ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.12.2023
Просмотров: 201
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
35 имеет место неоднородность наклепа, а следовательно, неоднород- ность дефектов решетки и напряжений, что способствует укрупнению недеформированных зерен за счет деформированных.
Влияние температуры и степени деформации на размер зерна определяют по диаграммам рекристаллизации (рис. 3.9). С их помо- щью можно в первом приближении выбрать степень деформации и температуру рекристаллизационного отжига, при которых исключа- ется вероятность сильного роста зерен металла. Для уточнения темпе- ратуры отжига необходимо учитывать содержание примесей в метал- ле, величину зерна до деформации, скорость нагрева, длительность выдержки и другие факторы.
Рис. 3.9. Диаграмма рекристаллизации железа
Рис. 3.8. Схема изменения структуры и свойств деформированного метал- ла при нагреве: 1–2 – возврат; Т
пр
– температурный порог рекристалли- зации; 2–3, 3–4 – первичная кристал- лизация; начиная с температуры Т
1
– собирательная рекристаллизация
36
Если необходимо снять наклеп, то для достижения достаточной скорости процесса отжиг наклепанного металла ведут при более вы- сокой температуре, чем температура рекристаллизации (табл. 3.1).
Т а б л и ц а 3.1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 14
Температурные режимы обработки металлов (°С)
Металл
Плавлени е
Рекристаллизаци я
Рекристаллизационны й отжиг ,°С
Горячая обработка давление м
Молибден 2620 900 1400–1600 2000–
1400
Титан 1672 500 650–750 1150–800
Железо 1536 450 650–750 1300–800
Медь 1083 270 500–600 900–650
Алюмини й
660 100 350-400 500–400
Свинец 327
–30
–
–
Олово 232
–70
–
–
Деформация может быть холодной и горячей. Холодная деформа- ция проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации и сопровождается наклепом металла. Горячая деформация осуществля- ется при температурах выше температуры рекристаллизации. Для горя- чей деформации характерно полное или частичное снятие упрочнения.
Таким образом, при обработке давлением имеют место два процесса: упрочнение за счет пластической деформации и последующее разупрочнение при рекристаллизации.
Есть металлы, которые при комнатной температуре не подверга- ются наклепу и испытывают горячую деформацию. Примером явля- ется свинец с температурой рекристаллизации ниже комнатной. Для молибдена, имеющего температуру рекристаллизации около 900
С, деформация при нагреве до 800 °С еще является холодной. На прак-
37 тике горячую деформацию обычно проводят при температурах
(0,7…0,75) T
пл
4. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ
4.1. Металлографические методы исследования
Качество металла – это его способность выполнять функции, не- обходимые потребителю. Гарантии качества даются по результатам механических испытаний, неразрушающему контролю, контролю макро- и микроструктуры. Часть требований входит в сдаточные нормы, другая часть устанавливается испытаниями для данной марки металла (усталостная прочность, трещиностойкость и др.). Перечень сдаточных норм определяется соглашением между производителем и потребителем.
Методы исследования строения и свойств металлов интенсивно развиваются в связи с необходимостью иметь информацию о надеж- ности металлов в процессе эксплуатации, причинах поломок и аварий изделий, об изменениях строения в процессе разработки новых спла- вов или технологий их обработки.
Существует взаимосвязь между строением (структурой) и свой- ствами металлов. Под структурой понимают форму, размеры и вза- имное расположение фаз в металлах и сплавах. Структурными со- ставляющими сплава называют обособленные его части, имеющие одинаковое строение и характерные особенности. Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую скачкообразно меняется состав или стро- ение. При изучении строения металла различают макроструктуру – строение, видимое невооруженным глазом или при небольшом уве- личении (30…40 раз), и микроструктуру – строение, определяемое металлографическими методами, т.е. с использованием различных типов микроскопов (оптических, электронных и ионных).
Изучение макро- и микроструктуры металла. Макроструктуру металла изучают путем просмотра поверхности специально подготов- ленных образцов – продольных или поперечных макрошлифов (тем- плетов) или изломов. Это позволяет контролировать большую по- верхность и получать общее представление о качестве металла и о наличии в нем определенных пороков после различных видов техно- логического процесса изготовления деталей: литья, обработки давле- нием, сварки, термической и химико-термической обработки.
38
Макроанализ, как правило, является предварительным этапом ис- следования структуры металла. Путем исследования макроструктуры на темплетах можно определить:
1) нарушение сплошности металла: усадочную рыхлость, пори- стость, газовые пузыри и раковины, подкорковые пузыри, межкри- сталлитные трещины; трещины и пустоты в литом металле; трещины, возникшие при обработке давлением и термической обработке, фло- кены; пороки сварки (в виде непровара, газовых пузырей, пустот);
2) дендритное строение и зону транскристаллизации в литом ме- талле, размер зерна;
3) химическую неоднородность сплава (ликвацию), вызванную процессом кристаллизации (поэтому макроанализ является обяза- тельным видом металлургического контроля каждой плавки стали), или химико-термической (цементация, азотирование) обработки;
4) технологию изготовления заготовки (литье или обработка дав- лением).
Исследование макроструктуры по излому специальных образцов или им подобных (фрактографическое исследование) позволяет су- дить о размере зерна, особенностях выплавки и литья, термической обработки (наличие нафталинистого, камневидного излома), а следо- вательно, и о некоторых свойствах металла. Вид излома используют в качестве критерия склонности стали к хрупкому разрушению. Он мо- жет выявить такие дефекты, как расслоение (шиферность и слои- стость), свидетельствующие о плохом металлургическом качестве сплава.
Микроструктура показывает взаимное расположение фаз, их форму и размеры; для её изучения используется приготовленный об- разец – микрошлиф, одну из плоскостей которого шлифуют, полиру- ют и протравливают в специальном реактиве.
Оптические микроскопы, в которых изображение формируется в отраженном свете, имеют полезное увеличение до 2000 раз и позво- ляют различать в строении металла структурные элементы размером не менее 200 нм.
Электронные микроскопы бывают двух разновидностей: просве- чивающие (ПЭМ) и растровые (РЭМ). Принцип работы ПЭМ основан на прохождении через фольгу из исследуемого металла потока элек- тронов. Из-за неодинакового их рассеивания объектом его изображе- ние проецируется на экране. Большая разрешающая способность и увеличение дают возможность изучать субмикроструктуру материа- лов, в том числе элементы дислокационной структуры. В РЭМ изоб- ражение исследуемого объекта формируется при сканировании по-
39 верхности излома с помощью потока первичных электронов. При этом возникают электронные эффекты, которые регистрируются дат- чиками. Такие микроскопы дают представление о микрорельефе, кри- сталлографических характеристиках материала исследуемых образ- цов. Увеличение и разрешающая способность микроскопов представ- лены в табл. 4.1.
Т а б л и ц а 4.1
Увеличение и разрешающая способность микроскопов
Вид микроскопа
Технические характеристики микроскопа
Объект исследования
Примечание
Увеличение
(раз)
Разрешение, нм
Оптические:
МЕТАМ ЛВ
ЕС МЕТАМ РВ
50–1500 (ви- зуальное наблюдение);
50–1000 (фо- тографии);
50–1000 (ви- зуальное наблюдение)
2000
Микрошлиф
Максимальная нагрузка на предметный столик
3 кг
Электронные: просвечиваю- щие
(ПЭМ)
До 10 6
0,2–0,5
Фольга или реплика (от- печаток с ме- таллической поверхности)
Размер образ- цов: до 100–150 мм в диаметре и до 10 мм в высоту растровые (РЭМ) 10–100 000 25–30
Поверхность излома образца
Возможность элементного микроанализа
РЭМ с автоэмиссионным катодом
10–500 000 1,5–5
Рентгено-структурный анализ (РСА) основан на дифракции рент- геновских лучей рядами атомов в кристаллической решетке, что определяет его применение для изучения кристаллической структуры материала (исследование блочного строения кристаллитов, дислока- ций), текстуры металла. Рентгено-спектральный микроанализ (РСМА) используется для определения химического состава микрообластей на специально приготовленных микрошлифах, для оценки особенностей распределения примесей и компонентов в сплавах. Разрешающая спо- собность порядка нескольких микрометров позволяет изучать ликва- ционные процессы (дендритную ликвацию). С помощью дилатомет-
40 рического метода, основанного на изменении объёма (размеров) об- разца при фазовых превращениях, можно установить начало и конец этих превращений (например, аустенита в перлит).
4.2. Определение механических свойств
Механическими называются свойства, которые определяются при испытаниях материалов под действием внешних нагрузок. Механиче- ские свойства позволяют установить пределы этих нагрузок, что необходимо для выбора материалов и технологических режимов их обработки, ранжирования свойства различных материалов, контроля и диагностики их прочности в процессе эксплуатации.
В связи с многообразием схем эксплуатации и обработки матери- алов температурно-силовые условия проведения механических испы- таний должны быть по возможности приближены к реальным. Вместе с тем методы испытаний должны быть достаточно простыми и при- годными для массового контроля качества металлургической продук- ции. Поскольку необходимо иметь возможность сопоставлять каче- ство разных конструкционных материалов, методы испытаний меха- нических свойств строго регламентированы стандартами.
Основные признаки, позволяющие классифицировать виды меха- нических испытаний:
способ нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, циклическое нагружение);
скорость нагружения (статическая, динамическая);
продолжительность процесса испытания (кратковременное, длительное);
внешние условия при проведении испытания (температура сре- ды, агрессивность среды).
Другими признаками классификации могут быть виды напряжен- но-деформированного состояния, размер и типы образцов и т.п.
4.2.1. Статические испытания
Испытания на растяжение. Наиболее часто проводят испыта- ния на растяжение (ГОСТ 1497–84), позволяющие получать достаточ- но полную информацию о механических свойствах материалов. Для этого используют цилиндрические или плоские образцы. Обычно применяют малый пятикратный образец круглого сечения (диаметр
5 мм, расчетная длина 25 мм). Для цилиндрического образца отноше- ние расчетной начальной длины l к начальному диаметру d
0
называ- ется кратностью. Перед испытанием образец закрепляется в верти-
41 кальном положении в захватах разрывной машины, обеспечивающей плавное нагружение образца вплоть до момента его разрыва. В про- цессе испытания непрерывно записывается первичная машинная диа- грамма в координатах «нагрузка Р – удлинение ∆l», перестроенная машинная диаграмма в координатах «напряжение–деформация» име- ет аналогичный вид.
