И СПЛАВОВ. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЙ

Металлические материалы и изделия

Общие сведения

 

Металлы– это вещества, обладающие высокой прочностью, пластичностью, тепло- и электропроводностью, характерным блеском.

Выплавка металлов возникла в глубокой древности. Получение меди датируется 7–6 тыс. до н. э. Во 2 тыс. до н. э. начали применяться изделия из бронзы. В середине 2-го тыс. до н. э. человек начал получать железо. В древнем мире добывали и применяли также золото, серебро, олово, свинец, ртуть.

Широкое применение стали началось с ХIХ века с изобретением бессемеровского, мартеновского и томасовского процессов производства литой стали. С начала ХХ в. начала выпускаться легированная сталь в электропечах. Свойства наиболее важных металлов, применяемых в технике и строительстве, приведены в таблице 18.1

Таблица 18.1 – Основные физико-механические свойства чистых металлов  
Металл Плот­ность, г/см3 Теплоем­кость при 20 °С, Дж/кг.°С Темпера­тура плав­ления, °С Твер­дость, Н/мм2 Предел проч­ности, МПа Относи­тельное удлине­ние, % Удельное электро­сопротив­ление, Ом× м  
Алюминий (А1) 2,7 0,88 0,026  
Ванадий (W) 19,1 0,13 – 0,050  
Железо (Fe) 7,86 0,45 0,106  
Магний (Mg) 1,74 1,01 0,045  
Медь (Си) 8,93 0,38 0,017  
Никель (Ni) 8,8 0,43 0,072  
Олово (Sn) 7,3 0,23 0,015  
Свинец (РЬ) 11,34 0,12 0,188  
Цинк (Zn) 7,4 0,39 0,057  

Более высокие свойства имеют сплавы, состоящие из двух и более хи­мических элементов. Они чаще всего и применяются в технике и строительстве. Сплавы могут находиться между собой в одном из трех видов связи: химической, твердых растворов и механической смеси.

Металлы подразделяются на две группы: черные и цветные. К черным относят металлы и сплавы, в которых основным компонентом является же­лезо. К цветным относят металлы и сплавы, в которых основным компонен­том является не железо, а другие элементы: алюминий, медь, цинк, магний и пр.

В строительстве чаще всего применяются черные металлы: чугун и сталь. Чугун – это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода бо­лее 2,14 %. Сталь – это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода не более 2,14 %.

При наличии углерода до 0,25 % сталь называется низкоуглеродистой, при содержании его от 0,25 до 0,6 % – среднеуглеродистой и при содержа­нии углерода более 0,6 % – высокоуглеродистой. С повышением содержа­ния углерода уменьшается пластичность стали, повышается хрупкость.

В строительстве для конструкций, подвергающихся динамическим на­грузкам, чаще всего применяют низкоуглеродистые стали. Из них строят мосты, фермы, резервуары, трубопроводы.

Для улучшения свойств чугунов и сталей в их состав вводят легирую­щие добавки: марганец, хром, никель, молибден, алюминий, медь и др. При содержании легирующих добавок до 2,5 % стали называют низколегиро­ванными, при 2,5–10 % – среднелегированными и более 10 % – высоколе­гированными. Легирующие вещества повышают коррозионную стойкость, ковкость, упругость черных металлов.

В строительстве применяются в основном низколегированные стали.

Цветные металлы разделяют на легкие и тяжелые. Легкие имеют плот­ность менее 3,5 г/см3. Основными компонентами легких металлов являются алюминий и магний. Например, дуралюминий представляет собой сплав алюминия с медью, магнием, кремнием и марганцем. В тяжелых металлах основным компонентом является медь, олово, цинк, свинец. В строительст­ве часто применяется бронза (сплав меди с оловом) и латунь (сплав меди с цинком).

