Что называется структурной составляющей
Характеристика фаз и структурных составляющих железо породистых сплавов.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Саратовский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УГЛЕРОДА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ
Методические указания к учебно-исследовательской лабораторной работе по курсам: «Материаловедение», «Материаловедение и технология конструкционных материалов» для студентов машиностроительных и механических специальностей всех форм обучения
Одобрено редакционно-издательским советом Саратовского государственного технического университета
Цель работы: Изучить взаимосвязь внутреннего строения с механическими свойствами и химическим составом углеродистых сталей.
Основные понятия.
Характеристика фаз и структурных составляющих железо породистых сплавов.
Диаграмма состояния позволяет проследить за процессами, происходящими в сплавах при нагревании и охлаждении, определить сплавы, обладающие хорошими литейными свойствами, установить режимы термической и химико-термической обработки, указать, какую структуру будут иметь сплавы в равновесном состоянии(медленно охлажденные), по микроструктуре рассчитать химический состав сплава.
Чтобы понять диаграмму необходимо в первую очередь познакомиться со строением и свойствами исходных компонентов, а так же фаз и структур составляющих данную систему.
Цементит (Fe3С)-карбид железа, содержит 6,67 % С, имеет орторомбическую кристаллическую решетку, обладает магнитными свойствами, тепло- и электропроводностью. Обычным травителем цементит не окрашивается (рис 1, д). Различают цементит первичный (Ц1), который выделяется из жидкого сплава, цементит вторичный (Ц2), выделяющийся из аустенита и цементит третичный (Ц3), выделяющийся из феррита. Все они являются одной фазой, образуются из-за снижения растворимости углерода в твердой фазе, имеют один и тот же состав, строение и свойства. Цементит тверд, прочен и хрупок.
Каждая точка диаграммы (рис. 2) состояния сплава характеризует строго определенные явления при соответствующей температуре.
Линия АЕСF- линия солидус, ниже этой линии все сплавы в твердом состоянии, на ней при охлаждении заканчивается первичная кристаллизация сплавов
По структуре в равновесном состоянии стали делятся на три группы:
2) Эвтектоидные, содержащие 0,8 % углерода. Структура при комнатной температуре состоит т из чередующихся пластинок феррита и цементита. Такая структура называется пластинчатым перлитом (рис 1, г).
3) Заэвтектоидные, содержащие углерода от 0,8% до 2,14%. Структура этих сталей при комнатной температуре состоит из перлита и цементита в виде светлой сетки по границам зерен перлита (рис. 1, д).
4)Техническое железо имеет структуру феррита (рис. 1, а).
Превращения доэвтектоидной стали.
Железо при различных температурах имеет различное кристаллическое строение.
Это явление называют аллотропией или полиморфизмом. Переход из одной кристаллической формы в другую в железе показан на кривой охлаждения (рис. 3).
Выше линии ликвидус (рис. 2) сталь находится в расплавленном состоянии. При охлаждении в точке 1 начинается, а в точке 2 заканчивается первичная кристаллизация по реакции (Ж t°1-t°2 А). Здесь и в дальнейшем в реакции показано, какая фаза в какую превращается (Ж→А) и в каком температурном интервале это превращение происходит (t°l- t°2), как изменяются составы фаз в процессе кристаллизации (1-1′).
Превращения эвтектоидной и заэвтектоидной сталей.
Первичная кристаллизация эвтектоидной (Х2) и заэвтектоидной стали (ХЗ) (рис.2) происходит аналогично доэвтектоидной. Вторичная кристаллизация звтоктоидной стали (Х2) происходит при температуре t =727 °С полным распадом аустенита по реакции (АtsП).
Вторичная кристаллизация заэвтектоидной стали (Х3) начинается на линии ЕС частичным распадом аустенита с образованием избыточного цементита по реакции (Аt8-tsЦ2), концентрация углерода в нем уменьшается по отрезку (8-S).Заканчивается перекристаллизация эвтектоидным превращением при температуре ts = 727° С по реакции (AtsП). При охлаждении до комнатной температуры происходит перекристаллизация в эвтектоидном феррите по реакции (Фts-0Ц3).
