1463

Процесс плавки протекает быстро; нормальная скорость ее со­ ставляет 1,2—1,3 мин. на 100 кг переплавляемого концентрата с выходом ~1000 кг ферротитана в течение 17—19 мин.

По окончании плавки и затвердевания расплава образующийся блок из ферротитаиа и шлака в шахте выдерживают около 5 час., затем его извлекают, охлаждают водой и отделяют ферротитан от шлака. Полученный ферротитан дробят на куски весом 10 кг. Таким способом получают ферротитан следующего химического

состава	(табл.	6).				Т а б л и ц а 6
	Химический состав ферротитана по ГОСТу 4761—54
			Содержание, %
Марка	Ti	С	отношение	Си	отношение	S	Р
	не менее		Si/Ti		Al/Ti
ТиО	25,0	0,15	0,18	3,0	0,25	0,05	0,05
Ти1	23,0	0,15	0,2	3,0	0,27	0,05	0,05
Ти2	23,0	0,15	0,28	4,0	0,40	0,08	0,08
Шлаки обычно содержат до				70%	А120 3 и	их используют

в абразивной или огнеупорной промышленностях.

Глава II

ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1.ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ

Кристаллизация, строение и структура металлов

Главнейшей особенностью строения металлов является упоря* доченность расположения атомов, характерная для всех кристал­

лических тел. М. В. Ломоносов впервые указал, что строение ме­ таллов (медь и золото) сходно со строением кристаллов солей. Он писал, что металл это «светлое тело, которое ковать можно». Данное Ломоносовым определение в настоящее время допол­ няется указанием на высокую теплопроводность металлов, осо­ бенно чистых.

Кристаллическое строение является причиной того, что ме­ таллы обладают рядом свойств, которых не имеют аморфные тела.

В телах, имеющих равномерное расположение атомов, можно всегда мысленно выделить наименьший комплекс атомов, разме­ щение которых в пространстве одинаково и многократно повто­ ряется и характеризует расположение атомов данного металла. Такой комплекс атомов называется элементарной кристалличе­ ской решеткой. Большая часть металлов имеет решетки: кубиче­ ские объемноцентрированные (рис. 28, а), кубические гранецен­ трированные (рис. 28, б) и гексагональные (рис. 28,в). Наиболее плотными, содержащими наибольшее количество атомов на один

итот же объем, являются металлы с гранецентрированной куби­ ческой и с гексагональной решеткой.

Междуатомные расстояния (периоды решетки) весьма малы

ине превышают нескольких ангстремов *, поэтому расположение атомов в металле (тип решетки) можно установить только с по­ мощью рентгеноструктурного анализа.

Большинство атомов каждой элементарной решетки одновре­

менно принадлежит нескольким соседним элементарным решет-

* 1А 1СГ8 см.

кам. В частности, элементарной объемноцентрированной решетке принадлежит целиком только центральный атом, остальные же атомы каждого узла, расположенные в вершинах куба, принад­ лежат одновременно восьми элементарным решеткам. Таким образом, на все восемь узлов решетки приходится один полный атом, т. е. на одну элементарную решетку объемноцентрированного куба приходится только два полных атома, хотя она по­ строена из девяти атомов. Соответственно на* элементарную ре­ шетку гранецентрированного куба приходится четыре атома, поскольку на восемь узлов решетки приходится один атом, и на шесть граней три атома.

о

Рис. 28. Элементарные кристаллические	решетки:
а — объемноцентрированная; б — гранецентрированная;	в — гексагональная

Большое значение имеет также координационное число, ха­ рактеризующее число атомов, находящихся на наиболее близком расстоянии от данного атома. Для решетки объемноцентрированного куба оно равно 8, а для решетки гранецентрированного куба 12.

В жидких металлах и сплавах, нагретых значительно выше температуры плавления, атомы расположены неупорядоченно. По мере приближения к температуре затвердения атомы начи­ нают получать более ориентированное положение, приближаю­ щееся к правильному расположению их в твердом металле. Затвердение металла характеризуется образованием кристаллов. Концом затвердения считается исчезновение жидкой фазы.

Из законов термодинамики известно, что все самопроизволь­ ные процессы протекают с уменьшением свободной энергии. Этому же закону подчиняется и кристаллизация металлов. При определенной для каждого сплава температуре затвердения (плавления) Ts система может находиться как в твердом, так и в жидком состоянии. При температурах выше Ts системе энер­ гетически выгодно находиться в жидком состоянии, а при темпе­ ратуре ниже Ts— в твердом.

