Агрегатные состояния и превращения веществ

Агрегатные состояния и превращения веществ

Как известно, любое вещество может находиться в твёрдом, жидком и газообразном состоянии. Это зависит от температуры, давления, а также от того, как сильно взаимодействуют частицы вещества. Выражаясь точнее, реализация того или иного агрегатного состояния вещества определяется соотношением средней энергии движения его атомов или молекул (Е_кин) и средней энергии их взаимодействия (Е_пот). Если Е_кин > > Е_пот, вещество находиться в газообразном состоянии. При этом частицы вещества располагаются на относительно больших расстояниях друг от друга и практически не взаимодействуют, за исключением случайных столкновений, в которых они разлетаются подобно биллиардным шарам. Двигаясь почти свободно, частицы газа занимают весь предоставленный им объём, и этим объясняется самое общее свойство всех газов – их летучесть.

С понижением температуры уменьшается энергия движения частиц вещества, и всё заметнее начинают проявляться силы межатомного или межмолекулярного взаимодействия. Частицы при случайном столкновении уже не отскакивают друг от друга подобно биллиардным шарам, а как бы «прилипают» друг к другу. Это приводит к переходу вещества в более плотное, конденсированное состояние – сначала в жидкое, а затем и в твёрдое.

В жидком состоянии энергия движения частиц вещества сравнима с энергией их взаимодействия (Е_кин @ Е_пот). В результате связи между частицами оказываются неустойчивыми, легко нарушаемыми тепловым движением. Частицы часто меняют своих ближайших соседей, совершая так называемые перескоки с места на место, чем и объясняется текучесть жидкостей.

В твёрдом состоянии средняя энергия движения частиц вещества не превышает энергию межатомных или межмолекулярных связей (Е_кин < Е_пот). Перескоки частиц совершаются крайне редко, и вещество длительное время сохраняет свою форму, т.е. остаётся твёрдым.

С изменением температуры или давления изменяется соотношение между энергией движения частиц вещества и энергией их взаимодействия. Повышение температуры приводит к возрастанию Е_кин, а повышение давления – к возрастанию Е_пот, и наоборот. Следствием изменения соотношения энергий является переход вещества из одного агрегатного состояния в другое.

Как показывает опыт, чаще на практике находят применение материалы, находящиеся в твёрдом состоянии.

Аморфное и кристаллическое состояние твёрдых тел

Вещества, находящиеся в твёрдом состоянии, могут быть либо аморфными, либо кристаллическими. Аморфное состояние твёрдых тел характеризуется тем, что атомы, молекулы или ионы вещества располагаются в пространстве хаотически. Аналогичную внутреннюю структуру имеют жидкости, но в них частицы вещества за счёт энергии теплового движения совершают частые перескоки с места на место, что и является причиной текучести жидкостей. В аморфных материалах более сильное взаимодействие удерживает частицы вещества вместе и не позволяет им совершать частые перескоки с места на место. В результате образец остаётся твёрдым и не течёт, хотя и имеет структуру жидкости. Учитывая вышесказанное, аморфное состояние обычно отождествляют с переохлаждённой жидкостью, у которой бесконечно высокая вязкость. С повышением температуры вязкость этой «твёрдой жидкости» плавно понижается, вещество размягчается и постепенно переходит из твёрдого состояния в жидкое. Примером материала, находящегося в аморфном состоянии, является обычное оконное стекло, а также янтарь – окаменевшая смола древних деревьев.

Кристаллические материалы переходят в жидкое состояние при постоянной температуре, называемой температурой плавления. Обратный переход осуществляется также при постоянной температуре, называемой температурой кристаллизации.

В кристаллических твёрдых телах частицы вещества располагаются в пространстве упорядоченно, т.е. выстроены правильными рядами, плоскостями, симметричными блоками, что придаёт отдельным кристаллам (монокристаллам) характерную правильную огранку. Кристаллическое состояние твёрдых тел встречается в природе чаще, чем аморфное, поскольку обладает меньшей свободной энергией и, в силу этого, является более стабильным. С течением времени многие аморфные тела стремятся перейти в кристаллическое состояние. Примерами кристаллических материалов являются различные горные минералы (кварц, гранит, рубин, алмаз и т.д.), а также соль, речной песок и глина, состоящая в основном из мелких кристаллов Al₂O₃. Металлы и сплавы также являются кристаллическими материалами. Однако они, в отличие от монокристаллов, имеют поликристаллическое строение, т.е. состоят из множества микроскопических кристалликов неправильной формы (зёрен), случайным образом ориентированных в пространстве.