Для поликристаллических металлов и сплавов наиболее харак- терны следующие виды диаграмм растяжения. Диаграмма первого типа характерна для образцов, разрушающихся после образования шейки в результате сосредоточенной деформации (рис. 4.1, а). Воз- растание нагрузки до момента разрушения может быть плавным
(рис. 4.1, б) либо прерывистым. В последнем случае на диаграмме могут появиться зуб и площадка текучести (рис. 4.1, а). Тип диаграм- мы определяет характеристики, которые по ней можно рассчитать.
Многие механические свойства выражаются через величину напря- жений. В механике напряжения рассматривают как удельные харак- теристики сил, возникающих в теле под действием внешних нагрузок.
Диаграмма преобразуется в диаграмму в координатах «напряжение
–относительная деформация
». При этом = P/F
0
;
= (∆l/l
0
) ×
× 100%, где F
0
, l
0
– начальная площадь сечения и длина образца до испытания.
Рис. 4.1. Диаграммы растяжений: а – с площадкой текучести,
б – без площадки текучести, в – диаграмма истинных напряжений
Диаграмма растяжения (рис. 4.1, а, б) состоит из трех участков: упругой деформации ОA, равномерной пластической деформации АB и сосредоточенной деформации шейки ВС. Участок ОА имеет прямо- линейный вид и характеризует жесткость материала. Чем меньшую
42 упругую деформацию претерпевает материал под действием нагруз- ки, тем выше его жесткость, которая характеризуется модулем упру- гости Е =
– структурно нечувствительной характеристикой, определяемой силами межатомного взаимодействия. Модуль упруго- сти является константой материала.
Упругие свойства зависят от температуры металла. При пониже- нии температуры межатомные расстояния уменьшаются, кристаллы сжимаются, что приводит к увеличению модуля упругости. Основной рост модуля упругости происходит в области температур до 77 К, ниже температур жидкого азота замедляется, а вблизи абсолютного нуля модуль упругости становится температурно независимым.
Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки («течет»), называется физическим пределом текучести
т и измеряется в мегапаскалях (МПа). Если нет площадки текучести, то определяют условный предел текучести
0.2
, при котором образец получает остаточное удлинение, равное 0,2% первоначальной расчетной длины:
/
,
/
0 2
,
0 2
,
0 0
т
F
Р
F
Р
Т
Пре- дел текучести – основной показатель прочности при расчете допусти- мых напряжений, характеризующих сопротивление малым пластиче- ским деформациям.
Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предше- ствующей разрушению, называется временным сопротивлением (
в
) и измеряется в МПа:
/
0
в в
F
Р
Величина пластической деформации к моменту разрушения ха- рактеризует пластичность материала. Различают две характеристики пластичности: относительное удлинение
и относительное сужение
(в процентах):
100 0
0
l
F
F
, где l – длина образца после раз- рыва; l
0
– первоначальная длина образца;
,
100
/
0 0
l
F
F
где F – площадь сечения разрушившегося образца в месте разрыва; F
0
– пер- воначальная площадь сечения образца.
Условно принято считать металл надежным при
> 15%,
> 45%. Более точно зависимость между деформацией образца и напряжением отражают диаграммы истинных напряжений (рис. 4.1, в).
Истинное напряжение определяют делением текущей нагрузки Р на текущее значение площади F поперечного сечения образца, которое уменьшается в процессе испытания.
Испытания на твердость. Наиболее простым методом испыта- ния свойств является измерение твердости. Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление деформации или хруп-
43 кому разрушению в поверхностном слое при местных контактных воздействиях (при внедрении индентора). Различают следующие ме- тоды определения твердости: по Бринеллю (по диаметру отпечатка шарика), по Роквеллу (по глубине вдавливания алмазного конуса или закаленного шарика), по Виккерсу (для деталей малой толщины или тонких поверхностных слоев – по диагонали отпечатка алмазной пи- рамиды). Число твердости по Бринеллю (НВ) определяется чис- лом нагрузки Р, деленной на сферическую поверхность отпечатка
(рис. 4.2, а). На практике твердость определяют с помощью специаль- ных таблиц по величине диаметра отпечатка. Метод Бринелля не ре- комендуется применять для материала с твердостью более 450 НВ, если используется стальной шарик; при больших значениях твердости
– твердосплавный шарик. Временное сопротивление и число твердо- сти по Бринеллю связаны между собой: для стали σ
в
= 0,34 НВ, для сплавов на основе меди σ
в
= 0,45 НВ, для алюминиевых сплавов σ
в
=
= 0,35 НВ.
Рис. 4.2. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю;
б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
При испытании по методу Роквелла (рис. 4.2, б) алмазный конус или стальной шарик диаметром 1,588 мм (для более мягких материа- лов) вдавливаются в металл двумя последовательными нагружения- ми: предварительным Р
0
= 100 H, под действием которого индентор вдавливается на глубину h
0
, и основным Р, при этом индентор вдав- ливается на глубину h. После этого снимают нагрузку Р, но оставляют
Р
0
. Разность h – h
0
зависит от твердости материала: чем выше твер- дость, тем меньше эта разность. В приборе имеются три шкалы. При испытании алмазным конусом и нагрузке P = 1400 Н шкала С твер- дость обозначается HRC, при P = 500 H шкала А – HRA, при испыта- нии стальным шариком и Р = 900 H шкала В – HRB. Единица твердо- сти по Роквеллу – безразмерная величина, соответствующая осевому
44 перемещению индикатора на 0,002 мм. По шкале С определяют зна- чения твердости более твердых материалов, чем методом Бринелля
(более 450 НВ).
Твердость по Виккерсу (рис. 4.2, в) определяют путем вдавлива- ния правильной четырехгранной пирамиды под действием нагрузки
Р и измерения диагонали отпечатка d. Нагрузка меняется от 10 до
1000 Н. Чем тоньше материал, тем меньше она должна быть. Число твердости по Виккерсу (HV) определяют с помощью специальных таблиц по величине диагонали отпечатка.
В некоторых случаях определяют микротвердость отдельных участков металла (ГОСТ 9450–76). Этот метод используют для изме- рения твердости отдельных зерен или очень тонких слоев при вели- чине нагрузки Р = 0,98 или 0,49 Н, реже при меньшей нагрузке, так как это снижает точность измерения. Твердость при этом обозначает- ся HV
100
или HV
50
4.2.2. Динамические испытания
Основным динамическим испытанием является испытание на ударный изгиб (ГОСТ 9454–78) с определением ударной вязкости металла. Метод основан на разрушении образца с надрезом одним ударом маятникового копра (рис. 4.3).
Образец устанавливают на опорах копра и наносят удар по сто- роне образца, противоположной надрезу. Работа, затраченная на раз- рушение образца, определяется так: К = Pg (Н – h), где Р – масса ма- ятника; g – ускорение силы тяжести; Н, h – высота подъема маятника до удара и после разрушения образца. Указатель на шкале копра фик- сирует величину работы К и проградуирован с учетом потерь.
45
Рис. 4.3. Схема испытаний на ударную вязкость
Ударная вязкость обозначается символом КС, кДж/см
2
, определя- ется как отношение работы разрушения К, затраченной на деформа- цию и разрушение ударным изгибом надрезанного образца, к началь- ной площади поперечного сечения образца в месте надреза S по фор- муле КС = K/S.
В зависимости от вида концентратора напряжений различают об- разцы трех типов: с радиусом дна надреза 1,0 мм (тип U), 0,25 мм (тип
V) и инициированной трещиной (Т).
Ударные испытания образцов с трещинами введены потому, что работоспособность материала определяется сопротивлением не столько зарождению трещины, сколько ее распространению. Обыч- ные образцы имеют сечение 10×10 мм, но в особо ответственных слу- чаях и для оценки работоспособности крупных деталей применяют образцы сечением 25×25 мм с инициированной трещиной. Чем острее надрез, тем более жестким испытаниям подвергается металл. Вид надреза входит в обозначение работы удара и ударной вязкости. Ра- боту удара обозначают двумя буквами: KU, KV, KT, а ударную вяз- кость – тремя: KCU, KCV, КСТ. Последние буквы являются символа- ми концентраторов напряжений.
Испытания ударной вязкости широко применяют для оценки склонности металла к хрупкому разрушению при низких температу- рах. Преимущества этого метода – простота эксперимента, учет влия- ния скорости нагружения и концентраций. Для оценки хладноломко- сти обычно проводят испытания серии образцов при понижающихся температурах. Кривые зависимости ударной вязкости от температуры называют сериальными кривыми хладноломкости (рис. 4.4). С их по-
46 мощью определяют температурный порог хладноломкости. При тем- пературе эксплуатации ниже этого порога металл применять не сле- дует.
В технических условиях на поставку металлопродукции ответ- ственного назначения обычно оговаривается минимально допустимое значение ударной вязкости при заданной температуре. Хладнолом- кость можно оценивать также по виду излома разрушившегося образ- ца. Метод основан на определении соотношения площадей вязких и хрупких участков излома ударных образцов.
Вязкий излом имеет характерное волокнистое строение с мато- вым оттенком. С понижением температуры количество волокнистой составляющей в изломе уменьшается, появляются кристаллические блестящие участки. Обычно за критическую температуру принимают такую, при которой доля волокнистой составляющей структуры равна
50%.
