«Ответы на вопросы материаловедению»

 

Задание 1

Основную долю разнообразных металлических материалов, используемых в технике, составляют сплавы. Чистые металлы в технике не применяют, потому что они характеризуются низким пределом прочности. Путем сплавления или спекания нескольких, металлов или металлов с неметаллическими элементами получают сплавы, которые обладают высокой прочностью, пластичностью, хорошо обрабатываются резанием, свариваются и т.д. При этом улучшаются эксплуатационные и технологические свойства металлического материала.

Сплавом называется макроскопически однородная система, состоящая из двух и более химических элементов. Вещества, образующие систему, называют компонентами.

Компонентами сплава могут быть металлы (железо, медь, алюминий, никель и т.д.) и неметаллические элементы (углерод). Компонентом могут быть и химические соединения, если в рассматриваемых интервалах температур они не диссоциируют на свои составные части. Количество компонентов, составляющих систему (сплав), может быть различным. Чистый металл – это однокомпонентная система; сплав двух металлов – двухкомпонентная, и т.д.

Выбор базового компонента сплава определяется техническим заданием на его свойства. В зависимости от базового компонента все сплавы делятся на:

- черные, основу которых составляет железо (стали, чугуны);

- цветные, основу которых составляет любой металл, кроме железа (алюминиевые, медные, никелевые, титановые и др.).

Выбор других компонентов сплава производится на основе оценки взаимодействия элементов периодической системы с базовым компонентом и между собой. Их взаимодействие учитывается и в жидком, и в твердом состояниях, так как сплавление проводится при температурах, превышающих температуру плавления базового компонента, а затем сплав, охлаждаясь, кристаллизуется и остывает до температуры окружающей среды. При этом изменяется не только агрегатное состояние системы, но и ее фазовый состав в зависимости от температуры и скорости охлаждения.

В сплавах компоненты могут вступать во взаимодействие с образованием различных фаз. Различают следующие фазы металлических сплавов:

- жидкие растворы;

- твердые растворы;

- химические соединения.

Раствором называется твердая или жидкая гомогенная (однородная) система, состоящая из двух или более компонентов, относительные количества которых могут изменяться в широких пределах.

Жидкие растворы. Большинство металлов растворяются друг в друге в жидком состоянии неограниченно (в любых соотношениях). При этом образуется однородный жидкий раствор, в котором атомы растворимого металла равномерно распределены среди атомов металла-растворителя.

Твердые растворы. В твердом растворе металл-растворитель сохраняет свою кристаллическую решетку, а растворимый элемент (металл или неметалл) распределяется в ней в виде отдельных атомов. Твердые растворы бывают двух типов:

- твердые растворы замещения;

- твердые растворы внедрения.

В твердых растворах замещения (рис. 1,а) часть атомов кристаллической решетки металла-растворителя замещена атомами другого компонента. Атомы растворенного компонента могут замещать атомы растворителя в любых узлах решетки. Поэтому твердые растворы замещения называют неупорядоченными твердыми растворами.

В твердых растворах внедрения (рис. 1,б) атомы растворенного компонента внедряются в межатомное пространство кристаллической решетки компонента-растворителя. При этом атомы располагаются в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства.

 

 

Рис. 1. Схема твердого раствора замещения (в) и внедрения (б)

Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

При образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, так как атомы растворителя и растворенного компонента различны. Искажение кристаллической решетки обусловливает изменение свойств сплавов по сравнению со свойствами исходных компонентов. Образование твердых растворов в сплавах приводит к увеличению их электрического сопротивления, снижает пластичность и вязкость.

Растворенные атомы в твердых растворах обоих типов распределены произвольно. Однако в некоторых случаях при медленном охлаждении сплава или длительной его выдержке при заданных температурах могут образоваться кристаллические решетки с упорядоченным расположением атомов компонентов. Такие растворы называют упорядоченными или сверхструктурами. Они занимают промежуточное положение между твердыми растворами и химическими соединениями.