Необходимо отметить, что одно и то же вещество может быть получено как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, в металлах и сплавах при их сверхбыстром охлаждении из жидкого или газообразного состояний не успевает сформироваться упорядоченная кристаллическая структура и образуется аморфное твёрдое тело (metal glass - металлическое стекло). При этом свойства аморфного металла могут заметно отличаться от свойств кристаллического образца, что свидетельствует о важности внутренней атомной структуры материала в формировании его свойств. Аморфное состояние металлов чаще всего оказывается крайне нестабильным при комнатной температуре. С течением времени наблюдается переход из такого состояния в более стабильное кристаллическое состояние и этот процесс ускоряется с повышением температуры. В тоже время путём подбора химического состава металлических материалов их аморфное состояние иногда удаётся застабилизировать. Примером может служить металлическое стекло Fe₈₀B₂₀, аморфное состояние которого является достаточно стабильным при комнатной и более высоких температурах.

Структура кристаллов

Следует различать понятия кристаллическая решётка и структура кристалла. Структура кристалла – это физическая реальность, конкретное расположение в пространстве различных атомов. Кристаллическая решётка – это геометрический образ структуры, отражающий лишь симметрию расположения частиц кристалла. Для более полного описания структуры кристаллов используют понятие базис. Базисом кристаллической структуры называют совокупность определённым образом расположенных в пространстве различных атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Т.е. перечисляются все полностью принадлежащие одной элементарной ячейке атомы, вместе с их координатами в этой ячейке. Таким образом, если элементарная ячейка определяет размер и форму «элементарных кирпичиков», из которых построен кристалл, то базис определяет «материал» этих кирпичиков. Другими словами, базис это тот «элементарный блок вещества», периодическим повторением которого в пространстве воспроизводится весь рассматриваемый кристалл.

Базис сложных органических кристаллов, состоящих из больших молекул, может включать в себя несколько тысяч различных атомов. В простейшем случае, когда в узлах кристаллической решётки расположены однотипные атомы или ионы, базис состоит только из одной или нескольких таких частиц. Подобная ситуация характерна, в частности, для металлов. Если структуру металла описывает кристаллическая решётка с примитивной ячейкой (рис. 1), то базис такой структуры состоит только из одного атома данного металла. (Действительно, в данном случае, каждый атом металла, расположенный в узле кристаллической решётки, находится на пересечении 8 аналогичных ячеек и принадлежит рассматриваемой ячейке только на ⅛ часть. Но поскольку таких узлов в ячейке 8, то полностью принадлежит ей ровно один атом, составляющий по определению базис. Перемещая этот атом–базис вдоль координатных осей с шагом, соответствующим периодам кристаллической решётки, воспроизводится вся пространственная структура металла). В случае объёмоцентрированной ячейки базис составляют 2 атома металла (атом в центре ячейки полностью принадлежит данной ячейке, плюс один атом дают узлы, расположенные в вершинах ячейки), а гранецентрированной – 4 (каждый из 6 атомов, расположенных в центрах граней, принадлежит рассматриваемой ячейке только на ½ часть).

Система симметрии, величина периодов решётки и базис полностью определяют кристаллическую структуру конкретного материала. Если известны эти параметры, то известной считается и структура кристалла. Однако для более полного описания структуры иногда используют такие дополнительные параметры как координационное число и коэффициент компактности. Координационным числом называют число ближайших равноудалённых соседей любого атома. Если в качестве примера рассматривать структуру, изображенную на рис. 1, то для неё координационное число равно шести. Коэффициент компактности (степень компактности) представляет собой отношение объёма, занятого атомами, ко всему объёму элементарной ячейки. В случае чистых металлов коэффициент компактности может достигать величины 0, 74. Это означает, что 74 % объёма металла занято атомами, а остальную его часть составляют пустоты (поры).

Анизотропия кристаллов

Анизотропия – это зависимость свойств материала от направления.Материал считается изотропным, когда его свойства во всех направлениях одинаковые. Если же с изменением направления свойства материала изменяются, материал считается анизотропным.

Анизотропия характерна для кристаллов и обусловлена их упорядоченной структурой. В кристаллах в различных направлениях атомы располагаются с различной плотностью, т.е. на различном расстоянии друг от друга, что отражается на силе взаимодействия атомов. Как следствие, свойства кристаллов в различных направлениях оказываются различными. Например, в кубическом кристалле в направлении координатных осей атомы вещества располагаются на расстоянии друг от друга равном а (рис.1). В направлении диагонали атомы располагаются на расстоянии а , а в направлении пространственной диагонали – а . Очевидно, такой кристалл легче разорвать в направлении пространственной диагонали, чем в направлении координатных осей, где он обнаруживает наибольшую прочность из-за того, что атомы расположены ближе и сильнее взаимодействуют.

Анизотропия распространяется практически на все свойства кристаллов. Так, кристалл в одном направлении лучше, чем в другом может проводить тепло, электрический ток, свет, лучше намагничиваться и т.д. При этом, чем ниже система симметрии кристалла, тем сильнее проявляется анизотропия его свойств.

В аморфных материалах, из-за хаотического внутреннего строения, атомы в различных направлениях располагаются примерно с одинаковой плотностью. В результате свойства данных материалов в различных направлениях оказываются одинаковыми, т.е. вещество оказывается изотропным.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, также очень часто обнаруживают равенство свойств в различных направлениях, хотя и являются материалами кристаллическими, а не аморфными. Это объясняется их зернистым строением. Зёрна данных материалов, будучи кристаллами, в различных направлениях обнаруживают различные свойства, однако в целом материал оказывается изотропным, поскольку зёрна случайным образом ориентированы в пространстве и при сложении свойств в каждом направлении получается примерно одна, усреднённая величина. Такую изотропию называют ложной изотропией или квазиизотропией.

Иногда зёрна поликристаллических материалов оказываются ориентированными преимущественно в одном направлении. Например, зёрна металлов и сплавов при пластическом деформировании вытягиваются в направлении деформации. Такое явление называют текстурой. При появлении текстуры свойства кристаллических материалов вновь начинают зависеть от направления, т.е. материал оказывается анизотропным.

Полиморфизм металлов

Полиморфизм это такое явление, когда материал в одном интервале температур или давлений имеет одну кристаллическую структуру, а в других интервалах – другую. Иными словами с изменением температуры или давления наблюдается изменение кристаллической структуры материала. Температуру и давление, при которых происходит смена кристаллической структуры материала, называют соответственно температурой и давлением полиморфного или аллотропического превращения.

Различные кристаллографические модификации одного материала принято обозначать буквами греческого алфавита α, β, g, δ, ε, σ и т.д. Модификацию, наблюдаемую при самых низких температурах, обозначают буквой α, при более высоких температурах – β, и т.д.

Ярким примером полиморфизма у неметаллических материалов является наличие двух кристаллографических модификаций чистого углерода, известных как алмаз и графит. Оба материала являются идентичными по химическому составу и отличаются лишь кристаллической структурой. В результате свойства алмаза и графита оказываются существенно различными. Графит это мягкий, хрупкий и непрозрачный материал, в то время как алмаз является одним из наиболее твёрдых минералов, встречающихся в природе, и, как правило, прозрачен.

Полиморфизм достаточно распространённое явление в мире металлов. Многие из металлов обладают полиморфизмом. Например, у Со с повышением температуры ГПУ-структура перестраивается в ГЦК-структуру, а у Ti ГПУ-структура перестраивается в ОЦК-структуру.

Наиболее ярко полиморфизм проявляется у железа, которое при нагреве два раза меняет свою кристаллическую структуру (рис. 11).

ОЦК ГЦК ОЦК жидкость

α -Fe β -Fe γ -Fe δ -Fe

768 911 1392 1539 Т, °С.

Рис. 11. Кристаллографические модификации железа.

При температурах ниже 768°С железо является ферромагнитным материалом, а при температурах выше 768°С – парамагнитным. Ранее считали, что изменение магнитных свойств железа связано с изменением его кристаллической структуры и поэтому ферромагнитное железо стали обозначать α -Fe, а парамагнитное – β -Fe. Позже выяснилось, что это не так. И то и другое железо имеют одинаковую ОЦК-структуру. Однако исторически сложившееся подразделение железа на α -Fe и β -Fe сохранили. В настоящее время железо с ОЦК-структурой, наблюдаемое в интервале температур до 911 ° С, называют α -железом.