Рис. 4.4. Влияние величины зерна на ударную вязкость железа и порог хладно- ломкости: 1 – крупнозернистая сталь; 2 – мелкозернистая сталь. При достаточно широком интервале температур перехода от вязкого к хрупкому разрушению различают верхний t
xв и нижний t
нв порог хладноломкости (соответствует уровню ударной вязкости 20 КДж/см
2
)
47
В ряде случаев целесообразно определять не только общую рабо- ту разрушения при ударном изгибе КС, но и ее составляющие: работу зарождения (КС3) и работу развития трещины (КСР), при этом КС =
КС3 + КСР. Работа зарождения трещины зависит от радиуса надреза: чем острее надрез, тем она меньше. Работа развития трещины мало зависит от геометрии надреза и лучше характеризует склонность ме- талла к хрупкому разрушению. Для ее определения обычно исполь- зуют образцы с заранее инициированной трещиной. Однако следует иметь в виду, что при испытании пластичных материалов работа раз- рушения образца с трещиной превышает истинную работу развития трещины на величину работы пластической деформации, расходуе- мой на изгибную и поперечную макродеформации.
Работу зарождения и работу развития трещины удобно опреде- лять при испытаниях на ударный изгиб с помощью диаграмм
«нагрузка–прогиб», полученных фотографированием с экрана осцил- лографа.
Известен приближенный метод определения составляющих удар- ной вязкости, основанный на предположении о ее линейной зависи- мости от радиуса надреза и равенстве нулю КСЗ трещины для образ- цов с радиусом надреза, равным нулю, или с трещиной. Тогда экстра- поляция данных испытаний образцов всего двух типов с радиусом 1 и
0,25 мм на нулевое значение радиуса надреза дает значение КСР тре- щины. Определение составляющих ударной вязкости позволяет вы- явить влияние различных факторов на обе стадии разрушения.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 14
37 тике горячую деформацию обычно проводят при температурах
(0,7…0,75) T
пл
4. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ
4.1. Металлографические методы исследования
Качество металла – это его способность выполнять функции, не- обходимые потребителю. Гарантии качества даются по результатам механических испытаний, неразрушающему контролю, контролю макро- и микроструктуры. Часть требований входит в сдаточные нормы, другая часть устанавливается испытаниями для данной марки металла (усталостная прочность, трещиностойкость и др.). Перечень сдаточных норм определяется соглашением между производителем и потребителем.
Методы исследования строения и свойств металлов интенсивно развиваются в связи с необходимостью иметь информацию о надеж- ности металлов в процессе эксплуатации, причинах поломок и аварий изделий, об изменениях строения в процессе разработки новых спла- вов или технологий их обработки.
Существует взаимосвязь между строением (структурой) и свой- ствами металлов. Под структурой понимают форму, размеры и вза- имное расположение фаз в металлах и сплавах. Структурными со- ставляющими сплава называют обособленные его части, имеющие одинаковое строение и характерные особенности. Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую скачкообразно меняется состав или стро- ение. При изучении строения металла различают макроструктуру – строение, видимое невооруженным глазом или при небольшом уве- личении (30…40 раз), и микроструктуру – строение, определяемое металлографическими методами, т.е. с использованием различных типов микроскопов (оптических, электронных и ионных).
Изучение макро- и микроструктуры металла. Макроструктуру металла изучают путем просмотра поверхности специально подготов- ленных образцов – продольных или поперечных макрошлифов (тем- плетов) или изломов. Это позволяет контролировать большую по- верхность и получать общее представление о качестве металла и о наличии в нем определенных пороков после различных видов техно- логического процесса изготовления деталей: литья, обработки давле- нием, сварки, термической и химико-термической обработки.
38
Макроанализ, как правило, является предварительным этапом ис- следования структуры металла. Путем исследования макроструктуры на темплетах можно определить:
1) нарушение сплошности металла: усадочную рыхлость, пори- стость, газовые пузыри и раковины, подкорковые пузыри, межкри- сталлитные трещины; трещины и пустоты в литом металле; трещины, возникшие при обработке давлением и термической обработке, фло- кены; пороки сварки (в виде непровара, газовых пузырей, пустот);
2) дендритное строение и зону транскристаллизации в литом ме- талле, размер зерна;
3) химическую неоднородность сплава (ликвацию), вызванную процессом кристаллизации (поэтому макроанализ является обяза- тельным видом металлургического контроля каждой плавки стали), или химико-термической (цементация, азотирование) обработки;
4) технологию изготовления заготовки (литье или обработка дав- лением).
Исследование макроструктуры по излому специальных образцов или им подобных (фрактографическое исследование) позволяет су- дить о размере зерна, особенностях выплавки и литья, термической обработки (наличие нафталинистого, камневидного излома), а следо- вательно, и о некоторых свойствах металла. Вид излома используют в качестве критерия склонности стали к хрупкому разрушению. Он мо- жет выявить такие дефекты, как расслоение (шиферность и слои- стость), свидетельствующие о плохом металлургическом качестве сплава.
Микроструктура показывает взаимное расположение фаз, их форму и размеры; для её изучения используется приготовленный об- разец – микрошлиф, одну из плоскостей которого шлифуют, полиру- ют и протравливают в специальном реактиве.
Оптические микроскопы, в которых изображение формируется в отраженном свете, имеют полезное увеличение до 2000 раз и позво- ляют различать в строении металла структурные элементы размером не менее 200 нм.
Электронные микроскопы бывают двух разновидностей: просве- чивающие (ПЭМ) и растровые (РЭМ). Принцип работы ПЭМ основан на прохождении через фольгу из исследуемого металла потока элек- тронов. Из-за неодинакового их рассеивания объектом его изображе- ние проецируется на экране. Большая разрешающая способность и увеличение дают возможность изучать субмикроструктуру материа- лов, в том числе элементы дислокационной структуры. В РЭМ изоб- ражение исследуемого объекта формируется при сканировании по-
39 верхности излома с помощью потока первичных электронов. При этом возникают электронные эффекты, которые регистрируются дат- чиками. Такие микроскопы дают представление о микрорельефе, кри- сталлографических характеристиках материала исследуемых образ- цов. Увеличение и разрешающая способность микроскопов представ- лены в табл. 4.1.
Т а б л и ц а 4.1
Увеличение и разрешающая способность микроскопов
Вид микроскопа
Технические характеристики микроскопа
Объект исследования
Примечание
Увеличение
(раз)
Разрешение, нм
Оптические:
МЕТАМ ЛВ
ЕС МЕТАМ РВ
50–1500 (ви- зуальное наблюдение);
50–1000 (фо- тографии);
50–1000 (ви- зуальное наблюдение)
2000
Микрошлиф
Максимальная нагрузка на предметный столик
3 кг
Электронные: просвечиваю- щие
(ПЭМ)
До 10 6
0,2–0,5
Фольга или реплика (от- печаток с ме- таллической поверхности)
Размер образ- цов: до 100–150 мм в диаметре и до 10 мм в высоту растровые (РЭМ) 10–100 000 25–30
Поверхность излома образца
Возможность элементного микроанализа
РЭМ с автоэмиссионным катодом
10–500 000 1,5–5
Рентгено-структурный анализ (РСА) основан на дифракции рент- геновских лучей рядами атомов в кристаллической решетке, что определяет его применение для изучения кристаллической структуры материала (исследование блочного строения кристаллитов, дислока- ций), текстуры металла. Рентгено-спектральный микроанализ (РСМА) используется для определения химического состава микрообластей на специально приготовленных микрошлифах, для оценки особенностей распределения примесей и компонентов в сплавах. Разрешающая спо- собность порядка нескольких микрометров позволяет изучать ликва- ционные процессы (дендритную ликвацию). С помощью дилатомет-
40 рического метода, основанного на изменении объёма (размеров) об- разца при фазовых превращениях, можно установить начало и конец этих превращений (например, аустенита в перлит).
4.2. Определение механических свойств
Механическими называются свойства, которые определяются при испытаниях материалов под действием внешних нагрузок. Механиче- ские свойства позволяют установить пределы этих нагрузок, что необходимо для выбора материалов и технологических режимов их обработки, ранжирования свойства различных материалов, контроля и диагностики их прочности в процессе эксплуатации.
В связи с многообразием схем эксплуатации и обработки матери- алов температурно-силовые условия проведения механических испы- таний должны быть по возможности приближены к реальным. Вместе с тем методы испытаний должны быть достаточно простыми и при- годными для массового контроля качества металлургической продук- ции. Поскольку необходимо иметь возможность сопоставлять каче- ство разных конструкционных материалов, методы испытаний меха- нических свойств строго регламентированы стандартами.
Основные признаки, позволяющие классифицировать виды меха- нических испытаний:
способ нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, циклическое нагружение);
скорость нагружения (статическая, динамическая);
продолжительность процесса испытания (кратковременное, длительное);
внешние условия при проведении испытания (температура сре- ды, агрессивность среды).
Другими признаками классификации могут быть виды напряжен- но-деформированного состояния, размер и типы образцов и т.п.
4.2.1. Статические испытания
Испытания на растяжение. Наиболее часто проводят испыта- ния на растяжение (ГОСТ 1497–84), позволяющие получать достаточ- но полную информацию о механических свойствах материалов. Для этого используют цилиндрические или плоские образцы. Обычно применяют малый пятикратный образец круглого сечения (диаметр
5 мм, расчетная длина 25 мм). Для цилиндрического образца отноше- ние расчетной начальной длины l к начальному диаметру d
0
называ- ется кратностью. Перед испытанием образец закрепляется в верти-
41 кальном положении в захватах разрывной машины, обеспечивающей плавное нагружение образца вплоть до момента его разрыва. В про- цессе испытания непрерывно записывается первичная машинная диа- грамма в координатах «нагрузка Р – удлинение ∆l», перестроенная машинная диаграмма в координатах «напряжение–деформация» име- ет аналогичный вид.
Для поликристаллических металлов и сплавов наиболее харак- терны следующие виды диаграмм растяжения. Диаграмма первого типа характерна для образцов, разрушающихся после образования шейки в результате сосредоточенной деформации (рис. 4.1, а). Воз- растание нагрузки до момента разрушения может быть плавным
(рис. 4.1, б) либо прерывистым. В последнем случае на диаграмме могут появиться зуб и площадка текучести (рис. 4.1, а). Тип диаграм- мы определяет характеристики, которые по ней можно рассчитать.
Многие механические свойства выражаются через величину напря- жений. В механике напряжения рассматривают как удельные харак- теристики сил, возникающих в теле под действием внешних нагрузок.
