Еталли, як і всі навколишні нас тіла, складаються з окремих невидимих \u200b\u200bнавіть в самий сильний мікроскоп частинок, званих атомами. Але атоми в свою чергу побудовані з ще більш дрібних частинок: Протонів, електронів і нейтронів. Протони і електрони мають електричні заряди: протон - позитивний заряд, а електрон - негативний, нейтрон ж не має ніякого електричного заряду.

Якщо два протона «знаходяться близько, вони відштовхуються один від одного, так як вони заряджені однойменною електрикою. Так само поводяться і два електрона. Навпаки, протон і електрон притягуються один до одного, причому сили взаємного тяжіння протона і електрона рівні між собою, т. Е. Протон володіє елементарним електричним зарядом, Рівним заряду електрона.

Атом в нормальному стані, т. Е. Коли він містить однакову кількість протонів і електронів, не володіє електричним зарядом. Але бувають такі стани атома, коли він набуває або втрачає електрони. Тоді атом стає електрично зарядженою. При надлишку електронів атом заряджений негативною електрикою, а при нестачі електронів він заряджений позитивним електрикою. Ось такі атоми, в яких є надлишок або недолік електронів, називаються іонами.

Як же розташовуються елементарні частинки в атомі?

В даний час вважають, що атом побудований таким чином. Протони і нейтрони становлять ядро, що знаходиться в центрі атома. Навколо ядра звертаються електрони, які утворюють електронну оболонку атома. В кожному атомі кількість електронів дорівнює кількості протонів.

Електрони в електронній оболонці розташовані шарами. У кожному шарі може поміститися лише визна * лённое кількість електронів. Перший шар, що оточує безпосередньо ядро, може вмістити лише два електрона, другий шар - 8, третій - від 8 до 18 електронів. Кожен новий шар електронів при переході від одного атома до іншого утворюється зазвичай після заповнення довколишнього до ядра внутрішнього шару.

Наприклад, ядро \u200b\u200bатома натрію, як встановлено, має 11 протонів, а його 11 електронів розподілені в трьох оболонках: в першій - 2, в другій - 8 і в третій -

1 електрон. Ядро атома рубідію містить 37 протонів і оточене 37 електронами, Котс ^ риє розташовані в п'яти оболонках: в першій - 2, в другій - 8, у третій-18, в четвертій - 8, в п'ятій - 1 електрон. Ще більш складну будову має атом урану. Його ядро \u200b\u200bмістить 92 протона, а в електронній оболонці є 92 електрона.

Протон і нейтрон майже однакові за вагою, а електрон майже в 1840 разів легше протона. Значить, основна маса атома міститься в його ядрі. Чим більша кількість нейтронів і протонів міститься в ядрі, тим більшу вагу має атом.

Вага атома, наприклад, в грамах висловлювати дуже незручно: треба було б писати десятки нулів після коми. Тому ввели поняття про відносне вазі атомів, про атомній вазі. Спочатку за одиницю було прийнято атомний вага водню; з ним порівнювали атомні ваги всіх інших елементів.

струнку систему хімічних елементів створив великий російський хімік Д. І. Менделєєв в 1869 році, на основі відкритого ним періодичного закону.

Сутність закону Менделєєва у тому, що всі хімічні елементи, розташовані один за іншим в порядку зростання атомної ваги, утворюють ряд, в якому хімічні властивості елементів через певну кількість елементів періодично повторюються.

Д. І. Менделєєв розташував хімічні елементи в своїй таблиці так, що елементи, поміщені в одних і тих же вертикальних шпальтах, володіють схожими хімічними властивостями. Знаючи місце елемента в таблиці, можна визначити більшість хімічних властивостей елемента і його сполук. Кожен хімічний елемент в таблиці Менделєєва має порядковий номер. Його тепер називають числом Менделєєва. Цей номер вказує число протонів в ядрі. В одні і ті ж вертикальні стовпці таблиці потрапляють атоми з однаковим числом електронів в зовнішній оболонці.

Залежно від числа електронів в зовнішній оболонці змінюються хімічні і фізичні властивості елемента.

Атоми одного і того ж елемента, що відрізняються один від одного лише числом нейтронів в ядрі, називаються ізотопами. «Ізотоп» - грецьке слово. Воно позначає «займає одне і те ж місце». Ізотопи кожного елемента розташовуються в одній і тій же клітині таблиці Менделєєва, оскільки заряд ядра (кількість прогонів) у ізотопів одного і того ж елемента однаковий. Метали на відміну від рідких і газоподібних тіл в звичайних умовах є кристалічними тілами. Кристал - це правильна фігура, обмежена плоскими поверхнями.

Внутрішня будова кристалів в даний час вивчено досить добре за допомогою рентгенівських променів. Висвітлюючи ними кристали, отримують рентгенограму, т. Е. Картину на фотопластинці, по якій визначають розташування атомів в кристалічній решітці і відстані між ними. Рентгенограми показали, що іони металів «укладаються» в кристалі приблизно так само, як розташовуються в ящику тверді кулі.

Атоми різних металів утворюють неоднакові кристалічні решітки. Найчастіше зустрічаються три типи решіток.

Перший тип - кубічна об'емноцентрірованная решітка (рис. 1). Атоми металу в такий решітці знаходяться в вершинах і центрі куба. Кожен атом оточений

Вісьмома атомами. Таку решітку мають метали ванадій, вольфрам, молібден, літій, хром та інші.

Другий тип решітки - кубічна гранецентрированную - іая (рис. 2). Атоми металу в ній розташовані по вершинах граней куба. Такий гратами мають, наприклад, алюміній, свинець, золото, срібло, нікель, торій.

Третій тип - гексагональна (шестикутна) щільно упакована решітка (рис. 3). Вона зустрічається у цинку, магнію, кадмію, берилію.

На рис. 1-3 атоми умовно зображені у вигляді кульок. Залежно від типу решітки атоми займають в ній більше або менше місця. Наприклад, в кубічної об'емноцентрірованной решітці атоми займають 68% простору, а в кубічної гранецентрированной-74%.

Розташування атомів в кристалічній решітці має великий вплив на властивості металу.

У деяких металів кристалічна решітка може перебудовуватися з одного типу в інший. Наприклад, чисте залізо при температурах нижче 910 ° має кубічну
об'емноцентрірованную грати, а вище 910 ° решітка стає гранецентрированной. Властивість змінювати кристалічну решітку мають і такі метали, як олово, уран, титан, талій, цирконій, лантан, церій.

Властивість речовин утворювати решітки різної форми називають аллотропией; в перекладі з грецького

Мови це слово означає «інший поворот», «інша властивість». Загальновідома аллотропия у кристалічного вуглецю. Він може знаходитися у вигляді графіту і в вигляді алмазу. Графіт і алмаз побудовані з атомів вуглецю; відмінність їх тільки в будові кристалічної решітки. А яка величезна різниця у властивостях! Графіт - м'який,

Непрозорий мінерал чорного цвега, алмаз, навпаки, прозорий, безбарвний і твердий.

Атоми в кристалічній решітці металів розташовані настільки близько один до одного, що їх зовнішні електрони мають можливість рухатися не тільки навколо одного атома, а навколо багатьох атомів. Отже, зовнішні електрони, що розподіляються в металі рівномірно, вільно переміщаються по всьому шматку металу, утворюючи своєрідний електронний газ.