Методика эксперимента
Устройство микроскопа, приемы настройки па резкость изображения и различное увеличение описаны в лабораторной работе
Определение структурных составляющих и их количественного соотношения.
Наблюдая под микроскопом структуру стали, необходимо сравнить ее визуально с фотографиями микроструктур из атласа и определить фазы и структурные составляющие (феррит, цементит и перлит) в каждой стали по их металлографическим признакам. Здесь же определить её структурную принадлежность к доэвтектоидной стали, эвтектоидной или заэвтектоидной стали.
Приблизительно (по соотношению площадей фаз в зоне наблюдения) определить количество феррита с перлитом в доэвтектоидной и перлита с избыточным цементитом в заэвтектоидной стали в процентах Количество избыточного цементита в заэвтектоидной стали обычно колеблется в пределах 1-10.
Определение количества углерода и марки стали по структуре.
Любая сталь состоит из двух фаз феррита и цементита в феррите содержится ничтожное количество углерода, поэтому им пренебрегают. Известно, что в перлите связанный цемент занимает 12% или 0,12 объёма (площади), а в цементите содержится 6,67 % углерода Таким образом, в перлите количество углерода равно:
Сп = (0.12 * 6 67)Fn /100 =0.8%. (1)
Структура доэвтектоидной стали отличается только количеством перлита, поэтому количество углерода в них определяется по уравнению:
Сэвт = (0.12 * 6.67)Fn /100, %, (2)
Сзаэвт. = ((0.12 * 6.67)Fn + 6 67*Fu)/100, %, (3)
Определение механических свойств стали.
Определение твердости по Бринеллю производится по ГОСТ 9012-59 на твердомере TT.U закаленным шариком диаметром 10 мм под нагрузкой 30000 Н. Отпечаток выполнен на противоположной от поверхности шлифа стороне образца.
После выполнения микроанализа студенты измеряют диаметр отпечатка в двух взаимно перпендикулярных направлениях на каждом образце с помощью микроскопа МБС-1 с точностью до 0,05 мм При измерении каждого диаметра отпечатка нужно строго следить за резкостью изображения края отпечатка и расположением шкалы микроскопа точно по его диаметру.
По усредненным величинам диаметров отпечатков в таблице 3 находится соответствующее значение твердости НВ.
Числа твердости полученные при нагрузке 30000 Н и ширине диаметром 10 мм. Между пределом прочности (МПа) и числом твердости НВ для стали существует зависимость 3.5 НВ.
Определив количество углерода, марку стали по нему, её твердость НВ и предел прочности по таблице 1 из ГОСТ 1050-74 можно найти относительное удлинение, характеризующее пластичность этой марки стали.
Совокупность характеристик прочности, твёрдости, и пластичности стали определяет область применения материала и эксплуатационные характеристики детали.
Понятие сплав. Компоненты сплава. Фазы и структурные составляющие
Сплав – вещество, полученное сплавлением нескольких элементов. Другими словами, сплав – это твердое вещество, обладающее всеми признаками металлов и состоящее из 2-х и более химических элементов. Состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок специально вводимых в сплавлегирующих и модифицирующих элементов, а также из неудалённых примесей (природных, технологических и случайных).
Компонент – элемент или химическое соединение, входящее в состав сплава (элементы или химические соединения, образующие сплав). Компонент, преобладающий в сплаве количественно, называется основным. Компоненты, вводимые в сплав для придания ему нужных свойств, называются легирующими.
Фазовая составляющая (фаза) – однородная часть сплава, характеризующаяся определенным составом, свойствами, типом кристаллической решетки и отделенная от других частей сплава поверхностью раздела (при переходе через которую химический состав, структура, а, следовательно, свойства меняются скачкообразно).
Сплавы могут быть и однофазными и многофазными. Однофазные сплавы всегда состоят из кристаллов твердого раствора одного вида (состава).
В многофазных сплавах может одновременно присутствовать несколько структурных составляющих: 1) кристаллы твердого раствора (одного или нескольких составов), 2) кристаллы химических соединений, 3) кристаллы компонент сплава, 4) эвтектики и 5) эвтектоиды.