В интервале температур от 911 до 1392 °С железо имеет ГЦК-структуру. Такое железо обозначают γ -Fe. ГЦК-структура отличается от ОЦК-структуры более высокой плотностью упаковки атомов. Поэтому при нагреве железа до температур выше 911°С наблюдается уменьшение размера (объёма) образца.

В интервале температур от 1392 до 1539°С железо вновь имеет ОЦК-структуру. Однако период кристаллической решётки этого железа чуть больше чем у α -железа. Такое железо обозначают δ -Fe.

При температурах выше 1539°С чистое железо плавиться и превращается в жидкий расплав.

Другим ярким примером полиморфизма металлов является полиморфизм олова. При температурах ниже -30°С белое и пластичное β -олово (β –Sn) превращается в свою α -модификацию, т.е. в α -Sn, которое является серым порошком. Не имея никакого представления о природе данного явления, его, в своё время, назвали «оловянной чумой».

Явление полиморфизма в очередной раз подчёркивает, что свойства материалов определяются не только их химическим составом, но и в значительной степени их структурой.

3. ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ

И СПЛАВОВ ПРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ

Процесс перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое состояниеназывают кристаллизацией. Обратный процесс называют плавлением. Рассмотрим подробно процесс кристаллизации металлов.

Кривые охлаждения металлов

С увеличением степени переохлаждения расплава возрастает выигрыш в энергии (Δ F), связанный с переходом вещества из жидкого состояния в кристаллическое (на рис. 3.1. Δ F₂ > Δ F₁ ). Эту выделяющуюся при кристаллизации энергию называют скрытой теплотой кристаллизации. Скрытая теплота кристаллизации компенсирует отвод тепла от охлаждаемого жидкого металла пока идёт процесс его затвердевания. В результате температура металла при кристаллизации остается постоянной. Этот факт отражает теоретическая кривая охлаждения чистого металла, содержащая при температуре T_S горизонтальную площадку (рис. 3.2.).

Рис. 3.2. Кривые охлаждения чистых металлов: 1 – теоретическая; 2 – реальная. Т – температура, t – время.

Реальная кривая охлаждения металла выглядит несколько иначе. Она отражает факт переохлаждения расплава и поэтому здесь горизонтальная площадка располагается при температурах ниже T_S. Кроме того, на площадке наблюдается выброс вверх, обусловленный бурным выделением скрытой теплоты кристаллизации в начальный момент затвердевания расплава. Выброс тем больше, чем большая масса металла кристаллизуется.

Строение слитка металла

Зависимость размера зёрен металла от степени переохлаждения расплава наглядно демонстрирует структура слитка металла, в частности структура слитка затвердевшей углеродистой стали (рис. 3.4.).

Этот слиток обнаруживает три характерные зоны: мелкозернистую корочку – 1, зону вытянутых столбчатых кристаллов – 2 и зону неориентированных крупных кристаллов – 3.

Кристаллизация расплава начинается с формирования зоны 1, т.е. со стенок литейной формы, где горячий расплав соприкасается с относительно холодной поверхностью формы. Поскольку степень переохлаждения расплава здесь очень высокая, зёрна металла оказываются мелкими.

Рис. 3.4. Структура слитка стали

На следующем этапе кристаллизации формируется зона столбчатых кристаллов (зона 2). Степень переохлаждения расплава здесь значительно меньше и поэтому зёрна вырастают крупными. В тоже время рост кристаллов происходит в сторону противоположную отводу тепла – от стенок к центру слитка, поэтому зёрна оказываются ориентированными перпендикулярно стенкам формы.

Центральная часть слитка (зона 3) формируется на заключительном этапе кристаллизации. Поскольку степень переохлаждения расплава здесь небольшая, а тепло отводится во все стороны равномерно, зёрна в этой зоне оказываются крупными и неориентированными, т.е. округлыми.

В верхней части слитка формируется усадочная раковина, что связано с уменьшением объема металла при затвердевании. В этой области обычно собираются всевозможные загрязнения и неметаллические включения. Поэтому область слитка с усадочной раковиной подлежит удалению.

4. ДЕФОРМАЦИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

18.Механические свойства и методы механических испытаний материалов (статические, динамические и циклические испытания материалов).