Таким чином, будь-який метал є грати з правильно розташованих позитивних іонів, заповнену електронним газом. Висока міцність металів і пояснюється наявністю електронного газу, який обволікає все іони, перетворюючи металевий кристал як би в одне ціле.

Іони, що знаходяться в певних місцях (вузлах) кристалічної решітки, можуть здійснювати, однак, рух - коливання. У ненагрітими металі коливання іонів уповільнені, в нагрітому - іони відчувають сильне коливання. Чим вище температура, тим сильніше розгойдуються іони. Нарешті, настає момент, коли сили взаємодії вже не можуть утримати іони в вузлах кристалічної решітки і вона руйнується; метал з твердого стану переходить у рідкий. Це і є температура плавлення.

Якщо два розплавлених металу ретельно перемішати, то після затвердіння вийде сплав цих металів. Сплави виходять і при сплаву металу з неметаллом, наприклад заліза з вуглецем, алюмінію з кремнієм і т. Д. Властивості отриманого сплаву залежать не тільки від того, які елементи входять в сплав, але і від внутрішньої будови, або, як кажуть, структури сплаву . Сплав є теж кристалічним тілом.

Будова сплавів може бути по-різному. Складові частини сплаву можуть створити або механічну суміш, або твердий розчин, або хімічна сполука. Але є сплави, в яких є одночасно і механічні суміші, і тверді розчини, і хімічні сполуки.

Механічна суміш виходить в тому випадку, коли складові частини не взаємодіють хімічно, а знаходяться в сплаві в вигляді самостійних дрібних кристал

Ликов. Їх можна спостерігати при розгляданні відполірованої поверхні в мікроскоп. Механічні суміші утворюються, наприклад, при сплаву свинцю з сурмою, вісмуту з кадмієм і ін.

Кожен знає розчин цукру або кухонної солі в иоде. Розчиняючи цукор або кухонну сіль у воді, можна отримати однорідне речовина - рідкий розчин. У склянці води можна розчинити різну кількість цукру

Виявляється, що подібні однорідні системи змінного складу утворюються і в твердих тілах. Їх називають твердими розчинами. У них атоми розчиненої речовини і розчинника «розсіяні», перемішані між собою. У кристалічній решітці речовини, що є розчинником, деякі його атоми заміщуються атомами розчиненого речовини (рис. 4). Такі розчини називаються твердими розчинами заміщення. Їх утворюють при сплаву, наприклад, метали мідь і нікель, залізо і хром, золото і мідь, срібло і золото, мідь і платина та ін.

Заміщення одних атомів іншими в кристалічній решітці відбувається в тому випадку, якщо атоми розчиняється металу близькі за своїми розмірами атомів раство * розчинника. Якщо різниця в розмірах атомів перевищує 15%, твердий розчин заміщення утворитися не може.

При дуже великій різниці в розмірах атомів утворюються тверді розчини впровадження. Вони найчастіше виходять тоді, коли метал розчиняє в собі неметалеві елементи, атоми яких значно менші за атоми металу. Найпоширенішим сплавом, побудованим за типом твердих розчинів впровадження, є сплав заліза з вуглецем; цей сплав називається сталлю. При утворенні твердого розчину впровадження атоми що вступає елемента розташовуються
в проміжках кристалічної решітки між атомами розчинника. Кристалічна решітка твердого розчину впровадження показана на рис. 5.

А чи багато можна розчинити одного металу в іншому? Необмежена розчинність властива далеко не всім металам. У міді, наприклад, може розчинитися скільки завгодно нікелю, точно так само і в нікелі можна розчинити будь-яку кількість міді. Розчинником вважають той метал, якого більше в сплаві по вазі.

Багато метали мають обмежену розчинність. Наприклад, в алюмінії можна розчинити не більше 5,5% міді за вагою. При більшій кількості мідь знаходиться в сплаві в вигляді окремих нераст - ворённих частинок. Чим вище температура твердого розчину, тим більше міді можна розчинити в алюмінії (але не більше 5,5%). При охолодженні цього сплаву мідь виділяється у вигляді найдрібніших, дуже твердих і тендітних частинок.

Яка природа цих частинок? Виявляється - це не чиста мідь, а її х і м і ч е - ське з'єднання з алюмінієм. Надлишок міді в сплаві взаємодіє з алюмінієм хімічно. Кристалики будь-якого хімічної сполуки в сплаві мають цілком певний склад. Так, наприклад, при утворенні хімічних сполук: заліза з вуглецем, званого карбідом заліза, три атома заліза хімічно пов'язані з одним атомом вуглецю; алюмінію з міддю-два атома алюмінію з'єднані з одним атомом міді. Для утворення карбідів вольфраму або ванадію потрібно, щоб співвідношення атомів цих металів і атомів вуглецю було одно 1: 1, а в карбіду хрому 23 атома хрому взаємодіють з шістьма атомами вуглецю.

Кристалічні решітки хімічних сполук дуже складні. При сильному розігріванні сплаву кристали хімічних сполук можуть розчинятися в твёр-

Будинок розчині сплаву, а при зниженні температури нагрівання утворюватися знову.

Сплави, що застосовуються в техніці, мають складний хімічний склад. Високоміцні сталі, наприклад, мають в своєму складі до десятка різних хімічних елементів. Чим складніше склад і будова сплаву, тим різноманітніше його властивості.

Рідкісні метали, що вводяться до складу сталей і сплавів, покращують їх якість, докорінно змінюють первинні властивості сплавів, так як вони часто утворюють кристали хімічних сполук, зміцнюючих твердий розчин.

Металурги користуються рідкісними металами для того, щоб виплавлені стали і сплави були міцніші, більш тверді, володіли потрібною пластичністю, пружністю, жаротривким, хімічної "стійкістю і т. Д. Про те, які це властивості і як вони змінюються при добавці рідкісних металів, буде розказано нижче.

Внутрішньою будовою металівназивається будова і взаємне розташування їх атомів, а також більша структура, видима в мікроскоп або неозброєним оком.

Метали за внутрішньою будовою являють собою сукупність нейтральних атомів, позитивно або негативно заряджених іонів і вільних електронів, що утворюють так званий «електронний газ». Наявність «електронного газу» обумовлює високу електро- і теплопровідність металів, а взаємозв'язок вільних електронів між собою і з іонами створює міцний зв'язок, звану металевої. Специфіка металевої зв'язку робить метали пластичними (ковкими).

Крім природи атомів на властивості металів впливають характер зв'язку між атомами, відстань між ними і порядок їх розташування.

Всі метали в твердому стані мають кристалічну будову, тобто їх атоми (іони) розташовані в строгому, періодично повторюється порядку, утворюючи в просторі атомно-кристалічну решітку (на противагу аморфним твердих тіл, атоми яких розташовані в просторі хаотично).

Порядок розташування атомів у різних металів неоднаковий. Зазвичай він визначається простими характерними для більшості металів (рис. 6) або складними кристалічними гратами. Лінії на рис. 6 умовні Атоми в дійсності коливаються біля положень рівноваги, т. Е. В вузлах кристалічної решітки. Відстань між атомами в кристалічній решітці вимірюється в ангстремах (1 Å \u003d 10 -9 нм). У більшості металів відстань між атомами знаходиться в межах 0,28-0,8 нм.