Диаграмма преобразуется в диаграмму в координатах «напряжение
–относительная деформация
». При этом = P/F
0
;
= (∆l/l
0
) ×
× 100%, где F
0
, l
0
– начальная площадь сечения и длина образца до испытания.
Рис. 4.1. Диаграммы растяжений: а – с площадкой текучести,
б – без площадки текучести, в – диаграмма истинных напряжений
Диаграмма растяжения (рис. 4.1, а, б) состоит из трех участков: упругой деформации ОA, равномерной пластической деформации АB и сосредоточенной деформации шейки ВС. Участок ОА имеет прямо- линейный вид и характеризует жесткость материала. Чем меньшую
42 упругую деформацию претерпевает материал под действием нагруз- ки, тем выше его жесткость, которая характеризуется модулем упру- гости Е =
– структурно нечувствительной характеристикой, определяемой силами межатомного взаимодействия. Модуль упруго- сти является константой материала.
Упругие свойства зависят от температуры металла. При пониже- нии температуры межатомные расстояния уменьшаются, кристаллы сжимаются, что приводит к увеличению модуля упругости. Основной рост модуля упругости происходит в области температур до 77 К, ниже температур жидкого азота замедляется, а вблизи абсолютного нуля модуль упругости становится температурно независимым.
Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки («течет»), называется физическим пределом текучести
т и измеряется в мегапаскалях (МПа). Если нет площадки текучести, то определяют условный предел текучести
0.2
, при котором образец получает остаточное удлинение, равное 0,2% первоначальной расчетной длины:
/
,
/
0 2
,
0 2
,
0 0
т
F
Р
F
Р
Т
Пре- дел текучести – основной показатель прочности при расчете допусти- мых напряжений, характеризующих сопротивление малым пластиче- ским деформациям.
Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предше- ствующей разрушению, называется временным сопротивлением (
в
) и измеряется в МПа:
/
0
в в
F
Р
Величина пластической деформации к моменту разрушения ха- рактеризует пластичность материала. Различают две характеристики пластичности: относительное удлинение
и относительное сужение
(в процентах):
100 0
0
l
F
F
, где l – длина образца после раз- рыва; l
0
– первоначальная длина образца;
,
100
/
0 0
l
F
F
где F – площадь сечения разрушившегося образца в месте разрыва; F
0
– пер- воначальная площадь сечения образца.
Условно принято считать металл надежным при
> 15%,
> 45%. Более точно зависимость между деформацией образца и напряжением отражают диаграммы истинных напряжений (рис. 4.1, в).
Истинное напряжение определяют делением текущей нагрузки Р на текущее значение площади F поперечного сечения образца, которое уменьшается в процессе испытания.
Испытания на твердость. Наиболее простым методом испыта- ния свойств является измерение твердости. Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление деформации или хруп-
43 кому разрушению в поверхностном слое при местных контактных воздействиях (при внедрении индентора). Различают следующие ме- тоды определения твердости: по Бринеллю (по диаметру отпечатка шарика), по Роквеллу (по глубине вдавливания алмазного конуса или закаленного шарика), по Виккерсу (для деталей малой толщины или тонких поверхностных слоев – по диагонали отпечатка алмазной пи- рамиды). Число твердости по Бринеллю (НВ) определяется чис- лом нагрузки Р, деленной на сферическую поверхность отпечатка
(рис. 4.2, а). На практике твердость определяют с помощью специаль- ных таблиц по величине диаметра отпечатка. Метод Бринелля не ре- комендуется применять для материала с твердостью более 450 НВ, если используется стальной шарик; при больших значениях твердости
– твердосплавный шарик. Временное сопротивление и число твердо- сти по Бринеллю связаны между собой: для стали σ
в
= 0,34 НВ, для сплавов на основе меди σ
в
= 0,45 НВ, для алюминиевых сплавов σ
в
=
= 0,35 НВ.
Рис. 4.2. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю;
б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
При испытании по методу Роквелла (рис. 4.2, б) алмазный конус или стальной шарик диаметром 1,588 мм (для более мягких материа- лов) вдавливаются в металл двумя последовательными нагружения- ми: предварительным Р
0
= 100 H, под действием которого индентор вдавливается на глубину h
0
, и основным Р, при этом индентор вдав- ливается на глубину h. После этого снимают нагрузку Р, но оставляют
Р
0
. Разность h – h
0
зависит от твердости материала: чем выше твер- дость, тем меньше эта разность. В приборе имеются три шкалы. При испытании алмазным конусом и нагрузке P = 1400 Н шкала С твер- дость обозначается HRC, при P = 500 H шкала А – HRA, при испыта- нии стальным шариком и Р = 900 H шкала В – HRB. Единица твердо- сти по Роквеллу – безразмерная величина, соответствующая осевому
44 перемещению индикатора на 0,002 мм. По шкале С определяют зна- чения твердости более твердых материалов, чем методом Бринелля
(более 450 НВ).
Твердость по Виккерсу (рис. 4.2, в) определяют путем вдавлива- ния правильной четырехгранной пирамиды под действием нагрузки
Р и измерения диагонали отпечатка d. Нагрузка меняется от 10 до
1000 Н. Чем тоньше материал, тем меньше она должна быть. Число твердости по Виккерсу (HV) определяют с помощью специальных таблиц по величине диагонали отпечатка.
В некоторых случаях определяют микротвердость отдельных участков металла (ГОСТ 9450–76). Этот метод используют для изме- рения твердости отдельных зерен или очень тонких слоев при вели- чине нагрузки Р = 0,98 или 0,49 Н, реже при меньшей нагрузке, так как это снижает точность измерения. Твердость при этом обозначает- ся HV
100
или HV
50
4.2.2. Динамические испытания
Основным динамическим испытанием является испытание на ударный изгиб (ГОСТ 9454–78) с определением ударной вязкости металла. Метод основан на разрушении образца с надрезом одним ударом маятникового копра (рис. 4.3).
Образец устанавливают на опорах копра и наносят удар по сто- роне образца, противоположной надрезу. Работа, затраченная на раз- рушение образца, определяется так: К = Pg (Н – h), где Р – масса ма- ятника; g – ускорение силы тяжести; Н, h – высота подъема маятника до удара и после разрушения образца. Указатель на шкале копра фик- сирует величину работы К и проградуирован с учетом потерь.
45
Рис. 4.3. Схема испытаний на ударную вязкость
Ударная вязкость обозначается символом КС, кДж/см
2
, определя- ется как отношение работы разрушения К, затраченной на деформа- цию и разрушение ударным изгибом надрезанного образца, к началь- ной площади поперечного сечения образца в месте надреза S по фор- муле КС = K/S.
В зависимости от вида концентратора напряжений различают об- разцы трех типов: с радиусом дна надреза 1,0 мм (тип U), 0,25 мм (тип
V) и инициированной трещиной (Т).
Ударные испытания образцов с трещинами введены потому, что работоспособность материала определяется сопротивлением не столько зарождению трещины, сколько ее распространению. Обыч- ные образцы имеют сечение 10×10 мм, но в особо ответственных слу- чаях и для оценки работоспособности крупных деталей применяют образцы сечением 25×25 мм с инициированной трещиной. Чем острее надрез, тем более жестким испытаниям подвергается металл. Вид надреза входит в обозначение работы удара и ударной вязкости. Ра- боту удара обозначают двумя буквами: KU, KV, KT, а ударную вяз- кость – тремя: KCU, KCV, КСТ. Последние буквы являются символа- ми концентраторов напряжений.
Испытания ударной вязкости широко применяют для оценки склонности металла к хрупкому разрушению при низких температу- рах. Преимущества этого метода – простота эксперимента, учет влия- ния скорости нагружения и концентраций. Для оценки хладноломко- сти обычно проводят испытания серии образцов при понижающихся температурах. Кривые зависимости ударной вязкости от температуры называют сериальными кривыми хладноломкости (рис. 4.4). С их по-
46 мощью определяют температурный порог хладноломкости. При тем- пературе эксплуатации ниже этого порога металл применять не сле- дует.
В технических условиях на поставку металлопродукции ответ- ственного назначения обычно оговаривается минимально допустимое значение ударной вязкости при заданной температуре. Хладнолом- кость можно оценивать также по виду излома разрушившегося образ- ца. Метод основан на определении соотношения площадей вязких и хрупких участков излома ударных образцов.
Вязкий излом имеет характерное волокнистое строение с мато- вым оттенком. С понижением температуры количество волокнистой составляющей в изломе уменьшается, появляются кристаллические блестящие участки. Обычно за критическую температуру принимают такую, при которой доля волокнистой составляющей структуры равна
50%.
Рис. 4.4. Влияние величины зерна на ударную вязкость железа и порог хладно- ломкости: 1 – крупнозернистая сталь; 2 – мелкозернистая сталь. При достаточно широком интервале температур перехода от вязкого к хрупкому разрушению различают верхний t
xв и нижний t
нв порог хладноломкости (соответствует уровню ударной вязкости 20 КДж/см
2
)
47
В ряде случаев целесообразно определять не только общую рабо- ту разрушения при ударном изгибе КС, но и ее составляющие: работу зарождения (КС3) и работу развития трещины (КСР), при этом КС =
КС3 + КСР. Работа зарождения трещины зависит от радиуса надреза: чем острее надрез, тем она меньше. Работа развития трещины мало зависит от геометрии надреза и лучше характеризует склонность ме- талла к хрупкому разрушению. Для ее определения обычно исполь- зуют образцы с заранее инициированной трещиной. Однако следует иметь в виду, что при испытании пластичных материалов работа раз- рушения образца с трещиной превышает истинную работу развития трещины на величину работы пластической деформации, расходуе- мой на изгибную и поперечную макродеформации.
Работу зарождения и работу развития трещины удобно опреде- лять при испытаниях на ударный изгиб с помощью диаграмм
«нагрузка–прогиб», полученных фотографированием с экрана осцил- лографа.