В зависимости от характера нагрузок, подаваемых на испытуемый материал, механические испытания подразделяют на статические, динамические и циклические.

В статических испытаниях нагрузки на образец подаются относительно плавно и сравнительно долго выдерживаются. К статическим испытаниям относят, в частности, испытания материалов на одноосное растяжение, а также испытания, связанные с определением твёрдости материала.

Твёрдостью называют способность материалов сопротивляться деформации в поверхностных слоях при местном контактном воздействии. Для определения твёрдости в образец материала под нагрузкой вдавливают либо стальной закалённый шарик (метод Бринелля), либо алмазную пирамидку (метод Виккерса). Твёрдость вычисляют по отношению нагрузки к площади полученного отпечатка. Таким образом, твёрдость по Бринеллю и Виккерсу имеет смысл давления, выдерживаемого поверхностным слоем материала, при вдавливании в него того или иного индентора. Единицей измерения такой твёрдости является МПа (10⁶ Па). (На практике часто пользуются внесистемной единицей измерения – кгс/мм² = 10 МПа). В методе Роквелла твёрдость определяют по глубине проникновения в материал алмазного конуса (для твёрдых материалов) или стального закалённого шарика (для более мягких материалов).

В динамических испытаниях нагрузки, подаваемые на испытуемый материал, являются кратковременными (ударными). К испытаниям такого рода относятся, в частности, испытания на ударный изгиб, в которых определяется ударная вязкость материала ( КС ). Метод основан на разрушении стандартного образца материала с надрезом на поверхности одним ударом маятникового копра. По разнице высот поднятия копра до и после удара (h₁ и h₂) определяют работу разрушения А_р, а затем ударную вязкость материала:

А_р = mg(h₁ – h₂), КС = А_р / S₀ , (4.1)

где m – массакопра, S₀ - площадь поперечного сечения образца в месте надреза. Вязкие материалы отличаются от хрупких более высоким значением КС. Если испытания проводятся при различных понижающихся температурах, то появляется возможность определить порог хладноломкости материала, т.е. такую температуру, при охлаждении до которой величина КС резко уменьшается и вязкое разрушение сменяется хрупким.

В циклических испытаниях нагрузки, подаваемые на испытуемый материал, носят продолжительный характер и могут изменяться со временем по определённому закону (например, синусоидальному или пилообразному). К динамическим испытаниям относятся испытания на усталость и ползучесть материала. Усталостью называется процесс постепенного накопления повреждений в металле под воздействием длительных переменных напряжений. Следствием усталости является образование и развитие усталостных трещин, приводящих, в конечном счёте, к разрушению материала. В испытаниях на усталость образец круглого сечения вращается в условиях постоянно действующей нагрузки на изгиб. (Рис 4.1). При этом напряжение в образце циклически меняет знак. В ходе испытаний регистрируют разрушающее напряжение и соответствующее ему число циклов. В результате определяют предел выносливости s_-1 – максимальное напряжение цикла, которое выдерживает металл без разрушения.

Ползучестью называют пластическую деформацию материала при очень маленьких, но продолжительных нагрузках.

Рис. 4.1. Циклические испытания материала.

Фазы металлических сплавов

В сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, химические соединения, чистые компоненты в твёрдом состоянии, а также твёрдые растворы.

В расплавленном состоянии компоненты сплавов обычно образуют неограниченные жидкие растворы. В этом случае сплав является однофазным и состоит только из одного жидкого раствора.

В твёрдом состоянии компоненты сплава могут образовывать химические соединения, если вступают в химическое взаимодействие друг с другом. В химическом соединении наблюдается строгое соотношение компонентов, что можно выразить химической формулой А_nВ_m, где А и В это компоненты сплава, а m и n – целые числа. В одном сплаве может образовываться несколько химических соединений с различной химической формулой (например, А₂В, А₃В₄ и т.п.). Химические соединения обладают своей собственной структурой и свойствами, отличными от структуры и свойств образующих их элементов А и В.

Если компоненты сплава А и В растворяются друг в друге в твёрдом состоянии, то тогда наблюдается образование твёрдых растворов А(В) или В(А). В первом случае компонент А является растворителем, а В растворённым компонентом. Во втором случае - наоборот. При образовании твёрдых растворов сохраняется кристаллическая структура компонента-растворителя. В общем случае А(В) ¹ В(А).

