книги из ГПНТБ / Ромадин К.П. Материаловедение [учебное пособие]

цессами превращения, происходящими при нагревании и охлаж­

дении сплавов, определить структурные составляющие сплавов

при разных температурах или концентрациях и в зависимости_от

того, в какие взаимодействия вступают сплавляемые компонен­

свойствами сплава существует определенная зависимость.

Если по оси абсцисс отложить состав сплавов, а по оси орди­

нат — свойства этих сплавов, например, электросопротивление

или электропроводность, твердость или прочность, пластичность или вязкость и т. п., то получим определенные закономерности,

которые и называются диаграммами «состав — свойство».

На фиг. 22 приведены рассмотренные нами ранее основные типы диаграмм состояния и дополнительно не рассмотренная

Фиг. [22. Диаграммы состояния и соответствующие им диа­ граммы „состав-свойство“ (Н. С. Курнаков);

нами четвертая диаграмма состояния с химическим соединением

и соответствующие им диаграммы «состав — свойство». Край­

ние ординаты на диаграммах «состав — свойство» соответствуют

свойствам чистых компонентов, а промежуточные — свойствам сплавов в зависимости от их состава.

Рассмотрим каждый из этих случаев в отдельности.

Случай 1. Сплавы затвердевают в соответствии с диаграммой состояния эвтектического типа, т. е. при сплавлении образу­ ются механические смеси. В этом случае свойства сплавов изме­

няются по закону прямой линии (аддитивно) и значение свойств

любого из сплавов находится в интервале между свойствами чи­ стых компонентов.

могут значительно отличаться от свойств, входящих в сплав ком­ понентов. Поэтому при образовании твердых растворов или при

их распаде наблюдается резкое изменение указанных свойств.

31

Распад твердых растворов, как гласит закон Курникова, приво­ дит к резкому повышению электропроводности.

Случай 3. Сплавы затвердевают в соответствии с диаграммой

состояния ограниченных твердых растворов. В этом случае

свойства сплавов в интервале концентраций, соответствующем однофазным твердым растворам, изменяются по криволинейно­

му закону (как для случая 2), а двухфазной области — по пря-і

молинейному закону (как для случая 1), причем крайние точки

на прямой являются свойствами чистых фаз предельно насыщен­

с образовавшимся химическим соединением дают механические

смеси. В этом случае свойства сплавов изменяются по закону

прямой линии. При составе, соответствующем химическому сое­

динению, на диаграмме «состав—свойство» наблюдается пере­ лом прямой линии с образованием максимума или минимума.

В заключение необходимо отметить, что диаграммы «состав-—

свойство» имеют исключительно важное значение для исследо­ вания металлических сплавов.

V. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД

1. Характеристика компонентов

Диаграмма состояния железо—углерод относится к одной из самых сложных, а железоуглеродистые сплавы имеют существен­

ное значение в современной технике.

6,67%, образуется химическое соединение железа с углеродом

Fe3C — карбид железа, называемый в металловедении цементи­

том. Поэтому эта часть системы иногда называется диаграммой «железо — цементит».

Чистое железо это очень мягкий, пластичный металл сере­

бристо-белого цвета с плотностью 7,89 и температурой плавле­ ния. равной 1539°.

При нагревании, как уже было рассмотрено выше, у железа в твердом состоянии происходят аллотропические превращения.

При охлаждении железа наблюдаются те же аллотропические

превращения, что и при нагревании.

Критические точки железоуглеродистых сплавов, при кото­

рых происходят превращения, принято обозначать буквой А

с припиской к ней буквы г, если точка определена при охлажде­

нии, и буквы с, если точка определена при нагревании. К обозна­

чению критических температур Ac и Ar приписывают еще циф-

32

ровые индексы, указывающие на порядок аллотропического пре­

вращения, начиная снизу. Для чистого железа критические точ­

ки Acl и Ar1 отсутствуют.

Карбид железа (цементит) FesC представляет собой самую твердую, но, вместе с тем, очень хрупкую структурную состав­

ляющую железоуглеродистых сплавов. По твердости цементит занимает среднее положение между твердостью корунда и алма­

за. По Бринелю твердость цементита равна примерно 800 кг/мм"2..

Кристаллическая решетка цементита очень сложная. Плотность

цементита близка к плотности железа и составляет 7,82. Темпе­ ратура плавления цементита равна 1600°, но в больших массах в изолированном от железа состоянии при длительных выдерж­

ках при температуре около 1100° цементит распадается на желе­

зо и углерод, что используется для получения ковкого чугуна.

При нормальной температуре цементит магнитен, но при темпе­ ратуре 210° цементит становится немагнитным. Цементит спо­

собен образовывать твердные растворы замещения. Атомы угле­

рода в цементите могут замещаться азотом, кислородом, а атомы

железа — марганцем, хромом, вольфрамом и другими элемен­

тами.

2. Анализ диаграммы состояния железо—углерод

Построение диаграммы состояния системы железо—углерод, производится так же, как построение ранее рассмотренных диа­ грамм состояния, по кривым охлаждения. Однако тепловой эф­ фект некоторых .превращений настолько мал, что не может быть

уловлен термическим методом. Поэтому для определения ряда критических точек железоуглеродистых сплавов приходится поль­

зоваться и другими методами.

Построенная на основании имеющихся в литературе данных

стых сплавов содержит 4,3% углерода.

Фиг. 23. Диаграмма состояния системы железо—углерод

Нижняя, левая, или, как ее часто называют, «стальная» часть

диаграммы железоуглеродистых сплавов состоит из следующих

Образуется перлит из аустенита, содержащего 0,8% угле­

рода при эвтектоидном превращении при температуре 723°. Пер­

лит углеродистой стали содержит 0,8% углерода.

При эвтектоидном превращении при температуре 723° в спла­ вах, содержащих углерода более 2,0%, образуется ледебурит.

Ледебурит — это продукт распада эвтектики и представляет со­

бой особую смесь перлита и цементита.

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,0% С, на­ зываются сталями, а с более высоким содержанием углерода — чугунами.

В зависимости от количества углерода стали делятся на до-

эвтектоидные, содержащие до 0,8% углерода, эвтектоидные, со­

держащие 0,8% углерода, и заэвтектоидные, содержащие более

0,8% углерода.

3. Примеры охлаждения сталей

Ознакомившись в общем виде с процессами, происходящими

при охлаждении железоуглеродистых сплавов из расплавленно­ го состояния, рассмотрим в качестве примера пять сплавов, со­

держащих 0,03; 0,2; 0,6; 0,8 и 1,2¡% углерода.

Все эти сплавы выше линии ликвидуса (фиг. 23) будут пред­ ставлять собой однородные жидкие растворы. При температуре, лежащей на линии ликвидуса АС, начнется кристаллизация аустенита. При температуре, лежащей на линии солидуса AE,

все рассматриваемые сплавы полностью затвердевают. В резуль­

тате затвердевания получится аустенит.

При температуре, лежащей на линии GOS, в сплавах, содер­

жащих углерода не более 0,8%, начнется превращение аустени­ та в феррит. При температуре 723° на линии PS процесс превра­

щения аустенита в феррит полностью закончится и оставшийся аустенит превратится в перлит. Причем сплав, содержащий

ричного цементита, которая при температуре 723° на линии SιJ закончится. При этой температуре аустенит превратится в пер­ лит. ,В результате получится структура перлита и вторичного

цементита (фиг. 28).

4. Строение чугунов

Сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,0% С, на­ зываются чугунами; чугуны можно разделить на доэвтектиче­ ские, содержащие углерода от 2,0 до 4,3%, эвтектические, со­

держащие 4,3% углерода, и заэвтектические, содержащие угле­

рода больше 4,3 %.

Различают чугуны белые, серые и ковкие.

Белые чугуны получаются при условии, если цементит не успевает при охлаждении или при

повторных нагреваниях распасться на железо и углерод. В изломе белые чу­

гуны имеют матово-белый цвет. Вот

ниям графита необходимо придать не чешуйчатую, как это обыч­ но имеет место в серых чугунах, а округлую форму. Чугун с та­

кой структурой называется ковким. Таким образом, ковкий чугун так же, как и серый, в структуре имеет графит. Разница состоит лишь в том, что графит ковкого чугуна имеет округлую форму,

а графит серого чугуна — чешуйчатую платинчатую.

Ковкий чугун получается в результате длительной выдержки

белого чугуна при температурах 930—950°. Процесс получения

ковкого чугуна называется томлением. Во время томления обра­

зуется графит округлой формы, называемый углеродом отжига.

Различают ковкий перлитный чугун и ковкий ферритный чугун.

Раздел второй

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ

Основными механическими свойствами металлов и сплавов

являются:

1)упругость — способность материала внутренними силами

восстанавливать первоначальную форму, искаженную внешним воздействием, после прекращения этого воздействия;

2)жесткость — способность материала сопротивляться упру­

гой деформации;

3)пластичность — способность материала к остаточной (пла­

стической) деформации, т. е. к остаточному изменению внешней формы без нарушения целостности;

4)прочность — способность материала сопротивляться воз­

никновению и развитию пластической деформации;

5) твердость — способность материала сопротивляться внед-

дрению в него другого, более твердого тела; твердость пред­ ставляет производную от жесткости и прочности материала..

Количественное выражение этих свойств будет рассмотрено

ниже.

Для определения механических свойств металлов и сплавов

их подвергают механическим испытаниям, которые занимают

ведущее место среди других методов исследования.

Механические испытания являются необходимыми при при­

емке и контроле материалов, идущих на изготовление различ­

ных летательных аппаратов.

Испытания позволяют установить соответствие свойств мате­

риала требованиям технических условий.

Кроме того, зная механические свойства авиационных мате­ риалов, можно решать вопросы замены одного материала другим.

Наконец, механические свойства материалов определяют возможность их применения для изготовления отдельных дета­

лей, узлов и конструкций различных летательных аппаратов.

Различают статические испытания на растяжение, сжатие,

изгиб и кручение; динамические испытания на удар; испытания

на выносливость в условиях повторно-переменного нагружения;

38

определение твердости, испытания на истирание, испытания на

жаропрочность, т. е. испытания при высоких температурах, а

также испытания при низких температурах и другие.

При выборе методики испытаний обычно исходят из конкрет­

ных условий эксплуатации авиационных конструкций и каждый материал стараются испытывать по возможности в тех услови­

ях, в которых он находится при работе. Рассмотрим кратко толь­ ко основные методы механических испытаний.

И. ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Для испытания на растяжение из материала или детали вы­ резают специальные образцы. Согласно стандарту они могут быть круглыми или плоскими. Образцы состоят из средней ра­

бочей части и головок для захвата в губках испытательной

машины.

Конструкции испытательных машин весьма разнообразны.

Схема универсальной рычажной машины для испытания на рас­

тяжение приведена на фиг. 29. Опуская при помощи механиче-

Фиг. 29. Схема универсальной рычажной машины для испытания па растяжение;

39