Основными структурами, составляющими железоуглеродистые сплавы, являются следующие.
Феррит – твердый раствор углерода в α-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 γ–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.
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.
1. В жидком состоянии компоненты сплава обычно неограниченно растворяются друг в друге, образуя жидкие растворы.
Что называется структурной составляющей
СТРУКТУРА и СВОЙСТВА СПЛАВОВ
Многие считают, что для оценки свойств сплавов достаточно знать их химический состав. Но это не совсем так. Например, многие сплавы после термообработки становятся намного прочнее, хотя химсостав при этом не меняется. И, наоборот, небольшое изменение химического состава сплава может вызвать непропорционально большое изменение его механических или технологических свойств.
На самом деле важно знать, каким образом составляющие компоненты присутствуют в сплаве, а для этого надо знать его фазовый состав. Можно считать, что химический состав определяет возможные свойства, а фактические свойства определяются фазовым составом.
1. Фазовый состав и микроструктура
3. Структурные составляющие сплавов
4. Диаграммы состояний
5. Фазовые превращения
6. Фазовый состав и свойства сплавов
7. Примеси в металлах и сплавах
8. Фазовый состав медных сплавов
1. ФАЗОВЫЙ СОСТАВ и МИКРОСТРУКТУРА
Чистые металлы после кристаллизации всегда состоят из кристаллитов одного типа, т.е. из зерен одинакового химического состава. Совокупность зерен (кристаллитов) одинакового химического состава называется фазой. Все чистые металлы являются однофазными.
В отличие от чистых металлов процесс образования сплавов намного сложнее. Результат кристаллизации редко бывает однозначным, поскольку определяется несколькими факторами: взаимной растворимостью компонент, условиями охлаждения, последующей термообработкой. Если сплав состоит из зерен одного химического состава, то он является однофазным (гомогенным). Если образуются кристаллы разного химического состава, то сплав считается многофазным (гетерогенным), а разновидности образующихся кристаллов определяют его фазовый состав.
Зерна разных фаз могут по-разному сосуществовать друг с другом. Невооруженным глазом зёренное строение не видно, оно доступно только при микроскопическом исследовании полированных, предварительно протравленных шлифов. Строение сплава, наблюдаемое через микроскоп, называется микроструктурой (на практике очень часто говорят просто «структура»).
Участки микроструктуры, которые одинаково выглядят при рассмотрении через микроскоп, называются структурными составляющими. Они имеют однообразную форму, дисперсность (размеры) и взаимное расположение зерен. Структурные составляющие могут состоять из а) кристаллов одной фазы или б) из зерен нескольких фаз.
Свойства сплавов определяются их микроструктурой, т.е. видом и составом структурных составляющих, которые, в свою очередь, определяются фазовым составом.
2. ВОЗМОЖНЫЕ ФАЗЫ в СПЛАВАХ
Кратко рассмотрим фазы, которые могут существовать в сплавах.
2.1. Твердый раствор
Твердый раствор это кристаллическое образование, состоящее из атомов разного сорта, которые образовали общую кристаллическую решетку. Важно, что эта решетка того же типа, что и решетка основного металла (растворителя), хотя имеет искажения, степень которых возрастает с увеличением доли растворенной компоненты. Свойства твердого раствора изменяются по отношению к свойствам основного металла пропорционально доле атомов, вошедших в раствор. В частности, увеличивается прочность. По этой причине сплавы на основе твердого раствора всегда прочнее «базового» металла.
По степени концентрации растворенной компоненты твердый раствор может быть ненасы-щенным, насыщенным и пересыщенным.
Чаще всего растворимость одного металла в другом не только ограничена, но и зависит от температуры. Например, максимальная растворимость хрома в меди при 1072 о С составляет 0.65%, а при 400 о С только 0.05%. Если концентрация хрома в сплаве меньше 0.05%, то всегда образуются кристаллы ненасыщенного твердого раствора.