Движущей силой, заставляющей тела переходить из одного агрегатного состояния в другое, является разность свободных энергий. Однако при температуре Ts эта разность равна нулю, поэтому для начала кристаллизации необходимо некоторое пере­ охлаждение Л7\

Степень переохлаждения (ДГ) характеризуется разностью температур между теоретической Ts и фактической температурой затвердевания Гф.

В процессе затвердевания происходит скрытое выделение теп­ ла, компенсирующее отводимое тепло, вследствие чего на кривых охлаждения кристаллических веществ в отличие от аморфных тел есть горизонтальный участок (рис. 29).

Кристаллизация начинается с образования большого количе­ ства зародышей, которые становятся устойчивыми и приобретают способность к росту только при достижении критического размера.

Чем больше скорость охлаждения, тем больше степень пере­ охлаждения, тем больше разность свободных энергий и тем мень­ ше критический размер зародышей.

Время

Рис. 29. Кривые охлаждения:

а — аморфного тела; б — металла с небольшой степенью переохлаждения; в — с большой степенью переохлаж­

дения

Обычно зародыши растут в длину с большей скоростью, чем в ширину, образуя так называемые оси кристаллизации. От пер­ вых осей в перпендикулярных направлениях происходит рост новых осей. От этих новых осей, также в перпендикулярных на­ правлениях, в свою очередь растут новые оси и т. д. Образовав­ шиеся ветви разветвляются и утолщаются, что приводит к их срастанию и образованию сплошного кристалла.

Такая кристаллизация называется дендритной, кристалл, за­ полненный не полностью, дендритом (рис. 30).

В процессе кристаллизации, пока жидкость окружает образо­ вавшийся и еще растущий кристалл, последний имеет относи­ тельно правильную огранку. Однако и в этом случае кристаллы могут иметь вытянутую форму. Это наблюдается в том случае* когда в охлаждающейся жидкости отвод тепла совершается пер­ пендикулярно стенкам формы; в этом же направлении более интенсивно растет образовавшийся кристалл.

По мере роста кристаллы начинают между собой соприка­ саться, что мешает образованию правильной формы, поэтому

Поскольку металлы и сплавы поликристалличны, ориентация зерен друг к другу случайна, анизотропия в значительной степени устраняется, т. е. металлы приобретают ложную изотропию (ква­ зиизотропию) .

Строение реальных сплавов может несколько отличаться от описанного выше. В металлах могут присутствовать примеси, влияющие на процесс кристаллизации и искажающие решетку. В некоторых узлах кристаллической решетки могут отсутствовать атомы; такие узлы, незаполненные атомами, называются вакан­ сиями.

Весьма отличными от идеального строения являются границы зерна, где больше всего дефектов. Кроме того, при кристаллиза­ ции к границам оттесняются примеси, имеющие более низкую температуру плавления, чем основной металл.

Многие факторы, вызывающие дефекты, являются причиной мозаичности структуры, т. е. каждое зерно в отдельности состоит из отдельных блоков, повернутых относительно друг друга на небольшой угол, в то время как сами зерна друг к другу повер­ нуты в любом направлении.

По способности каждого такого блока в кристалле рассеивать рентгеновы лучи когерентно в одной фазе эти блоки иногда еще называют о б л а с т я м и к о г е р е н т н о г о р а с с е я н и я .

Блочность кристаллов оказывает большое влияние на свой­ ства металлов, в частности измельчение блоков, как правило, сопровождается повышением твердости и прочности и наоборот.

Большое влияние на свойства металлов оказывают и другие несовершенства кристаллической решетки. Уже упоминались то­ че чные несовершенства такие, как в н е д р ё н н ы е а т о м ы и в а к а н с и и .

Весьма важными л и н е й н ы м и несовершенствами являются

д и с л о к а ц и и — нарушения	периодичности	кристаллической
решетки в виде лишних (или	отсутствующих)	атомных рядов

и плоскостей. Линии дислокаций ограничивают области в кри­ сталле, где скольжение уже произошло, от областей, где скольже­ ние еще не происходило. Таким образом, процессы пластического деформирования тесно связаны с движением дислокаций в плос­ кости скольжения кристаллов.