Рис 6. Порядок розташування атомів в простих решіткаха - об'ємная центрованої кубічної (9 атомів), б - гранецентрированной кубічної (14 атомів), в - гексагональної плотноупакованной (17 атомів)

Найменший обсяг кристала, що дає уявлення про атомну структуру металу у всьому обсязі, називається елементарних кристалічних осередком.

Отримувані звичайним способом метали являють собою полікристалічні тіла, що складаються з безлічі елементарних осередків, орієнтованих відносно один одного самим різним чином. Осередки мають неправильну форму і називаються кристаллитами, або зернами. Якщо поєднання елементарних осередків правильне, по розташуванню атомів повторює елементарну комірку, то утворилося тіло називається монокристалом.

Металеві сплави, як і метали, мають кристалічну будову. При цьому в залежності від взаємодії компонентів вони поділяються на тверді розчини, хімічні сполуки і механічні суміші.

Тверді розчини утворюються тоді, коли при сплаву атоми одного елемента в різних кількостях входять в кристалічну решітку іншого елемента, не змінюючи в значній мірі її форми. Елемент, що зберіг форму своєї решітки, називається розчинником, а елемент, атоми якого увійшли в цю решітку, - розчиненим. За розміщення атомів розчиненого елемента в решітці розчинника розрізняють тверді розчини заміщення(Атоми розчиненого елемента розташовуються у вузлах решітки розчинника) і тверді розчини впровадження(Атоми розчиненого елемента знаходяться між атомами розчинника і вузлами його решітки).

Якщо що входять до складу твердого розчину заміщення компоненти мають близьке будова решіток і атомів, то такі елементи можуть утворювати безперервний ряд твердих розчинів, т. Е. Кількість заміщених атомів може змінюватися від 0 до 100%.

При цьому вважається, що розчинником є \u200b\u200bтой елемент, зміст якого в сплаві більше 50%.

Розчини впровадження утворюються елементами, сильно відрізняються будовою решітки і розмірами атомів.

Тверді розчини є гомогенними (однорідними) сплавами, так як їх структура представляє собою однакові за складом і властивостями зерна. Властивості твердих розчинів в значній мірі можуть відрізнятися від властивостей входять до його складу. Всі метали в тій чи іншій мірі можуть розчинятися один в іншому, утворюючи тверді розчини.

хімічні сполукиутворюються при хімічній взаємодії атомів компонентів сплаву, що супроводжується значним тепловим ефектом. При цьому кристалічна решітка хімічної сполуки і все його властивості можуть різко відрізнятися від решітки і властивостей компонентів. На відміну від твердих розчинів хімічні сполуки зазвичай утворюються між компонентами, що мають велику різницю в електронну будову атомів. типовими прикладами хімічних сполук є сполуки магнію з оловом, свинцем, сурмою, вісмутом, сіркою, селеном, телуром і ін. За своєю структурою вони гомогенні.

Хімічні сполуки металів називаються іНТЕРМЕТАЛІЧНОГО(Интерметаллидами), а з'єднання металів з неметалами (нитридами, гідридами, боридами, карбидами), що володіють металевим зв'язком, - металевими з'єднаннями.

механічні сумішіутворюються тоді, коли при затвердінні розплаву атоми його компонентів не перемішуються, а кристалізуються в характерну кожному решітку. Структура таких сплавів гетерогенна (неоднорідна) і являє собою суміш кристалів компонентів сплаву, що зберегли свою структуру.

Рис. 7. Криві охолодження аморфного ( а), Кристалічного тіла (Б)і металів (В),де t до t п - температура кристалізації і переохолодження, ° C; (T 1 -T 2) - час кристалізації, с.

Будова кристалічного тіла обумовлює такі особливі їх властивості в порівнянні з аморфними:

§ відмінність властивостей монокристалів в різних напрямках, т. Е. Анизотропность, або векторіального, властивостей;

§ наявність площин ковзання, додаток зовнішніх сил призводить до ковзання (зрушення) одній площині щодо іншої;

§ існування критичної температури при затвердінні або плавлення, при якій відбувається перехід з рідкого (розплавленого) стану в тверде або навпаки.

Перехід металу з рідкого стану в тверде називається кристалізацією, а з твердого в рідкий - плавленням. Якщо утворення кристалів відбувається з рідини при її охолодженні, то цей процес називається первинною кристалізацією, якщо утворення кристалів йде в твердому стані тіла, - вторинної кристалізацією.

Процеси кристалізації графічно зображують кривими, що будуються в координатах температура - час (рис. 7).

Явище переохолодження в кристалізується металі пояснюється тим, що в період затвердіння відбувається різке зниження рухливості атомів, внаслідок чого стрибкоподібно змінюється його внутрішня енергія. Це супроводжується виділенням тепла, яке підігріває рідку ванну і деякий час (T 1-Т 2)утримує її температуру постійною, поки рідина повністю не закрісталлізуется.

Ступінь переохолодження тим більше, чим більше швидкість охолодження.

Російський учений-металург Д. К. Чернов в 1878 р встановив, що процес кристалізації складається з декількох стадій. Перша стадія - утворення зародків (центрів) кристалізації. На наступних стадіях з цих центрів утворюються дендрити (деревовидні освіти), які, зростаючись, утворюють зерна (кристалітів). При цьому вони не мають правильної геометричної форми, так як в місцях зіткнення зростаючих кристалів зростання граней припиняється.

Величина зерна металу - найважливіша характеристика, яка визначає всі основні його властивості. Дрібнозернистий метал має більш високі характеристики твердості, міцності, ударної в'язкості, але у нього знижена електропровідність, гірше магнітні властивості.

Розмір зерна залежить від кількості центрів кристалізації і швидкості росту кристалів (швидкості охолодження). Чим більше центрів кристалізації і менше швидкість їх росту, тим менше буде зерно.

Освіта центрів кристалізації може відбуватися мимовільно або на наявних в рідкому металі частинках домішок, що використовується при модифицировании- запровадження в рідкий метал домішок (модифікаторів).

На утворення центрів кристалізації, а отже, і величину зерна впливає ступінь переохолодження t до -t п. Чим більше ступінь переохолодження, тим більше центрів кристалізації і дрібніше утворюється зерно.

Мітки:

До машинобудівним матеріалів відносяться метали і їх сплави, деревина, пластмаси, гума, картон, папір, скло та ін. Найбільше застосування при виготовленні машин отримали метали та їх сплави.

Металами називаються речовини, що володіють високою теплопровідністю і електричну провідність; ковкістю, блиском і іншими характерними властивостями.

У техніці все метали і сплави прийнято ділити на чорні і кольорові. До чорних металів належать залізо та сплави на його основі. До кольоровим - всі інші метали і сплави. Для того щоб правильно вибрати матеріал для виготовлення деталей машин з урахуванням умов їх експлуатації, механічних навантажень і інших чинників, що впливають на працездатність і надійність машин, необхідно знати внутрішню будову, фізико-хімічні, механічні та технологічні властивості металів.

Метали і їх сплави в твердому стані мають кристалічну будову. Їх атоми (іони, молекули) розташовуються в просторі в строго визначеному порядку і утворюють просторову кристалічну решітку.