Химические соединения. Химические соединения и родственные им фазы постоянного состава в металлических сплавах многообразны. Они имеют характерные особенности, отличающие их от твердых растворов:

- их кристаллическая решетка отличается от кристаллических решеток компонентов, образующих соединение;

- соотношение элементов в них кратно целым числам;

- их свойства отличны от свойств образующих элементов;

- они плавятся при постоянной температуре;

- их образование сопровождается значительным тепловым эффектом.

Для определения количества фаз в сплаве, их состава пользуются диаграммами фазового равновесия – диаграммами состояния. Диаграмма состояния – графическое изображение фазового состава сплава в состоянии равновесия или близком к нему в зависимости от содержания компонентов в сплаве и от температуры.

Температуры, при которых изменяются строение и свойства (происходят фазовые превращения) металлов и сплавов, называют критическими точками. Чистые металлы имеют одну критическую точку, которой является температура плавления (кристаллизации). Они плавятся и затвердевают при одной и той же постоянной температуре. В отличие от чистых металлов сплавы плавятся и кристаллизуются в интервале температур, т.е. они имеют две критические точки – температуру начала кристаллизации (полного расплавления) и температуру полного затвердевания (начала плавления) при охлаждении расплава (при нагревании сплава).

В расплавленном состоянии металлы обычно неограниченно растворимы друг в друге. В твердом состоянии их взаимная растворимость может изменяться.

Рассмотрим диаграмму состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (рис. 2).

 

 

Рис. 2. Диаграмма состояния сплава с неограниченной растворимостью компонентов А и В в твердом состоянии

 

Система состоит из двух компонентов А и В, полностью растворимых друг в друге в твердом состоянии. Ось абсцисс показывает изменение концентрации растворенного компонента В от 0 до 100 %, ось ординат – температуру, при которой рассматривается состояние системы.

Вертикальная линия, соответствующая чистому компоненту А (0 % В), является диаграммой состояния компонента А. При нагревании чистого компонента А он находится в твердом состоянии до температуры Т_А, которая является температурой плавления (соответственно и температурой кристаллизации). При этой температуре компонент Л плавится и выше этой критической точки находится в жидком состоянии.

Вертикальная линия, соответствующая чистому компоненту В (100 % В), является диаграммой состояния компонента В. Критическая точка – температура плавления Т_В.

Сплав с содержанием 50% В (вертикальная линия I), так же как и другие сплавы системы, имеет две критические точки T_s – температура начала плавления (конца кристаллизации) и T_L – температура конца плавления (начала кристаллизации). Интервал температур от T_s до T_L – это интервал плавления (кристаллизации) сплава.

Выше температуры T_L сплав находится в расплавленном состоянии, представляет собой однофазную систему. Линия, соответствующая температурам, выше которых сплав полностью расплавлен, называется линией ликвидус (линия T_AT_LT_B на рис. 2).

Ниже температуры T_s сплав представляет собой твердый раствор L, система однофазна. Линия, соответствующая температурам, ниже которых сплав находится полностью в твердом состоянии, называется линией солидус (линия T_AT_ST_B на рис. 2).

В интервале кристаллизации T_L – T_s сплав представляет собой двухфазную систему: часть сплава находится в жидком состоянии (расплав), остальной сплав в твердом состоянии (кристаллы L – твердого раствора).

Рассмотрим диаграмму состояния компонентов с ограниченной растворимостью друг в друге в твердом состоянии (рис. 3).

Т_А и Т_В – температуры плавления компонентов А и В соответственно. Линия Т_АСТ_В – линия ликвидус. Линия T_AECDT_B – линия солидус.

Предельная растворимость компонента В в компоненте А соответствует точке F, компонента А в компоненте В – точке G.

 

 

Рис. 3. Диаграмма состояния компонентов с ограниченной растворимостью  друг в друге в твердом состоянии

 

В интервале концентраций, соответствующих точкам F и G, компоненты А и В друг в друге нерастворимы. После кристаллизации сплавы таких концентраций представляют собой двухфазную систему, состоящую из α и β – твердых растворов.