Известен приближенный метод определения составляющих удар- ной вязкости, основанный на предположении о ее линейной зависи- мости от радиуса надреза и равенстве нулю КСЗ трещины для образ- цов с радиусом надреза, равным нулю, или с трещиной. Тогда экстра- поляция данных испытаний образцов всего двух типов с радиусом 1 и
0,25 мм на нулевое значение радиуса надреза дает значение КСР тре- щины. Определение составляющих ударной вязкости позволяет вы- явить влияние различных факторов на обе стадии разрушения.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 14
4.2.3. Усталостные испытания
Усталость представляет собой процесс постепенного накопления повреждений в металле под действием переменных напряжений, при- водящих к образованию и развитию усталостных трещин. Из-за раз- личной ориентировки зерен и блоков, макро- и микродефектов напряжения в металле распределяются неравномерно. При расчетной нагрузке ниже предела текучести в отдельных перенапряженных ло- кальных объемах происходит пластическая деформация и, как след- ствие ее предельного развития, возникают микротрещины, которые постепенно сливаются, образуя макротрещину, с течением времени распространяющуюся на все сечение.
Усталостные характеристики при комнатной температуре обычно определяют при испытании образцов круглого сечения на изгиб с вращением. Испытывают серию образцов при различной нагрузке и
48 определяют разрушающее напряжение и соответствующее ему число циклов нагружения (ГОСТ 25.502–79).
Максимальным σ
mах или минимальным σ
min напряжением цикла является наибольшее или наименьшее по алгебраической величине напряжение. Характеристикой цикла служит коэффициент асиммет- рии: R = σ
min
/σ
maх
. При равенстве максимального и минимального напряжений по абсолютной величине R = –1. В этом случае цикл яв- ляется симметричным, а предел выносливости, характеризующий со- противление усталости, обозначают σ
–1
. В зависимости от условий работы изделия испытания проводят при комнатной, высокой и низ- кой температурах, при симметричных и асимметричных циклах, при наличии или отсутствии агрессивных сред и концентраторов напря- жений на испытуемых образцах.
При испытании строят кривую усталости – график, характеризу- ющий зависимость между максимальными или амплитудными напряжениями (деформации) цикла и долговечностью серии одинако- вых образцов, испытанных при одинаковом среднем напряжении (де- формации) цикла или при одинаковом коэффициенте асимметрии цикла (рис. 4.5). Переход кривой усталости в горизонталь наблюдает- ся на сталях после 10 7
циклов, на цветных металлах – после 10 8 цик- лов нагружения. Ордината, соответствующая постоянному значению
σ
max
, является физическим пределом выносливости (обозначается σ
R
).
Разрушение материала при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках. При циклическом нагружении начало пла- стической деформации, обусловленное движением дислокаций, мо- жет иметь место при напряжениях меньше предела текучести. При увеличении числа циклов нагружения растет число дислокаций прежде всего в поверхностных слоях.
Рис. 4.5. Кривые усталости: 1 – сталь; 2 – цветные металлы, не имеющие горизонтального участка на кривой усталости
49
Концентраторы напряжений в большей или меньшей степени снижают предел выносливости при одном и том же уровне перемен- ных напряжений.
5. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
5.1. Характеристика основных фаз металлических сплавов
Чистые металлы имеют невысокие механические и функциональ- ные свойства, что и ограничивает их применение. Сплавами называют сложные вещества, полученные сплавлением или спеканием несколь- ких элементов (компонентов).
Компонентами металлических сплавов могут быть не только ме- таллы, но и химические соединения и неметаллы. В зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойными, тройными и т.д.
В результате физико-химического взаимодействия компонентов обра- зуются фазы, зависящие от химического состава сплава, технологии производства и обработки. Количество и тип фаз характеризуют со- стояние сплава.
В зависимости от числа фаз сплавы могут быть одно-, двух- и многофазными. В жидком состоянии компоненты сплава обычно не- ограниченно растворяются друг в друге, образуя жидкие растворы.
В твердом состоянии компоненты могут образовывать: 1) механиче- ские смеси, представляющие собой смесь двух или нескольких фаз;
2) химические соединения, когда компоненты вступают в химическое взаимодействие; 3) твердые растворы, когда один компонент раство- ряется в другом, который называется растворителем.
Механические смеси. Если элементы, входящие в состав сплава, при затвердевании из жидкого состояния не растворяются друг в дру- ге и не взаимодействуют, то образуется механическая смесь (напри- мер, Pb–Sb, А1–Si и др.). При образовании механической смеси каж- дый компонент сохраняет свой тип кристаллической решетки и при- сущие ему свойства.
Химические соединения. Компоненты в сплаве могут взаимо- действовать друг с другом с образованием химических соединений.
По структуре они представляют собой однородные твердые тела.
Свойства химических соединений значительно отличаются от свойств образующих их элементов. Они имеют постоянную температуру плавления (диссоциации) и кристаллическую решетку, отличающую- ся от решеток исходных элементов. В химическом соединении сохра-
50 няется определенное соотношение атомов элементов, позволяющее выразить их состав стехиометрической пропорцией в виде простой формулы: А
n
В
m
, где А и В – соответствующие элементы, n и m – про- стые числа. Составы этих соединений на диаграммах «состав–свой- ство» характеризуются особыми сингулярными точками.
Различают химические соединения двух типов: металл–неметалл и металл–металл. Химические соединения металлов с неметаллами в структуре сплавов находятся в виде неметаллических включений сульфидов, оксидов, фосфидов и т.д., например оксид марганца МnО,
SiO
2
и др.
Если химические соединения не диссоциируют до температуры плавления, то их принято рассматривать в качестве самостоятельных компонентов.
Твердые растворы. Твердыми растворами называют фазы, в ко- торых один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристал- лическую решетку, а атомы других (растворённых) компонентов рас- полагаются в его решетке, искажая ее. Химический анализ твердого раствора показывает несколько элементов, а металлографический и рентгено-структурный – однородные зерна и один тип решетки – ме- талла-растворителя. Различают твердые растворы замещения и внед- рения. Твердый раствор замещения образуется замещением части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами раство- ренного компонента (рис. 5.1, а). Атомы растворенного элемента обычно не занимают особых мест в кристаллической решетке, а толь- ко замещают в некоторых узлах атомы растворителя. Такое размеще- ние называют неупорядоченным. Оно образуется в тех случаях, когда полностью отсутствует взаимодействие элементов. Если же атомы разных элементов твердого раствора взаимодействуют между собой несколько сильнее, чем однородные атомы, то они стремятся распо- ложиться в определенном порядке. Атомы растворителя и растворен- ного элемента располагаются на разных кристаллографических плос- костях. Например, в системе Аu–Сu после медленного охлаждения расплава одни кристаллографические плоскости состоят целиком из атомов меди, а другие – из атомов золота. Такие твердые растворы называют упорядоченными.
51
Рис. 5.1. Кристаллическая решетка ГЦК твердого раствора замещения (а) и внедрения (б)
В связи с различием в размерах атомов при замещении атомов одного компонента атомами другого происходит искажение кристал- лической решетки. Это искажение тем больше, чем больше разница в размерах атомов и строении их кристаллических решеток. При чрез- мерном искажении решетки дальнейшая растворимость становится невозможной. Наступает предельная растворимость, при которой до- полнительно вводимые атомы не могут войти в решетку и образуют самостоятельную фазу. Если же оба компонента имеют однотипные кристаллические решетки, а атомные диаметры различаются не более чем на 8…15%, то возможна неограниченная растворимость.
Неограниченно растворяются в твердом состоянии такие металлы с ГЦК-решеткой, имеющие небольшую разницу в атомных размерах, как Ag и Аu, Ni и Сu и др., а также металлы с ОЦК-решеткой: V и Ti.
Металлы с большим атомным диаметром (Na, Ca, РЬ) в Fe, Cu, Ni не- растворимы. Предельная растворимость зависит также от различия в строении валентных оболочек электронов.
Твердый раствор внедрения образуется путем внедрения атомов растворенного компонента в междоузлия (пустоты) кристаллической решетки (рис. 5.1, б). В решетке ГЦК такая пустота находится в цен- тре куба и образует сферу диаметром 0,4D, где D – диаметр атомов растворителя. В решетке ОЦК пустота находится в центре грани и образует сферу диаметром 0,29D. Образование твердых растворов внедрения, как правило, сопровождается увеличением параметров кристаллической решетки и ее искажением. Твердый раствор внедре- ния характерен для сплавов металлов с элементами, имеющими ма- лые атомные диаметры (С, В, N, H, О). Концентрация второго компо- нента в твердом растворе внедрения обычно невысока и всегда ниже,
52 чем в твердых растворах замещения и химических соединениях этих элементов. В отличие от химических соединений твердые растворы внедрения имеют кристаллическую решетку металла-растворителя.
5.2. Структура сплавов
На свойства сплавов влияют величина, форма, кристаллографи- ческая ориентация и взаимное расположение фаз в объеме. Границы раздела отличаются от примыкающих к ним микрообластей по струк- туре, а часто и по химическому составу.
Однофазные микрообласти могут иметь локальные изменения химического состава. Кроме того, каждая из них содержит дефекты кристаллической решетки – вакансии и дислокации. Размер субзерен и блоков, искажения решетки существенно влияют на ход превраще- ний и свойства сплавов и поэтому должны учитываться при характе- ристике их структуры.
Анализ структур проводят на основе изучения геометрических параметров распределения отдельных фаз или зерен, определяя их размеры, форму и ориентировку. В условиях равновесия относитель- ное содержание каждой фазы, образовавшейся в результате превра- щения, определяется первоначальным составом сплава. Однако пол- ностью равновесное состояние достигается далеко не всегда; более того, в ряде случаев оно может быть нежелательным. Фактическое количество фаз зависит от режима обработки.
Частицы второй фазы могут иметь различную форму: равноос- ную, пластинчатую или волокнистую. Получить на практике любую выбранную форму достаточно сложно, но в ряде случаев возможен выбор двух из этих трех структур.
Такие свойства, как плотность и теплоемкость, зависят только от количества присутствующих фаз и не зависят от их геометрии. Не- смотря на различие геометрии фаз две стали, структура которых пока- зана на рис. 5.2, имеют одинаковую плотность, так как содержат рав- ные относительные количества феррита и цементита.
