книги из ГПНТБ / Технология металлов и конструкционные материалы учебное пособие

Рис. 17. Кристаллические решетки металлов:

ш— центрированный куб; б — гранецентрированиый куб

Рис. 18. Кривые охлаждения чистого металла:

а—без переохлаждения; б — с переохлаждением

Рис. 10. Схема процесса кристаллизации

Кристаллизация металлов. При переходе металла из жидкого состояния в твердое при постоянной темпе­ ратуре Т (рис. 18,а) образуется кристаллическая ре­ шетка. Кристаллизация протекает с экзотермическим эффектом (т. е. с выделением тепла), поэтому, не­ смотря на переохлаждение металла, его температура повышается до температуры Т (рис. 18,6). Разность

50

ния 590°С составляет 41°С. Степень переохлаждения главным образом зависит от скорости охлаждения и от

куб при кристаллизации железа), к ним присоединяют­ ся из жидкого металла атомы — происходит рост кри­ сталлов (рис. 19). Как это видно из рис. 19, на седь­ мой секунде кристаллизация заканчивается с образова­

ния. Центрами кристаллизации могут быть и мельчай­ шие неметаллические частицы, находящиеся в жидком металле во взвешенном состоянии, например AI2O3 в стали. Количество центров кристаллизации можно из­ менять и этим регулировать количество зерен в дан-

Рис. 20. Схема монокристалла

ном объеме и их величину. Протяженность зерна колеб­ лется в пределах от нескольких микрон до нескольких сантиметров, т. е. кристалла, не содержащего границы зерен (рис. 20). Поскольку прочность связи между атомами зависит от расстояния между ними, то в различных направлениях она различна. Так, в направ­

51

рой и будет происходить деформация независимо от направления действующей силы.

На рис. 21 показана схема поликристалла, т. е. кристалла, содержащего большое количество зерен. Поскольку плоскости скольжения в поликристалле различны по направлению, поликристалл менее анизо­ тропен, чем монокристалл, и чем металл мелкозернистее, тем более однородны его свойства в различных направлениях. Металл, имеющий мелкозернистую структуру, обычно имеет более высокую прочность, чем металл с крупнозернистой структурой.

§ 16. Влияние пластической деформации на структуру и свойства поликристалла

Под воздействием приложенного напряжения в метал­ ле возникает пластическая деформация. Пластическая деформация влечет за собой повышение прочности и снижение пластичности. Это явление называется накле­ пом. Если обозначим через F0 площадь поперечного се­ чения образца до деформации, а через /д — после де­ формации, то степень деформации

<7= [(/% -^)/% У 100°/о.

52

На диаграмме (рис. 22) показано влияние степени деформации на механические свойства малоуглеродис­ той стали.

Наклепом можно существенно повысить прочность и твердость металла. Наклепанный металл термодинами­ чески неустойчив и самопроизвольно стремится к пере­ ходу в более устойчивое состояние. Небольшой нагрев

приближаются к исходным (до наклепа). -Это явление называется возвратом. Нагрев до более высокой темпе­

53

§17. Аллотропические превращения

вметалле (полиморфизм)

Некоторые металлы (железо, олово, никель и другие) после кристаллизации из жидкого состояния при даль­ нейшем охлаждении претерпевают изменения, которые заключаются в том, что при определенной для данного металла температуре происходит перестройка решетки из одной в другую. Такие превращения называются аллотропическими. Металлы, которым свойственны ал­ лотропические превращения, называются полиморфны-

b i

ни. Каждая аллотропическая форма называется моди­ фикацией. Один и тот же металл в различных модифи­

разупрочнять сплавы с помощью соответствующей тер­ мической обработки.

§ 18. Сплавы

электролиза и другими способами. Технические сплавы получаются преимущественно путем плавления.

Образующие сплав элементы называются компонен­

или механические смеси.

Твердые растворы бывают двух видов (твердые ра­ створы замещения с неограниченной и ограниченной растворимостью и твердые растворы внедрения). Твер­ дые растворы замещения с неограниченной раствори­ мостью образуют компоненты с одинаковым типом кри­ сталлической решетки и небольшим различием в вели­ чине атомных диаметров (рис. 24,6). При этом атомы растворенного элемента В замещают атомы раствори­ теля А в его кристаллической решетке. Сплав получа­ ется совершенно однородным — однофазным (фаза — однородная часть сплава). Твердые растворы замеще­ ния с ограниченной растворимостью образуются в от­ личие от твердых растворов с неограниченной раство­ римостью при большем различии в величине атомных диаметров компонентов.

Твердые растворы внедрения бывают только ограни­ ченными и образуются только в тех случаях,когда диа-

65

метр атома растворенного элемента имеет малую ве­ личину. При этом атомы растворимого компонента С

располагаются в решетке растворителя между его ато­ мами.

Химическое соединение образуют компоненты, име­

К таким химическим соединениям относятся некото­ рые карбиды, нитриды и гидриды.

Механическая смесь двух компонентов Л и В образу­ ется тогда, когда они не способны к взаимному раство­ рению в твердом состоянии и не вступают в химиче­ скую реакцию с образованием соединения. При этом сплав будет состоять из кристаллов А и В (рис. 25).

56

В этом случае в твердом сплаве будут присутствовать зерна одного чистого металла и рядом с ними зерна другого 'чистого металла.

§ 19. Диаграммы состояния сплавов двух компонентов

Диагра&ша состояния представляет собой графическое изображение фазового и структурного состояния любо­ го сплава изучаемой системы в зависимости от соотно­ шения компонентов и температуры/

Изучение любого сплава прежде всего начинается с построения и анализа диаграммы состояния соответст­ вующей системы, так как диаграмма состояния дает возможность изучать фазы и структурные составляю­ щие сплава. Рассмотрим три основных типа диаграммы состояния сплавов, образующих в твердом состоянии механические смеси, твердые растворы с неограничен­ ной растворимостью компонентов друг в друге и твер­

свинца с различными соотношениями компонентов при­ ведены на рис. 26. В сплаве, содержащем 5% ЭЬи 95%’ РЬ, кристаллизация начинается при температуре 296°С и заканчивается при 246°С, т. е. кристаллизация этого сплава происходит в интервале критических точек 296—246°С. Все другие сплавы, за исключением сплава

с13% Sb, также имеют две критические точки. Нанесем критические точки начала кристаллизации

а\, а2,... и конце ее Ьх Ь2... на диаграмму (рис. 27), в которой по оси ординат откладываем температуру, а по оси абсцисс — количественные соотношения компо­ нентов в процентах. Соединив точки а начала кристал­ лизации, получим кривую АВС, которая называется ликвидус (жидкий). Выше этой линии все сплавы на­ ходятся в жидком состоянии. Соединив точки b конца кристаллизации, получим линию DBE, которая называ­ ется солидус (твердый). Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.

По линии АВ сплавы с содержанием сурьмы мень­ ше 13% насыщены свинцом, и поэтому по линии АВ на­

57

чинает кристаллизоваться свинец, а по линии ВС спла­ вы с концентрацией больше 13% Sb насыщены сурь­ мой, и по этой линии кристаллизуется сурьма, а в точ­ ке В сплав оказывается насыщенным попеременно то

Рнс. 26. Кривые охлаждения сплавов Sb—Pb:

Рис. 27. Диаграмма состояния сплавов Sb—Pb

свинцом, то сурьмой, которые кристаллизуются одно­ временно.

Механическая смесь двух (или более) разнородных кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жид­

58

кого раствора, называется эвтектикой (легко плавя­ щийся). Поэтому сплавы с концентрацией меньше 13% Sb называют доэвтектическими (рис. 28,6).

Сплав с концентрацией 13% Sb и 87% РЬ имеет эв­

Рис. 28. Схема микроструктуры сплавов:

а — эвтектический; б — доэвтектнческнй; в — заэвт*кти,1!*с.ннй

Рис. 29. Диаграмма состояния сплавов Си—Ni: А С В —лшшя ликвидус; A D B —линия солндус

59