Найменший комплекс атомів, який при багаторазовому повторенні в просторі відтворює грати, називається елементарної кристалічної осередком.

Форма елементарних кристалічних осередку визначає сукупність властивостей металів: блиск, плавкість, теплопровідність, електропровідність, оброблюваність і анизотропность (відмінність властивостей в різних площинах кристалічної решітки).

Просторові кристалічні решітки утворюються при переході металу з рідкого стану в твердий. Цей процес називається кристалізацією. Процеси кристалізації вперше були вивчені російським ученим Д. К Черновим.

Кристалізація складається з двох стадій. У рідкому стані металу його атоми знаходяться в безперервному русі. При зниженні температури рух атомів сповільнюється, вони зближуються і групуються в кристали. Утворюються так звані центри кристалізації (перша стадія). Потім йде риє кристалів навколо цих центрів (друга стадія). Спочатку кристали ростуть вільно. При подальшому зростанні кристали відштовхуються, зростання одних кристалів заважає зростанню сусідніх, в результаті чого утворюються неправильної форми групи кристалів, які називають зернами.

Розмір зерен суттєво впливає на експлуатаційні і технологічні, властивості металів. Крупнозернистий метал має низьку опірність удару, при його обробці різанням виникають труднощі в отриманні малої шорсткості поверхні деталей. Розміри зерен залежать від природи самого металу і умов кристалізації.

Методи вивчення структури металу. Дослідження структур металів і сплавів проводиться за допомогою макро- і мікроаналізу, а також іншими способами.

Методом макроаналізу вивчається макроструктура, т. Е. Будова металу, видима неозброєним оком або за допомогою лупи. Макроструктуру визначають по зламів металу або по макрошліфов.

Макрошліфов є зразком металу або сплаву, одна зі сторін якого відшліфована і протравлена \u200b\u200bкислотою або іншим реактивом. Цим методом виявляються великі дефекти: тріщини, усадочні раковини, газові бульбашки, нерівномірність розподілу домішок в металі і т. Д.

Мікроаналіз дозволяє визначити розміри і форму зерен, структурні складові, якість термічної обробки, виявити мікродефекти.

Мікроаналіз проводиться по мікрошліф за допомогою мікроскопа (сучасні металлографические мікроскопи дають збільшення до 2000, а електронні - до 25 000).

Ми крошліф- це зразок металу, що має плоску поліровану поверхню, піддану травленню слабким розчином кислоти або лугу для виявлення мікроструктури. Властивості металів. Властивості металів зазвичай поділяють на фізико-хімічні, механічні та технологічні. Фізико-хімічні та механічні властивості твердих тіл, в тому числі і металів, вам знайомі з курсів фізики та хімії. Зупинимося на розгляді деяких механічних і технологічних властивостей, важливих з точки зору обробки металів.

Під механічними властивостями, як відомо, розуміють здатність металу або сплаву чинити опір впливу зовнішніх сил. До механічних властивостей відносять міцність, в'язкість, твердість і ін.

Міцність характеризує властивість металу або сплаву в певних умовах і межах, не руйнуючись, сприймати ті чи інші дії зовнішніх сил.

Важливою властивістю металу є ударна в'язкість - опір матеріалу руйнуванню при ударному навантаженні.

Під твердістю розуміють властивість матеріалу чинити опір впровадженню в нього іншого, більш твердого тіла.

Механічні властивості матеріалів виражаються через ряд показників (наприклад, межі міцності при розтягуванні, відносне подовження і звуження і т.д.)

Межею міцності при розтягуванні, або тимчасовим опором розриву, називається умовне напруга, відповідне максимальному навантаженні, яку витримує зразок в процесі випробування до руйнування

Твердість металів і сплавів визначають в основному за допомогою трьох методів, названих за іменами їх винахідників: метод Брінелля, метод Роквелла і метод Віккерса. I Вимірювання твердості за методом Брінелля полягає в тому, що за допомогою твердоміра ТШ в поверхню випробуваного металу вдавлюється сталевий загартований кульку діаметром 2,5 5 або 10 мм під дією статичної -навантаження Р. Ставлення навантаження до площі поверхні відбитка (лунки) дає значення твердості , що позначається НВ.

Вимірювання твердості по Роквеллу здійснюється за допомогою приладу ТК вдавленням у випробуваний метал кульки діаметром 1,59 мм (1/16 дюйма) або алмазного конуса з кутом при вершині 120 ° (для особливо твердих сталей і сплавів) .Показанія твердості визначаються по індикатору приладу.

Вимірювання твердості по Віккерсу проводиться за допомогою приладу ТП вдавленням в метал алмазного чотиригранної піраміди з кутом при вершині а \u003d 136 °. По довжині діагоналі отриманого відбитка за допомогою таблиці знаходять число твердості HV.

Застосування того чи іншого методу залежить від твердості випробуваного зразка, його товщини або товщини випробуваного шару. Наприклад, методом Віккерса користуються для вимірювання твердості загартованих сталей, матеріалів деталей товщиною до 0,3 мм і тонких зовнішніх цементованих, азотованих і інших поверхонь деталей.

До основних технологічних властивостей металів і сплавів

належать такі:

гнучкість-властивість металу піддаватися куванні і інших видів обробки тиском;

ж і д к о т е к у ч е с т ь - властивість розплавленого металу заповнювати ливарну форму у всіх її частинах і давати щільні виливки точної конфігурації;

свариваемость - властивість металу давати міцні зварні з'єднання;

оброблюваність різу ніем- властивість металів піддаватися обробці ріжучими інструментами для надання деталям певної форми, розмірів і шорсткості поверхні.

Структура металів і сплавів

До атегорія:

Автомобільні матеріали і шини

Структура металів і сплавів

1. Розвиток металографії

Металографія, або металознавство, - наука, що займається вивченням властивостей, складу і структури металів і їх сплавів. Металознавство КЗК наука створена російськими вченими-металург-гами. Видатний російський вчений-металург Павло Петрович Аносов перший заклав основи металознавства. Працюючи на Златоустівській збройовому заводі на Уралі, він вперше в світі в 1831 р застосував мікроскоп для дослідження будови стали на полірованих травлених шлифах. П. П. Аносов поклав початок сучасному процесу виробництва сталі, званому мартенівським; він здійснив метод переділу чавуну в сталь (в 1873 р) без добавки заліза, випередивши цим більш ніж на 30 років братів Мартен.

П. П. Аносов виконав велику наукову роботу з вивчення впливу вуглецю на властивості стали. Його наукові праці справили великий вплив на розвиток виробництва якісних сталей і на поліпшення методів їх термічної обробки. Подальшу роботу з вивчення властивостей металів і металевих сплавів в залежності від зміни їх складу і будови продовжував геніальний російський вчений Дмитро Костянтинович Чернов. Працюючи інженером на Обухівському сталеливарному заводі в Петербурзі, він зробив відкриття, яке мало виключно важливе значення для подальшого розвитку металознавства. Д. К. Чернов в результаті численних спостережень над поведінкою сталевих поковок в процесі теплової обробки встановив, що при певних температурах в стали, що знаходиться в твердому стані, відбувається перебудова її частинок, завдяки чому змінюється структура сталі і її властивості.