 

АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

И СПЛАВОВ. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЙ

 

В твердом состоянии атомы металлов и сплавов образуют правильную пространственную кристаллическую решетку. Наибольшее распростране­ние имеют кубическая объемно центрированная, кубическая гранецентри-рованная и гексагональная решетки (рисунок 18.1).

Пространственные кристаллические решетки образуются при переходе металла из жидкого состояния в твердое, т. е. кристаллизации. Каждый ме­талл кристаллизуется при строго индивидуальной температуре.

Некоторые металлы в затвердевшем состоянии при разной температуре обладают способностью изменять кристаллическую структуру. Это явление называется аллотропическим превращением. Оно сопровождается выделе­нием или поглощением теплоты. Железо имеет четыре аллотропические формы: α-Fe, β-Fe, γ-Fe, δ-Fe. Практическое значение имеют α-Fe и β -Fe Отличие δ -Fe и β -Fe от α -Fe состоит в величине межатомного расстояния и в β -Fe отсутствуют магнитные свойства.

 


в))а
а))а
б))а


Рисунок 18.1 – Основные виды элемен­тарных ячеек кристаллических решеток металлов: а– объемно центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная

 


 

Кривая охлаждения чистого железа (рисунок 18.2) показывает, что при температуре 1539 °С железо переходит из жидкого состояния в твердое, кристаллизуясь в виде δ-Fe с решеткой объемно центрированного куба. Дальнейшие кристаллические превращения будут происходить в твердом состоянии. При температуре 1401 °С происходит превращение железа в -Fe с кубической гранецентрированной решеткой, которая при 898 °С перехо­дит в α-Fe с кубической объемно центрированной решеткой. Далее при температуре 768 °С α-Fe приобретает магнитные свойства.


При совместной кристаллиза­ции нескольких элементов обра­зуются сплавы в виде механиче­ских смесей, твердых растворов, химических соединений.

Механические смеси получа­ются при раздельной кристаллиза­ции составляющих. Каждый ком­понент сохраняет свои свойства. Свойство сплава будет средним между элементами, входящими в его состав.

Твердые растворы бывают рас­творами замещения и внедрения. В твердом растворе замещения атомы одного компонента частич­но замещаются атомами другого в узлах его кристаллической решетки. Они образуются при совместной кристаллизации металлов. В твердом растворе внедрения атомы одного из компонентов размещаются в междоузлиях (пус­тотах) кристаллической решетки другого. Они образуются при совместной кристаллизации металла и неметалла.

Химические соединения образуются при химическом взаимодействии компонентов. Например, в сплавах железа с углеродом получается карбид железа (цементит) 3Fe + С = Fe3C.

Зависимость между строением сплава, его составом и температурой описывается диаграммами состояния. Они строятся экспериментально по критическим точкам на кривых охлаждения сплавов. По диаграммам можно определить механические, физические и химические свойства сплавов, что позволяет назначать режимы термической обработки, сварки, обработки давлением.

Имеются основные типы диаграмм состояний (рисунки 18.3–18.5). Диа­граммы состояний I типа относятся к сплавам, когда их компоненты А и В неограниченно растворяются друг в друге в жидком состоянии и не раство­ряются в твердом.

Такой является диаграмма состояний сплава свинец-сурьма (см. рисунок 18.3).

 

 

 
 

 

 


Рисунок 18.3 – Кривые охлаждения и диаграмма состояния сплавов свинца и сурьмы

 

На кривых охлаждения чистых металлов имеется по одной критической точке, соответствующей переходу металлов из жидкого состояния в твер-

дое. Для свинца – 327 °С (точка А) и для сурьмы – 631 °С (точка В). Ниже этих точек свинец и сурьма находятся в твердом состоянии. На кривых ох­лаждения сплавов Pb–Sb имеется две критические точки – начала и конца их затвердевания (точка С – конец затвердевания свинца и сурьмы). Чистые металлы состоят из однородных зерен. Кривые охлаждения сплавов отличаются от кривых затвердевания чистых металлов. Вначале из расплавлен­ной массы выделяется один из компонентов, а затем, после достижения определенной концентрации, происходит окончательное затвердевание ме­талла.

