Свойства сплавов

Свойства металлов и сплавов полностью определяются их структурой (кристаллической структурой фаз и микроструктурой). Макроскопические свойства сплавов определяются микроструктурой и всегда отличаются от свойств их фаз, которые зависят только от кристаллической структуры. Макроскопическая однородность многофазных (гетерогенных) сплавов достигается за счёт равномерного распределения фаз в металлической матрице. Сплавы проявляют металлические свойства, например: электропроводность и теплопроводность, отражательную способность (металлический блеск) и пластичность. Важнейшей характеристикой сплавов является свариваемость.

Сплавы, используемые в промышленности

Сплавы различают по назначению: конструкционные, инструментальные и специальные.

Конструкционные сплавы:

• стали

• чугуны

• дюралюминий

Конструкционные со специальными свойствами (например, искробезопасность, антифрикционные свойства):

• бронзы

• латуни

Для заливки подшипников:

• баббит

Для измерительной и электронагревательной аппаратуры:

• манганин

• нихром

Для изготовления режущих инструментов:

• победит

В промышленности также используются жаропрочные, легкоплавкие и коррозионностойкие сплавы, термоэлектрические и магнитные материалы, а также аморфные сплавы.

25. Определение и классификации проводников

[ Назад ]

Проводники: материалы, имеющие удельное электрическое сопротивление (р) меньше 10-8 Ом*м и предназначенные для коммутации, контактирования и накопления заряда. На основе проводников можно изготавливать также ирезистивные материалы. К проводниковым материалам относятся: * все металлы; * полуметаллы: графит (углерод), мышьяк, висмут, сурьма и некоторые растворы электролитов. * о Другими словами, проводники делятся на электронные (металлы; полупроводники), ионные (электролиты) и смешанные, где имеет место движение как электронов, так и ионов (напр., плазма). Металлы III а — Villa групп имеют отличительную структуру - незаполненные d— оболочки, и это сказывается на многих свойствах. Такие металлы называют переходными или d—элементами. Остальные металлы (I, II и II б) — непереходные или s— и р-элементы (на внешних оболочках небольшое число электронов) — являются лучшими проводниками электрического тока и имеют высокие электропроводность и теплопроводность (переходные металлы уступают непереходным в 3.. .6 раз): Ag, Си, А и, А1. Другие общеизвестные признаки металлов: блеск, ковкость, склонность к коррозии и др. — не выполняются настолько строго, чтобы быть «законом». Например: * углерод (алмаз) — диэлектрик; РЬ (свинец) — металл и проводник: и имеют на s — и р —оболочках по 4 (четыре) электрона; * углер од (гр афит) - пр ов о дник * о т.е. сегодня довольно трудно выделить единственный объективный критерий отнесения материала х металлам, поэтому в настоящее время таким критерием стали считать следующий: наличие электропроводности (р) при Т^О'ЧС. Согласно этому критерию к металлам следует отнести графит и некоторые химические соединения типа V02, что нарушает сформулированные еще Л омоносовым представления. Организационно, исторически и независимо от теоретического определения металлов сложилось следующее деление (классификация) металлов: * черные и цв етные (металлургия); * щелочные и щелочноз емельные (химиче екая пр омьплпенно сть) Электрические свойства проводников К электрическим относятся следующие характеристики материалов: • объемная удельная электропроводность (у) или объемное удельное электросопротивление (р); р= 1/у; • температурный коэффициент электросопротивления ТКр или температурная зависимость электросопротивления; для практически важных диапазонов температур — в большинстве случаев эта зависимость линейная или близка к линейной, т. е. может быть описана соотношением: p(t) = p(0)-(l + ap۰Δt) P(t),P(0) - соответственно удельное электросопротивление при текущей температуре (t) и температуре, взятой за начало отсчета (0) ар, или, ТКр, град 1 - температурный коэффициент эпектр о с опр отивпения, характеризует относительное изменение эпектр о с опр отивпения при изменении температуры на 1 градус (говорят, является мерой чув стБитепьно ста эпектр о с опр отивпения к температуре или, другими словами, мерой термической стабильности) Особенности электропроводности металлических материалов Удельная электропроводность у зависит от: • концентрации носителей - электронов проводимости; (наибольшей электропроводностью обладают Си, Аи, А1 — концентрация электронов в них свыше 10 22 см-з) — в металлических проводниках с ростом температуры концентрация электронов практически не изменяется (эта особенность - основное отличие металлов от ПП — материалов, концентрация носителей в которых -1017... 1020 см-з); • подвижности электронов - в металлических проводниках с ростом температуры подвижность электронов заметно уменьшается — и именно это влияет на зависимость электропроводности от температуры; • химического состава, т.е. от наличия и концентрации дефектов структуры: — атомов другого сорта в решетке металла (примесей, создающих дефекты структуры); • внешних технологических воздействий, т.е. от наличия и концентрации дефектов (прежде всего - дислокаций) после ХПД (холодной пластической деформации) — в результате сильной ХПД уд. электросопротивление Ag^ Си, Аи, Al, Ni может возрастать на 5.. 6%, а уд. электросопротивление MO И W — на 15...20%. Классификация проводниковых материалов Основные классификационные признаки: - р($, схр • высокоэлектропроводные (низкоомные) проводниковые материалы - используются в качестве проводников; • высокоомные (резнстнвные) проводниковые материалы - используются в качестве различного рода сопротивлений и резистивньгх элементов; • (иногда выносят в отдельную группу) материалы, имеющие особенности изменения сопротивления под действием внешних возмущений - терморезистивные (под действием температуры), тензорезистивные (под действием упругих деформаций и напряжений), фоторезистивные (под действием излучения)

26. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

Железоуглеродистые сплавы являются основными конструкционными материалами практически всех стран мира. Масштабы их производства в значительной мере характеризуют технико-экономический уровень эволюции государства и служат материальной основой развития различных отраслей техники.

В общем случае железоуглеродистые сплавы подразделяются на две основные группы: стали и чугуны.

 

3.1. Диаграмма состояния железо-цементит (Fe-Fe₃C)

3.1.1. Общие положения

3.1.2. Компоненты, фазы, линии и точки диаграммы Fe-Fe3C

3.1.1. Общие положения

Получение сплавов с заданными свойствами базируется, прежде всего на анализе системы «состав–структура–свойства» и ее изменении при воздействии внешних условий таких, как температура, давление, механические нагрузки и др. Впервые зависимость «состав–свойства» в виде диаграммы построил в 1819 г. Гей-Люссак, изучая растворимость солей в воде. С тех пор получены тысячи диаграмм «состав–свойства» с основной зависимостью температуры плавления (кристаллизации) от химического состава сплавов. Однако наиболее значимые для практики диаграммы состояний были разработаны гораздо позже.

Быстро расширяющееся производство чугунов и сталей во второй половине XIX в. поставило перед наукой и практикой ряд важных задач, связанных не только с проблемой получения металлов, но и с необходимостью обеспечить максимально высокое их качество. Для этого потребовалось глубоко изучить внутренние процессы, происходящие в литой стали при ее механической и тепловой (термической) обработке. Начало было положено трудами русских металлургов (П.П. Аносова, А.С. Лаврова, Н.В. Калакуцкого и др.) и ряда крупных зарубежных ученых. Их деятельность продолжил великий металлург Дмитрий Константинович Чернов, который явился основоположником новой отрасли науки – металлографии, учения о строении металлов и сплавов. Научные открытия, сделанные Д.К. Черновым, легли в основу ряда важнейших процессов получения и последующей обработки чугуна и особенно стали. Он графически представил закономерность в изменении структуры стали при нагревании (рис. 28). На прямой линии (термометрической шкале) он отметил несколько точек, соответствующих определенным температурам, при которых в структуре стали наблюдались изменения. Точки характеризуют превращения, происходящие в стали при определенных температурах во время нагревания или охлаждения. Эти превращения существенно изменяют структуру, а, соответственно, и свойства металла.

 

 

 

Рис. 28. Точки Д.К. Чернова

 

Открытые Д.К. Черновым точки дали возможность Х. Розенбому в 1900 г. разработать диаграмму состояний железоуглеродистых сплавов (диаграмма «железо–углерод»). Эта классическая диаграмма (уточненная немецким ученым П. Геренсом) и по сей день имеет решающее значение при получении и обработке (особенно термической) сталей и чугунов.

Без этой диаграммы практически невозможно разобраться в тех процессах, которые происходят в железоуглеродистых сплавах при различных видах теплового воздействия. На ее основе устанавливаются наиболее рациональные режимы литья деталей, обработки давлением (ковки, штамповки, прокатки), сварки и наплавки с последующей термической обработкой изделий.

Углерод в сплавах с железом образует карбид железа Fe₃C (цементит). Однако при определенных условиях (очень медленное охлаждение, длительная выдержка при высоких температурах, наличие специальных модификаторов и др.) он может выделяться в свободном состоянии в виде графита. Образование графита возможно также при распаде карбида железа. Таким образом, железоуглеродистые сплавы могут находиться в двух системах: система Fe-Fe₃C (железо–цементит) и система Fe-C (железо–углерод). В первой системе компонентами сплавов являются железо и карбид железа, а во второй – железо и графит.