При большей концентрации возможны варианты. Медленное охлаждение приведет к тому, что при комнатной температуре будут существовать кристаллы насыщенного твердого раствора с предельной концентрацией хрома 0.05%, а остальная часть хрома выделится в виде избыточных кристаллов хрома. При быстром же охлаждении (закалка) образуются зерна пересыщенного твердого раствора (с концентрацией хрома выше предельной). Кристаллы пересыщенного раствора содержат больше растворенной компоненты, чем кристаллы насыщенного раствора. Поэтому закаленный сплав имеет большую прочность, чем медленно охлажденный, при этом уровень пластичности сохраняется (если же закалка приводит к мартенситному превращению, например в сталях, то упрочнение сопровождается снижением пластичности).
Ненасыщенный раствор устойчив к изменениям температуры, являясь стабильной фазой. Пересыщенный раствор является метастабильной, т.е. неустойчивой фазой. При определенных условиях он распадается на насыщенный раствор и избыточные кристаллы растворенной компоненты (или химического соединения, образованного компонентами сплава). Этот процесс лежит в основе термоупрочнения сплавов с переменной растворимостью.
Твердый раствор, образованный основным металлом сплава, называется ? -твердым раствором ( ? -фаза). В многокомпонентных сплавах в ? -раствор могут входить не одна, а несколько компонент. Обычно введение одной компоненты изменяет растворимость другой.
Твердый раствор может образоваться и на основе легирующей компоненты, а также на основе некоторых химических соединений (см. ниже).
2.2. Чистые металлы
2.3. Химические соединения
Особое место занимают, так называемые, электронные соединения. Это название связано с тем, что для них имеются определенные соотношения между числом атомов Na и числом валентных электронов N e . Каждому такому соотношению соответствует определенный тип кристаллической решетки и устоявшееся название:
3. СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ СПЛАВОВ
Чистые металлы – однофазны, поскольку состоят только из кристаллов чистого металла. Сплавы могут быть и однофазными и многофазными. Однофазные сплавы всегда состоят из кристаллов твердого раствора одного вида (состава).
В многофазных сплавах может одновременно присутствовать несколько структурных составляющих: 1) кристаллы твердого раствора (одного или нескольких составов), 2) кристаллы химических соединений, 3) кристаллы компонент сплава, 4) эвтектики и 5) эвтектоиды.
Первые три структурных составляющих представляют собой кристаллы рассмотренных выше фаз. А эвтектики и эвтектоиды – это однородные композиции из кристаллов разных фаз. Важно, что кристаллы в них сильно измельчены по сравнению с кристаллами твердого раствора или первичными кристаллами. При рассмотрении в микроскоп они выглядят одинаковыми участками, имеют особые свойства и поэтому являются самостоятельными структурными составляющими.
Эвт (А+В) – первичные кристаллы чистых металлов А и В.
Эвт (?+В) – зерна твердого раствора ? и кристаллы компоненты В.
Эвтектики имеют важную особенность. Они плавятся при температуре, которая меньше температуры плавления составляющих её фаз.
Особой структурной составляющей является мартенсит (чаще всего образуется в сталях).
4. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ
Описание любых сплавов всегда начинается с рассмотрения их диаграмм состояний. Поэтому имеет смысл разобраться, что на них изображено и зачем они нужны. Существует с десяток видов диаграмм.
Одна из них показана на рисунке и описывает систему, две компоненты которой (А и В) неограниченно растворимы в жидком состоянии, но ограниченно растворимы в твердом состоянии. По вертикальной оси отложена температура, по горизонтальной – концентрация компоненты В. Такая диаграмма позволяет рассматривать свойства целого семейства сплавов.
Линии KCD и KE показывают как зависят от концентрации В температуры начала (ликвидус TL ) и окончания кристаллизации (солидус TS ). Величина интервала кристаллизации, ( TL – TS ), в котором растут кристаллы твердого раствора А и В, зависит от состава сплава.
Поскольку «нормальная» кристаллизация не завершается, отвердение жидкой фазы должно закончиться иначе: при температуре ТЭВТ из оставшейся части жидкого раствора образуется эвтектика. Соответствующая температура называется эвтектической, а линия EF – линией эвтектики.
