Материаловедение / лекции кенько

(KCU). В качестве оценочных характеристик для сосудов, работающих под давлением, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности используют параметры KCV и KCT.

Наиболее распространенными в настоящее время методами определения склонности сталей к хрупкому разрушению являются методы определения порога хладноломкости при ударных испытаниях и вязкости разрушения по критериям Ж. Ирвина.

Температуру порога хладноломкости определяют на основании кривой зависимости процента вязкой составляющей в изломе от температуры. Обычно принимается температура, при которой в изломе 50 % вязкой составляющей (t50), в этой точке на кривой наблюдается перегиб (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Зависимость ударной вязкости от температуры испытания стали (0,22 % С):

М – мелкозернистая; К – крупнозернистая; I – температурный запас вязкости

О пригодности материала для работы при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности между температурами эксплуатации и порога хладноломкости. Для ответственных деталей за критическую температуру хрупкости могут приниматься другие температуры, например, при которых в изломе имеется до 90 % вязкой составляющей t90. Порог хладноломкости (tп.х) является структурно чувствительной характеристикой, зависит от условий испытаний, наличия концентраторов напряжений и др.

51

Критерий Ж. Ирвина К1С характеризует значение напряжения вблизи вершины трещины в момент разрушения и связывает среднее приложенное напряжение с критической длиной трещины (lкр):

K1C = σср απlкр ,

где α – безразмерный коэффициент, зависящий от геометрии трещины. Величина К1С определяется на специальных образцах с надрезом и с заранее созданной на дне разреза усталостной трещиной. Испыта-

ния проводят в условиях плоского деформированного состояния, когда разрушение происходит путем отрыва перпендикулярно плоскости трещины. Данный коэффициент показывает относительное повышение растягивающих напряжений в устье трещины при переходе ее от стабильной к нестабильной стадии роста и называется вязкостью разрушения при плоской деформации. Чем больше К1С, тем выше сопротивление материала вязкому разрушению и его надежность.

Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса). Для большинства деталей машин долговечность определяется сопротивлением материалов усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью).

Вопросы для самопроверки

1.В чем различие между пластической и упругой деформациями?

2.Как влияют дислокации на прочность металла?

3.В чем сущность наклепа?

4.В чем причина различия теоретической и практической проч-

ности?

5.Какие характеристики механических свойств определяют при испытании на растяжение?

6.Что такое твердость и методы ее определения?

7.Какие необходимо соблюдать условия при измерении твердости по Бринеллю?

8.Каковы особенности измерения твердости по Роквеллу?

9.Измерение твердости по Виккерсу.

10.Что такое ударная вязкость? Методы ее определения.

11.Что такое порог хладноломкости и как он определяется?

12.Что такое предел выносливости? Методы его определения.

13.Что такое конструкционная прочность?

52

Глава 3. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ

3.1. Фазы в металлических сплавах

Металлический сплав представляет собой кристаллическое тело, обладающее металлическими свойствами, полученное при сплавлении, спекании или другими технологическими методами, и содержащее два или более компонента. Основу сплавов составляют металлы. В качестве компонентов используются чаще всего другие металлы, а также неметаллы (например, углерод в сталях и чугунах) и устойчивые химические соединения. По количеству компонентов сплавы соответственно называются двойными, тройными и многокомпонентными.

Восновном сплавы получают путем кристаллизации жидкого расплава. Большинство металлов в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, однако в ряде случаев наблюдается их ограниченная растворимость и даже полная нерастворимость. При ограниченной взаимной растворимости металлов строение расплава зависит от концентрации компонентов. Если количество второго компонента не превышает предела его растворимости в первом, то образуется однородный жидкий раствор, как и в случае неограниченной растворимости компонентов. Если же концентрация второго металла выше предела его растворимости в первом, то образуется двухфазная смесь жидких растворов. С повышением температуры растворимость увеличивается и возможно состояние полной растворимости. К таким металлическим парам относятся, например, Fe–Pb, Fe–Bi, Cu–Pb и др.

Под фазой понимается структурно однородная часть гетерогенной системы, имеющая одинаковый химический состав, строение, физические свойства и ограниченная поверхностью раздела, при переходе через которую свойства резко изменяются.

Всплавах при кристаллизации их компоненты могут по-разному взаимодействовать между собой, образуя различные по химическому составу, типу связи и строению кристаллические фазы (твердые растворы, химические соединения и др.). В процессе кристаллизации атомы компонентов, входящих в расплав, располагаются в кристаллической решетке таким образом, чтобы свободная энергия сплава была минимальной.