Распад цементита, сопровождающийся выделением свободного углерода в виде графита, является процессом необратимым, так как при последующем нагреве цементит вновь не образуется. Следовательно, система Fe-Fe₃C, в которой возможен необратимый распад цементита, не является полностью равновесной. Такая система называется метастабильной. Система Fe-C, в которой нет необратимых процессов, называется равновесной или стабильной. Однако, во многих железоуглеродистых сплавах карбид железа очень устойчив не только в обычных условиях эксплуатации, но и при весьма значительном и длительном нагреве. Поэтому практически систему Fe-Fe₃C в большинстве случаев можно считать условно равновесной. Такая диаграмма используется при изучении сталей и белых чугунов, т.е. таких сплавов, в которых нет свободного углерода.

Рассмотрим диаграмму Fe-Fe₃C (железо–цементит), общий вид которой приведен на рис. 29.

 

Особенностью такой диаграммы является  то, что концентрация углерода взята только до 6,67 %, что соответствует его содержанию в цементите (Fe₃C). Применяемые в практике железоуглеродистые сплавы содержат углерода не более 4…5 %, что меньше 6,67 %. Поэтому рассматривать диаграмму при содержании углерода более 6,67 % не имеет смысла.

Сплавы, содержащие углерода до 2,14 %, называются сталями, а более 2,14 % – чугунами.

 

3.1.2. Компоненты, фазы, линии и точки диаграммы Fe-Fe3C

Компоненты сплавов. Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод.

Железо (лат. Ferrum) открыто в III тысячелетии до н.э., это химический элемент VIII группы периодической системы Менделеева, атомный номер 26, атомный радиус 0,127 нм, атомная масса 55,8; плотность 7,83 г/см³. Блестящий серебристо-белый металл с температурой плавления 1539 °С. Широко распространено в природе, занимая второе место (после алюминия) среди металлов.

Железо имеет аллотропные модификации (рис. 3), которые различаются по кристаллической структуре или по магнитным свойствам. При температуре ниже 768 °С устойчиво ферромагнитное -железо с объемно-центрированной кубической решеткой (ОЦК). При 768 °С (точка Кюри) железо становиться парамагнитным, решетка остается той же. Между 911 °С и 1392 °С устойчиво -железо с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392 °С вновь образуется ОЦК-решетка.

Железо является важнейшим металлом современной техники, хотя в чистом виде практически не используется по причине низких прочностных характеристик. Оно необходимо для жизнедеятельности многих живых организмов, в том числе и человека (входит в состав гемоглобина).

Способность железа растворять углерод и другие элементы служит основой для получения разнообразных сплавов способных выдерживать воздействие высоких и низких температур, вакуума и высоких давлений, агрессивных сред, больших переменных напряжений, ядерных излучений и др. На долю таких сплавов приходится около 95 % всей металлической продукции (стали, чугуны, ферросплавы).

Углерод (лат. Carboneum) химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомный радиус 0,077 нм, атомная масса 12,011, плотность 2,5 г/см³, температура плавления  3500 °С.

Основные кристаллические модификации углерода – алмаз и графит. В решетке алмаза все атомы углерода соединены между собой очень прочными связями и образуют в пространстве непрерывный трехмерный каркас (рис. 30, а). В графите атомы углерода располагаются параллельными слоями, причем атомы внутри слоя связаны между собой сильнее, чем один слой с другим (рис. 30, б).

 

 

Рис. 30. Кристаллические решетки: а – алмаза; б – графита

 

Алмаз – диэлектрик, графит – хороший проводник электрического тока. Алмаз химически весьма стоек, графит при обычных условиях химически инертен, а при высоких температурах соединяется со многими элементами, является сильным восстановителем.

В соединениях с железом углерод приобретает металлические свойства. Он может растворяться в решетке железа по механизму внедрения, т.е. внедряться в межузельные пространства (поскольку атомный радиус углерода почти в два раза меньше, чем у железа), а также образовывать химические соединения Fe₃C; Fe₂C и др.

Содержание углерода в земной коре 6,5·10¹⁶ т. Значительное количество (около 10¹³ т) входит в состав горючих ископаемых (уголь, природный газ, нефть и др.), а также в состав углекислого газа атмосферы (6·10¹¹ т) и гидросферы (10¹⁴ т). Простейшие соединения углерода (диоксид углерода, метан) обнаружены в атмосфере почти всех планет Солнечной системы. Так, атмосфера Марса состоит в основном из диоксида углерода. Все организмы растений и животных построены из соединений углерода (средняя массовая доля углерода – 18 %).