Пересечение линии солидус с линией эвтектики определяет точку С (точка эвтектики). Ей соответствует состав сплава, называемый эвтектическим. Видно, что эвтектический состав имеет температуру (а не интервал!) плавления ТЭВТ , которая ниже температуры плавления компонент, составляющих сплав. Этот факт объясняет происхождение термина: на древнегреческом «эвтектика» означает «легкоплавкая».
Диаграмма состояния позволяет определить:
1. области существования сплавов с однотипной микроструктурой (на рисунке выделены цветом)
2. превращения, которые могут происходить при изменении температуры
3. возможные фазы и структурные составляющие, которые и определяют свойства сплавов.
4. интервалы кристаллизации и температуры проведения различных видов термообработки.
5. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ в СПЛАВАХ
Сразу отметим, что диаграммы состояния отражают изменения, которые происходят только при медленном понижении температуры. Однако они помогают рассмотривать и быстропротекающие процессоы. Покажем это на примере приведенной диаграммы.
1. Сплавы типа (1). Концентрация В Bmin .
После завершения кристаллизации сплав состоит из одной фазы (твердый раствор В в А) при любых температурах. Фаза А(В) называется ? -фазой или ? -раствором. В таких сплавах фазовый состав не меняется с температурой и не зависит от скорости охлаждения.
2. Сплавы типа (2). Концентрация B min B max .
Сразу после кристаллизации сплав состоит из зерён ? -раствора, т.е. является однофазным. Но после охлаждения до Т2, соответствующей пределу растворимости для данной концентрации, кристаллы твердого раствора уже не могут содержать столько компоненты В, сколько её содержится в сплаве. Поэтому после охлаждения твердый раствор будет иметь состав, соответствующий минимальной растворимости компоненты В, а её избыточная часть выделится из ? -раствора в виде вторичных кристаллов В 2 (или кристаллов химического соединения). Такой процесс называется распадом твердого раствора (вторичная кристаллизация). Насыщенный раствор обозначим ? s .
Следовательно, ниже температуры Т 2 сплав становится двухфазным: ? s + B2 . Количество вторичных кристаллов в сплавах тем больше, чем ближе концентрация к B maх . Описанный процесс происходит только при медленном охлаждении.
При быстром охлаждении (закалка) получается однофазный сплав: вторичные кристаллы не успевают выделиться, и получается пересыщенный твердый раствор. Это второй вариант существования сплава с такой концентрацией.
Если сплав с фазой пересыщенного твердого раствора нагреть выше Т2, выдержать при этой температуре (старение), а затем медленно охладить, то получится сплав с мелкодисперсными выделениями вторичных кристаллов. Это приводит к увеличению пределов текучести и прочности. Это третий вариант существования сплава той же концентрации.
3. Сплавы типа (3). Концентрация B max B ЭВТ – «доэвтектические» сплавы.
После полного охлаждения сплав состоит в основном из ? s и Эвт. Кристаллы твердого раствора ? s успели сформироваться в ходе «обычной» кристаллизации, а эвтектика образовалась из «недокристаллизовавшейся» части жидкого раствора.
4. Сплавы типа (4). Концентрация В> B ЭВТ – «заэвтектические» сплавы.
«Обычная» кристаллизация прерывается при ТЭВТ и жидкая часть кристаллизуется в виде эвтектики. После полного охлаждения сплав состоит из двух структурных составляющих: В и Эвт.
5. Сплав (5). Концентрация В= B С – эвтектический сплав.
Для сплава с таким составом кристаллизация происходит не в интервале температур, а при эвтектической температуре с образованием одной лишь эвтектики, состоящей из мелких кристаллов обеих компонент: Эвт(А+В). При больших скоростях кристаллизации чисто эвтектическую структуру будут иметь сплавы, отличающиеся по составу от эвтектического.
Даже из рассмотренного частного случая можно сделать важные выводы:
1) небольшие количественные изменения химического состава могут качественно изменить фазовый состав и микроструктуру сплава.
2) для многих сплавов фазовый состав и микроструктура зависят от скорости охлаждения после кристаллизации или последующей термообработки.