Сплав, соответствующий проекции точки С, является самым легкоплавким и называется эвтектическим. Этот сплав кристаллизуется (плавится) при постоянной температуре, при этом из расплава кристаллизуются одновременно две твердые фазы (α- и β-растворы). Такой процесс называется эвтектическим превращением.

Эвтектика – это механическая смесь нескольких твердых фаз, одновременно кристаллизующихся при постоянной температуре из расплава.

Сплавы, относящиеся к области левее точки С до точки Е, называются доэвтектическими, правее точки С до точки D – заэвтектическими.

 

Задание 2

Пластичность металлов и сплавов и способность их к обработке давлением зависит от следующих факторов.

Природа материала (химический и фазовый состав, величина зерна и т.п.)

Хорошей пластичностью обладают такие металлы, как свинец, олово, алюминий, медь, железо, которые могут обрабатываться давлением даже при комнатной температуре.

Малоуглеродистые стали пластичнее высокоуглеродистых. Пластичность сталей снижается с увеличением в них примесей: кремния, марганца, серн, фосфора.

Крупнозернистые металлы менее пластичны, чем мелкозернистые.

Отожженные стали более пластичны, чем нормализованные или закаленные.

Некоторые металлы, например, хром, марганец, серый и белый чугуны имеют очень низкую пластичность и не могут обрабатываться давлением.

Температура деформирования

С повышением температуры пластичность металлов повышается, а сопротивление деформированию уменьшается (иногда в 10...15 раз).

Скорость  деформирования

С увеличением скорости деформирования сопротивление деформации возрастает. Это объясняется тем, что процесс рекристаллизации и разупрочнения наклепанного, деформированного, металла протекает во времени и при большой скорости деформирования может не завершиться. Поэтому динамическая деформация с большими скоростями под молотом вызывает большее сопротивление металла, чем медленная деформация под прессом.

Повышение предельно допустимых для каждого металла скоростей деформирования приводит к разрушению металла.

Схема напряженного состояния

Если представить элементарный объем металла, на который воздействуют внешние силы, то эти силы могут быть сжимающими, растягивающими или смешанными (рис.1). Такие схемы воздействия сил на металл осуществляются на практике при различных видах обработки давлением. Чем большую долю в схеме напряженного состояния занимают сжимающие напряжения, тем выше пластичность металла и больше его способность к обработке давлением. В условиях всестороннего сжатия даже металлы, обладающие минимальной пластичностью, могут подвергаться обработке давлением.

 

 

 

При разработке технологии изготовления конкретной заготовки методом обработки давлением, например, ковкой или штамповкой, инженеру-технологу необходимо выбрать оборудование, составить технологическую карту последовательности операций и выполнить некоторые расчеты, например, определить объем и массу заготовки и т.п.

Составление технологической карты и выполнение расчетов требуют знания основных гипотез пластической деформации металлов.

Гипотеза о постоянстве объема

При пластической деформации объем металла практически не изменяется, т.е. объем заготовки до деформации равен объему заготовки, полученной после деформации.

Основываясь на этой гипотезе рассчитывают объемы, массы и размеры требуемых исходных заготовок.

Гипотеза о сплошности материалов

Условно принимается, что деформируемый металл не содержит несплошностей, т.е. представляет однородное по плотности тело.

Гипотеза об однородности свойств металла

В расчетах усилий, требуемых для деформации, принимают, что свойства металла однородны по всему объему, т.е. не учитывают анизотропию свойств в различных направлениях кристалла и разницу в упрочнении металла по сечению, возникающую при пластической деформации.

Гипотеза  подобия

Количества энергии, необходимые для изменения формы геометрически подобных тел, имеющих одинаковое внутреннее строение и свойства, относятся между собой, как их объемы (или массы).

Поэтому, определив усилие, необходимое для деформации малых заготовок или образцов, можно ориентировочно подсчитать усилие, необходимое для деформации заготовок аналогичной формы, но больших размеров.

В общем случае деформации металлов при обработке давлением можно рассматривать как сумму упругой и пластической деформаций .

При упругой деформации под действием внешних сил изменение формы металла происходит за счет некоторой деформации кристаллической решетки т.е. за счет изменения расстояния между атомами. В этом случае при снятии нагрузки атомы возвращаются в исходные положения и тело приобретает прежнюю форму.

При пластической деформации изменение формы тела происходит за счет изменения формы зерен и сдвигов между ними. Процесс этот необратим, т.е. после снятия нагрузки форма тела не восстанавливается.

В результате пластической деформации зерна металла удлиняются, вытягиваются, и структура приобретает полосчатый (волокнистый) вид (рис.2).

 

 

 

Металл с полосчатой структурой имеет преимущественную ориентировку расположения кристаллических решеток в пространстве и за счет этого обладает анизотропией механических свойств. Например, относительное удлинение, сопротивление ударным нагрузкам вдоль волокон структуры больше, чем поперек.

Так как направление волокон зависит от характера деформирования металла заготовки, желательно в готовой детали получить такое расположение волокон, при котором она имела бы наилучшие служебные свойства. Рекомендуется, чтобы наибольшие растягивающие напряжения, возникающие в деталях в процессе работы, были направлены вдоль волокон, а срезающие силы действовали поперек волокон.

Выполнение этих требований повышает служебные характеристики детали, прочность и надежность в работе.

 

 

На рис.3 показано расположение волокон в заготовке звездочки, полученной вырезкой из толстолистовой стали (а) и осадкой из круглого проката диаметром меньшим, чем диаметр полученной заготовки (б).

В первом случае зубья получаются с различной прочностью, во втором - равнопрочные. Второй способ получения заготовки предпочтительней.

 

 

В процессе деформации в холодном состоянии свойства металла непрерывно изменяются: твердость и временное сопротивление растяжению (прочность) возрастают, а ударная вязкость, относительное удлинение (пластичность) уменьшаются. Такое изменение свойств называется наклепом (рис.4,а). 

Если деформированный,  наклепанный, металл нагревать, то свойства постепенно приобретают исходные значения (рис.4,б) без видимых изменений в структуре. При достижении определенной температуры на месте волокнистой деформированной структуры возникают новые мелкие равноосные зерна (рис.2,в), и свойства могут быть даже выше, чем у исходного металла до деформации. Этот процесс изменения формы зерен деформированного металла при нагреве называется рекристаллизацией.

Если деформация металла проводится ниже температуры рекристаллизации, то она называется   холодной пластической деформацией, если выше этой температуры, то - горячей пластической   деформацией.

Температура рекристаллизации для каждого металла может быть приблизительно подсчитана по следующей формуле:

Т_рекр » 0,4×Т_пл,

 

где Трекр  -       Тпл    -

абсолютная температура рекристаллизации данного металла; абсолютная температура плавления данного металла.

 

Например, для чистого железа:    t _{пл.железа} = 1535°С;  Т_пл = 1535 + 273 = 1808 К; Т_рекр =  0,4×1808 » 723 К; t_рекр = 723 - 273 = 450°С.

 

При нагреве металла происходит изменение механических свойств: относительное удлинение повышается, а временное сопротивление растяжению снижается, т.е. металл может деформироваться с меньшими усилиями и с большей степенью деформации.

Каждый металл имеет оптимальный интервал температур нагрева для горячей обработки давлением.

Превышение этих температур ведет к росту зерна и ухудшению механических свойств изделий. Сильный рост зерна при нагреве называется   перегревом.

Если металл нагревается значительно выше оптимального интервала, вплоть до начала оплавления, то по границам зерен образуются прослойки хрупких окислов. Металл теряет механическую прочность и при обработке давлением разрушается. Это явление называется   пережогом.

Если металл перед обработкой давлением нагрет до температур ниже оптимального интервала или в процессе деформации его температура сильно снизилась, то при обработке давлением резко возрастают усилия, требуемые для деформирования, металл становится менее пластичным, упрочняется, и в изделии могут появиться трещины. Поэтому заканчивать горячую обработку давлением следует также не ниже определенных температур. Температурный интервал горячей обработки давлением для некоторых металлов приведен в табл.1.

