Металлические материалы

Вопросы для самопроверки

1. Как классифицируются вещества по магнитным свойствам?

2. Чем отличаются диамагнетики от парамагнетиков?

3. Чем отличаются ферримагнетики от антиферромагнетиков?

4. Что такое точка Кюри и точка Нееля?

5. По каким параметрам разделяют сильномагнитные материалы на магнитно-мягкие и магнитно-твёрдые?

Из всех известных элементов 80% – это металлы. В Периодической таблице элементов они расположены в левой части. Все металлы, кроме самородных, получают восстановлением соответствующих соединений.

Металлы и металлические сплавы используются как конструкционные и как функциональные материалы. Конструкционные материалы предназначены для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам. Функциональные свойства металлов обусловлены их электропроводностью (теплопроводностью) и ферромагнетизмом.

Конструкционные материалы должны обладать комплексом эксплуатационных, технологических и экономических свойств. Эксплуатационные свойства включают конструкционную прочность, т.е. комплекс механических свойств, обеспечивающих надёжную и длительную работу материала в условиях эксплуатации. Конструкционная прочность включает критерии прочности, надёжности и долговечности.

Рассмотрим диаграмму растяжения металлов. (Рис 4.1.)

Рис. 4.1. Кривая растяжения металлов.

От 0 до точки А (σ_п) осуществляется упругая деформация. Тангенс угла наклона tgα этой прямой характеризует модуль упругости Е = σ_п/ε (ε = ΔL/L).

От точки А до точки С (от σ_п до σ_т) развивается равномерная пластическая деформация. На этом участке металл упрочняется за счёт наклёпа. В точке С в образце образуется «шейка» - резкое утонение сечения образца.

От С до D развивается сосредоточенная пластическая деформация.

σ_0,2 – это нагрузка, при которой развилось 0,2% пластической деформации.

Допустимые напряжения, которые используются в расчётах, выбирают меньше σ_0,2 приблизительно в 1,5 раза или меньше σ_в приблизительно в 2,4 раза. σ_в – это предел прочности (временное сопротивление), т.е. напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца (точка С на графике 4.1).

При нагревании неравновесная структура, созданная холодным деформированием, переходит в более стабильное состояние. Если температура термообработки не высокая (< 0,3 Т_пл), то будет протекать «возврат». Возврат не сопровождается изменением микроструктуры (размер и форма зёрен), а заключается в уменьшении количества точечных дефектов, в основном – вакансий, иногда – в переползании дислокаций и уменьшению их плотности. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению остаточных напряжений.

В результате возврата твёрдость и прочность уменьшается на 10 – 15 %, пластичность, сопротивление коррозионному растрескиванию, удельное объёмное сопротивление уменьшаются, а плотность возрастает.

При более высоких температурах термообработки происходит рекристаллизация. Т_рекр = α Т_пл. Для технически чистых металлов α = 0,3 – 0,4, для химически чистых металлов α = 0,1 – 0,2, для сплавов со структурой твёрдых растворов – 0,5 – 0,6, в тугоплавких растворах α = 0,7 – 0,8. Для примера Т_рекр Al = 100^oC, Cu = 270^oC, Fe = 450^oC. При рекристаллизации зарождаются новые зёрна и с течением времени может восстановиться исходная структура.

В многофазных сплавах рекристаллизация заторможена и это путь для увеличения предельных рабочих температур материала.

Свойства сплавов прежде всего зависят от состава фаз и их количественного соотношения. Эти сведения получают из анализа диаграмм состояния. Самая простая диаграмма соответствует случаю полной растворимости в твёрдом и жидком состояниях. К таким системам относятся Ni – Cu, Ag – Au, Mo – W и др. Обратимся к рис. 2.5. При охлаждении расплава состава С₀ до точки d, соответствующей температуре Т₃, начинают образовываться кристаллы состава С₂. При дальнейшем охлаждении состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса и при Т₂ будут образовываться кристаллы состава С_s. При температуре Т₁ – кристаллы состава С₁ и так далее. Казалось бы, сплав будет всегда содержать кристаллы самого разнообразного состава. Однако это не так. При медленном охлаждении избыток компонента А из жидкой фазы диффундирует в кристаллы состава С₂, С_s, и т.д., доводя их до состава С_0. В результате все кристаллы будут иметь состав С₀.