53

Весьма легко происходит растворение определенных веществ

вжидком состоянии. Аналогично второй компонент может входить

вструктуру твердого тела. Такие фазы называются твердыми растворами. Так, в гранецентрированной кубической решетке меди может содержаться до 39 % атомов цинка. В этом сплаве, известном под названием латунь, медь играет роль растворителя, а цинк – растворенного вещества. Образование твердых растворов, как правило, требует более строгого соблюдения определенных соотношений между растворителем и растворенным веществом, чем в случае жидкостей, т. к. структура твердого тела более устойчива.

Твердые растворы представляют собой однофазные сплавы переменного химического состава, в которых сохраняется кристаллическая решетка одного из компонентов (растворителя), а атомы растворенного компонента статистически равномерно располагаются в ней, изменяя ее первоначальные параметры. И хотя эти сплавы могут быть многокомпонентными, они, подобно чистому металлу, имеют однородные зерна и лишь один тип кристаллической решетки.

Различают твердые растворы замещения и внедрения. Твердые растворы замещения (рис. 3.1, а) образуются путем частичного замещения атомов кристаллической решетки основного компонента (А) (металла-растворителя) атомами другого компонента (В). Атомные радиусы этих элементов не должны отличаться более чем на 15 %.

Такое состояние характерно для большинства сплавов металлов

(Fe с Cr, Mn, Ni, W, Mo; Cu с Zn, Al и др.).

Твердые растворы внедрения (рис. 3.1, б) образуются, когда ато-

мы растворенного компонента (В) внедряются в кристаллическую решетку растворителя (А) в междоузлия. Обычно они образуются между металлами и неметаллами (C, N, H), характеризующимися малыми атомными (ионными) радиусами, соизмеримыми с размерами пор в кристаллической решетке металлов. Концентрация их обычно не превышает 1…2 %. Названные твердые растворы образуются на основе чистых металлов.

Твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость. При образовании твердых растворов внедрения наблюдается большее искажение решетки, чем при образовании твердых растворов замещения, в связи с чем наблюдается более резкое изменение свойств. С увеличением концентрации растворенного элемента заметно возрастают твердость и прочность, но понижаются пластичность и вязкость.

54

а)

б)

Рис. 3.1. Схема твердых растворов:

а– замещения; б – внедрения

Вмногокомпонентных сплавах возможно растворение компонентов в одном и том же растворителе и путем замещения, и путем внедрения.

Химические соединения характеризуются определенным соотно-

шением числа атомов элементов (стехиометрической пропорцией) и кристаллической решеткой с упорядоченным расположением атомов компонентов, отличной от решетки составляющих компонентов, а также определенной температурой плавления (диссоциации) и неравномерным изменением свойств в зависимости от изменения состава (сингулярностью). Образование химических соединений сопровождается значительным тепловым эффектом. В химических соединениях всегда сохраняется кратное соотношение компонентов и их состав обычно выражается формулой АmВn, где А и В – соответственно элементы, m и n – простые числа.

Атомы в решетках химического соединения расположены закономерно и по определенным узлам решетки. Большинство химических соединений имеют сложную кристаллическую решетку и определенную температуру плавления. Их свойства резко отличаются от

55

свойств образующих компонентов. Обычно химические соединения образуются между компонентами, имеющими большое различие

вэлектронном строении атомов и кристаллических решеток.

Кчислу наиболее важных химических соединений, образующихся в сплавах, относятся фазы внедрения, представляющие собой соединения переходных металлов (Fe, Mn, Cr, Mo и др.) с неметаллами, имеющими малые атомные радиусы (C, Н, N, B). В общем виде

фазы внедрения имеют химические формулы Me4X, Me2X, MeX, MeX2, где Me – металл, Х – неметалл. К таким соединениям относятся карбиды (TiC, WC, VC, W2C, Mo2C), нитриды (Fe4N), гидриды (ZrH4).

Основное отличие фаз внедрения от твердых растворов внедрения состоит в том, что первые образуют новую кристаллическую решетку с закономерным расположением атомов компонентов, а вторые – сохраняют упаковку растворителя. Фазы внедрения имеют высокую температуру плавления, твердость. Им присуща способность к образованию твердых растворов с металлами, образуя твердые растворы вычитания. При этом атомы растворяемого компонента замещают определенное количество химических соединений в решетке. Такие структуры используются при производстве твердых сплавов (Ti в TiC, V

вVС и др.).