53
Рис. 5.2. Форма фазовых составляющих структуры (цементит и феррит):
а – пластинчатый перлит, х2500; б – зернистый перлит, х1000.
В обоих случаях содержание углерода равно 0,8 % (масса)
Однако большинство свойств материалов определяется геометри- ей их структуры. Пластинчатый перлит имеет более высокие твер- дость и прочность, но меньшие пластичность, вязкость и теплопро- водность по сравнению с зернистым. В зернистом перлите трещина не может распространяться на значительное расстояние по хрупкому цементиту, не попадая при этом в феррит, характеризующийся боль- шей вязкостью.
Степень дисперсности фаз, их форма и взаимное расположение существенно влияют на механические свойства: твердость, прочность и пластичность. Сталь с дисперсными, равномерно распределенными выделениями цементита в феррите имеет бóльшую твердость и проч- ность, чем сталь того же состава, но с более грубой фазовой структу- рой. Добавка в бетон стального волокна (проволоки диаметр 1 мм,
L = 30 мм) в количестве 40…150 кг/м
3
повышает σ
изг в два–три раза;
σ
в
– на 40%, удельную прочность – в 8–12 раз, уменьшает истирание до двух раз.
Большое влияние на механические свойства материалов оказыва- ет пористость структуры, имеющаяся в отливках, порошковых мате- риалах, керамике. Пористость является местом концентрации напря- жений, уровень которых может превысить прочность материала.
5.3. Факторы, определяющие прочность металлов
Способность материалов сопротивляться пластической деформа- ции и разрушению под действием внешней нагрузки называют проч- ностью. Повышение прочности сплавов позволяет не только увели-
54 чить рабочий ресурс деталей и конструкций, но и уменьшить их сече- ние и расход металла. Однако только одна высокая прочность, без необходимого комплекса таких механических свойств, как вязкость, пластичность и трещиностойкость, не обеспечивает надежность кон- струкций. В ряде случаев высокопрочное состояние металла при низ- кой пластичности может оказывать отрицательное действие из-за по- вышенной хрупкости.
Наряду с высокой прочностью и пластичностью конструкцион- ные материалы должны обладать высоким сопротивлением ударным нагрузкам и запасом вязкости, при знакопеременных нагрузках высо- ким сопротивлением усталости, при трении – износу, во многих слу- чаях – коррозии. Так как в деталях всегда имеются дефекты, являю- щиеся концентраторами напряжений, конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением хрупкому разрушению и распространению трещин. Поэтому надежность материала в кон- струкции принято характеризовать конструкционной прочностью, под которой понимают не отдельно взятые прочностные характери- стики, а комплекс механических свойств, в том числе параметры вяз- кости разрушения, определяющие эксплуатационные возможности изделия.
Помимо высокой конструкционной прочности, конструкционные материалы должны иметь хорошие литейные свойства, обрабатывае- мость давлением, резанием, свариваемость, быть дешевыми и неде- фицитными. Из всех конструкционных материалов, применяемых в настоящее время и прогнозируемых в будущем, этим часто противо- речивым требованиям в наибольшей степени отвечают стали. Только сталь позволяет получать сочетание высоких механических характе- ристик и хорошую технологичность при сравнительно невысокой стоимости. Поэтому она и в настоящее время и в обозримом будущем останется основным и наиболее распространенным конструкционным материалом.
Для большинства конструкционных сталей важнейшими (но не единственными) параметрами конструкционной прочности являются предел текучести
т
, порог хладноломкости или температура вязко- хрупкого перехода Т
хр
, уровень ударной вязкости KCU, KCV, КСТ и коэффициент интенсивности напряжений К
1с
Механизмы упрочнения. Высокопрочное состояние в сталях можно получить увеличением содержания углерода, но при этом снижаются пластичность и вязкость, ухудшается свариваемость. Из- вестно, что углерод образует с железом твердые растворы внедрения
55 и является эффективным упрочнителем. Однако его растворимость в феррите невелика, что приводит к снижению упрочняющего эффекта.
Образующиеся довольно крупные частицы цементитного типа в ферритной матрице более тверды и хрупки, чем сама матрица. Поэто- му при нагружении на поверхности раздела создается объемно- напряженное состояние, которое может приводить к образованию микротрещин. Повышение сопротивления деформации и высокопроч- ное состояние могут быть достигнуты созданием цепи препятствий движению дислокаций.
К основным механизмам упрочнения сталей относятся измельче- ние зерна, образование твердых растворов, выделение частиц второй фазы, превращения при термообработке и увеличение плотности дис- локации. Экспериментальные исследования показали, что для боль- шинства сталей действует принцип линейной аддитивности отдель- ных механизмов упрочнения, т.е. вклады отдельных механизмов в общее упрочнение суммируются: з
ду д
тр
0
т
, где
0
– сопротивление кристаллической решетки движению дисло- кации; тр
– твердорастворное упрочнение; д
– дислокационное упрочнение; ду
– упрочнение дисперсными частицами второй фа- зы, образовавшимися при распаде пересыщенного твердого раствора, или дисперсионное упрочнение; з
– упрочнение границами зерен и субзерен, или зернограничное упрочнение.
Напряжение трения решетки определяется ее свойствами и сопо- ставимо с напряжением, которое должно быть преодолено дислока- циями при их движении в очень крупных зернах, или с пределом те- кучести монокристаллов чистых металлов. Напряжение трения воз- растает с понижением температуры и увеличением скорости дефор- мации. При температуре выше комнатной напряжение трения сохра- няет значения, не зависящие от температуры. Экспериментально найденные значения
0
при комнатной температуре для
-железа особо высокой чистоты [<10 – 7% (С + N)] составляют 18…21 МПа.
Примеси внедрения и дефекты кристаллического строения суще- ственно влияют на
0
. С учетом примесей внедрения в количестве [С
+ N] 10
–2
% и дефектов строения
0
технически чистого железа со- ставляет около 30 МПа, а для сплавов на основе никеля и легирован- ных аустенитных сталей 60…70 МПа.
56
Твердорастворное упрочнение. Твердорастворное упрочнение
связано с различием атомных диаметров растворителя и легиру- ющих элементов. Атомы легирующих элементов, располагаясь вбли- зи дислокаций, способствуют их закреплению или оказывают сопро- тивление их перемещению. Атомы растворенного компонента обра- зуют более прочную металлическую связь с атомами компонента рас- творителя, чем в решетках обоих чистых компонентов. Из-за этого сопротивление пластической деформации твердого раствора должно изменяться по некоторому криволинейному закону. Характер хода кривой с максимумом станет понятным, если учесть, что состав, соот- ветствующий максимуму, является критическим, поскольку роли компонентов как растворителей, так и растворимых меняются на про- тивоположные. Твердорастворное упрочнение особенно эффективно при введении элементов внедрения, что объясняется искажением кри- сталлической решетки и сильным взаимодействием их атомов с дис- локациями, но они отрицательно влияют на пластичность и вязкость сталей.
10>
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 14
48 определяют разрушающее напряжение и соответствующее ему число циклов нагружения (ГОСТ 25.502–79).
Максимальным σ
mах или минимальным σ
min напряжением цикла является наибольшее или наименьшее по алгебраической величине напряжение. Характеристикой цикла служит коэффициент асиммет- рии: R = σ
min
/σ
maх
. При равенстве максимального и минимального напряжений по абсолютной величине R = –1. В этом случае цикл яв- ляется симметричным, а предел выносливости, характеризующий со- противление усталости, обозначают σ
–1
. В зависимости от условий работы изделия испытания проводят при комнатной, высокой и низ- кой температурах, при симметричных и асимметричных циклах, при наличии или отсутствии агрессивных сред и концентраторов напря- жений на испытуемых образцах.
При испытании строят кривую усталости – график, характеризу- ющий зависимость между максимальными или амплитудными напряжениями (деформации) цикла и долговечностью серии одинако- вых образцов, испытанных при одинаковом среднем напряжении (де- формации) цикла или при одинаковом коэффициенте асимметрии цикла (рис. 4.5). Переход кривой усталости в горизонталь наблюдает- ся на сталях после 10 7
циклов, на цветных металлах – после 10 8 цик- лов нагружения. Ордината, соответствующая постоянному значению
σ
max
, является физическим пределом выносливости (обозначается σ
R
).
Разрушение материала при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках. При циклическом нагружении начало пла- стической деформации, обусловленное движением дислокаций, мо- жет иметь место при напряжениях меньше предела текучести. При увеличении числа циклов нагружения растет число дислокаций прежде всего в поверхностных слоях.
Рис. 4.5. Кривые усталости: 1 – сталь; 2 – цветные металлы, не имеющие горизонтального участка на кривой усталости
49
Концентраторы напряжений в большей или меньшей степени снижают предел выносливости при одном и том же уровне перемен- ных напряжений.
5. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
5.1. Характеристика основных фаз металлических сплавов
Чистые металлы имеют невысокие механические и функциональ- ные свойства, что и ограничивает их применение. Сплавами называют сложные вещества, полученные сплавлением или спеканием несколь- ких элементов (компонентов).
Компонентами металлических сплавов могут быть не только ме- таллы, но и химические соединения и неметаллы. В зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойными, тройными и т.д.
В результате физико-химического взаимодействия компонентов обра- зуются фазы, зависящие от химического состава сплава, технологии производства и обработки. Количество и тип фаз характеризуют со- стояние сплава.
В зависимости от числа фаз сплавы могут быть одно-, двух- и многофазными. В жидком состоянии компоненты сплава обычно не- ограниченно растворяются друг в друге, образуя жидкие растворы.
В твердом состоянии компоненты могут образовывать: 1) механиче- ские смеси, представляющие собой смесь двух или нескольких фаз;
2) химические соединения, когда компоненты вступают в химическое взаимодействие; 3) твердые растворы, когда один компонент раство- ряется в другом, который называется растворителем.