Відкриття, зроблені Д. К. Черновим, були опубліковані в 1868 р, в зв'язку з чим він отримав всесвітню популярність і заслужено вважається основоположником металографії. Завдяки його відкриттям стала можливою правильна, науково обгрунтована термічна обробка металів і металевих сплавів.

Послідовники і учні Д. К. Чернова - Н. С. Курнаков, А. А. Байков и др надалі сприяли своїми науковими роботами і дослідженнями ще більшому розвитку вітчизняного металознавства.

2. Кристалічна структура металів

Існують тіла аморфні і кристалічні. Структура аморфних тіл складається з хаотично розташованих атомів. До таких тіл відносяться, наприклад, скло, бурштин, смоли і т. П. Кристалічні тіла відрізняються від аморфних тим, що атоми в них розташовуються в геометрично правильному порядку. Метали і металеві сплави відносяться до типових кристалічним тілам. Атоми, розташовуючись в металах в строго визначеному геометричному порядку, утворюють кристалічну решітку (рис. 11). Залежно від розташування атомів утворюються різні види кристалічних решіток.

В металах найчастіше зустрічаються кристалічні решітки у вигляді центрованого куба, гранецентрированного куба і гексагональної призми.

Такі, наприклад, метали як хром, ванадій, вольфрам, молібден і ряд інших, мають кристалічну решітку у вигляді центрированного КУпАП (рис. 12, а), в якій вісім атомів розташовуються в кутах куба і один - в центрі куба.

Алюміній, мідь, свинець, нікель, срібло і ін. Мають кристалічну решітку - гранецентрированную, т. Е. У вигляді куба з центрованими гранями (рис. 12,6). У такій решітці в кожному кутку куба знаходиться по одному атому і по одному атому в центрі кожної грані. Всього, отже, 14 атомів.

Кристалічну решітку в зіде гексагональної призми (рис. 12, е) мають такі метали, як, наприклад, цинк, титан, марганець. Розташування атомів в кристалічній решітці типу гексагональної призми наступне: в кожному кутку призми знаходиться по одному атому, в центрі верхнього підстави один атом, в центрі нижньої основи один атом і три атома в середньому перерізі.

Рис. 11. Кристалічні ґрати

Рис. 12. Види кристалічних решіток:
а - куб центрований; б - куб гранецентрированний; в - гексагональна призма

Відстані між атомами в кристалічній решітці надзвичайно малі і вимірюються спеціальної одиницею довжини, яка носить назву ангстрема (по імені вченого). Один ангстрем дорівнює одній стомільйонний Юлі сантиметри.

У розплавленому рідкому металі атоми знаходяться в двіженіі.'Двіженіе їх носить хаотичний характер, але в міру того, як температура металу знижується і наближається до критичної, т. Е. До температури затвердіння, в ньому утворюються так звані центри кристалізації, або зародки кристалізації. Центри кристалізації є надзвичайно дрібні групи атомів, які групуються в геометрично правильному порядку.

Утворені зародки кристалізації дуже нестійкі, і багато хто з них знову розчиняються. Практичними спостереженнями встановлено, що зародки кристалізації набувають стійкості і починають рости тоді, коли рідкий метал переохолоджуватиметься до деякої температури. Крива охолодження чистого металу дає наочне уявлення про те, як протікає процес кристалізації.

Рис. 13. Крива охолодження чистого металу

У переохолодженому металі (рис. 13, а) процес кристалізації починає протікати швидше. Після початку інтенсивної кристалізації температура переохолодженого металу піднімається до температури його затвердіння (б) за рахунок виділення прихованої теплоти кристалізації.

Рис. 14. Схема утворення зерен

Протягом всього процесу кристалізації температура металу залишається незмінною (б, в). Після того як метал перейде з рідкого стану в тверде, починається зниження його температури до температури довкілля (Г). У процесі кристалізації відбувається зростання зародків за рахунок атомів з навколишнього їх рідини, які розташовуються в кристалічній решітці в строго визначеному порядку (рис. 14, а, б). Спочатку зростання зародків кристалізації протікає вільно, і вони мають правильну зовнішню геометричну форму. Але так як одночасно утворюється багато зародків, то настає такий момент, коли вони починають зустрічатися один з одним (рис. 14, в, г, д). Після такого зіткнення зростання їх стає можливим тільки в тих напрямках, де немає перешкод. Це призводить до того, що зовнішня геометрична форма кристалів металу стає неправильною, внаслідок чого вони зазвичай називаються зернами металу (рис. 14, е).

3. Зміна структури в твердих металах (явище аллотропии)

Структура деяких металів, що знаходяться в твердому стані, може при відомій температурі відчувати перетворення, які представляють собою перегрупування атомів і перехід з одного виду кристалічної решітки в іншій. Таке явище носить назву аллотропии металів. Різні кристалічні форми, в які кристалізується один і той же твердий метал при певних температурах, називаються аллотропическими модифікаціями. Аллотропические модифікації позначаються грецькими буквами. Перехід з однієї модифікації в іншу відбувається при певній, постійній температурі і супроводжується поглинанням тепла (при нагріванні) або виділенням тепла (при охолодженні) і утворенням нової кристалічної решітки.

Рис. 15. Крива охолодження чистого заліза

Чисте залізо існує в декількох модифікаціях. На кривій охолодження чистого заліза (рис. 15) видно, при яких температурах відбуваються аллотропические перетворення заліза. До температури 910 ° залізо має кристалічну решітку у вигляді центрованого куба і називається альфа-залізо a-Fe. .прічем до 770 ° a-Fe магнітно, а вище 770 ° немагнітними. При температурі 910 ° кристалічна решітка a-Fe змінюється і переходить в гранецентрированную; ця модифікація називається гамма-залізо y-Fe і стійка до температури 1390 °, при якій знову перетворюється в решітку центрованого куба. Нова модифікація називається дельта-залізо 8-Fe. Аллотропические перетворення мають дуже важливе значення, так як метали, які відчувають такі перетворення, можуть піддаватися термічній обробці. Аллотропических перетворень схильні, крім заліза, і деякі інші метали, як, наприклад, титан, марганець, кобальт, цирконій, олово.

4. Будова сплавів

сплавом називається складна речовина, Отримане сплавом двох або декількох елементів. Елементи, що становлять сплав, називаються компонентами сплаву. У рідкому стані сплав представляє розчин, в якому атоми одного компонента рівномірно розподіляються між атомами інших компонентів, завдяки чому рідкий розчин володіє однаковими властивостями в будь-якій своїй частині, як би вона не була мала. Такі речовини називаються однорідними. Властивості будь-якого рідкого розчину відрізняються від властивостей його компонентів, але кожен компонент впливає на характер властивостей розчину. При ретельному дослідженні рідких розчинів виявляється, що фізичні, електричні та інші властивості цих розчинів різко відрізняються від властивостей їх компонентів та можуть змінюватися в залежності від процентного вмісту компонентів, т. Е. Від концентраціі'раствора.

Концентрацією розчину називається відношення ваги розчинної речовини до ваги всього розчину. Концентрація виражається зазвичай у відсотках. При переході сплаву з рідкого стану в тверде можуть виходити різні види взаємодії компонентів. Основними видами взаємодії компонентів є: механічна суміш, хімічне з'єднання і твердий розчин.