Кроме названных фаз еще имеются электронные соединения (фазы Юм-Розери), образующиеся между одновалентными металлами или металлами переходных групп и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al) с определенным соотношением числа валентных электронов к числу атомов: 3/2, 21/13, 7/4 и т. д. Например, в сплавах меди с цинком соединения CuZn, Cu5Zn8, CuZn3 соответственно. Эти соединения образуют твердые растворы с элементами, из которых они состоят. Электронные соединения присутствуют в сплавах цветных металлов, в частности, на основе меди, и являются упрочняющими фазами.

Фазы Лавеса со структурной формулой АВ2 образуются между атомами А и В при соотношении их атомных диаметров DA/DB = = 1,2…1,3, например, MoFe2, NbFe2, TiCr2 и др.

Механические смеси образуют металлы, имеющие различные типы кристаллических решеток, неспособные к образованию твердых растворов или химических соединений (Pb–Sb, Zn–Sn и др.).

56

3.2.Диаграмма состояния сплавов

ипринцип ее построения

При рассмотрении кристаллизации чистых металлов уже отмечалось, что изменение внешних факторов может нарушить равновесие и привести к изменению фазового состава системы. Для многокомпонентных систем добавляется еще одна переменная термодинамическая составляющая – состав (концентрация компонентов).

Зависимость фазового состава сплава от температуры и химического состава графически представляется в виде диаграммы состояния. Диаграмма состояния показывает устойчивые (равновесные) состояния, т. е. состояния, которые при данных условиях обладают минимальной свободной энергией. Диаграмма состояния представляет собой теоретический случай, т. к. рассматривает процесс при отсутствии переохлаждения или перегрева, что практически невозможно. На практике используются диаграммы состояния, построенные при малых скоростях нагрева или охлаждения.

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз подчиняются закону равновесия Гиббса, называемому правилом фаз, выражающему зависимость между степенью свободы системы, количеством фаз и компонентов:

c = к – ф + n,

где с – число степеней свободы; к – число компонентов; ф – число фаз; n – число внешних факторов, оказывающих влияние на состояние системы (давление, температура).

Однородная жидкость представляет собой однофазную систему. Механическая смесь двух видов кристаллов – двухфазную, т. к. каждый кристалл отличается от другого по составу или строению и отделен поверхностью раздела.

Компонентами называются вещества, образующие систему. Под числом степеней свободы (вариантностью) системы пони-

мают число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), которое можно изменять в системе без изменения числа фаз в ней. При числе степеней свободы равном нулю (нонвариантная система), очевидно, изменение любого из факторов вызовет изменение числа фаз. При c = 1 – система моновариантная – возможно изменение в некоторых пределах одного из факторов и это не вызовет уменьшения или увеличения числа фаз.

57

Обычно для металлов процессы кристаллизации и перекристаллизации протекают при постоянном атмосферном давлении и в этом случае n = 1. Тогда правило фаз можно представить в виде

c = к − ф +1.

Рассмотрим однокомпонентную систему – чистый металл (к = 1). Когда металл находится в жидком состоянии ф = 1 (одна жидкая фаза) с =1−1+1 =1, т. е. 1 степень свободы – система моновариантна, при изменении температуры в определенных пределах (до температуры кристаллизации) число фаз не изменяется.

В момент кристаллизации ф = 2 (твердая и жидкая фазы) с =1−2 +1 = 0 , система нонвариантна. Это значит, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре плавления (кристаллизации).

Для двухкомпонентных систем, исходя из правила фаз, в равновесном состоянии не может существовать более 3 фаз. Три фазы могут существовать лишь при определенном составе фаз и температуре (нонвариантное состояние). Диаграмма состояния строится в двух измерениях (температура-концентрация компонентов). Общее содержание компонентов в каждой точке равно 100 %. Для экспериментального построения диаграммы используют термоанализ. Приготавливают определенное количество сплавов различного химического состава

иснимают кривые охлаждения сплавов при их естественном медленном охлаждении. Переход сплава из жидкого состояния в твердое

ивсе фазовые превращения в твердом состоянии сопровождаются значительными тепловыми эффектами, что отражается на характере кривой охлаждения. Поэтому, измеряя температуру сплава в функции времени, по перегибам и остановкам температурной зависимости на кривых охлаждения можно определить характерные критические точки фазовых превращений. Данные точки наносятся на ординаты соответствующих сплавов в системе координат «состав–температура» и соединяют точки аналогичных превращений (первичных, вторичных и т. д.). Линии, соединяющие точки аналогичных превращений, разграничивают на диаграмме области фазовых состояний. Вид диаграммы состояния зависит от того, как реагируют оба компонента между собой в жидком и твердом состояниях, т. е. растворимы ли они в твердом и жидком состояниях, образуютлихимическиесоединенияит. д.

