МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Дефекты Металлопродукции

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Для подготовки специалистов

ГО квалификациОННОГО уровНЯ

Составитель: ПОСЫПАЙКО Юрий Николаевич ^©

Киев - 2006

МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

В процессе изготовления металлические изделия проходят сложный технологический цикл. Он включает следующие основные операции: плавка, литье, обработка давлением, термическая обработка, механическая обработка, соединение с другими деталями. Отдельные операции могут выпадать из этой цепочки или повторяться несколько раз. Готовые изделия хранятся и эксплуатируются, при этом их параметры могут претерпевать изменения. В процессе технологических операций металл изделий изменяется. Для уяснения характера изменений необходимо иметь хотя бы общие представления о металловедении.

Чистые металлы в технике используют довольно редко. Как правило, применяют сплавы металлов. В наиболее простом случае это бинарные сплавы, т.е. сплавы двух компонентов. Для объяснения превращений в сплавах нужно знать их диаграмму состояния, которая представляет изменение агрегатного состояния сплава в зависимости от его состава (откидывается по оси абсцисс) и температуры (откладывается по оси координат).

Сталь – ковкий сплав железа с углеродом, а иногда также с улучшающими определенные свойства (легирующими) элементами. Содержание углерода – не более 2,14 %. Это наиболее распространенный конструкционный материал. Рассмотрим диаграмму состояния (рис. 1) сплава железа с углеродом. Углерод в этот сплав входит, как правило, в виде химического соединения с железом – цементита (Fe₃C). Содержание углерода 6,67 % соответствует 100 % цементита.

Рис. 1. Упрощенная диаграмма состояния железо - углерод

Железо имеет две аллотропические (аллотропия – от греч. Аllos – другой и tropos – поворот, свойство) – существование одного и того же элемента в виде двух или нескольких простых веществ) модификации: низкотемпературное (до 911 ⁰С) a-железо имеет кристаллическую решетку в виде объемного куба и почти не растворяет углерод. Оно обладает ферромагнитными свойствами при температурах ниже точки Кюри (768 ⁰С). a-железо при температуре выше этой точки иногда называют b-железом.

Высокотемпературное g-железо имеет кристаллическую решетку в виде гранецентрированного куба. Оно довольно хорошо растворяет углерод. Этот раствор называют аустенитом. Он неферромагнитен. Вводя различные легирующие добавки (никель, марганец), удается сохранить гамма-структуру до комнатных температур и получить нержавеющую (аустенитную) сталь.

Структура затвердевшего из расплава металла состоит из большого количества кристаллитов (зерен) – монокристаллов, не имеющих явно выраженной огранки. В стали в начальной фазе твердения образуются зерна аустенита, которые при понижении температуры превращаются в a-железо – феррит. Поскольку он практически не растворяет углерод, последний выделяется в виде пластин.

В пределах распавшегося зерна аустенита можно наблюдать пластины из феррита и цементита. При содержании углерода 0,8 % образуется эвтектоид (эвтектика, формирующаяся в твердом состоянии), называется перлитом (эвтектика – от греч. еutektos – легкоплавящийся – тонкая смесь твердых веществ, одновременно кристаллизующихся из расплава при температуре ниже температуры плавления отдельных компонентов).

Чем быстрее скорость охлаждения при переходе от g- к a-железу, тем мельче пластины в бывших зернах аустенита и тем выше твердость стали. При очень большой скорости охлаждения происходит так называемое мартенситное превращение. Мартенсит имеет искаженную структуру a-железа, в котором растворен углерод, образуется в виде отдельных плоскостей (в сечении шлифа они видны как иглы) и обладает наиболее высокой твердостью.

Если сталь нагреть выше линии GSE так, чтобы образовался аустенит, а затем охладить с той или иной скоростью, произойдет перестройка кристаллической структуры. Такую термообработку называют высокотемпературной. При быстром охлаждении (закалка) структура получается мелкозернистая, твердость стали повышается, а при медленном (отжиг) – структура крупнозернистая, твердость падает. При отжиге снимаются внутренние напряжения.

Для снятия внутренних механических напряжений, возникающих в результате закалки, обработки давлением, сварки применяют не только отжиг, но и отпуск. Его проводят при температуре ниже кривой GSE, но обычно более высокой, чем так называемая температура рекристаллизации t_p (для стали – 450 ⁰С). Рекристаллизация – это процесс образования и роста (или только роста) структурно более совершенных кристаллических зерен в поликристаллическом материале. При этом устраняются структурные дефекты, изменяются размеры и ориентация зерен, снимаются внутренние напряжения.

При горячей обработке давлением применяют температуры выше t_p: для стали в диапазоне 800…1300 ⁰С. Вследствие этого напряжения и нарушения структуры, возникающие в результате деформирования, быстро снимаются. Холодную обработку давлением ведут ниже температуры рекристаллизации, используя пластичность металлов и сплавов.

Чугун – сплав железо-углерод с большим (3…4,5 %) содержанием углерода. Чугун отличается от стали лучшими литейными качествами, малой пластичностью, дешевизной, он хорошо гасит вибрацию, слабо корродирует, поэтому в некоторых областях применение его предпочтительно по сравнению со сталью.

На рис. 1 показана диаграмма состояния, соответствующая образованию белого чугуна, в котором весь углерод связан в виде цементита. В изломе такой чугун белый, обладает высокой твердостью и хрупкостью. Во всех других типах чугуна углерод существует в форме графита. Графит имеет кристаллическую решетку в форме слабо связанных слоев, он обладает низкой прочностью и пластичностью.

Процесс распада цементита – графитизация – происходит дибо в результате присутствия в расплаве частичек графита, провоцирующих дальнейшее его образование, либо путем нагрева большого чугуна выше линии PSK на 10…12 ⁰С и выдержки при этой температуре. Образующиеся чугуны состоят из металлической основы (матрицы) и графитных включений. Основа обычно имеет структуру перлита, феррита или их смеси. В зависимости от формы графитных включений различают серый чугун с пластинчатым графитом, ковкий чугун с хлопьевидным графитом, высокопрочный чугун с включениями шаровидной формы. Его получают за счет введения добавок магния в жидкий металл. Прочностные свойства чугуна увеличиваются от серого к высокопрочному.

Изделия из чугуна получают путем литья. Для получения различных видов чугуна его подвергают термообработке. Чугун обычно не сваривают: для соединения изделий из него с другими объектами используют механические способы (резьбовые соединения, напрессовка).

Титанподобно железу имеет две аллотропические модификации. В сплавах его с алюминием и такими металлами, как ванадий, молибден, ниобий, хром и др., происходят превращения, подобные описанным для стали, вплоть до превращения мартенситного типа.

Алюминий имеет одну кристаллическую структуру. В его сплавах с магнием, медью, марганцем, цинком и другими элементами упрочнение достигается путем быстрого охлаждения сплава. В результате избыточная фаза не успевает выделиться из эвтектического состава. В дальнейшем в связи с низкой температурой рекристаллизации алюминия в твердом состоянии происходит старение: выделяются элементы-добавки. При этом изменяются механические свойства сплава: происходит его упрочнение, увеличивается хрупкость.