снижения пластичности и ударной вязкости и т.д.).

Легирующие добавки, растворяясь в железе, искажают и нарушают

симметрию его кристаллической решетки, так как они имеют другие атомные

размеры и строение внешних электронных оболочек. Чаще всего увеличивается

карбидосодержащая фаза за счет уменьшения углерода в перлите, что

соответственно увеличивает прочность стали. Многие легирующие элементы

способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно

повышает вязкость стали. Некоторые легирующие элементы расширяют область

аустенита, снижая критические точки Ас3, а другие, наоборот, сужают эту

область. Большое значение на практике имеет способность большинства

легирующих элементов повышать прокаливаемость стали на значительную

толщину, задерживая переход аустенита в другие структуры, что создает

возможность закаливать стали при умеренных скоростях охлаждения. При этом

уменьшаются внутренние напряжения и снижается опасность появления

закалочных трещин.

Согласно существующим стандартам легированные стали классифицируют по

назначению, химическому составу и микроструктуре.

По назначению легированные стали разделяют на три класса:

конструкционные (машиноподелочные и строительные), инструментальные и стали

с особыми физико-химическими свойствами.

Для обозначения марок сталей принята буквенно-цифровая система.

Легирующие элементы обозначаются буквами: С – кремний, Г – марганец, X –

хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, Р – бор, Т – титан, Ю –

алюминий, Ф – ванадий, Ц – цирконий, Б – ниобий, А – азот, Д – медь, К –

кобальт, П – фосфор и т.д. Цифры, стоящие перед буквами, показывают

содержание углерода в конструкционных сталях в сотых долях процента, в

инструментальных - в десятых долях процента. Цифры, стоящие за буквами,

показывают содержание легирующих элементов в процентах. Если содержание

элементов не превышает 1,5 %, то цифры не ставят. Буква А, стоящая в конце

марки, означает, что сталь высококачественная. Например, сталь марки

35ХНЗМА – высококачественная, содержащая 0,35 % С, 1 % Сг, 3 % Ni, 1 % Mo.

По химическому составу легированные стали делят на три класса:

низколегированные с общим содержанием легирующих элементов до 2,5 %;

среднелегированные – от 2,5 до 10% и высоколегированные, содержащие более

10 % таких элементов, например нержавеющая сталь 1Х18Н9.

В зависимости от структуры, которую получают легированные стали после

нормализации, их делят на пять классов: перлитная, мартенситная,

аустенитная, феррит-ная и карбидная (ледебуритная). Большинство

конструкционных и инструментальных сталей относится к сталям перлитного

класса. Такие стали содержат незначительное количество легирующих элементов

(не более 5...6 %), хорошо обрабатываются давлением и резанием.

После нормализации имеют структуру перлита (сорбита, троостита). После

закалки и отпуска заметно повышают механические свойства.

Основным преимуществом легированных сталей по, сравнению со сталью

марки СтЗ является их большая прочность при сохранении достаточно высокой

пластичности и свариваемости, что позволяет повысить допускаемые напряжения

и уменьшить расход металла на изготовление конструкций, а также повышенная

стойкость к атмосферной коррозии. [2, стр. 321-323]

СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Исследование структуры металла проводят путем изучения макроструктуры

с увеличением до 10 раз и без увеличения; микроструктуры с увеличением от

10 до 2000 раз на оптических микроскопах и до 100 000 раз на электронных

микроскопах, атомной структуры – рентгенографическим анализом.

Металлы представляют собой кристаллические тела с закономерным

расположением атомов в узлах пространственной решетки.

[pic]

Рис. 3. Элементарный кубический кристалл: а – объемно-центрированный; б –

гранецентрированный

Решетки состоят из ряда кристаллических плоскостей, расположенных друг

от друга на расстоянии нескольких нанометров (1 нм = 10-9 м). Для железа

эти расстояния 28,4 нм (?=Fe) и 36,3 нм (? = Fe). Большинство металлов

имеет пространственные решетки в виде простых геометрических фигур.

Отдельные участки кристаллической решетки прочно связаны между собой в

комплексы – зерна. Взаимное расположение зерен отдельных элементов и

сплавов определяет структуру металлов и их свойства.

Атомы металлов характеризуются малым количеством электронов (1...2) на

наружной оболочке, легко отдают их, что подтверждается высокой

электропроводностью.

Черные металлы имеют простые кубические ячейки решеток (рис. 3) двух

видов: а) центрированный или объемно-центрированный куб (9 атомов в

ячейке), объем шаров занимает 68 %; б) гранецентрированный или куб с

центрированными гранями (14 атомов), объем шаров занимает 74 %. Некоторые

цветные металлы и их сплавы имеют гексагональную (шестигранную) решетку.

Железо, олово, титан и другие металлы обладают свойствами аллотропии,

т.е. способностью одного и того же химического элемента при различной

температуре иметь разную кристаллическую структуру. Аллотропические

превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Железо имеет

четыре аллотропические формы: ?-Fe; ?-Fe, ?-Fe, ?-Fe. Практическое значение

имеют ? -Fe и ? -Fe, так как p-Fe и б-Fe отличаются от a-Fe только

величиной межатомного расстояния, а для ?-Fe характерно отсутствие

магнитных свойств.

[pic]

Рис. 4. Кривые охлаждения и нагревания железа

Температура, при которой происходит переход металла из одного

аллотропического вида в другой, называется критической. Величины этих

температур видны на диаграмме охлаждения и нагревания чистого железа (рис.

4) в виде участков, свидетельствующих о том, что фазовые превращения

происходят с выделением теплоты при нагревании.

