книги из ГПНТБ / Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие

Она изменяется в пределах от 1—2 кГ-м/см2 (хрупкие изломы) до 30—40 кГ • м/см2 для пластичных малоуглеродистых сталей с волок­ нистым изломом. Ударная вязкость очень чувствительна к измене­ нию структуры металла. Так, укрупнение зерна, незначительно от­ ражающееся на статических свойствах металлов и сплавов, резко повышает способность к хрупкому разрушению. Проводя испытание на ударную вязкость при различных температурах, можно выявить такие важные свойства некоторых сталей, как красноломкость и хладноломкость.

Рис. 3. Маятниковый копер:

а —образец и схема испытания; б — общий вид

Испытания на усталость. Нагрузки на детали во время их служ­ бы могут меняться не только по величине, но и по знаку. Такие на­ грузки вызывают в металле переменные пульсирующие напряжения, также меняющие свою величину и знак. Например, коленчатый вал автомобильного двигателя при работе испытывает в поверхностных слоях шеек попеременно то растягивающие, то сжимающие напря­ жения. Многие другие детали машин и механизмов — валы, шату­ ны, пальцы, шестерни и т. д. — работают также в условиях пульси­ рующих переменных напряжений.

Для практики очень важно установить, как ведут себя металлы в условиях знакопеременного нагружения и какие напряжения они смогут выдержать без разрушения, без опасности поломки. Раз­ рушение металла под действием переменной нагрузки называется

усталостью.

В подавляющем большинстве случаев нагрузка на детали изме­ няется циклически, т. е. увеличивается от определенного значения,

10

проходит через максимум и затем уменьшается до исходной вели­ чины. По характеру изменения нагрузки циклы обычно бывают сим­ метричными, т. е. такими, в которых максимальное и минимальное напряжения одинаковы по величине, но различны по знаку.

Схема испытания для определения предела усталости при сим­ метричных циклах показана на рис. 4, а. Цилиндрический образец 2 закреплен в патроне 1, получающем вращение от привода машины. На противоположный конец образца напрессован шарикоподшип­ ник, к наружному кольцу Э которого подвешен груз Р. Изменяя ве­ личину этого груза (Р\, Р% Рз-..), вызывают в наиболее нагружен­ ном сечении образца различные по величине напряжения <ті, 02..

кГ/ммг

верхние волокна его испытывают растяжение, а нижние — сжатие, то через пол-оборота картина изменится. Следовательно, за каждый полный оборот образца осуществляется один цикл' нагружения.

Испытания производят с несколькими образцами, подсчитывая каждый раз число циклов п нагружения образца до его разруше­ ния. Результаты опытов представляют в виде кривой усталости, по­ казывающей зависимость числа циклов нагружения от возникающих в металле напряжений (рис. 4, б). Это кривая для стали и других сплавов, начиная с некоторого напряжения а_ь идет параллельно оси абсцисс. А это значит, что при таком напряжении металл не разрушается, как бы велико ни было число циклов нагружения. На­ пряжение 0-ь соответствующее горизонтальному участку кривой усталости, т. е. наибольшее напряжение, не вызывающее разруше­ ния при бесконечно большом числе перемен нагрузок, называется пределом усталости. На практике не доводят испытания до появле­ ния горизонтального участка, а в зависимости от условий эксплуа­ тации устанавливают базу испытания. База испытания — это за­ данное число циклов, при котором образец не должен разрушаться.

базе 20 • ІО6 циклов. В этих условиях пределом усталости называют наибольшее напряжение, при котором образец не разрушается при заданном числе циклов, принимаемом за базу испытания.

I 11

Для сравнения способности литейных сплавов заполнять фор­ му проводят определение жидкотекучести. Это технологическая проба, при которой определяется длина спирали, полученной при заливке данным сплавом специально приготовленной формы.

При определении режимов термической обработки проводят технологические испытания на прокаливаемость.

Проведение технологических испытаний позволяет отобрать материал, наиболее полно отвечающий заданным техническим условиям его обработки.

§ 3. Кристаллизация и перекристаллизация металлов

Процесс образования кристаллов из жидкости называется первичной кристаллизацией (в отличие от вторичной, происходя­ щей при некоторых условиях в твердом металле).

Начало образования кристаллов при охлаждении жидкого ме­ талла можно отметить на кривой охлаждения. Для построения та­

центров кристаллизации и скорости роста кристаллов из этих центров. Вначале рост кристаллов идет по всем направлениям, за­ тем при дальнейшем росте кристаллы сталкиваются и получают неправильные внешние очертания (поэтому они называются не кристаллами, а кристаллитами). Кристаллиты бывают двух ви­ дов— типа многогранников (зерна) или ветвистой формы (ден­ дриты). Все металлы и металлические сплавы являются в твердом состоянии веществами кристаллическими со строго упорядоченным расположением атомов. Атомы в процессе затвердевания (кристал­ лизации) группируются в виде пространственных (кристалличе­ ских) решеток. Расстояния между Центрами атомов (параметры

J3

решетки) и углы между осями решетки для различных металлов

различны.