Если расплав охлаждать быстро, диффузия будет запаздывать и будут вырастать либо кристаллы разного состава, либо будут образовываться кристаллы с изменяющимся по толщине составом, а именно: внутренние области будут обогащены более тугоплавким металлом, а наружные области – легкоплавким. Этот процесс называется микроликвацией.

Количество фаз определяется соотношением отрезков (см. рис. 2,5) eC_l и eC_s, а именно: m_Cs / m_Cl = eC_l /eC_s.

Самыми распространёнными конструкционными металлическими материалами являются либо сплавы только железа и углерода, либо дополнительно содержащие различные добавки. В этом случае такие сплавы называют легированными.

4.1. Сплавы железо – углерод

. В этих сплавах могут присутствовать следующие фазы:

1) жидкий раствор Fe и С;

2) феррит (обозначение Ф или σ) – твёрдый раствор внедрения С в α-Fe. Концентрация углерода С = 0,02 – 0,1%. Это мягкий, пластичный материал.

3) аустенит (А или γ) – твёрдый раствор внедрения углерода в γ-Fe, концентрация углерода до 2,14%;

4) цементит – карбид железа Fe₃C, содержит 6,69% углерода. Цементит очень твёрд;

5) графит.

Рассмотрим фазовую диаграмму Fe – Fe₃C (рис. 4.2). Диаграмма содержит 2 эвтектические точки – точку С и точку S. В точке С при температуре 1147 ^оС из расплава одновременно кристаллизуются аустенит и цементит. Сплав этого состава (4,3 % С) называется ледебурит. Сплавы, содержащие от 2,14 до 4,3 % С называют доэвтектическими, содержащими от 4,3 до 6,67 % С – заэвтектическими.

Рис. 4.2. Фазовая диаграмма железо – карбид железа Fe₃C..

В левой части диаграммы в области AESG находится аустенит, в область GPQ - феррит. Между ферритом и аустенитом существует область GSPG, где одновременно существует феррит и аустенит, а при более низкой температуре – феррит и цементит. В эвтектической точке S (содержание С = 0,8 %) при температуре 727 ^оС аустенит превращается в перлит, представляющий собой смесь феррита и цементита. Сплавы, содержащие меньше 0,8 % С называются доэвтектоидными, содержащий 0,8% С называют эвтектоидными, а от 0,8 до 2,14 % С – заэвтектоидными. Сплавы с содержаием углерода до 2,14 % называются сталями, а от 2,14 до 6,67 % С – чугунами. Чугуны в зависимости от скорости охлаждения могут быть белыми или серыми. В белых чугунах весь углерод связан в цементит Fe₃C, а в серых углерод присутствует в виде графита – шаровидного, пластинчатого или хлопьевидного. Сплав, содержащий углерода меньше 0,025 %, называют техническим железом. Если перлит нагреть выше эвтектической точки S, начнётся превращение перлита в аустенит. Здесь может протекать два параллельных процесса: а) превращение α-Fe в γ-Fe;

б) растворение цементита Fe₃C в γ-Fe с образованием аустенита.

Доэвтектоидные стали при 20 ^оС имеют структуру феррита, заэвтектоидные имеют двухфазную структуру и содержат перлит и цементит

Доэвтектические чугуны при 20^оС содержат перлит, цементит и ледебурит, заэвтектические – ледебурит и цементит.

Критичские точки, лежащие на линии GS, обозначают индексом А₃, при нагревании их обозначают Ас₃, а при охлаждении – Аr₃.

Критические точки, лежащие на линии SE, обозначают Ас_m.

Критическиеточки, лежащие на линии PSK, обозначают А₁.

Дата добавления: 2014-12-26