледебурит – механическая смесь зерен феррита и цементита, содержащая в среднем 4,3% С.