При определенном химическом составе свойства сплава определяются его структурой, а структура в свою очередь определяется характером обработки, которой был подвергнут сплав.
Свойства сплавов устанавливают лабораторным испытанием. Структуру сплава определяют по виду излома или травленого шлифа под микроскопом, а также исследуют рентгеновским методом.
Изучая одновременно свойства сплава и его структуру и зная, какой термической или механической обработке подвергался изучаемый сплав, можно установить для каждого сплава зависимость между его свойствами, структурой и обработкой. Когда такая зависимость установлена, можно по свойствам образца сплава определенного химического состава сделать выводы относительно его структуры и обработки, которой образец подвергался; или же, установив структуру образца сплава определенного химического состава, можно определить его свойства и обработку. Эта зависимость лучше всего может быть выражена графически в виде соответствующих диаграмм. Особенно плодотворным оказывается применение графического метода при изучении зависимости между химическим составом сплава, его структурой и термической обработкой.
Наука, занимающаяся изучением зависимости между составом сплавов, их структурой и свойствами, называется металлографией.
Кривые нагрева и охлаждения. Одним из основных понятий, которым пользуются, применяя металлографический метод к изучению свойств металлов и сплавов, является понятие о критической температуре. Критической температурой или критической точкой называется температура, при которой происходит структурное изменение нагреваемого или охлаждаемого вещества и изменяется при этом число или природа его фаз; например,
температура перехода воды из жидкого состояния в твердое равна 0°; следовательно, критическая температура воды будет 0°.
Выражая графически зависимость между изменением температуры какого-либо вещества при охлаждении и временем, в течение которого эти изменения происходят, получим кривую, называемую кривой охлаждения. Так, откладывая в соответствующем масштабе по оси X время и по оси Y температуры, получим кривую охлаждения воды (фиг.60). Рассматривая кривую охлаждения воды, замечаем, что на некотором участке ее АВ она горизонтальна, т. е., что температура охлаждаемой воды в течение времени, определяемого отрезком АВ, оставалась постоянной и равной 0°.
Из опытов, производимых с охлаждением воды, известно, что точка А кривой охлаждения соответствует началу замерзания воды, а точка В — концу замерзания; таким образом, участок кривой А В соответствует времени, в течение которого происходит замерзание воды.
Так как во время процесса охлаждения воды от нее отнимается тепло, то очевидно, что постоянство температуры во время процесса кристаллизации воды может быть объяснено только притоком тепла, а поскольку никакого внешнего источника тепла во время опыта нет, то, следовательно, восполнение отнимаемого от воды тепла может происходить лишь за счет тепла, развивающегося в самой воде.
Таким образом, мы убеждаемся, что процесс кристаллизации воды сопровождается выделением тепла в количестве, равном отнимаемому во время этого процесса.
При нагреве льда на отрезке АВ (фиг. 60) будет происходить превращение льда в воду.
Сравнивая построенные для воды кривые нагревания и охлаждения, убеждаемся, что температура плавления и температура затвердевания для нее одинаковы или, другими словами, одинакова критическая температура перехода воды из жидкого состояния в твердое и из твердого в жидкое.
Подобно тому как это было сделано для воды, строятся кривые охлаждения и кривые нагрева для металлов.
На фиг. 61 дана кривая охлаждения свинца; температура начала кристаллизации 327°, как видно из фигуры, сохраняется до конца кристаллизации.
Рассматривая кривую охлаждения свинца, видим, что в точке А свинец находится в жидком состоянии; между точками А и В он представляет собой смесь кристаллов и жидкости; ниже точки В — в твердом состоянии.
Таким образом, до точки А свинец представляет одну жидкую фазу; ниже точки В — одну твердую и на участке АВ — две фазы — жидкий свинец и кристаллы.
Явления переохлаждения. Переохлаждением называется запаздывание кристаллизации, свойственной какому-либо веществу при определенной температуре.
Если переохлаждение имеет место при переходе вещества из жидкого состояния в твердое, то рассматриваемое вещество остается жидким ниже температуры, свойственной его затвердеванию. Для того чтобы вызвать кристаллизацию переохлажденной жидкости, обычно достаточно толчка или внесения в переохлажденную жидкость кристалла. После начала кристаллизации температура переохлажденной жидкости повышается до уровня, соответствующего нормальной кристаллизации; в случае кристаллизации чистого вещества температура системы остается постоянной вплоть до окончания процесса кристаллизации.
В сплавав затвердевание (или плавление) обычно происходит не при постоянной температуре, а в интервале температур.
Некоторые металлы также способны переохлаждаться при затвердевании. В виде примера можно указать олово, температура затвердевания которого 232°; олово способно при переохлаждении оставаться в жидком виде при температурах, снижающихся до 222°.
На фиг. 62 представлена кривая охлаждения олова; явление переохлаждения получило отражение в снижении кривой до 222° и последующем подъеме до 232° с образованием на этом уровне горизонтального отрезка, соответствующего времени затвердевания жидкого олова.
Следует отметить, что явление переохлаждения в большей или меньшей степени наблюдается во всех случаях — как при кристаллизации из жидкости, так и при превращениях в твердом состоянии (вторичная кристаллизация). Теоретическое рассмотрение процесса кристаллизации показывает, что некоторое переохлаждение всегда необходимо для начала превращения. Степень переохлаждения зависит от скорости охлаждения.
Кристаллизация расплавленных металлов. Скорость охлаждения всякого вещества зависит от его теплопроводности, количества вещества, теплопроводности окружающей среды и разности температур вещества и окружающей среды. Как указал впервые выдающийся русский металловед Д. К. Чернов, скорость затвердевания металла и величина зерна в слитках определяются скоростью зарождения кристаллов в данном веществе и скоростью роста кристаллов. Скорость зарождения кристаллов определяется числом центров кристаллизации (зачатков кристаллизации по Чернову), возникающих в единице объема за единицу времени. Под скоростью роста кристаллов понимается линейная скорость кристаллизации. Эти величины, называемые параметрами кристаллизации, зависят от степени переохлаждения.