 
 
Рисунок 18.5 – Диаграмма состояний сплавов III типа; а – твердый раствор В в А β; –твердый раствор А в В

 


Затвердевание сплавов Pb-Sb при количестве Sb менее 13 % начинается при температурах, соответствующих верхним критическим точкам с выпа­дением кристаллов свинца. С понижением температуры их содержание уве­личивается, а оставшийся расплав обогащается сурьмой. При 245 °С (ниж­ние критические точки) содержание сурьмы достигает 13 % и при после­дующем охлаждении происходит одновременная кристаллизация свинца и сурьмы. Образуется эвтектика – механическая равномерно распределенная смесь кристаллов свинца и сурьмы. Если сурьмы содержится больше 13 %, затвердевание сплавов начинается с образования кристаллов сурьмы, при достижении ее концентрации 13 % затвердевание происходит с образовани­ем эвтектик.

При построении диаграммы состояний сплавов верхние и нижние кри­тические точки переносят на координатные оси температура – состав спла­ва. Линия АСВ, соединяющая критические точки начала затвердевания, называется ликвидусом. Линия DCE, соединяющая точки конца затвердева­ния, называется солидусом. В точке С линии ликвидуса и солидуса пересе­кутся. Сплав, отвечающий этой точке, будет самым легкоплавким из всех возможных сплавов РЬ и Sb. Он называется эвтектическим.

По диаграмме состояний II типа (см. рисунок 18.4) затвердевают сплавы с неограниченной растворимостью как в жидком, так и в твердом состоянии.

По диаграмме состояний III типа (см. рисунок18.5) затвердевают сплавы с неограниченной растворимостью в жидком виде и ограниченной – в твер­дом. Они не образуют химических соединений.

На рисунке 18.6 приведена диаграмма состояний сплавов железо-цементит.

 

Рисунок 18.6 – Диаграмма состояний сплавов Fl3C – Fl– Fl3C е3С


Углерода в цементите – 6,67 %. При большем его количестве сплавы приобретают повышенную хрупкость и практического применения не имеют.

По диаграмме судят о структуре медленноохлажденных сплавов и их эксплуатационных свойствах. Изменяя режимы нагрева и охлаждения, по­лучают различные структуры железоуглеродистых сплавов, отличающихся по механическим свойствам.

Феррит – твердый раствор углерода в α-Fe. Он содержит при 723 °С примерно 0,02 % и при 20 °С примерно 0,006 % углерода. Пластичен; твер­дость 60–80 НВ; по свойствам близок к чистому железу.

Цементит (карбид железа Fe3C) – химическое соединение с содержани­ем углерода 6,67 %. Температура его плавления 1600 °С, твердость около 800 НВ. Очень хрупок, при нагреве распадается.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-Fe. При 1147 °С может содержать углерода до 2,14 %, при 727 °С – 0,8 %. Твердость 170–200 НВ.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, содержащая 0,83 % углерода. Она образовалась в результате распада аустенита при 723 °С.

Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита с содержанием углерода 4,3 %. Образовалась при 1130 °С. При охлаждении аустенит, вхо­дящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит. Имеет высокую твердость 700 НВ, хрупкий.

Графит – разновидность углерода. Мягкий, хрупкий. Встречается в се­рых и ковких чугунах.

Железоуглеродистые сплавы со строением, приведенным на диаграмме, подразделяются на стали и белые чугуны. Стали содержат углерода до 2,14 %, чугуны – более 2,14 %.

При содержании углерода до 0,83 % стали называются доэвтектоидны-ми, при – 0,83 % – эвтектоидными, при 0,83–2,14 % – заэвтектоидными. Чу­гуны при содержании углерода от 2,14 до 4,3 % называются доэвтектиче-скими, при 4,3–6,7 % – заэвтектическими.