Таблица 1

 

Сплав	Температурный интервал, °С		Сплав	Температурный интервал, °С
	Начало	Конец		Начало	Конец
Углеродистые стали 10, 15 20, 25, 30, 35 40, 45, 50, 55, 60 Легированные стали ШХ15 30ХГСА 12Х18Н9Т	1280 1250 1200   1130 1140 1150	750 800 800   850 830 900	20Х, 30Х, 30ХА Инструментальные стали 7ХФ, 8ХФ Р9, Р9Ф5 Алюминиевые сплавы Д1, АК8 Медные сплавы БрАЖМц10-3-15	1200   1150 1180   460   900	800   770 900   400   750

 

Нагревать заготовку следует равномерно во избежание резкого перепада температур по сечению, что может привести к образованию трещин. Поэтому обычно нагрев стали до температур 800...850°С ведется медленно, а затем скорость нагрева желательно увеличить. Ориентировочно время нагрева заготовок (ч) можно определить по формуле:

t = К×D×ÖD,

 

где D  -        К  -

диаметр круглой или сторона квадратной заготовки, м; коэффициент, зависящий от состава стали (для конструкционных углеродистых и низколегированных сталей К = 10, для инструментальных и высоколегированных К = 20).

 

Нагрев металла для горячей обработки давлением осуществляется  нагревательных печах и электронагревательных устройствах.

В печах теплота к заготовке поступает из окружающего ее рабочего пространства нагретой печи, в электронагревательных устройствах теплота выделяется непосредственно в самой заготовке.

Нагревательные печи в зависимости от источника тепла разделяют на пламенные, работающие на жидком топливе (мазуте) или горючем газе, и электрические.

По характеру распределения температур в рабочем  пространстве печи разделяют на камерные, в которых температура одинакова по всему рабочему пространству, и методические, в которых температура в рабочем пространстве повышается в направлении от места загрузки заготовки к месту выдачи.

На предприятиях лесного комплекса для нагрева металла под ковку и штамповку в основном применяются камерные электрические печи сопротивления. Большим преимуществом таких печей является возможность точного регулирования температуры рабочего пространстве

Электронагревательные устройства разделяют на индукционные и контактные.

В индукционных устройствах заготовку помещают внутрь многовиткового индуктора, выполненного из медной трубки. По индуктору пропускается переменный ток и в заголовке, оказавшейся в переменном электромагнитном поле, возникают вихревые токи, за счет которых и происходит нагрев заготовки.

При нагреве заготовок диаметром до 150 мм обычно применяют ток частотой 500...8000 Гц, при нагреве заготовок большего диаметра - ток промышленной частоты 50 Гц. Индукционный нагрев обычно применяют в цехах крупносерийного производства .

При электроконтактном нагреве через нагреваемую заготовку пропускают ток большой силы. При этом выделяется теплота, количество которой пропорционально электросопротивлению, квадрату силы тока и времени.

 

Задание 3

Диаграмма состояния железо – цементит представлена в упрощенном виде на рис. Она показывает фазовый состав и структуру железоуглеродистых сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 % углерода).

В рассматриваемой системе существуют следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы (феррит и аустенит), химическое соединение (цементит).

Жидкий сплав (Ж.) существует выше линии ликвидус ACD. Цементит Fe₃C (Ц) – вертикальная линия DFKL.

 

 

Рис. Диаграмма состояния железо – цементит

(в упрощенном виде): А – аустенит, Я – перлит, Л– ледебурит, Ф – феррит, Ц – цементит

 

Область феррита (Ф) располагается левее линии GPQ. Область аустенита (A)-AESG.

На диаграмме точка А (1539°С) соответствует температуре плавления железа, а точка D (1600°С) – температуре плавления цементита. Точка G (911°С) – температура полиморфного превращения железа α↔γ.

Точка Е соответствует предельному содержанию углерода в аустените (2,14% при температуре 1147°С). При понижении температуры растворимость углерода в аустените уменьшается по линии ES. В точке S она составляет 0,8 % при 727°С.