Все металлы находятся в твердом состоянии до определенной температуры.

При нагреве металла амплитуда колебания атомов достигает некоторой

критической величины, при которой происходят разрушение кристаллической

решетки и переход металлов из твердого в жидкое состояние. Процесс

кристаллизации заключается в росте кристаллов путем отложения новых

кристаллических групп вокруг возникших зародышей. Рост кристаллических

образований происходит в определенных направлениях. Вначале образуются

главные оси кристалла путем роста в трех взаимно перпендикулярных

направлениях, а затем от каждой из этих осей образуются новые и возникает

не полностью завершенный кристалл, называемый дендритом. В дальнейшем все

промежутки между осями дендрита заполняются упорядоченно расположенными

атомами.

В условиях несвободной кристаллизации образующиеся кристаллы получают

неправильные очертания и форму и называются кристаллитами или зернами.

Величина зерен оказывает существенное влияние на механические свойства

металлов: чем мельче зерна, тем прочнее металл.

Технические металлы и сплавы представляют собой поликристаллические

тела, состоящие из большого числа различно ориентированных кристаллических

зерен (поперечные размеры зерен – 0,001...0,1 мм). Поэтому в целом металлы

и сплавы можно считать условно изотропными телами.

Структура.

Сплавы обладают металлическими свойствами и состоят из двух элементов

и более. Элементы, входящие в состав сплавов, называют компонентами.

Компоненты сплавов в процессе затвердевания и последующего охлаждения

могут образовывать химические соединения, твердые растворы на базе одного

из компонентов или нового химического соединения и механические смеси.

Химические соединения, образующиеся на основании общих химических

законов (валентности, ионной связи), могут быть выражены химическими

индексами. Обычно химические соединения повышают твердость и хрупкость

металлов и, как правило, имеют кристаллическую решетку другого типа, чем у

каждого из элементов в отдельности.

Твердые растворы – сплавы, у которых атомы растворимого элемента

рассеяны в кристаллической решетке растворителя; растворимый элемент может

замещать часть атомов основного металла или внедряться между ними, но без

образования молекул определенного состава. В железоуглеродистых сплавах

Fe–С атомы углерода внедряются в поры решетки Fe. В отличие от химических

соединений состав твердых растворов непостоянен и зависит от температуры и

концентрации (проникания одного элемента кристаллической решетки в другой).

Кристаллическая решетка твердого раствора сохраняет тип решетки одного из

компонентов, который по этому признаку считается растворителем.

Механические смеси (эвтектики, эвтектоиды) – микроскопически малые,

тесно перемешанные и связанные между собой компоненты сплава, состоящие из

чистых металлов, твердых растворов и химических соединений. Эвтектики

образуются из жидкого сплава при охлаждении и характеризуются самой низкой

температурой затвердевания смеси, хорошими литейными качествами и высокими

механическими свойствами. Эвтектоиды образуются при распаде твердого

раствора. Эвтектические и эвтектоидные смеси возникают при определенной

концентрации отдельных составляющих и определенной температуре. В сплавах,

отличных по составу от эвтектических, при затвердевании в первую очередь

выпадает компонент, избыточный по отношению к эвтектическому.

Изменения структуры и свойств сплавов с изменением концентрации и

температуры в наглядной форме представлены на диаграммах состояния сплавов.

Эти диаграммы не содержат фактора времени и соответствуют условию очень

медленного нагрева и охлаждения.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 5).

Основными структурами, составляющими железоуглеродистые сплавы,

являются следующие.

Феррит – твердый раствор углерода в ? -Fe. При температуре 723° С

предельное содержание углерода 0,02 %. При отсутствии примесей не

корродирует.

Цементит – карбид железа Fe3C – химическое соединение, содержащее 6,67

% углерода. Является составной частью эвтектической смеси, а также

самостоятельной структурной составляющей. Способен образовывать твердые

растворы путем замещения атомами других металлов, неустойчив, распадается

при термической обработке. Цементит очень тверд (НВ 800) и хрупок.

Аустенит – твердый раствор углерода в ? –Fe. Атомы углерода внедряются

в кристаллическую решетку, причем насыщение может быть различным в

зависимости от температуры и примесей. Устойчив только при высокой

температуре, а с примесями Mn, Сг – при обычных, даже низких температурах.

Твердость аустенита НВ 170...220.

[pic]

Рис. 5. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов:

а – диаграмма; I – жидкий сплав; II – жилкий сплав и кристаллы аустенита;

III – жидкий сплав и цементит; IV – аустенит; V – цементит и аустенит; VI –

аустенит, цементит, ледебурит; VII – цементит и ледебурит; VIII – феррит и

аустенит; IX – феррит и перлит; X – цементит и перлит; XI – перлит,

цементит; ледебурит; XII – цементит, ледебурит; б – ориентировочные

отношения структурные составляющих в различных областях диаграммы.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, образуется при

распаде аустенита при температуре 723° С и содержании углерода 0,83 %.

Примеси Si и Мn способствуют образованию перлита и при меньшем содержании

углерода. Твердость перлита НВ 160...260. Структура перлита может быть

пластинчатой и глобулярной (зернистой).

Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся

при 1130° С и содержании углерода 4,3 % Структура неустойчивая: при

охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный

цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ 700) и хрупок.

Графит – мягкая и хрупкая составляющая чугуна, состоящая из

разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах.

На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис 5) на оси

ординат отложена температура, на оси абсцисс – содержание в сплавах

Страницы: 1, 2, 3, 4