Фазы системы Fe–Fe₃C. Компоненты сплавов системы Fe-Fe₃C образуют следующие фазы: жидкий раствор углерода в железе (ж), феррит (ф), аустенит (А) и цементит (ц).

Феррит (от лат. Ferrum – железо) – твердый раствор внедрения углерода в -железе, имеющего ОЦК решетку. В ОЦК решетке имеются свободные места (так называемые поры) размерами 0,062 нм. Работы исследователей предполагают, что меньшая часть атомов углерода в кристаллической решетке Fe_ находится в порах, а большая – на дефектах решетки. Максимальная растворимость углерода в низкотемпературном феррите составляет 0,02 % при 727 С, а в высокотемпературном -феррите 0,1 % при 1499 С. При комнатной температуре феррит содержит 0,006 % углерода.

В феррите могут быть растворены кремний, марганец, фосфор и другие элементы. При t = 911…768 С феррит парамагнитен, а от 768 С до абсолютного нуля – ферромагнитен.

Феррит мягок, пластичен, имеет следующие свойства: _в = 250 МПа;  = 50 %;  = 80 %; КСU = 2,5 МДж/м²; НВ 80.

Микроструктура феррита представляет собой однородные зерна (рис. 31).

Аустенит (от имени английского ученого Робертса-Аустена) – твердый раствор углерода и других элементов в -железе, имеющего ГЦК решетку. Эта решетка в центре имеет пору диаметром 0,102 нм в которой атом углерода с несколько большим размером (0,154 нм) может поместиться, вызывая увеличение параметров -решетки. При этом сам атом уменьшается в размерах, отдавая валентные электроны. Искажение решетки ведет к уменьшению остальных ее пор, которые становятся недоступными для других атомов углерода. На рис. 32 показана схема строения элементарной ячейки аустенита, в которой растворен один атом углерода. Углерод в аустените находится в виде атомов, ионизированных дважды. В тоже время атомы железа ионизированы однократно.

 

Рис. 31. Микроструктура феррита, × 500	Рис. 32. Кристаллическая решетка аустенита:  – атомы железа;  – атом углерода

 

Максимальная растворимость углерода в аустените при t = 1147 °С равна 2,14 %. При снижении температуры растворимость уменьшается и при t = 727 С составляет 0,8 %. При t = 727 С вследствие аллотропического превращения Fe_ → Fe_ и очень малой растворимости углерода в -же­ле­зе аустенит распадается с образованием механической смеси феррита и цементита.

Аустенит немагнитен, обладает по сравнению с ферритом меньшим удельным объемом, пластичен ( = 40…50 %), имеет твердость НВ 160…200.

Микроструктура аустенита приведена на рис. 33.

Цементит – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C), содержит углерода 6,67 %, плотность 7,82 г/см³. Кристаллическая решетка цементита очень сложная и состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу (рис. 34). В вершинах октаэдров находятся атомы железа, каждый из которых принадлежит двум октаэдрам. Атом углерода находится в центре октаэдра.

Температура плавления цементита (около 1250 С) точно не установлена, так как в процессе нагрева он разлагается, что и искажает результаты измерений.

Аллотропических превращений цементит не претерпевает, но при низких температурах он слабо ферромагнитен. Магнитные свойства теряются при t = 727 С.

Цементит имеет высокую твердость (НВ > 800, царапает стекло), но очень низкую (практически нулевую) пластичность.

Он способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы железа могут замещаться атомами других металлов (хрома, марганца, вольфрама, молибдена и др.), а атомы углерода – неметаллами (азотом, кислородом), то есть образуется легированный цементит. Углерод в решетке цементита практически не растворяется.

Цементит неустойчив и при определенных условиях распадается на железо и углерод в виде графита, что имеет очень важное практическое значение.

В железоуглеродистых сплавах цементит может выделяться из жидкого раствора (в виде крупных равноосных зерен), из аустенита (в виде сетки по границам зерен) и из феррита (в виде очень мелких кристаллов по границам зерен). В первом случае цементит называется первичным (Ц _I), во втором – вторичным (Ц _II), в третьем – третичным (Ц _III). Химические и физико-механические свойства всех трех типов цементита абсолютно одинаковы.

 

Основные точки  диаграммы Fe-Fe₃C. Приводимые на диаграмме буквенные обозначения точек являются общепринятыми в международной практике (рис. 29).