Стали затвердевают при температурах, ограниченных линиями ликви­дуса АС и солидуса АЕ. Из жидкого сплава кристаллизуется аустенит.

Чугун с содержанием углерода 4,3 % затвердевает при температуре не­много ниже 1147 °С. При этом образуется эвтектика, состоящая из макси­мально насыщенного углеродом аустенита (2,14 %) и цементита и называемая ледебуритом.

Затвердевание заэвтектических чугунов с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % начинается по линии ликвидуса CD. Вначале из жидкого сплава выделяются тонкие пластинчатые кристаллы первичного цементита. При этом, с понижением температуры по линии ликвидуса CD, в жидкости уменьшается количество углерода. При 1147 °С концентрация углерода становится 4,3 % и сплав затвердевает с образованием ледебурита.

Дальше линии солидуса AECF превращения происходят в твердом со­стоянии из-за полиморфизма железа и разной растворимости углерода в нем при понижении температуры.

При 910 °С γ-модификация железа должна переходить в α-модифи-кацию. В кристаллической решетке γ-Fe содержится углерод, поэтому при медленном охлаждении при 727 °С в сплаве еще остается аустенит с содер­жанием углерода 0,83 %. При дальнейшем понижении температуры при распаде аустенита образуются феррит и цементит.

Линия GS на диаграмме состояний сплавов представляет собой критиче­ские точки начала образования феррита. При большем содержании углерода перекристаллизация γ-Fe в α-Fe происходит при более низкой температуре. При температуре ниже 727 °С аустенит распадается с образованием перли­та. Линия РК называется линией перлитовых превращений. Ниже этой ли­нии доэвтектоидные стали состоят из феррита и перлита.

При охлаждении заэвтектоидных сталей по линии ES из твердого рас­твора (аустенита) выделяется цементит. Его называют вторичным аустени-том в отличие от первичного аустенита, образующегося из жидкого раство­ра при содержании в сплаве более 4,3 % углерода. На линии перлитовых превращений в аустените содержится 0,8 % углерода, который при после­дующем охлаждении распадается с образованием перлита.

б)
а)
Стали ниже линии РК при медленном охлаждении состоят из следую­щих составляющих: доэвтектоидной – феррита + перлита, эвтектоидной –перлита, заэвтектоидной – перлита + цементита вторичного. Микрострукту­ры сталей приведены на рисунке.18.7.

       
 
в)
 
   
Рисунок 18.7 – Микроструктура стали: а – доэвтектоидной; б – эатектоидной; в – заэвтиктоидной  

 


По линии GPQ происходит изменение растворимости углерода в α-Fe при снижении температуры. Из феррита выделяется углерод, химически взаимодействующий с железом, который называется третичным. Раствори­мость его при 0 °С – 0,006 %.

Вышеприведенная диаграмма сплавов Fe–Fe3C получена при их медлен­ном охлаждении. При быстром же охлаждении феррит или цементит не ус­певают полностью выделиться из аустенита к моменту образования перли­та. Аустенит распадается частично, а при особых условиях вообще не рас­падается, в остывшей стали можно получить структуру аустенита.

Структурами распада аустенита являются мартенсит, троостит и сорбит.

Мартенсит представляет собой твердый раствор углерода в α-Fe с ис­каженной решеткой. Образуется при очень быстром охлаждении. Имеет игольчатую структуру, твердость 600–700 НВ. Мартенситовая структура характерна для закаленных сталей.

Троостит – дисперсная смесь частиц цементита и феррита и представля­ет следующую стадию распада аустенита. Встречается в виде неправильных участков игольчатого строения и сопровождается образованием мартенсита и сорбита. Образуется путем умеренной закалки стали на мартенсит. Твер­дость 350–500 НВ.

Сорбит представляет собой переходную структуру между трооститом и перлитом. Она получается более ускоренным, по сравнению с перлитом, охлаждением стали или отпуском закаленной стали при 500–600 °С. Его твердость 250–350 НВ.