6. ФАЗОВЫЙ СОСТАВ и СВОЙСТВА СПЛАВОВ
Механические, технологические и другие свойства, в конечном счете, определяются фазовым составом и структурными составляющими. Этим объясняется целесообразность существования большого количества сплавов, часто «незначительно» отличающихся по своему химическому составу. Существует определенная связь между фазовым составом и свойствами сплавов.
1. Однофазные сплавы на основе ненасыщенного ? -раствора имеют высокую пластичность при низких и высоких температурах, поэтому хорошо поддаются и холодной и горячей деформации. Отсутствие фазовых превращений при изменении температуры исключает возможность их термоупрочнения, поэтому они упрочняются только холодной деформацией.
2. Многофазные сплавы с малопластичными или хрупкими фазами имеют пониженную пластичность. Обычно они ограниченно поддаются обработке давлением (например, только в «горячем» или «холодном» состоянии) или вообще не деформируются.
3. Сплавы, имеющие в своем составе компоненты с переменной растворимостью, допускают термоупрочнение (путем закалки и последующего старения).
4. Сплавы с составом, близким к эвтектическому, имеют повышенные литейные свойства (из-за отсутствия крупных первичных кристаллов применяются доэвтектические сплавы).
Сплавы, допускающие горячую и (или) холодную обработку давлением (прессование, волочение, прокатка, ковка) относятся к деформируемым сплавам. Сплавы с хорошими литейными свойствами называются литейными. Такое деление часто условное, т.к. многие сплавы используются и как деформируемые и как литейные.
По способу упрочнения сплавы делят на термоупрочняемые и упрочняемые давлением. Многие сплавы допускают упрочнение и термообработкой и давлением.
7. ПРИМЕСИ в МЕТАЛЛАХ и СПЛАВАХ
В заключение вкратце рассмотрим влияние примесей. Они неизбежно присутствуют в металлах и сплавах, в той или иной степени ухудшая их свойства. Сначала рассмотрим влияние примесей на «чистые» металлы.
1. Примесь растворима в металле.
В этом случае она образует с металлом твердый раствор малой концентрации. При этом самостоятельная структурная составляющая не образуется. Такие примеси слабо влияют на механические свойства металлов, но сильно изменяют их физико-химические свойства – ухудшают коррозионную стойкость, тепло- и электропроводность.
2. Примесь нерастворима в металле.
В этом случае примесь входит в металл в составе эвтектики, которая выпадает по границам зерен основного металла. Нерастворимые примеси могут влиять на механические и технологические свойства металлов даже в малых концентрациях.
В частности, нерастворимые легкоплавкие примеси приводят к красноломкости. Это относится, например, к примесям Pb, Bi и Sb в меди. Висмут, не растворяясь в меди, присутствует в ней в составе эвтектики. Она состоит практически из чистого висмута (0.2% Cu +99.8% Bi ) и плавится при 270 о С. При нагреве эвтектика плавится, образуя межкристаллитные прослойки жидкой фазы, что ведет к снижению пластичности при температурах 300-400 о С (красноломкость). Тугоплавкие примеси образуют тугоплавкие эвтектики и к красноломкости не приводят.
3. Примесь образует с основным металлом химическое соединение.
Например, кислород образует с медью закись меди Cu2O. Её кристаллы входят в эвтектику Эвт(Cu — Cu 2 O), располагающуюся по границам кристаллов меди. Т.е. кислород присутствует в меди в составе эвтектики. Примеси серы и фосфора образуют с медью сульфиды и фосфиды, которые образуют самостоятельные структурные составляющие. Такие примеси обычно ухудшают механические и технологические свойства. Например, кислородсодержащая медь менее технологична при производстве тонкой проволоки, (электропроводность при этом уменьшается незначительно).
4. Различные примеси взаимодействуют между собой, образуя самостоятельное соединение.
Обычно это проявляется в уменьшении пластичности. Но в некоторых случаях происходит нейтрализация вредного воздействия одних примесей другими. Например, примесь висмута в меди, взаимодействуя с кислородом, образует окись висмута, которая оказывает менее вредное действие, чем кислород и висмут по отдельности.