Точка А (1539 С) соответствует температуре плавления чистого железа, а точка D (≈1250 С – приблизительной температуре плавления цементита. При температуре 1392 С (точка N) происходят полиморфные превращения Fe_ ↔ Fe_, а при t = 911 °С (точка G) – полиморфные превращения Fe_ ↔ Fe_.

Точка Р (727 С) соответствует максимальному содержанию углерода в -железе, а точка Е (1147 °С) – максимальному содержанию углерода в -железе.

При охлаждении аустенита с содержанием углерода 0,8 % в точке S (727 С) происходит его распад на механическую смесь феррита (имеющего 0,02 % углерода) и цементита вторичного. Такая смесь называется перлитом (франц. perlite, от Perle – жемчуг) и обозначается символом П:А_0,8 ↔ П (Ф_0,02 + Ц _II)

Следовательно, основными условиями образования перлита в железоуглеродистых сплавах являются содержание углерода в аустените 0,8 % и температура 727 С.

Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: _в = 800…900 МПа,  ≤ 16 %, НВ 180…220.

При охлаждении жидкого расплава с содержанием углерода 4,3 % в точке С (1147 ^оС) образуется механическая смесь аустенита с содержанием углерода 2,14 % и цементита первичного. Эта смесь называется ледебуритом (от имени немецкого металлурга А. Ледебура) и обозначается индексом Л: Л [А_2,14 + Ц _I]

При t = 20…25 °С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (НВ > 600) и хрупкости.

 

Линии диаграммы представляют собой семейство критических точек, в которых происходят какие-либо превращения в железоуглеродистых сплавах.

Линии АВСД и NJECF – соответственно линия ликвидус и линия солидус, показывают температуры начала и конца кристаллизации жидких сплавов. При температурах, соответствующих линии HJB происходит перитектическое превращение. Линия МО (768 С) указывает на температуру перехода феррита из магнитного состояния в немагнитное при нагреве и наоборот при охлаждении. Это превращение не относится к разряду фазовой перекристаллизации. Линии GS и PG соответствуют температурам начала и конца полиморфного превращения феррита в аустенит при нагреве и аустенита в феррит при охлаждении. Линии QP и SE указывают на предельную растворимость углерода в - и -железе. Линия ECF (1147 С) – семейство точек, при которых протекает эвтектическое превращение в сплавах. Эвтектика (от греч. eutektos – легко плавящийся) – тонкая механическая смесь твердых фаз, одновременно закристаллизовавшихся из расплава. При охлаждении сплава с содержанием углерода 4,3 % в точке С образуется чистая эвтектика – ледебурит. Этот сплав называют эвтектическим чугуном. Чугуны с содержанием углерода менее 4,3 % называются доэвтектическими, а при содержании более 4,3 % – заэвтектическими.

На рис. 35 приведены микроструктуры белых чугунов.

Обязательной структурной составляющей белых чугунов является ледебуритная эвтектика, которая отличается большой хрупкостью, а это вызывает хрупкость чугунов. Наиболее хрупок заэвтектический чугун, который кроме ледебурита имеет крупные хрупкие кристаллы первичного цементита.

 

 

Рис. 35. Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектического, × 100;  б – эвтектического, × 500; в – заэвтектического, × 500

 

Линия PSK (727 °С) – линия эвтектоидного превращения. Эвтектоид (от эвтектика и греч. eidos – вид) аналогичная эвтектике структурная составляющая металлических сплавов, но в отличие от нее образующаяся не из жидкой, а из твердой фазы и потому имеющая более тонкое дисперсное строение. Так при охлаждении аустенита с содержанием углерода 0,8 % в точке S образуется эвтектоид – тонкодисперсная механическая смесь феррита и цементита вторичного, называемая перлитом. Такой сплав именуется эвтектоидной сталью. Стали, имеющие углерода менее 0,8 % называются доэвтектоидными, а более 0,8 % – заэвтектоидными.

После полного охлаждения в равновесных условиях стали будут иметь следующие структуры (рис. 36):

– доэвтектоидные – Ф + П (Ф + Ц _II);

– эвтектоидные – П (Ф + Ц _II);

– заэвтектоидные – П (Ф + Ц _II) + Ц _II.

С увеличением в стали содержания углерода растет количество цементитной составляющей как в составе перлита, так и в свободном состоянии. Это ведет к повышению твердости и прочности, но понижаются пластичность и вязкость.

Углерод также влияет на технологические свойства стали. Увеличение содержания углерода приводит к снижению способности стали деформироваться в горячем и, особенно в холодном состоянии, ухудшает свариваемость.