Механические смеси. Если элементы, входящие в состав сплава, при затвердевании из жидкого состояния не растворяются друг в дру- ге и не взаимодействуют, то образуется механическая смесь (напри- мер, Pb–Sb, А1–Si и др.). При образовании механической смеси каж- дый компонент сохраняет свой тип кристаллической решетки и при- сущие ему свойства.
Химические соединения. Компоненты в сплаве могут взаимо- действовать друг с другом с образованием химических соединений.
По структуре они представляют собой однородные твердые тела.
Свойства химических соединений значительно отличаются от свойств образующих их элементов. Они имеют постоянную температуру плавления (диссоциации) и кристаллическую решетку, отличающую- ся от решеток исходных элементов. В химическом соединении сохра-
50 няется определенное соотношение атомов элементов, позволяющее выразить их состав стехиометрической пропорцией в виде простой формулы: А
n
В
m
, где А и В – соответствующие элементы, n и m – про- стые числа. Составы этих соединений на диаграммах «состав–свой- ство» характеризуются особыми сингулярными точками.
Различают химические соединения двух типов: металл–неметалл и металл–металл. Химические соединения металлов с неметаллами в структуре сплавов находятся в виде неметаллических включений сульфидов, оксидов, фосфидов и т.д., например оксид марганца МnО,
SiO
2
и др.
Если химические соединения не диссоциируют до температуры плавления, то их принято рассматривать в качестве самостоятельных компонентов.
Твердые растворы. Твердыми растворами называют фазы, в ко- торых один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристал- лическую решетку, а атомы других (растворённых) компонентов рас- полагаются в его решетке, искажая ее. Химический анализ твердого раствора показывает несколько элементов, а металлографический и рентгено-структурный – однородные зерна и один тип решетки – ме- талла-растворителя. Различают твердые растворы замещения и внед- рения. Твердый раствор замещения образуется замещением части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами раство- ренного компонента (рис. 5.1, а). Атомы растворенного элемента обычно не занимают особых мест в кристаллической решетке, а толь- ко замещают в некоторых узлах атомы растворителя. Такое размеще- ние называют неупорядоченным. Оно образуется в тех случаях, когда полностью отсутствует взаимодействие элементов. Если же атомы разных элементов твердого раствора взаимодействуют между собой несколько сильнее, чем однородные атомы, то они стремятся распо- ложиться в определенном порядке. Атомы растворителя и растворен- ного элемента располагаются на разных кристаллографических плос- костях. Например, в системе Аu–Сu после медленного охлаждения расплава одни кристаллографические плоскости состоят целиком из атомов меди, а другие – из атомов золота. Такие твердые растворы называют упорядоченными.
51
Рис. 5.1. Кристаллическая решетка ГЦК твердого раствора замещения (а) и внедрения (б)
В связи с различием в размерах атомов при замещении атомов одного компонента атомами другого происходит искажение кристал- лической решетки. Это искажение тем больше, чем больше разница в размерах атомов и строении их кристаллических решеток. При чрез- мерном искажении решетки дальнейшая растворимость становится невозможной. Наступает предельная растворимость, при которой до- полнительно вводимые атомы не могут войти в решетку и образуют самостоятельную фазу. Если же оба компонента имеют однотипные кристаллические решетки, а атомные диаметры различаются не более чем на 8…15%, то возможна неограниченная растворимость.
Неограниченно растворяются в твердом состоянии такие металлы с ГЦК-решеткой, имеющие небольшую разницу в атомных размерах, как Ag и Аu, Ni и Сu и др., а также металлы с ОЦК-решеткой: V и Ti.
Металлы с большим атомным диаметром (Na, Ca, РЬ) в Fe, Cu, Ni не- растворимы. Предельная растворимость зависит также от различия в строении валентных оболочек электронов.
Твердый раствор внедрения образуется путем внедрения атомов растворенного компонента в междоузлия (пустоты) кристаллической решетки (рис. 5.1, б). В решетке ГЦК такая пустота находится в цен- тре куба и образует сферу диаметром 0,4D, где D – диаметр атомов растворителя. В решетке ОЦК пустота находится в центре грани и образует сферу диаметром 0,29D. Образование твердых растворов внедрения, как правило, сопровождается увеличением параметров кристаллической решетки и ее искажением. Твердый раствор внедре- ния характерен для сплавов металлов с элементами, имеющими ма- лые атомные диаметры (С, В, N, H, О). Концентрация второго компо- нента в твердом растворе внедрения обычно невысока и всегда ниже,
52 чем в твердых растворах замещения и химических соединениях этих элементов. В отличие от химических соединений твердые растворы внедрения имеют кристаллическую решетку металла-растворителя.
5.2. Структура сплавов
На свойства сплавов влияют величина, форма, кристаллографи- ческая ориентация и взаимное расположение фаз в объеме. Границы раздела отличаются от примыкающих к ним микрообластей по струк- туре, а часто и по химическому составу.
Однофазные микрообласти могут иметь локальные изменения химического состава. Кроме того, каждая из них содержит дефекты кристаллической решетки – вакансии и дислокации. Размер субзерен и блоков, искажения решетки существенно влияют на ход превраще- ний и свойства сплавов и поэтому должны учитываться при характе- ристике их структуры.
Анализ структур проводят на основе изучения геометрических параметров распределения отдельных фаз или зерен, определяя их размеры, форму и ориентировку. В условиях равновесия относитель- ное содержание каждой фазы, образовавшейся в результате превра- щения, определяется первоначальным составом сплава. Однако пол- ностью равновесное состояние достигается далеко не всегда; более того, в ряде случаев оно может быть нежелательным. Фактическое количество фаз зависит от режима обработки.
Частицы второй фазы могут иметь различную форму: равноос- ную, пластинчатую или волокнистую. Получить на практике любую выбранную форму достаточно сложно, но в ряде случаев возможен выбор двух из этих трех структур.
Такие свойства, как плотность и теплоемкость, зависят только от количества присутствующих фаз и не зависят от их геометрии. Не- смотря на различие геометрии фаз две стали, структура которых пока- зана на рис. 5.2, имеют одинаковую плотность, так как содержат рав- ные относительные количества феррита и цементита.
53
Рис. 5.2. Форма фазовых составляющих структуры (цементит и феррит):
а – пластинчатый перлит, х2500; б – зернистый перлит, х1000.
В обоих случаях содержание углерода равно 0,8 % (масса)
Однако большинство свойств материалов определяется геометри- ей их структуры. Пластинчатый перлит имеет более высокие твер- дость и прочность, но меньшие пластичность, вязкость и теплопро- водность по сравнению с зернистым. В зернистом перлите трещина не может распространяться на значительное расстояние по хрупкому цементиту, не попадая при этом в феррит, характеризующийся боль- шей вязкостью.
Степень дисперсности фаз, их форма и взаимное расположение существенно влияют на механические свойства: твердость, прочность и пластичность. Сталь с дисперсными, равномерно распределенными выделениями цементита в феррите имеет бóльшую твердость и проч- ность, чем сталь того же состава, но с более грубой фазовой структу- рой. Добавка в бетон стального волокна (проволоки диаметр 1 мм,
L = 30 мм) в количестве 40…150 кг/м
3
повышает σ
изг в два–три раза;
σ
в
– на 40%, удельную прочность – в 8–12 раз, уменьшает истирание до двух раз.
Большое влияние на механические свойства материалов оказыва- ет пористость структуры, имеющаяся в отливках, порошковых мате- риалах, керамике. Пористость является местом концентрации напря- жений, уровень которых может превысить прочность материала.
5.3. Факторы, определяющие прочность металлов
Способность материалов сопротивляться пластической деформа- ции и разрушению под действием внешней нагрузки называют проч- ностью. Повышение прочности сплавов позволяет не только увели-
54 чить рабочий ресурс деталей и конструкций, но и уменьшить их сече- ние и расход металла. Однако только одна высокая прочность, без необходимого комплекса таких механических свойств, как вязкость, пластичность и трещиностойкость, не обеспечивает надежность кон- струкций. В ряде случаев высокопрочное состояние металла при низ- кой пластичности может оказывать отрицательное действие из-за по- вышенной хрупкости.
Наряду с высокой прочностью и пластичностью конструкцион- ные материалы должны обладать высоким сопротивлением ударным нагрузкам и запасом вязкости, при знакопеременных нагрузках высо- ким сопротивлением усталости, при трении – износу, во многих слу- чаях – коррозии. Так как в деталях всегда имеются дефекты, являю- щиеся концентраторами напряжений, конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением хрупкому разрушению и распространению трещин. Поэтому надежность материала в кон- струкции принято характеризовать конструкционной прочностью, под которой понимают не отдельно взятые прочностные характери- стики, а комплекс механических свойств, в том числе параметры вяз- кости разрушения, определяющие эксплуатационные возможности изделия.
Помимо высокой конструкционной прочности, конструкционные материалы должны иметь хорошие литейные свойства, обрабатывае- мость давлением, резанием, свариваемость, быть дешевыми и неде- фицитными. Из всех конструкционных материалов, применяемых в настоящее время и прогнозируемых в будущем, этим часто противо- речивым требованиям в наибольшей степени отвечают стали. Только сталь позволяет получать сочетание высоких механических характе- ристик и хорошую технологичность при сравнительно невысокой стоимости. Поэтому она и в настоящее время и в обозримом будущем останется основным и наиболее распространенным конструкционным материалом.
Для большинства конструкционных сталей важнейшими (но не единственными) параметрами конструкционной прочности являются предел текучести
т
, порог хладноломкости или температура вязко- хрупкого перехода Т
хр
, уровень ударной вязкости KCU, KCV, КСТ и коэффициент интенсивности напряжений К
1с
Механизмы упрочнения. Высокопрочное состояние в сталях можно получить увеличением содержания углерода, но при этом снижаются пластичность и вязкость, ухудшается свариваемость. Из- вестно, что углерод образует с железом твердые растворы внедрения
55 и является эффективным упрочнителем. Однако его растворимость в феррите невелика, что приводит к снижению упрочняющего эффекта.