Общий вывод состоит в следующем. Растворимые примеси изменяют физико-химические свойства металла. Примеси, образующие структурные составляющие, влияют на механические и технологические свойства и часто ухудшают коррозионные свойства. Увеличение содержания примесей часто ведет к увеличению температуры начала рекристаллизации, т.е. улучшает жаропрочность.
Из сказанного следует, что свойства чистых металлов характеризует не содержание основного металла, а количество конкретных примесей. Разные примеси присутствуют в разной форме и по-разному влияют на свойства основного металла. Поэтому для конкретных целей металл с чистотой 99.6% может оказаться хуже металла 99.5%, если у них разное содержание критической примеси.
Сказанное в отношении чистых металлов, в целом справедливо и для сплавов.
Например, нерастворимые в меди примеси Pb, Bi и Sb, образуя легкоплавкие эвтектики, являются такими же вредными примесями в простых латунях, как и в меди. В многокомпонентных сплавах количество примесей всегда больше, чем в чистых металлах (они попадают в сплав с каждой компонентой), кроме того, они могут взаимодействовать не только друг с другом, но и с легирующими компонентами. Структурные составляющие, образованные примесями, как правило, ухудшают коррозионные свойства, конструкционную прочность и технологичность сплавов. Поэтому сплавы, предназначенные для ответственного применения, производят из металлов повышенной чистоты.
8. ФАЗОВЫЙ СОСТАВ (и структура) МЕДНЫХ СПЛАВОВ
В качестве иллюстрации материала рассмотрим фазовый состав латуней и бронз.
8.1. СТРУКТУРА ЛАТУНЕЙ
Простые латуни Л90, Л85, Л80, Л75, Л70, Л68 – это однофазные сплавы, состоящие из кристаллов ? -твердого раствора цинка в меди (их называют ? -латуни). Чем больше цинка вошло в ? -раствор, тем латунь прочнее. Все ? -латуни пластичны, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.
Выше 460 о С ? -фаза является неупорядоченным раствором с хорошей пластичностью. Ниже 460 о С ? -твердый раствор упорядочивается и становится хрупким. Поэтому двухфазные ( ? + ? ) латуни хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии (когда пластичны обе фазы) и хуже при обычных температурах (когда пластична только ? -фаза).
Однофазными ? -латунями являются: ЛО90-1, ЛО70-1, ЛК80-3, ЛН65-5, ЛА85-0.5 Они имеют высокую пластичность и хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.
Двухфазными ( ? + ? ) латунями являются: ЛО62-1, ЛО60-1, ЛМц58-2, ЛАН59-3-2.
Двух- и многофазные латуни ограниченно обрабатываются давлением.
8.2. СТРУКТУРА БРОНЗОВЫХ СПЛАВОВ
В бронзовых сплавах используется большое количество легирующих элементов в самых разных сочетаниях. Они характеризуются многообразием структурных составляющих и сильной зависимостью фазового состава от способа получения полуфабриката. Некоторые компоненты имеют переменную растворимость, что допускает термоупрочнение некоторых бронз.
Оловянные бронзы.
Основные легирующие элементы кроме олова – свинец, цинк, фосфор.
БрОФ4-0.2 (однофазная). Структура: кристаллы ? –раствора. Деформируемая (в горячем и холодном состоянии).
Приведенные примеры показывают, как с увеличением легирования растет количество структурных составляющих. При этом ухудшается технологическая пластичность и бронзы из класса деформируемых переходят в категорию литейных.
Алюминиевые бронзы.
БрА5 и БрА7: однофазные со структурой ? –раствора. Деформируемые (в холодном и горячем состоянии). БрАМц9-2: кристаллы ? –раствора и эвт-ид ( ? + ? 2 ). Бронза деформируемая (в горячем и холодном состоянии). БрАЖ9-4: кристаллы ? –раствора, кристаллы ? Fe и эвт-ид ( ? + ? 2 ). Бронза деформируемая (в горячем состоянии). Текст не закончен