Если тело обладает способностью к образованию большого количества кристаллизационных центров при малой скорости роста кристаллов, то при затвердевании образуется мелкозернистая масса; в случае большой скорости роста кристаллов при малом числе кристаллизационных центров образуется крупнозернистая структура.
Чем медленнее совершается процесс кристаллизации, тем больше будут размеры отдельных кристаллов; вследствие этого в слитках размер кристаллических зерен увеличивается от поверхности к центру.
Поскольку параметры кристаллизации определяются степенью переохлаждения, а последняя в свою очередь зависит от скорости охлаждения, то, очевидно, регулируя условия охлаждения, можно изменять структуру слитка (величину и форму зерен слитка).
Рекристаллизация. При обработке металлов давлением изменяется не только внешняя форма обрабатываемого куска металла, но также деформируются и раздробляются кристаллические зерна, из которых состоит металл, что вызывает нарушение правильности расположения атомов, приводит к возникно
вению внутренних напряжений и изменяет механические качества металла. Такой металл называется наклепанным.
Если наклепанный металл подвергнуть нагреву до надлежащей температуры, то среди деформированных обломков кристаллов начинают образовываться и расти новые, которые полностью поглотят все деформированные кристаллиты, и даже после того, как в процессе роста новые зерна приходят в соприкосновение между собой, некоторые из них частично вырастут одно за счет другого. Такая перекристаллизация наклепанного металла, называемая рекристаллизацией, возвращает ему утраченные при обработке механические качества.
Температура рекристаллизации для различных металлов неодинакова, она находится в зависимости от абсолютной температуры плавления и для чистых металлов определяется, как показал акад. А. А. Бочвар, формулой
Нужно, однако, иметь в виду, что процесс рекристаллизации наклепанного металла при температурах, определяемых приведенной формулой, имеет затухающий характер: быстрый вначале он сильно замедляется со временем.
Поэтому на заводах после холодной деформации (прокатки, волочения) изделия для снятия наклепа нагревают до температур, лежащих на 100—200° выше, чем температура рекристаллизации.
Например, для технически чистой меди температура рекристаллизации по приведенной выше формуле лежит около 270° С (абсолютная температура плавления Тпл = 1083 + 273 = 1356° К; Трекр = 0,4-. 1356° К; tpeкp =
270° С), но практически рекристаллизационный отжиг меди проводят при температуре около 350—400° С.
Несколько иначе поступают при отжиге после холодной деформации стальных изделий. В углеродистых сталях температура рекристаллизации лежит около 500—600°. Но поскольку выше примерно 700° в сталях происходят-фазовые превращения, то при выборе температуры рекристаллизационного отжига руководствуются температурами критических точек. Обычно этот же отжиг одновременно используют и для получения мелкозернистой структуры за счет фазовых превращений (вторичная кристаллизация).
Аллотропические превращения. Аллотропическим превращением называют изменение структуры вещества, заключающееся в изменении его кристаллической решетки.
Аллотропические превращения вещества сопровождаются выделением или поглощением тепла, а также и изменением его свойств. Различные аллотропические состояния вещества называются его модификациями. Способность какого-либо вещества существовать в разных модификациях называется полиморфизмом.
Каждой модификации свойственно оставаться устойчивой лишь в пределах определенного для данного тела интервала температур; модификации, устойчивые в интервале наиболее низких температур, принято обозначать через а, модификации следующего температурного интервала -— через р и т. д.
На кривых охлаждения и нагрева переход тела из одного аллотропического состояния в другое получает отражение в виде температурной остановки (для чистых металлов) или изменения характера кривой (для сплавов).
В виде примеров полиморфизма можно указать углерод, известный в модификациях графита и алмаза, из металлов — железо, имеющее три модификации а, у и 3. Аллотропические превращения железа будут подробно рассмотрены ниже.
В сплаве, если компоненты его взаимно нерастворимы и в твердом состоянии, структура представляет собой механическую смесь чистых компонентов, аллотропическое превращение, свойственное какому-либо из компонентов, происходит при постоянной температуре, как и для чистого вещества.
В том случае, когда образуется твердый раствор компонентов сплава, аллотропическое превращение обычно происходит в интервале температур.
Вторичные фазы. Изменение растворимости легирующего компонента сплава в твердом состоянии при понижении температуры часто приводит к тому, что при достаточно медленном охлаждении сплава из твердого раствора выделяется избыточный компонент или в виде какого-либо химического соединения, или в виде твердого раствора на основе этого избыточного компонента. Выделения этих фаз, называемых избыточными или вторичными, располагаются или по границам зерен исходного твердого раствора, или внутри его зерен. При повышении температуры происходит обратный процесс — процесс растворения ранее выделившихся фаз. Эти структурные изменения существенно отражаются на свойствах сплава.
Явления вторичной кристаллизации, т. е. превращения в сплавах в твердом состоянии, подчиняются тем же общим законам кристаллизации, сформулированным выше.
Превращения в твердом состоянии широко используются в практике термической обработки сплавов для изменения свойств сплавов в необходимых направлениях.
Например, термическая обработка стали базируется на использовании аллотропических превращений железоуглеродистых сплавов; эти превращения имеют довольно сложный характер. При термической обработке важного технического сплава дуралюмина (или кольчугалюмина), состоящего в основном из алюминия с добавкой меди, используется распад пересыщенного твердого раствора меди и алюминия.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com