Точка Р – предельное содержание углерода в феррите 0,02% при 727°С. При охлаждении до комнатной температуры растворимость углерода в феррите уменьшается по линии PQ до 0,005%.

При температуре 1147°С жидкий сплав, содержащий 4,3% углерода, кристаллизуется с образованием эвтектики (механической смеси двух фаз аустенита и цементита). При этом образуется структура ледебурита. Точка G на диаграмме – точка эвтектики, линия ECF – линия кристаллизации эвтектики.

При температуре 727°С аустенит, содержащий 0,8 % углерода, распадается на две фазы – цементит и феррит, т. е. происходит эвтектоидное превращение. При этом образуется структура, называемая перлитом. На диаграмме точка S – точка эвтектоида, линия PSK – линия эвтектоидного превращения.

Рассмотрим кристаллизацию сплавов, содержащих различное количество углерода.

Сплавы, содержащие до 2,14 % углерода, кристаллизуются в интервале температур, ограниченном линиями АС (линия ликвидус) и АЕ (линия солидус). После затвердевания сплавы имеют однофазную структуру – аустенит.

При кристаллизации доэвтектических сплавов, содержащих от 2,14 до 4,3% С, из жидкой фазы при температурах, соответствующих линии ликвидус АС, сначала выделяются кристаллы аустенита. При температуре 1147°С оставшаяся жидкость, имеющая эвтектический состав (4,3% С), кристаллизуется, образуя эвтектику ледебурит. После затвердения доэвтектические сплавы состоят из аустенита и ледебурита.

В заэвтектических сплавах, содержащих от 4,3 до 6,67% С, с понижением температуры до линии ликвидус CD зарождаются и растут кристаллы цементита. При температуре 1147°С жидкость достигает эвтектической концентрации и затвердевает с образованием ледебурита. После затвердевания заэвтектические чугуны состоят из первичного цементита (кристаллизовавшегося из жидкого сплава) и ледебурита.

Эвтектический сплав (4,3% С) кристаллизуется при постоянной температуре с образованием только эвтектики – ледебурита (А + Fe₃C).

После затвердевания железоуглеродистые сплавы претерпевают фазовые и структурные изменения. Это связано с полиморфным превращением железа и с изменением растворимости углерода в аустените и в феррите с понижением температуры.

Сплавы, содержащие до 0,02% С (точка Р), испытывают при охлаждении и при нагреве полиморфное превращение γ↔α между линиями GOS и GP. Ниже линии GP существует только феррит. При дальнейшем медленном охлаждении растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ), из феррита выделяется цементит (третичный).

Сплавы, содержащие 0,02–0,8% С, называют доэвтектоидными. Эти сплавы после кристаллизации состоят из аустенита. При температурах ниже линии GOS начинают расти зерна феррита. При достижении 727°С аустенит, не претерпевший превращения, имеет эвтектоидную концентрацию (0,8% С) и распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих эвтектоидную структуру перлит. После окончательного охлаждения доэвтектоидные сплавы имеют структуру феррит + перлит.

В эвтектоидном сплаве (0,8% С) при температуре 727°С (точка S) весь аустенит превращается в перлит.

При охлаждении заэвтектоидных сплавов (от 0,8 до 2,14% С) до температур, соответствующих линии ES, из аустенита выделяется цементит (вторичный) в результате уменьшения растворимости углерода в аустените. При температуре 727°С аустенит, содержащий 0,8% С, превращается в перлит. После охлаждения заэвтектоидные сплавы состоят из перлита и цементита.

В доэвтектических сплавах вследствие уменьшения растворимости углерода при охлаждении (линия SE) происходит частичный распад аустенита с выделением кристаллов вторичного цементита. При 727°С аустенит эвтектоидного состава превращается в перлит. Структура доэвтектических сплавов после окончательного охлаждения состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).

Эвтектический сплав (4,3% С) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита (перлит + цементит).

Заэвтектические сплавы после полного охлаждения состоят из первичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).

При температурах ниже 727°С железоуглеродистые сплавы имеют различную структуру, но фазовый состав их одинаков. Они состоят из двух фаз феррита и цементита.