Возможны два типа твердых растворов: твёрдые растворы замещения и твёрдые растворы внедрения. При образовании твёрдых растворов замещения атомы растворенного компонента замещают атомы растворителя в узлах его кристаллической решетки.

- А

- В

Правило отрезков

Правило отрезков позволяет в любой точке двухфазовой области диаграммы состояния определять относительное количество и химический состав обеих фаз. Для этого необходимо через выбранную точку провести горизонтальную линию, соответствующую выбранной температуре. Так через точку b на рассматриваемой диаграмме состояния проходит линия, соответствующая температуре Т₁. Эта линия пересекает линии, ограничивающие двухфазную область диаграммы состояния, в точках а и с. В данном случае отношение отрезка bс к ас будет равно доле жидкой фазы, а отношение отрезка аb к ас - доле твёрдой фазы. Как видно из диаграммы, с уменьшением температуры от точки 1 до точки 2, отрезок bс сокращается. Это соответствует уменьшению относительного количества жидкой фазы. Отрезок аb, напротив, увеличивается, что соответствует увеличению доли твёрдой фазы.

Химический состав жидкой фазы определяется проекцией точки а на ось (шкалу) концентраций, а состав твёрдой фазы - проекцией точки с на эту же ось. Как видно из диаграммы в начальный момент кристаллизации, т.е. в точке 1, состав жидкой фазы близок к К₁, а состав твёрдой фазы определяется проекцией точки s. В конечный момент кристаллизации, т.е. в точке 2, состав жидкой фазы определяется проекцией точки f, а состав твёрдой фазы стремится к К₁. Таким образом, в процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус (участок 1-f), а твёрдой фазы - по линии солидус (участок s-2). Общее же содержание компонентов в сплаве при любой температуре остается неизменным и равным К₁, просто в процессе кристаллизации происходит перераспределение компонентов между жидкой и твёрдой фазами.

В начальный момент затвердевания выпадают кристаллы богатые более тугоплавким компонентом В. По мере уменьшения температуры, доля этих кристаллов нарастает, а концентрация тугоплавкого компонента в них уменьшается. Жидкость, при этом, обогащается более легкоплавким компонентом А. Изменение химического состава твёрдой фазы, в процессе кристаллизации, происходит за счёт того, что более легкоплавкий компонент А из жидкой фазы поступает в твёрдую фазу и растворяется в ней. Если кристаллизация идёт достаточно быстро, то процесс диффузионного перераспределения компонентов не успевает завершиться и тогда наблюдается неоднородность зёрен по химическому составу. Центр зёрен оказывается обогащенным более тугоплавким компонентом В, а границы зёрен - более легкоплавким компонентом А. Неоднородность зёрен по химическому составу называют микроликвацией.

Если процесс кристаллизации идёт достаточно медленно, то есть если этот процесс является равновесным, то зёрна успевают выровняться по химическому составу. В таком случае формируется однородный сплав, каждая точка которого имеет одинаковый химический состав, равный К₁.

Образование графитных включений в чугунах.

В чугунах, отличающихся от сталей повышенным содержанием углерода, углерод может находится не только в связанном состоянии (в виде цементита), но и в свободном состоянии, т.е. в виде графитных включений различной формы. Эти включения могут образовываться как из жидкой фазы, при кристаллизации расплава, так и из твёрдой фазы (цементита) при его нагреве и длительной выдержке. Процесс образования графитных включений в чугунах называют графитизацией.

На процесс графитизации существенное влияние оказывает скорость охлаждения жидкого расплава. Если расплав охлаждается достаточно быстро, атомы углерода не успевают собраться в графитные включения и в сплаве наблюдается образование цементита. Не смотря на то, что цементит является менее устойчивой, чем графит, фазой, его химический состав (6, 67 % С) ближе к химическому составу жидкого расплава, чем химический состав графита (100 % С). Поэтому при высоких скоростях охлаждения расплава цементит образуется с большей вероятностью, чем графит. При медленном (равновесном) охлаждении жидкого расплава создаются условия благоприятные для диффузии атомов углерода и образования в структуре сплава графитных включений.

Процессу графитизации чугунов способствует наличие в жидком расплаве не растворившихся частиц графита и частиц SiO₂, Al₂O₃, AlN. Все эти неметаллические включения при кристаллизации чугунов могут играть роль центров графитизации.