Превращения, происходящие в металлах в твердом агрегатном состоянии, изучают посредством физико-химических анализов, микроанализа, рентгеноструктурного анализа, дилатометрии и др.

58

3.3.Диаграмма состояния сплавов

снеограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состоянии

Построение диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов рассмотрим на примере сплава, компоненты которого неограниченно растворимы в жидком и твердом агрегатных состояниях и не образуют химических соединений. Компоненты сплава обозначим буквами А и В. В данной системе могут существовать только 2 фазы: жидкий и твердый растворы компонентов. Твердый раствор компонента В в А обозначим буквой α. Для построения диаграммы состояния в данном случае необходимо приготовить некоторое количество сплавов (на-

пример, 80 % А + 20 % В, 50 % А + 50 % В, 20 % А + 80 % В) и взять чистые исходные компоненты А и В. Нагреть тигли со сплавами в термошкафу до перехода в жидкое агрегатное состояние, выдержать до полного расплавления и поставить их охлаждать на воздухе в естественных условиях. С помощью термопары и потенциометра записать кривые охлаждения сплавов в координатах «температура–время», на которых определить характерные критические точки.

На кривой охлаждения чистого компонента А при температуре tа наблюдается остановка (площадка), т. к. происходит кристаллизация компонента А из жидкой фазы (рис. 3.2), т. е. в системе одновременно находятся 2 фазы – жидкая и твердая, что согласно правилу фаз может происходить лишь при постоянной температуре c =1 +1 − 2 = 0. Постоянство температуры поддерживается вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. После окончания кристаллизации температура вновь понижается. Аналогично идет процесс кристаллизации и компонента В.

При охлаждении сплава I до температуры, соответствующей точке 1, наблюдается на кривой охлаждения перегиб, т. к. начинается в этой точке процесс кристаллизации α-твердогораствора, и вследст-

вие выделения скрытой теплоты кристаллизации скорость охлаждения замедляется. Процесс кристаллизации протекает в некотором интервале температур между точками 1 и 2, т. к. система в этом диапазоне температур двухфазна (ж + α) и двухкомпонентна, соот-

ветственно число степеней свободы равно единице (c = 2 +1 − 2 =1). При температуре, соответствующей точке 2, процесс кристаллизации заканчивается и при понижении температуры в системе существует только α-твердыйраствор. Аналогично происходит кристал-

лизация сплавов II и III данной системы.

59

(ж+ α)

е

α

Время, τ

Рис. 3.2. Построение диаграммы состояния для двухкомпонентных сплавов с полной взаимной растворимостью компонентов А и В в твердом состоянии

Если эти критические точки нанести на диаграмму в координатах «температура–химический состав» и соединить точки аналогичных превращений плавной кривой, то получим диаграмму состояния системы сплавов компонентов А и В, образующих непрерывный ряд твердых растворов.

Верхняя линия, представляющая собой геометрическое место точек начала кристаллизации, называется линией ликвидус (от лат. слова liquidus – жидкий). Выше данной линии весь сплав в системе находится в жидком агрегатном состоянии. Нижняя линия, представляющая собой геометрическое место точек завершения кристаллизации сплава из жидкой фазы, называется линией солидус (от лат. слова solidus – твердый). Ниже этой линии все сплавы системы находятся в твердом агрегатном состоянии (α). Между линиями ликвидус и со-

лидус расположена двухфазная область, состоящая из жидкой (ж) и твердой фаз (α).

Из диаграммы состояния видно, что чем больше в сплаве более тугоплавкого компонента В, тем выше температура начала его кристаллизации. Следовательно, при различных температурах кристаллизуется α-твердыйраствор различного химического состава.

На примере сплава, содержащего по 50 % компонентов А и В, рассмотрим более подробно процесс кристаллизации. Для определения состава фаз, находящихся в равновесии при заданной температу-

60