Образующиеся довольно крупные частицы цементитного типа в ферритной матрице более тверды и хрупки, чем сама матрица. Поэто- му при нагружении на поверхности раздела создается объемно- напряженное состояние, которое может приводить к образованию микротрещин. Повышение сопротивления деформации и высокопроч- ное состояние могут быть достигнуты созданием цепи препятствий движению дислокаций.
К основным механизмам упрочнения сталей относятся измельче- ние зерна, образование твердых растворов, выделение частиц второй фазы, превращения при термообработке и увеличение плотности дис- локации. Экспериментальные исследования показали, что для боль- шинства сталей действует принцип линейной аддитивности отдель- ных механизмов упрочнения, т.е. вклады отдельных механизмов в общее упрочнение суммируются: з
ду д
тр
0
т
, где
0
– сопротивление кристаллической решетки движению дисло- кации; тр
– твердорастворное упрочнение; д
– дислокационное упрочнение; ду
– упрочнение дисперсными частицами второй фа- зы, образовавшимися при распаде пересыщенного твердого раствора, или дисперсионное упрочнение; з
– упрочнение границами зерен и субзерен, или зернограничное упрочнение.
Напряжение трения решетки определяется ее свойствами и сопо- ставимо с напряжением, которое должно быть преодолено дислока- циями при их движении в очень крупных зернах, или с пределом те- кучести монокристаллов чистых металлов. Напряжение трения воз- растает с понижением температуры и увеличением скорости дефор- мации. При температуре выше комнатной напряжение трения сохра- няет значения, не зависящие от температуры. Экспериментально найденные значения
0
при комнатной температуре для
-железа особо высокой чистоты [<10 – 7% (С + N)] составляют 18…21 МПа.
Примеси внедрения и дефекты кристаллического строения суще- ственно влияют на
0
. С учетом примесей внедрения в количестве [С
+ N] 10
–2
% и дефектов строения
0
технически чистого железа со- ставляет около 30 МПа, а для сплавов на основе никеля и легирован- ных аустенитных сталей 60…70 МПа.
56
Твердорастворное упрочнение. Твердорастворное упрочнение
связано с различием атомных диаметров растворителя и легиру- ющих элементов. Атомы легирующих элементов, располагаясь вбли- зи дислокаций, способствуют их закреплению или оказывают сопро- тивление их перемещению. Атомы растворенного компонента обра- зуют более прочную металлическую связь с атомами компонента рас- творителя, чем в решетках обоих чистых компонентов. Из-за этого сопротивление пластической деформации твердого раствора должно изменяться по некоторому криволинейному закону. Характер хода кривой с максимумом станет понятным, если учесть, что состав, соот- ветствующий максимуму, является критическим, поскольку роли компонентов как растворителей, так и растворимых меняются на про- тивоположные. Твердорастворное упрочнение особенно эффективно при введении элементов внедрения, что объясняется искажением кри- сталлической решетки и сильным взаимодействием их атомов с дис- локациями, но они отрицательно влияют на пластичность и вязкость сталей.
10>
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 14
Дислокационное упрочнение. Упрочнение металлов при пласти- ческой деформации обусловлено образованием новых дислокаций и увеличением их плотности, что приводит к взаимной блокировке, препятствующей их перемещению. Упрочнение связано с плотностью дислокаций: д
= К , где
– плотность дислокаций, К – посто- янная, включающая в себя модуль сдвига, вектор Бюргерса и завися- щая от характера распределения и взаимодействия дислокаций. Вели- чина К для сталей с ферритной основой в 1,5…2 раза меньше, чем для аустенитных сталей.
Упрочнение дисперсными выделениями. Этот вид упрочнения имеет наибольшее значение для сплавов, у которых в процессе прове- дения термической обработки происходит выделение дисперсных частиц, не когерентных с матрицей (частиц, потерявших сопряжение решеток «матрица–выделение»).
Зернограничное упрочнение. Движущиеся дислокации не могут пройти через границы зерен, и передача деформации происходит пу- тем возбуждения дислокационных источников, расположенных в со- седнем зерне. Уменьшение размеров зерен способствует росту преде- ла текучести, что может быть описано уравнением Холла–Петча:
2 1
0
т
d
k
, где
0
– сопротивление кристаллической решетки движению дислокации; k – коэффициент, определяющий сопротивле- ние границ зерен данного металла движению дислокаций; d – средний размер зерен. Кроме того, измельчение блоков и фрагментов, из кото-
57 рых состоит зерно, вносит дополнительный вклад в упрочнение мате- риала. Коэффициент k примерно вдвое меньше для аустенитных ста- лей, чем для ферритно-перлитных. Благодаря фазовой перекристалли- зации стали с ферритной основой имеют значительно меньший раз- мер зерна (10…30 мкм), чем аустенитные (70…100 мкм).
5.4. Диаграммы состояния двойных сплавов
и характер изменения свойств в зависимости от состава сплавов
Диаграммы состояния представляют собой графическое изобра- жение состояния сплава в координатах «состав сплава–температура», на котором отражены фазы, образующиеся в результате взаимодей- ствия компонентов сплава друг с другом в условиях термодинамиче- ского равновесия при различных температурах. Этими фазами явля- ются вещества, имеющие, в зависимости от температуры и состава, определенное агрегатное состояние, специфический характер строе- ния и определенные свойства.
Жидкая фаза представляет собой раствор расплавленных компо- нентов. Твердые фазы являются зернами, имеющими определенные форму, размер, состав, строение и способность образовывать сетку по границам зерен. Твердые фазы можно наблюдать в микроскоп. Это мо- гут быть твердые растворы, химические соединения, а также зерна чи- стых компонентов, не образующих с другими компонентами ни твер- дые растворы, ни химические соединения.
Диаграмма состояния разделена линиями на области. Отдельные области могут состоять только из одной фазы или из двух, имеющих разные составы, строение и свойства. По диаграмме состояния можно составить представление о специфике свойств сплавов данной систе- мы компонентов и характере их изменения в зависимости от состава, а также о возможности термической обработки сплавов и температуре нагрева для ее проведения.
Рассмотрим четыре основных типа (рода) диаграмм состояния.
Диаграмма состояния I рода (рис. 5.3) характерна для сплавов, компоненты которых образуют смеси своих практически чистых кри- сталлов при ничтожной взаимной растворимости. На оси абсцисс от- ложена процентная доля компонента В в сплаве.
58
Рис. 5.3. Диаграмма состояния I рода (а) и схемы получающихся структур (б)
Фазовое строение сплавов зависит от температуры. При термо- динамическом воздействии компонентов друг на друга снижается температура их перехода в жидкое состояние, достигая некоторого минимума при определенном для каждой пары компонентов составе
(точка С). Состав сплава можно определить, спроецировав точку С на ось абсцисс (точка В). Сплав двух или более компонентов, образую- щих механическую смесь, имеющий определенный химический со- став и кристаллизующийся при постоянной температуре (минималь- ной для сплавов данной системы), называется эвтектическим или эв- тектикой.
Эвтектика является равномерной смесью одновременно закри- сталлизовавшихся мелких зерен обоих компонентов. Температура, при которой одновременно плавятся или кристаллизуются оба компо- нента, называется эвтектической температурой t
э
. На диаграмме со- стояния температуры, выше которых сплавы находятся в жидком со- стоянии, лежат на линии АСВ, называемой линией ликвидуса
(рис. 5.3, а) (от лат. «ликвидус» – жидкий, текучий).
Переход сплавов с концентрацией компонентов, отличающейся от эвтектической, из жидкого состояния в твердое при кристаллиза- ции происходит в интервале температур, лежащих между линией ликвидуса и эвтектической температурой, которой соответствует ли-
59 ния солидуса DCE (от лат. «солидус» – твердый). При этом из каждо- го сплава по мере снижения температуры в твердую фазу переходит вначале тот компонент, количество которого превышает эвтектиче- скую концентрацию (рис. 5.3, б). Поэтому у сплавов левее точки B
э двухфазная область ACD содержит избыточный компонент А и жид- кую фазу Ж, а в заэвтектической области ВСЕ находятся соответ- ственно твердая В и жидкая Ж фазы. В обоих случаях фаза Ж являет- ся жидким раствором обоих компонентов.
По мере снижения температуры и приближения ее к t
э состав незакристаллизовавшейся фазы приближается к эвтектическому В
э
(точка С). При этом чем меньше сплав отличается по составу от эв- тектического, тем ниже его точка ликвидуса и тем больше в нем эв- тектики.
Количественные изменения в сплавах данной системы компонен- тов (касающиеся состава твердой и жидкой фаз и их долей в единице массы любого сплава) при кристаллизации подчиняются правилу от- резков.
При затвердевании сплава 1 при произвольно взятой температу- ре, соответствующей изотерме lts, состав жидкой фазы всех заэвтек- тических сплавов, включая и сплав l, будет одинаковым, равным B
l
Состав твердой фазы будет соответствовать 100% компонента В. Та- ким образом, при кристаллизации сплавов состав жидкой фазы изме- няется по линии ликвидуса от исходного до эвтектического. Масса твердой фазы при данной температуре определяется величиной от- резка l
t
, а жидкой – отрезка t
s
. Если массу всего сплава Q выразить через l
s
, то относительные доли твердой Q
в и жидкой Q
ж фаз можно представить в виде Q
в
/Q = l
t
/l
s
и Q
ж
/Q = t
s
/l
s
. Пользуясь этими выраже- ниями, можно вычислить и абсолютные массовые доли каждой из фаз при любой температуре.
В зависимости от состава все сплавы данной системы делятся на доэвтектические и заэвтектические. Доэвтектические сплавы содер- жат компонента А свыше (100 – В
э
)%, в них он является избыточным.
В заэвтектических сплавах избыточным является компонент В, его количество превышает В
э
При температурах ниже линии солидуса фазовый состав всех сплавов рассматриваемой системы состоит из зерен обоих компонен- тов: А + В (мелкие зерна (А и В) составляют эвтектику, и крупных зерен избыточных фаз – компонентов А или В соответственно в доэв- тектических и заэвтектических сплавах (см. схемы на рис. 5.3, б, со- ответствующие кривым охлаждения сплавов 2, 1 и С (Эвт.)).