На процесс графитизации также существенное влияние оказывает химический состав чугунов. Так кремний, являющийся постоянной примесью в чугунах, способствует процессу графитизации, а марганец, напротив, препятствует. Изменяя соотношение в сплаве Si и Mn, можно управлять процессом графитизации. Содержание Si в графитных чугунах может достигать 4 - 5%, а Mn должно быть не более 1%. Сера также препятствует процессу графитизации и ведёт к отбеливанию чугунов. Её отбеливающее влияние в 5-6 раз сильнее влияния Mn. В то же время, S снижает жидкотекучесть чугунов, повышает усадку, склонность к образованию трещин и пузырей. По этой причине сера в чугунах является кране нежелательной, вредной примесью. Фосфор, напротив, повышает жидкотекучесть чугунов и практически не влияет на процесс графитизации. Фосфор в чугунах не считается вредной примесью.

Отжиг и нормализация сталей

Отжиг состоит в нагреве сталей до определённых температур с последующей выдержкой и медленным охлаждением их в печи. В результате отжига сталь приобретает равновесную структуру, свободную от остаточных напряжений.

Различают отжиг первого и второго рода.Отжиг первого рода не связан с фазовыми превращениями в сталях. В зависимости от назначения отжиг первого рода может быть либо диффузионным, либо рекристаллизационным, либо отжигом для снятия внутренних напряжений.

Диффузионный отжиг применяют для устранения неоднородности слитков стали по химическому составу. С этой целью образец нагревают до температур порядка 1000°С и выдерживают при данной температуре до тех пор, пока диффузионные процессы в образце не приведут к выравниваю химического состава слитка (т.е. к устранению ликвации).

Рекристаллизационный отжиг производят с целью устранения наклёпа в деформированных сталях. Как известно, в ходе холодной пластической деформации сталей развивается наклёп. Зёрна материала вытягиваются в направлении деформации, твёрдость и прочность стали возрастает, а её пластичность снижается. При нагреве деформированных сталей до температур рекристаллизации наблюдается процесс образования новых округлых зёрен взамен старых вытянутых зёрен. В ходе рекристаллизации твёрдость и прочность сталей уменьшается, а пластичность возрастает, приобретая значения, близкие к тем, которые были до деформации. Температуры, при которых наблюдается рекристаллизация сталей, превышают 400°С.

Отжиг для снятия внутренних напряжений применяется с целью устранения в сталях механических напряжений, возникших в результате обработки давлением, резанием, плавлением и так далее. Нагрев в данном случае осуществляется до относительно невысоких температур, не превышающих температур фазовых превращений. По термическому режиму данный отжиг похож на отпуск, но имеет иное назначение.

Отжиг второго рода, напротив связан с фазовыми превращениями в сталях, поэтому его называют также фазовой перекристаллизацией. Он может быть полным и неполным. Полный отжиг заключается в нагреве стали до температур на 30-50°С выше линии GSE диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 7.3). Неполный – заключается в нагреве стали до температур на 30-50°С выше линии PSK. После медленного охлаждения с печью сталь при полном отжиге приобретает структуру мелкозернистой смеси феррита с цементитом. Полному отжигу обычно подвергают доэвтектоидные стали с целью измельчения зерен материала и улучшения его пластических свойств. Полный отжиг приводит к улучшению обрабатываемости доэвтектоидных сталей резанием, поэтому относится к подготовительным операциям. Неполному отжигу обычно подвергают инструментальные заэвтектоидные стали. В ходе такого отжига исчезает сетка вторичного цементита, который приобретает округлую зернистую форму. Это благоприятно отражается на механических свойствах сталей, в частности, повышается их ударная вязкость. Такую термическую операцию называют сфероидизирующим отжигом.

Если после нагрева и выдержки сталей охлаждение производится не вместе с печью, а на воздухе, то такую операцию называют нормализацией. В ходе нормализации исчезают внутренние напряжения, а структура сталей становиться более мелкозернистой, т.е. «нормальной». Нормализация более дешёвая операция, чем отжиг. В то же время для низкоуглеродистых сталей нет различий в свойствах между отожжённым и нормализованным состояниями. Различия в структуре и свойствах начинают проявляться только с увеличением содержания углерода. Поэтому низкоуглеродистые стали лучше подвергать нормализации, вместо отжига.

Рис. 7.3. Температуры нагрева при отжиге и закалке сталей.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