Механічна суміш представляє такий вид взаємодії компонентів, при якому в процесі кристалізації компоненти сплаву не вступають в хімічну реакцію і не розчиняються один в іншому, а зберігають свої кристалічні решітки. Отже, структура сплаву, що є механічною сумішшю двох будь-яких компонентів, наприклад, свинцю і сурми, буде складатися з надзвичайно дрібних кристалів свинцю і кристалів сурми.

У разі хімічної сполуки взаємодія компонентів сплаву характеризується утворенням абсолютно нової кристалічної решітки, не схожою на кристалічні решітки компонентів; при цьому співвідношення компонентів завжди буде строго визначеним.

Твердий розчин відрізняється від механічної суміші і хімічної сполуки тим, що в ньому зберігається кристалічна решітка металу-розчинника, в якій розміщуються атоми всіх компонентів сплаву. Метал, кристалічна решітка якого зберігається після утворення твердого розчину, називається розчинником. Тверді розчини можуть бути двох видів: твердий розчин впровадження і твердий розчин заміщення. У твердому розчині впровадження атоми розчиненої речовини розташовуються між атомами розчинника (рис. 16, а). У твердому розчині заміщення атоми розчиненого речовини частково заміщають собою атоми розчинника в його кристалічній решітці (рис. 16,6).

Рис. 16. Решітка твердого розчину:
а - впровадження; б - заміщення

5. Діаграма стану сплавів (свинець - сурма) і її побудова

Для вивчення сплавів зазвичай користуються діаграмами стану сплавів. Діаграми стану сплавів замінюють собою всі записи і криві охолодження сплаву, отримані в результаті Численних спостережень. Така діаграма дає можливість бачити всі зміни будови сплаву і його властивостей, що відбуваються в залежності від зміни концентрації і температури. Будь-яка точка діаграми дає характеристику сплаза певної концентрації і структури. За діаграмою стану сплавів можна визначити температуру плавлення і температуру затвердіння даного сплаву при будь-якої концентрації. Знання цих фактів сприяє правильному вибору температур нагрівання та охолодження при термічній і хіміко-термічній обробках різних сплавів.

Для того щоб усвідомити, як будується діаграма стану сплавів, розглянемо побудову такої діаграми для сплавів свинцю і сурми. Візьмемо чисті метали свинець і сурму і кілька їх сплавів з вмістом сурми 5%, 10%, 13%, 20%, 40% і 80%.

Рис. 17. Криві охолодження свинцю, сурми і різних сплавів свинцю з сурмою

Щоб визначити критичні точки взятих металів і їх сплавів, нагріємо черзі кожен метал і сплав до повного розплавлення і за допомогою термопари або пірометра уважно простежимо за процесом їх охолодження і побудуємо криві охолодження (рис. 17). У процесі охолодження розплавленого чистого свинцю відбуватимуться наступні явища.

При температурах, що лежать вище 327 °, свинець знаходиться в рідкому стані (рис. 17, а); при температурі 327 ° спостерігається процес кристалізації свинцю з затримкою падіння температури до повного завершення кристалізації; після закінчення кристалізації відбувається подальше охолодження твердого свинцю до температури навколишнього середовища.

Аналогічні явища спостерігаються і в процесі охолодження розплавленої чистої сурми (рис. 17, б), з тією лише різницею, що кристалізація сурми починається при температурі 630 °.

Сплав, що складається з 95% свинцю і 5% сурми (рис. 17, в), має криву охолодження з двома критичними точками, тому він твердне в інтервалі температур 296-246 °. При температурі 296 ° з рідкого металу починають виділятися перші кристали чистого свинцю. Крива в цій точці має перегин. У міру подальшого зниження температури кількість кристалів свинцю буде все більш збільшуватися, а що залишається частина рідкого сплаву буде збагачуватися сурмою. Таке явище триває до тих пір, поки концентрація рідкого металу не досягне 13% сурми і 87% свинцю; при такій концентрації весь сплав, що залишився ще рідким, затвердіє при температурі 246 °. Сплав, що складається з 30% свинцю і 10% сурми (рис. 17, г), затвердіє також в інтервалі температур 260-246 °. При температурі 260 ° починається виділення з рідкого металу кристалів свинцю. При досягненні концентрації рідкого сплаву до 13% сурми і 87% свинцю відбувається затвердіння сплаву при температурі 246 ° (рис. 17, д). Отже, при охолодженні вищенаведених сплавів, перш ніж буде досягнута критична температура 246 °, весь зайвий, надмірний понад 87% свинець виділяється з рідкого металу у вигляді кристалів. Після досягнення складу 87% свинцю і 13% сурми сплав переходить в твердий стан при температурі 246 °. Структура затверділого сплаву такої концентрації складається з правильно чергуються між собою частинок свинцю і сурми. Така механічна суміш називається евтектичною. Всі сплави свинцю з сурмою, що містять сурми менше, ніж 13%, будуть завжди мати надлишок свинцю і при охолодженні прагнуть виділити цей надлишок у вигляді твердих кристалів свинцю, щоб при температурі 246 ° утворити евтектики. Тоді, очевидно, в твердому стані такі сплави матимуть структуру свинець + евтектика. Сплав, що складається з 87% свинцю і 13% сурми, має криву охолодження (рис. 17, д) з одного критичною точкою. Цей сплав знаходиться в рідкому стані при температурах, що лежать вище 246 °. При температурі 246 ° сплав повністю переходить в твердий стан.

Така структура твердого сплаву являє собою чисту евтектики. Сплав, що складається з 80% свинцю і 20% сурми (рис. 17, е), при температурах вище 280 ° знаходиться в рідкому стані. При охолодженні сплаву до температури 280 ° з нього починають виділятися кристали твердої сурми, причому цей процес буде тривати до тих пір, поки що залишився рідкий сплав не прийме евтектичного складу. При температурі 246 ° весь сплав твердне. Структура затверділого сплаву буде складатися з кристалів сурми та евтектики. Сплав, що складається з 60 градусів / 0 свинцю і 40о / 0 сурми (рис. 17, ж), вище температури 395 ° Знаходиться в рідкому стані. При температурі 395 ° починається процес кристалізації з виділенням з рідкого розчину кристалів надлишкової сурми. Після досягнення евтектичного складу-(87о / 0 свинцю і 13% сурми) при температурі 246 ° весь сплав переходить в твердий стан, утворюючи структуру, що складається з кристалів сурми та евтектики.

Сплав, що складається з 20% свинцю і 80% сурми (рис. 17, з), знаходиться в рідкому стані вище температури 570 °. При температурі 570 ° починається процес виділення з рідкого металу кристалів надлишкової сурми. Після досягнення евтектичного складу при температурі 246 ° весь сплав переходить в твердий стан. Структура сплаву складається з кристалів сурми та евтектики. Наведені спостереження показують, що все сплави свинцю з сурмою, в яких вміст свинцю менше 87о / 0, містять надлишок сурми і при охолодженні будуть прагнути виділити цей надлишок в процесі кристалізації у вигляді твердих кристалів сурми, щоб при температурі 246 ° утворити евтектики. Чим більше буде сурми в сплаві, тим при більш високій температурі почне виділятися з нього при охолодженні надлишкова (проти 13<>/ 0) сурма. Сплави свинцю з сурмою при наявності в них надлишкової сурми утворюють в твердому стані структуру, що складається з кристалів сурми та евтектики.

Рис. 18. Діаграма стану сплавів системи свинець-сурма

Криві охолодження сплавів свинцю і сурми з різним процентним вмістом Компонентів можна об'єднати в одну діаграму стану сплавів свинцю з сурмою. Для цього на горизонтальній осі (рис. 18) відкладемо вміст свинцю і сурми в випробуваних сплавах. Через точки, відповідні 100% сурми і 100% свинцю, проведемо вертикальні прямі лінії, на яких відкладемо температури від 0 до 700 °. Через точки, що відповідають складам випробуваних сплавів, проведемо пунктиром вертикальні лінії. Після цього переносимо з кривих охолодження критичні точки на вертикальні лінії діаграми. Критичну точку чистого свинцю (327 °) позначимо літерою А, а критичну точку чистої сурми (630 °) буквою С. Як відомо з попередніх спостережень, кожен сплав має дві критичні точки, крім евтектичного сплаву. Критичну температуру евтектичного сплаву позначимо літерою В. З'єднаємо точки А і С плавними кривими з точкою В так, щоб криві проходили через всі верхні критичні точки. Через все нижні критичні точки проведемо пряму лінію, яка пройде і через точку В, і позначимо її лівий кінець буквою D, а правий кінець буквою Е. Верхні критичні точки є точками початку затвердіння сплавів, а нижні критичні точки - точками кінця затвердіння сплавів. Лінія ABC діаграми називається лінією ліквідусу (від латинського слова рідкий). Вище лінії ABC все сплави свинцю і сурми знаходяться в рідкому стані. Лінія DBE називається лінією солідусу (від латинського слова «твердий»). Нижче лінії DBE все сплави свинцю з сурмою знаходяться в твердому стані, причому нижче лінії DB вони будуть складатися з кристалів свинцю і евтектики і називаються доевтектичний, нижче точки В - з чистою евтектики (так звані евтектичних) і нижче лінії BE - з кристалів сурми та евтектики (заевтектичних).

6. Структурні складові залізовуглецевих сплавів

Існують різні структурні складові залізовуглецевих сплавів. Вони мають такі назви: Ферит, цементит, аустеніт.

Ферритом називається хімічно чисте залізо, а також твердих розчинів вуглецю в залозі. Розчинність вуглецю в залозі надзвичайно мала і зазвичай становить 0,006-0,04%. Ферит стійкий до температури 910 °. Він володіє невеликою твердістю і малою міцністю. Твердість фериту залежить від розміру зерна; пластичність фериту висока.

Цементитом називається хімічну сполуку заліза з вуглецем. Цементит містить 6,67% вуглецю (за вагою) і являє собою дуже тверде і крихке кристалічна речовина, яке при нагріванні до високих температур розпадається на ферит і вільний вуглець (вуглець відпалу). У білому чавуні міститься велика кількість цементиту. Цементит значно впливає на механічні властивості стали.

Механічна суміш фериту і цементиту утворює структуру стали, звану перлитом. Перліт буває двох видів: пластинчастий, або смугастий, і зернистий. Пластинчастий перліт має вигляд перемежовуються 'дуже дрібних пластинок фериту і цементиту. Шляхом нагрівання до певних температур можна змінити будову пластинчастого перліту і отримати так називаються ваёмий зернистий перліт, в якому цементит знаходиться у вигляді круглих зерен, розташованих серед фериту.

Зернистий перліт володіє кращими механічними властивостями, ніж пластинчастий. Перліт за своїми механічними властивостями займає проміжне положення між ферритом і цементитом. Сталь з вмістом вуглецю 0,83% має чисту перлитную структуру.

Аустеніт є твердий розчин впровадження вуглецю в залозі. Розчинність вуглецю в у-залозі може досягати 1,7%. У звичайної вуглецевої сталі аустеніт стійкий до температури 723 °. Нижче 723 ° він розпадається на ферит і цементит. При температурах, що лежать нижче 723 °, аустеніт може зберігатися тільки в високолегованих марганцевистих, хромонікелевих або нікелевих сталях.

Евтектична суміш аустеніту і цементиту утворює структуру стали, звану ледебуріта. Ледебурит утворюється при затвердінні залізовуглецевого сплаву з вмістом вуглецю 4,3% при температурі 1130 °. Ледебурит залишається стійким до температури 723 °. Нижче цієї температури ледебурит змінює свою структуру, так як входить до його складу аустеніт розпадається на перліт, внаслідок чого ледебурит при температурах нижче 723 ° буде складатися з перліту і цементиту.

7. Діаграма стану залізовуглецевих сплавів

Стали і чавуни є складні сплави, що містять, крім заліза і вуглецю, інші елементи - кремній, марганець, фосфор і сірку, а також кольорові метали (в легованих сталях і чавунах). найголовнішим складовою частиною, Що визначає характер і властивості залізовуглецевого сплаву, є вуглець. Структура і властивості стали і чавуну змінюються лише за умови нагріву їх до критичних температур, що залежать від вмісту вуглецю в цих сплавах. Критичні температури залізовуглецевих сплавів з різним вмістом вуглецю можуть бути нанесені на спеціальну діаграму, звану діаграмою стану сплавів системи залізо - вуглець.

Така діаграма (рис. 19) дозволяє визначити для кожного сплаву сталі і чавуну температуру його плавлення, все перетворення, які відчувають сплавом при охолодженні і нагріванні, і структуру сплаву при будь-якій температурі. По горизонтальній осі діаграми відкладається вміст вуглецю у відсотках, а по вертикальній осі - температура. Кожна точка на діаграмі є певний сплав при певній температурі. Вище лінії ACD все сплави знаходяться в рідкому стані. Лінія АCD є лінія ліквідусу.

Чисте залізо плавиться і твердне в одній точці при температурі 1535 °. Всі інші сплави заліза з вуглецем плавляться і тверднуть в деякому інтервалі температур, поступово змінюється. Сплави, що містять від 0 до 4,39% вуглецю, починають тверднути по лінії АС, виділяючи тверді кристали аустеніту. Сплави, що містять більше 4,3% вуглецю, починають тверднути по лінії CD, виділяючи тверді кристали цементиту Fe3C. Сплав, що містить 4,3% вуглецю, твердне повністю в точці С, виділяючи одночасно кристали аустеніту і цементиту, в результаті чого утворюється евтектика, яка називається ледебуріта. Лінія AECF є лінія солідусу. Нижче цієї лінії все сплави знаходяться в твердому стані. Область діаграми, обмежена лініями АС, РЄ, ЕА, являє сплави, що складаються з твердих кристалів аустеніту і рідкого сплаву; область діаграми, обмежена лініями DC. CF, FD, включає сплави, що складаються з твердих кристалів цементиту і рідкого сплаву.

Рис. 19. Діаграма стану системи залізо - вуглець

Сплави, що знаходяться в області діаграми, обмеженої лініями АЕ, ES, SG, складаються з аустеніту. По лінії ES починає виділятися з аустеніту цементит. Нижче лінії PSK весь аустеніт розпадається в точці 5 на ферит і цементит, утворюючи механічну суміш, звану перлитом, причому в точці 5 сплав містить вуглецю 0,83 ° / о. Такий сплав називається Евтектоїдних. Лінія GPQ показує межа насичення а-заліза вуглецем.