Если получить кристалл, у которого отсутствовали бы дисло­ кации, то пластическая деформация в таком кристалле была бы затруднена, т. е. он имел бы повышенную прочность. Такие кри­ сталлы металлов в последнее время получены. Это так называе­ мые «усы» диаметром в несколько микрон и длиной в несколько миллиметров. Их 'прочность действительно близка к теоретиче­ ской и составляет для железа более 1000 кг/мм2.

В реальных металлах имеется значительное число несовер­ шенств. При плотности дислокаций 105—107 1/см2прочность наи­

меньшая — отожженное состояние. Линии дислокаций образуют сетку, находящуюся преимущественно по границам блоков. Уве­ личение плотности дислокаций соответствует увеличению протя­ женности этих границ, т. е. измельчению блоков. При этом движе­ ние дислокаций будет затруднено в связи с пересечением их друг с другом. Прочность металлов будет возрастать. Такое увеличе­ ние плотности дислокаций, приводящее к упрочнению материала, можно получить путем механического наклепа и термической обработки. При сочетании термической и механической обработ­ ки удается довести плотность дислокаций до 10й—1012 1/см2, при этом прочность стали достигает 400—500 кг/мм2.

Некоторые металлы (Fe, Sn) в твердом состоянии имеют в разных интервалах температур различные кристаллические ре­ шетки. Существование одного металла в нескольких кристалли­ ческих решетках называется полиморфизмом или аллотропией.

Когда затвердевший сплав, имеющий определенное кристалли­ ческое строение, достигает температур перехода в новое кристал­ лическое строение, происходит также образование зародышей и их рост подобно тому, как это происходит при переходе из жидкого в твердое состояние. Перестройка одного типа решетки в другой происходит также с тепловым эффектом и при постоян­ ной температуре.

Многие свойства металлов, в том числе и механические, в зна­ чительной степени зависят от величины зерен. Сплавы с мелким зерном имеют большую пластичность и прочность. Как уже было указано раньше, мелкозернистое строение может быть полу­ чено при образовании большого количества центров кристаллиза­ ции (зародышей) и достигается быстрым охлаждением. Однако поскольку середина застывает значительно медленнее, чем по­ верхностные слои, в практических условиях бывает затруднитель­ ным быстро охлаждать застывший металл, особенно, если его отливают в большие формы.

В настоящее время разработаны условия, позволяющие регу­ лировать величину и получать одинаковые и мелкие зерна во всей массе отливки. Этот способ называется м о д и ф и ц и р о в а ­ нием. Существо модифицирования заключается в том, что наряду с центрами кристаллизации, которые создаются самим металлом, в нем создаются дополнительные центры кристаллиза­ ции или поверхностей пленки, мешающие росту кристаллов.

Модифицирование осуществляется путем присадки в жидкий металл специальных веществ, получивших название модификато­ ров. В частности, при модифицировании цветных металлов поль­ зуются специальными солями натрия, а при модифициррвании стали пользуются раскислителями, продукты раскисления кото­ рых могут служить центрами кристаллизации. В последнем слу­ чае учитывается принцип структурного соответствия, согласно

которому зародышем может быть вещество, структурно подоб­ ное кристаллизующейся фазе.

Диаграммы состояния

Строение сплавов

Сплавы состоят из двух и более компонентов; в расплавлен­ ном состоянии компоненты большинства сплавов взаимно рас­ творяются К

Переход сплава из жидкого в твердое состояние называется первичной кристаллизацией. При первичной кристаллизации воз­ можно образование несколько типовых структур сплавов. Рас­ смотрим главнейшие типы структур для сплавов из двух компо­ нентов (А и В).

Рис. 31. Однофазная	Рис. 32. Двухфазная
структура	структура

Жидкий раствор превращается в твердый раствор, когда зер­ на сплава состоят из кристаллических решеток одного компо­ нента (растворителя), а атомы другого компонента полностью растворены в этой решетке.

Сплавы, образующие твердые растворы, имеют однофазную структуру (рис. 31). Они обычно пластичны, поддаются ковке (особенно, если раствор не очень большой концентрации).

Бывают разные типы твердых растворов,	к а к р а с т в о р ы
в н е д р е н и я , когда атомы растворенного	компонента очень

малы и размещаются в междоузлиях решетки компонента раство­ рителя, и р а с т в о р ы з а м е щ е н и я , когда атомы растворен­ ного компонента занимают в решетке места атомов компонента растворителя. В первом случае растворимость бывает ограничен­ ной, а во втором случае она может быть и неограниченной. Последнее определяется характером решеток и разностью разме­ ров атомов растворителя и растворенного вещества.

1 Существуют и другие, менее распространенные способы образования спла­ вов, например путем смешения порошков и их спекания.

Жидкий раствор превращается в механическую сплавленную смесь А + В, т. е. состоящую из зерен компонента А и компонен­ та В, когда компоненты в твердом состоянии взаимно нераст­ воримы и при первичной кристаллизации происходит диффузи­ онное разделение их с образованием самостоятельных кристал­ лических решеток А и В. Структура такого сплава двухфазна (рис. 32).

Вследствие химического взаимодействия при затвердевании образуются кристаллы с новой кристаллической решеткой, со­ стоящей из атомов обоих компонентов. Такие кристаллы обра­ зуются при определенном количественном соотношении компо­ нентов и представляют собой химическое соединение со свойства­ ми, отличными от свойств составляющих компонентов. Обычно химические соединения весьма тверды и хрупки. Структура та­ кого сплава однофазна.

На практике встречаются также фазы, представляющие собой промежуточные состояния между твердыми растворами и хими­ ческими соединениями.

Правило фаз

Фазой называется однородная часть системы, отделенная от остальных частей поверхностью раздела. Например, жидкий рас­ плав, твердый раствор — это фазы. Смесь двух компонентов — две фазы (жидкий раствор плюс твердый раствор).

Системой называется совокупность фаз при различных кон­ центрациях, давлениях и температурах. Закономерности всех изменений системы подчиняются правилу фаз.

Компонентами называются вещества, которые образуют сплав.

Сплавы бывают двухкомпонентными, трехкомпонентными и т. д. Правило фаз для металлических сплавов выражается двумя

уравнениями

Ф < К + 1,

(1)

т. е. число фаз (Ф) при равновесии системы может быть меньше или равно числу компонентов (К) плюс единица.

С = ( К+ D —Ф-

(2)

Число степеней свободы (С) — возможность изменения факто­ ров равновесия (температуры, концентрации и давления) без из­ менения числа фаз в системе— равно числу компонентов плюс единица минус число фаз.

Линии на диаграммах состояния сплавов (например, рцс. 32), отражающие равновесное состояние, соответствуют правилу фаз. Например, при двухкомпонентном сплаве одновременное суще­ ствование трех фаз (жидкий раствор, компонентов А и В) делает систему безвариантной, так как С = 2 + 1— 3 = 0.

Рис. 33. Кривые охлаждения различных сплавов

Такое состояние возможно только при одной температуре (различной для различных систем) и характеризуется горизон­ тальной линией на диаграммах состояния, где на оси ординат откладывается температура, а на оси абсцисс откладывается концентрация.

Любое изменение температуры приводит к уменьшению числа фаз. Одновременное существование всех трех фаз требует не только постоянной температуры, но строго определенной кон­ центрации жидкой фазы.

Наклонные линии на	диаграммах состояния означают то, что
превращения протекают	в интервале температур, т. е. о наличии
одной степени свободы	(одновариантность системы), что воз­

можно при одновременном существовании двух фаз. Рассмотрим подробнее способы

построения диаграмм состояния для различных сплавов.

При кристаллизации чистых ме­ таллов выделение скрытого тепла выражается на кривой охлаждения в виде площадки. При кристаллиза­ ции ж<е сплавов затвердевание про­ исходит в интервале температур. По­ скольку и в этом случае происходит выделение скрытого тепла, кривые охлаждения замедляют свой ход.

На рис. 33 показаны некоторые кривые, характеризующие ход осты­ вания различных сплавов. Согласно кривой а, сплавы затверде­

вают между температурами t\ и to. Согласно кривой б, сплав так­ же затвердевает между температурами t\ и t2, но при темпера­ туре t2 значительная часть сплава еще не затвердела и оконча­ ние затвердевания при этой температуре требует известного вре­ мени. Согласно кривой в, сплав затвердевает длительно при од­ ной температуре, подобно чистому металлу.

Если построить систему координат температура — концентра­ ция, спроектировать на эту систему в виде точек места перегибов из экспериментально полученных кривых охлаждения и соеди­ нить между собой точки начала затвердевания и точки конца затвердевания, то получаются различные диаграммы, получив­ шие название диаграммы равновесия или состояния сплавов.

Диаграммами равновесия они называются потому, что кривые, по которым они строятся, получаются при медленном охлажде­ нии, обеспечивающем равновесие системы.

Все известные диаграммы состояния могут быть разделены на несколько типов.