В элементарной ячейке кристаллической решетки в виде цен­ трированного куба (кубическая объемноцентрированная), пред­ ставленной на рис. 7, а, находится 9 атомов, из которых один рас­ положен в центре, а остальные — по вершинам куба. Решетку типа центрированного куба с различными параметрами (а) образуют при затвердевании ванадий (V), вольфрам (W), молибден (Мо), хром (Сг) и др.

с центрированными гранями образуют в процессе кристаллизации

шинам решетки, имеющей вид правильной шестигранной призмы,

В гексагональную решетку кристаллизуются кобальт (Со), магний (Mg), титан (Ті), цинк (Zn) и др.

Некоторые металлы в твердом состоянии при различных тем­ пературах могут иметь либо различное строение кристаллической решетки, либо различные параметры при одинаковой форме ре­

14

шетки. Такие изменения кристаллической решетки называются

аллотропическими превращениями. Они сопровождаются выделе­ нием или поглощением тепла и приводят к изменению физико-ме­ ханических свойств металла. Различные аллотропические состоя­ ния металла или сплава называются модификациями. Способность металла существовать в различных модификациях называется по­ лиморфизмом. Перекристаллизация при охлаждении металла со­ провождается выделением тепла и поэтому происходит при посто­ янной температуре (горизонтальные участки на кривых охла­ ждения).

Различные модификации металла, получающиеся при пере­ кристаллизации, обозначаются буквами греческого алфавита: а (альфа), ß (бета), у (гамма), б (дельта), начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре.

Рассмотрим кривую охлаждения железа как пример аллотро­ пического превращения при охлаждении (рис. 7, г). Замеряя при охлаждении расплавленного железа через равные промежутки времени его температуру, мы замечаем, что при температуре 1539° на кривой охлаждения появляется горизонтальный участок — про­ исходит кристаллизация железа, переход его из жидкого состояния в твердое. В температурном интервале 1539—1390° характерным является строение кристаллической решетки в виде центрирован­ ного куба. Эта модификация носйт название б-железо.

В процессе дальнейшего охлаждения уже твердого железа при температуре 1390° на кривой охлаждения снова появляется гори­ зонтальный участок. Температура 1390° соответствует аллотропи­ ческому превращению б-железа в у-железо, имеющее решетку в виде куба с центрированными гранями. Эта модификация (у-же­ лезо) оказывается устойчивой от 1390 до 910°.

При температуре 910° на кривой охлаждения вновь наблюда­ ется горизонтальный участок. Этой температуре соответствует пре­ вращение у-железа в немагнитное a-железо, устойчивое до 768° и имеющее решетку в виде центрированного куба. Эта же решетка сохраняется и от 768 до 0° у магнитного а-железа.

§ 4. Понятие о фазовом состоянии сплавов

Под сплавом подразумевается сложное вещество, полученное сплавлением двух или нескольких элементов, преимущественно ме­ таллических. Простейшие вещества, необходимые для образования сплавов, называются компонентами.

Однородные составные части сплава называются фазами. Фа­ зами системы могут быть чистые элементы (в виде механической смеси), химические соединения и твердые растворы.

Механическая смесь компонентов А и В образуется, если они неспособны 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 кристал­ лов В со свойственными им решетками (рис. 8, а).

15

Особенностью'сплавов, состоящих из механической смеси двух компонентов (двухфазная система), является то, что можно подо­ брать такое соотношение компонентов, при котором сплав будет иметь наименьшую температуру плавления. Сплавы такого соста­ ва называются эвтектическими или просто эвтектикой. Эвтектики могут быть образованы не только чистыми металлами, но и други­ ми фазами. В зависимости от числа компонентов (фаз) эвтектики могут быть двойными, тройными и т. д.

Рис. 8. Возможные сочетания двух компонентов

При образовании химического соединения компоненты А и В образуют общую кристаллическую решетку (рис. 8, б), отличаю­ щуюся от каждой из решеток элементов, образующих соединение. В химическом соединении существует строго определенное соотно­ шение атомов. Поэтому состав химического соединения может быть

образоваться химическое соединение цементит, формула которого Fe3C.

Твердый раствор представляет собой однородное твердое тело, состоящее из атомов взаиморастворимых элементов. Входящие в его состав элементы не могут быть различимы под микроскопом по отдельности при самом большом увеличении. С точки зрения структуры твердые растворы не похожи ни па химическое соедине­ ние, ни на механическую смесь.

В отличие от химического соединения твердый раствор суще­ ствует не при строго определенном соотношении компонентов. В отличие от механической смеси твердый раствор является одно­ фазным, имеет общую кристаллическую решетку.

В твердых растворах замещения (рис. 8, в) растворение ком­ понента В в металле А происходит путем частичного замещения атомами растворенного металла В атомов в решетке металла-раст­ ворителя А. Твердые растворы замещения образуются в сплавах железа с никелем, марганцем, хромом; меди с никелем и т. д.

Твердые растворы внедрения (рис. 8, г) образуют кристалли­ ческую решетку, в которой атомы растворенного вещества В рас­ полагаются между атомами металла-растворителя А. Твердые растворы внедрения получаются в сплавах железа с углеродом.

Характерным для твердых растворов во всех случаях является

ш

*

сохранение типа решетки мбталла-растворителя, хотя атомы рас­ творенного вещества ее искажают и изменяют средние размеры элементарной ячейки.

§ 5. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Диаграмма состояния показывает изменение состояния сплава в зависимости от температуры и концентрации. Обычно для по­ строения диаграммы состояния пользуются термическим методом, т. е. строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибам на этих кривых определяют температуры превращения. ..Имея доста­ точно сплавов и определив в каждом сплаве температуры превра­ щений, можно построитъ общую диаграмму состояния.

Этот метод используем для построения диаграммы состояния железо — углерод, первре представление о которой дал еще в прош­ лом веке великий русский металлург Д. К. Чернов.

Чтобы построить такую диаграмму, нужно произвести наблю­ дение над множеством сплавов, содержащих различный процент углерода. Для каждого из этих сплавов построим кривую охлажде­

Нанесем эти критические точки, замеренные на кривых охлаждения разных сплавов железа с углеродом, на диаграмму в координатах t°—% С (рис. 9, б) *.

Отметим, что при построении диаграммы состояния (рис. 9 и 10) произведены некоторые упрощения, чтобы выяснить общие законо­ мерности, не загромождая схему линиями и точками, нанесенными на полной диаграмме состояния Fe —С.

На полученной диаграмме состояния все точки, соответствую­ щие температурам t\, т. е. температурам начала кристаллизации для любого сплава, образуют линию ACD — линию начала затвердева­ ния (ликвидус.) Все точки t2 для взятых нами сплавов расположат­

затвердевания (солидус). Остальные температуры образуют другие линии диаграммы состояния. После затвердевания различают не­ сколько структурных составляющих железоуглеродистых сплавов, которым соответствуют линии и области диаграммы состояния.

1. Аустенит (А) — твердый раствор углерода в Fe-y (облас AESG). Максимальная растворимость углерода в аустените равна 2% при 1147° (в точке Е ). Аустенит имеет твердость Н В= 170—200. При температуре ниже 723° переходит в перлит.

Рис. 9. Кривые охлаждения для различных сплавов железа с углеродом (а) и схема построения диаграммы состояния (б)

6,67% С, является самой твердой и хрупкой структурной составляю­ щей; твердость цементита Н В ^ 800.

4.Перлит (П )— механическая смесь феррита и цементита. Содержит 0,83% С. Механические свойства дерлита зависят от фор­ мы и степени измельченности частичек входящего в него цементита (НВ до 160; ста до 82 кГ/мм?).

5.Ледебурит (Л) — механическая смесь аустенита и цементи­ та. Содержит 4,3% С, обладает высокой хрупкостью и твердостью

(НВ** 700).

Особыми точками диаграммы являются точкд С и S. В точке С при 4,3% С и 1147° сплав переходит из жидкого сразу в твердое кристаллическое состояние. Эта точка называется эвтектической, а сплав этого состава— эвтектическим. По линии GS из аустенита начинает выделяться феррит. По линии ES вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените при понижении температуры из

18

аустенита начинает выделяться цементит. В точке S из твердого рас­ твора с содержанием 0,83% С одновременно выпадает феррит и цементит с образованием механической смеси — перлита. Точка 5 называется эвтектоидной, а сплав, содержащий 0,83% С, называет­ ся эвтектоидным. Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2% С, называются сталями, свыше 2% С — чугунами. Различают стали

доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Соответственно чугуны бывают доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Рис. 10. Упрощенная диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Для более наглядного представления о структурных превра­ щениях в железоуглеродистых сплавах рассмотрим процессы, про­ исходящие при охлаждении сплавов различной концентрации. Для этого выделим на диаграмме состояния железо — углерод ряд сплавов — I, II, III, IV, V и VI (рис. 10).

Д о э в т е к т о и д н ы е с т а ли . В качестве примера рассмот­ рим кристаллизацию сплава I. Затвердевание этой стали начинается по линии АС выпадением первых кристаллов аустенита. По линии АЕ затвердевание заканчивается, и при дальнейшем охлаждении сплава до температуры линии GS сталь состоит только из аустенш та. Ниже линии GS из аустенита начинает выделяться феррит (рис. 11, а), что приводит к обогащению аустенита углеродом. При темпе­ ратуре 723° в аустените находится 0,83% углеродами по линии PS аустенит полностью превращается в перлит.

Таким образом, структура медленно охлажденных доэвтектоидных сталей включает зерна перлита и феррита (рис. 11, б).

19