8. Зміна структури стали

При нагріванні стали вище критичної точки Aci (рис, 20) (температура, при якій перліт перетворюється на аустеніт) в структурі стали, як відомо, починають відбуватися перетворення. Після закінчення перетворення подальше нагрівання або витримка ведуть до зростання аустенітного зерна. Зростання зерна відбувається спонтанно, причому швидкість цього процесу збільшується з підвищенням температури.

Зростання аустенітного зерна протікає по-різному і залежить від схильності зерна до зростання. Залежно від цього розрізняють стали спадково грубозернисті і спадково дрібнозернисті. Під спадковістю розуміють схильність зерна до зростання. Спадково грубозернисті стали володіють підвищеною схильністю аустенітного зерна до зростання, а спадково дрібнозернисті малої схильністю до зростання.

Зміна розмірів зерна при нагріванні зазначених сталей видно з рис. 20. При нагріванні стали вище критичної точки Асх розмір зерна стали різко зменшується. При подальшому нагріванні аустенитное зерно в спадково дрібнозернистих сталях не росте до температур порядку 950--1000 °, після чого починається швидке зростання зерна.

У спадково крупнозернистих сталях зерно починає рости відразу після переходу через критичну точку Ас \\. Розмір аустенітного зерна має велике значення для отримання остаточних результатів при термічній обробці сталей. Перетворення перліту ib аустенит супроводжується подрібненням зерна. Утворюється при цьому перетворенні зерно дуже дрібно. При зворотному перетворенні аустенітного зерна в Перлітний змін в його розмірі майже не відбувається (рис. 21). Отже, розмір перлитного зерна залежить головним чином від розміру аустенігного зерна. А так як аустенитное зерно зростає тільки при нагріванні, то, нагріваючи сталь до певних температур, можна отримати остаточно необхідний розмір зерна стали. Розмір дійсного зерна стали, т. Е. Зерна, отриманого в результаті тієї або іншої термічної обробки, має великий вплив на механічні властивості стали.

Рис. 20. Схема росту зерна в спадково-дрібнозернистої і в спадково-крупнозернистой стали

Грубозерниста сталь добре прожарюється і обробляється ріжучим інструментом, але в той же час вона більш схильна до гартівно деформацій, до утворення в ній тріщин. Дрібнозернисті стали володіють більшою ударною в'язкістю в порівнянні з грубозернистими сталями, але меншою прожарюємо-мостью. Для виготовлення виробів, яким потрібна в'язка серцевина при твердій поверхні, застосовується дрібнозернистий сталь.

При повільному охолодженні нагрітої стали до аус-тенітного стану Аустен-ніт перетворюється в перліт, ферит і цементит. При великих швидкостях охолодження - від 40 до 200 ° в секунду і більше - в результаті розпаду аустеніту виходять структури стали: сорбіт, троостит і мартенсит.

Сорбіт буває двох видів: сорбіт гарту і сорбіт відпустки. Сорбіт гарту складається з чергуються платівок фериту і цементиту, але пластинки цементиту в ньому значно тонше, ніж в перліті. Сорбіт твердіше перліту, але має меншу в'язкість. Сорбіт відпустки виходить в результаті розпаду мартенситу в стали при відпустці її в інтервалі температур 500-600 °. У сорбите відпустки частки цементиту мають кулясту форму. Троостит, так само як і сорбіт, різниться двох видів: троостіт гарту і 'троостіт відпустки .. Троостит представляє механічну суміш пластинок фериту і цементиту, але більш тонких, ніж в сорбите. Троостит володіє більшою твердістю в порівнянні з сорбітом, але меншою в'язкістю. Троостит відпустки є продуктом розпаду мартенситу при відпустці його в інтервалі температур 350-450 °.
Мартенсит є твердий розчин впровадження вуглецю. Кристали мартенситу мають голкоподібний форму. Він має високу твердість і добре чинить опір зносу; пластичність і в'язкість його низькі.

Рис. 21. Зміна розміру зерна в процесі перекристалізації

До атегорія: - Автомобільні матеріали і шини

Зміст книги Наступна сторінка \u003e\u003e

§ 2. Будова металів і сплавів і методи його вивчення

Кристалічна будова металів. Вивченням внутрішньої будови і властивостей металів і сплавів займається наука, яка називається металознавства.

Всі метали і сплави побудовані з атомів, які мають зовнішні електрони слабо пов'язані з ядром. Електрони заряджені негативно і якщо створити незначну різницю потенціалів, то електрони попрямують до позитивного полюса, утворюючи електричний струм. Цим і пояснюється електропровідність металевих речовин.

Всі метали і сплави в твердому стані мають кристалічну будову. На відміну від некристалічних (аморфних) тел, у металів атоми (іони) розташовані в строго геометричному порядку, утворюючи просторову кристалічну решітку. Взаємне розташування атомів в просторі і відстані між ними встановлюються рентгеноструктурньїм аналізом. Відстань між вузлами в кристалічній решітці називається параметром решітки і вимірюється в ангстремах Å (10 -8 см). Параметри решітки різних металів коливаються від 2,8 до 6 Å (рис. 23).

Рис. 23. Елементарні кристалічні комірки:

а - кубічна об'емноцентрірованная; б - кубічна гранецентрированная; в -гексагональная

Для наочного уявлення про розташування атомів в кристалі використовують просторові схеми у вигляді елементарних кристалічних осередків. Найбільш поширеними типами кристалічних решіток є кубічна об'емноцентрірованная, кубічна гранецентрированная і гексагональна.

У кубічної об'ємно-центрованої решітці розташоване дев'ять атомів. Таку решітку мають хром, вольфрам, молібден, ванадій і залізо при температурі до 910 ° С.

У кубічної гранецентрированной решітці розташовано 14 атомів. Таку решітку мають: мідь, свинець, алюміній, золото, нікель і залізо при температурі 910-1400 ° С.

У гексагональної плотноупакованной решітці розташовано 17 атомів. Таку решітку мають: магній, цинк, кадмій і інші метали.

Взаємне розташування атомів в просторі, кількість атомів в решітці і міжатомної простору характеризують властивості металу (електропровідність, теплопровідність, плавкість, пластичність і т. Д.).

Відстань між атомами в кристалічній решітці може бути різним у різних напрямках. Тому і властивості кристала за різними напрямками не однакові. Таке явище називається анізотропією. Всі метали - тіла кристалічні, тому вони є тілами анізотропними. Тіла, у яких властивості у всіх напрямках однакові, називаються ізотропними.

Шматок металу, що складається з безлічі кристалів, має в середньому властивостями, однаковими в усіх напрямках, тому він називається квазіізотропним (уявна изотропность).

Анизотропность має велике практичне значення. Наприклад, шляхом кування, штампування, прокатки в деталях отримують правильну орієнтацію кристалів, в результаті чого уздовж і поперек деталі досягаються різні механічні властивості. За допомогою холодної прокатки з успіхом беруть участь магнітних і електричних властивостей в певному напрямку деталі.