Строение металлических материалов. Кристаллические решетки. Фазы в сплавах. Диаграмма железо-углерод. Основные параметры и виды термической обработки материалов и сплавов.

Все металлы и металлические сплавы - тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металлах закономерно в отличие от аморфных тел.

Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких, различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. В процессе кристаллизации они приобретают неправильную форму и называются кристаллитами, или зернами.

В твердом состоянии металл представляет собой постройку, состоящую из положительно заряженных ионов, омываемых «газом» из свободных коллективизированных электронов. Связь в металле осуществляется электростатическими силами. Между ионами и коллективизированными электронами проводимости возникают электростатические силы притяжения, которые связывают ионы. Такая связь называется металлической.

В металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.

Для однозначной ее характеристики используются величины: три ребра (а, Ь, с) и три угла между осями я, /?, у.

Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно центрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную плотноупакованную (ГПУ).

Расстояния а, Ь, с между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называются периодами решетки.

Для определения положения атомных плоскостей (проходящих через атомы) в кристаллических пространственных решетках пользуются

индексами h, к, I. Для определения атомных направлений пользуются индексами направлений [uvw].

Неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией.

Наличие различных дефектов кристаллической решетки объясняет несоответствие реальной и теоретической прочности металлических материалов.

Сплав - вещество, полученное сплавлением 2 или более элементов. Строение метал-го сплава более сложно, чем чистого металла и зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, образующие сплав.

Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой. Фазой назв. однородные составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от составных частей поверхности раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в металлах и сплавах.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава. Диаграммы состояния строят для условий равновесия или условий, достаточно близких к ним. Поэтому диаграмма состояния может также называться диаграммой равновесия. Вид диаграммы состояния зависит от того, как реагируют оба компонента друг с другом в твердом и жидком состоянии, т.е. растворимы ли они в твердом и жидком состояниях, образуют они химические соединения и т.д.

Диаграмма состояния железо-углерод. Диаграмма состояния железо-углерод дает представление о строении железоуглеродистых сплавов - сталей и чугунов.

Железо (Fe) - металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85.

t плавления железа 1539 °С. Железо имеет две полиморфные модификации а и у. Модификация а -железа существует при t ниже 910 °С и выше 1392 °С (рис. 40). В интервале температур 1392-1539 °С а - железо нередко обозначают как 8 - железо. Кристаллическая решетка а - железа - объемно центрированная кубическая (ОЦК). До t 768 °С а- железо магнитно (ферромагнитно). Эту точку перехода от ферромагнитного в парамагнитное состояние называют точкой Кюри (А₂). Модификация у- железа существует при t 910-1392 °С. Оно парамагнитно. Кристаллическая решетка у- железа - гранецентрированная кубическая (ГЦК).

Точки, соответствующие t превращения одной фазы в другую называются критическими точками, обозначающимися буквой А с индексами с и г (с - при нагреве, г - при охлаждении) и цифрами. Ас₃ при нагреве (или Аг₃- при охлаждении) - переход а*-* у при температуре 910 °С. Ас₄ (Аг₄) - критическая точка перехода у*-кх при температуре 1392 °С.

Углерод (С) явл. неметаллическим элементом, атомный номер 6, t плавления 3500 "С. Углерод в обычных условиях находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза. Углерод растворим в железе в твердом и жидком состояниях, а также может быть в виде химического соединения - цементита (Fe₃C), а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

Линии диаграммы состояния Fe-Fe₃C имеют следующие обозначения и физический смысл. ABCD - линия ликвидус, AHJECF - линия солидус. АВ показывает t, ниже которой происходит кристаллизация «5-феррита (Фб) из жидкого сплава (Ж); ВС соответствует t начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава; CD соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита (Fe₃Ci) из жидкого сплава; АН является t границей области жидкого сплава и кристаллов 5-феррита; ниже этой линии существует только 8-феррит; HJB - линия перитектического равновесия (1499°С) с протеканием перитектиче-ской реакции (жидкость состава точки В взаимодействует с кристаллами (5-феррита состава точки Я с образованием аустенита состава точки Л): Жц+Фн-tAj

Линия ECF соответствует кристаллизации эвтектики - ледебурита (Ag+FeiC):Ж_с ~>A_E+Fe₃C.

Структура ледебурита характерна для эвтектического сплава, содержащего 4,3% углерода. Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. После охлаждения ниже t 727°С ледебурит это эвтектическая смесь перлита и цементита.

Железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2,14% углерода, называются сталями, а сплавы, содержащие выше 2,14% углерода, чугунами.

Сплавы, содержащие менее 0,02% С (точка Р), называются техническим железом (рис. 25, а), имеющего структуру феррита.

При охлаждении ниже температуры 727°С (горизонталь PSK) протекает эвтектоидная реакция: 4s -* Фр +Fe₃C.

Линия эвтектоидного превращения соответствует распаду аустенита (0,8% С) с образованием эвтектоида - ферритоцементитной структуры - перлита (Фр +Fe^C) (рис. 25, ж).

Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% С, называются доэвтектоидны-ми и после полного охлаждения имеют структуру избыточного феррита + перлит (рис. 25, б-е). В зависимости от возрастания содержания углерода будет увеличиваться перлитная составляющая и уменьшаться ферритная.

Феррит (Ф) - твердый раствор углерода и других примесей в а- железе.

Аустенит (А) - твердый раствор углерода и других примесей в у -железе.

Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом - карбид железа (Fe₃C).

Графит - модификация углерода в равновесном состоянии. Он мягок, обладает низкой прочностью и электрической проводимостью.

Перлит - эвтектоидная смесь кристаллов феррита и цементита.

Ледебурит - эвтектическая смесь кристаллов перлита и цементита.

Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% С, называются доэвтектоидны-ми и после полного охлаждения имеют структуру избыточного феррита + перлит (рис. 25, 6-е).

Сталь, содержащая 0,8% С, называется эвтектоидной и после охлаждения имеет структуру перлита (рис. 25, ж).

Стали, содержащие от 0,8 до 2,14% С, называются заэвтектоидны-ми и после охлаждения имеет структуру перлита и избыточного цементита, который располагается по границам перлитных зерен (рис. 25, з).

Чугуны, в зависимости от содержания углерода, подразделяются на доэвтектический (2,14 - 4,3% С, структура после охлаждения - перлит, ледебурит (перлит + цементит) и вторичный цементит), эвтектический (4,3% С, структура после охлаждения - ледебурит (перлит + цементит)) и заэвтектические (более 4,3% С, структура - ледебурит (перлит + цементит) и цементит). С повышением содержания углерода количество цементита возрастает.

Фазовый состав всех сплавов одинаков: при температуре ниже 72 f С они состоят из феррита и цементита.

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: