Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
лекции МВ.docx
Скачиваний:
191
Добавлен:
28.03.2015
Размер:
2.9 Mб
Скачать

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Общее свойство металлов и сплавов — их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристал­лической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространст­венной сеткой с ионами (атомами) в узлах.

Атомно-кристаллическая структура может быть представлена не ря­дом периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Трансля­цией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла (рис. 1.1).

В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узламирешетки. Расстояния ab и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки. Величина их в металлах порядка 0,1–0,7 нм, размеры элементарных ячеек — 0,2–0,3 нм.

Рис. 1.1. Кристаллическая решетка

Для однозначного описания элементарной ячейки кристаллической решетки необходимо знание величин параметров a,bc и углов между ними.

В 1848 г. французский ученый Бравэ показал, что изученные трансляционные структуры и элементы симметрии позволяют выделить 14 типов кристаллических решеток.

На рис. 1.2 показаны три типа элементарных ячеек кристаллических решеток, наиболее характерные для металлов: объемноцентрированная кубическая (ОЦК); гранецентрирован­ная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП), а также схемы упаковки в них атомов.

В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК; А1) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (рис. 1.2, б).

В кубической объемноцентрированной решетке (ОЦК; А2) атомы расположены в вершинах куба, а один атом — в центре его объема (рис. 1.2, а).

В гексагональной плотноупакованной решетке (ГП; А3) атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы (рис. 1.2, в).

Для характеристики кристаллических решеток вводят понятия координационного числа и коэффициента компактности. Координационным числом Iкназывается число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решеток ГЦК и ГП оно составляет 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чем решетки ГЦК и ГП. В решетке ОЦК каждый атом имеет всего 8 ближайших соседей, а в решетках ГЦК и ГП их 12.

Рис. 1.2. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток металлов и схемы упаковки в них атомов:  а) гранецентрированная кубическая (ГЦК);  б) объемноцентрированная кубическая (ОЦК);  в) гексагональная плотноупакованная (ГП) решетка

Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары, то нетрудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности.

Коэффициент компактности Q равен отношению суммарного объема атомов, входящих в решетку, к объему решетки:

где R — радиус атома (иона); n — базис, или число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку; V — объем элементарной ячейки.

Для простой кубической решетки n = (1/8) · 8 = 1; V = a3 = (2R)3, коэффициент компактности Q = 52 %.

Схема определения базиса ОЦК решетки приведена на рис. 1.3. На решетку ОЦК приходится два атома: один центральный и один как сумма от вершин куба, так как ячейке принадлежит 1/8 атома от каждого угла.

Для ОЦК решетки n = (1/8) · 8 + 1 = 2. Учитывая, что атомы соприкасаются по диагонали куба, длина которой равна 4 атомным радиусам, параметр решетки  а коэффициент компактности QОЦК = 68 %.

Проведя аналогичные вычисления, найдем  QГЦК = 74 %, QГП = 74 %.

Таким образом, решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК.

Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропииПринято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом α (α-Fe), при более высокой индексом β, затем γ и т.д.

Известны полиморфные превращения железа:  Fe« Fe(a-Fe « g-Fe), титана Ti« Tig   (a-Ti « g- Ti) и других элементов.

Рис. 1.3. Схема определения базиса ОЦК решетки

Температура превращения одной кристаллической модификации в дру­гую называется температурой полиморфного превращения.

При полиморфном превращении меняются форма и тип кристалли­ческой решетки. Это явление называется перекристаллизацией. Так, при температуре ниже 911 °С устойчиво Fea, в интервале 911–1392 °С устойчи­во Feg. При нагреве выше 911 °С атомы решетки ОЦК перестраиваются, образуя решетку ГЦК. На явлении полиморфизма основана термическая обработка.

При переходе из одной полиморфной формы в другую меняются свой­ства, в частности плотность и соответственно объем вещества. Например, плотность Feg на 3 % больше плотности Fea, а удельный объем соответст­венно меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термооб­работке.

Полиморфизм олова явился одной из причин гибели полярной экспедиции английского исследователя Р. Скотта. Оловом были запаяны канистры с керосином. При низкой температуре произошло полиморфное превращение пластичного белого олова с образованием хрупкого порошка серого олова. Горючее вылилось и испарилось, и на обратном пути экспедиция осталась без топлива. Превращение белого олова в серое называют «оловянной чумой».

Типы кристаллических решеток важнейших металлических эле­ментов приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Типы кристаллических решеток важнейших  металлических элементов

А. Металлы с одним типом решетки

Тип решетки

Координационное число

Коэффициент  компактности

Металл

ГЦК

12

74

Ag,Au,Pt, Cu,Al,Pb,Ni

ОЦК

8

68

Na, K,V,Nb, Cr, Mo, W

ГПУ

12

74

Be,Mg,Zn,Cd

Б. Металлы с полиморфным превращением

Металл

Тип решетки

Температура  превращения, °С

Ca

ГЦК « ГП

450

Ce

ГП «ГЦК

477

Zr

ГП «ОЦК

882

Ti

ГП «ОЦК

882

Fe

ОЦК«ГЦК«ОЦК

911, 1 392

Свойства материалов зависят от природы атомов, из которых они со­стоят, и силы взаимодействия между ними. Аморфные материалы характе­ризуются хаотическим расположением атомов. Поэтому свойства их в раз­личных направлениях одинаковы, или, другими словами, аморфные мате­риалы изотропны. В кристаллических материалах расстояния между ато­мами в разных кристаллографических направлениях различны. Напри­мер, в ОЦК решетке в кристаллографической плоскости, проходящей через грань куба, находится всего один атом, так как четыре атома в вершинах одновременно принадлежат четырем соседним элементарным ячейкам: (1/4) 4 = 1 атом. В то же время в плоскости, проходящей через диагональ куба, будут находиться два атома: 1 + (1/4) 4 = 2.

Из-за неодинаковой плотности атомов в различных направлениях кри­сталла наблюдаются разные свойства. Различие свойств в кристалле в за­висимости от направления испытания называется анизотропией.

Разница в физико-химических и механических свойствах в разных направлениях может быть весьма существенной. При измерении в двух взаимно перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расширения различаются в 3–4 раза, а прочности кристалла железа — более, чем в два раза.

Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов или для так называемых монокристаллов. Большинство же технических литых ме­таллов, затвердевших в обычных условиях, имеют поликристаллическое строение. Они состоят из большого числа кристаллов или зерен (рис. 1.4, а). При этом каждое отдельное зерно анизотропно. Различная ориентировка отдельных зерен приводит к тому, что в целом свойства поликристалличе­ского металла являются усредненными.

Поликристаллическое тело характеризуется квазиизотропностью — ка­жущейся независимостью свойств от направления испытания. Квази­изотропность сохраняется в литом состоянии, а при обработке давлением (прокат­ке, ковке), особенно, если она ведется без нагрева, большинство зерен ме­талла приобретает примерно одинаковую ориентировку — так называемую текстуру (pиc. 1.4, б), после чего металл становится анизотропным. Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления главной деформации могут существенно различаться. Анизотропия может приводить к дефектам ме­талла (расслою, волнистости листа). Анизотропию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии получения деталей.

Дефекты строения кристаллических тел

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное по­вторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла ха­рактерно наличие большого количества де­фектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти де­фекты оказывают существенное влияние на свойства материала.

Различают три типа дефектов кристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты

Точечные дефекты (рис. 1.5) характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диамет­ров. К точечным дефектам относятся: а) свободные места в узлах кристал­лической решетки — вакансии (дефекты Шоттки); б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки — дислоци­рованные атомы (дефекты Френкеля); в) атомы других элементов, находя­щиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки — при­месные атомы.

Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации под воздей­ствием тепловых, механи­ческих, электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами.

Вакансии и дислоцированные атомы могут появляться вследствие тепловых движений атомов. В характерных для металлов решетках энергия образования дислоцированных атомов значительно больше энергии образования тепловых вакансий. Поэтому основными точечными дефектами в металлах являются тепловые вакансии. При комнатной температуре концен­трация вакансий сравнительно невелика и составляет около 1 на 1018 атомов, но резко повышается при нагреве, особенно вблизи температуры плав­ления. Точечные дефекты не закреплены в определенных объемах металла, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке в результате диффузии.

Рис. 1.4. Ориентировка кристаллических решеток: а) в зернах литого металла;  б) после обработки давлением

Рис.1.5. Точечные дефекты в кристаллической решетке: а) вакансия; б) дислоцированный атом

Присутствие вакансий объясняет возможность диффузии — перемещения атомов на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния для данного металла. Перемещение атомов осуществляется путем обмена местами с вакансиями. Различают самодиффузию и гетеродиффузию. В первом случае перемещения атомов не изменяют их концентрацию в отдельных объемах, во втором — сопровождаются изменением концентрации. Гетеродиффузия характерна для сплавов с повышенным содержанием примесей.

Точечные дефекты приводят к локальным изменениям межатомных расстояний и, следовательно, к искажениям кристаллической решетки. При этом увеличивается сопротивление решетки дальнейшему смещению атомов, что способствует некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление.

Вакансии, дислоцированные атомы и другие точечные дефекты обна­ружены при исследовании металлов с помощью автоионного микроскопа, дающего увеличение свыше 106 раз.

Линейные дефекты

Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов — дислокации (лат. dislocation — смещение). Теория дислокаций была впервые применена в середине тридцатых годов ХХ века физиками Орованом, Поляни и Тейлором для описания процесса пластической деформации кристаллических тел. Ее использование позволило объяснить природу прочности и пластичности металлов. Теория дислокаций дала возможность объяснить огромную разницу между теоретической и практической прочностью металлов.

На рис. 1.6 приведена схема участка кристаллической решетки с одной «лишней» атомной полуплоскостью, т. е. краевой дислокацией. Линейная атомная полуплоскость PQQ'Р' называется экстраплоскостью, а нижний край экстраплоскости — линией дислокации. Если экстра­плоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком «», если в нижней — то отрицательной и обозначают знаком «–». Различие между дислокациями чисто условное. Перевернув кристалл, мы превращаем положительную дислокацию в отрицательную. Знак дислокации позволяет оценить результат их взаимодействия. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного — притягиваются.

Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться и винтовые дислокации (рис. 1.7).

Винтовые дислокации могут быть по­лучены путем частичного сдвига атомных слоев по плоскости Q, кото­рый нарушает параллельность атомных слоев. Кристалл как бы закру­чивается винтом вокруг линии EF. Линия EF является линией дисло­кации. Она отделяет ту часть плоскости скольжения, где сдвиг уже завершился, от той части, где сдвиг еще не происходил. Винтовая дисло­кация, образованная вращением по часовой стрелке, называется пра­вой, а против часовой стрелки — левой.

Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест и кристал­лическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряже­ний: выше линии дислокации решетка сжата, а ниже растянута.

Рис. 1.6. Краевая дислокация

Рис. 1.7. Винтовая дислокация

Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дисло­каций может достигать большой величины. Под плотностью дислокаций r обычно понимают суммарную длину дислокаций S l, приходящуюся на еди­ницу объема V кристалла: r = S l/V. Таким образом, размерность плотно­сти дислокаций r: см/см3, или см–2. Для отожженных металлов плотность дислокаций составляет величину 106–103 см–2, после холодной деформации она увеличивается до 1011–1012 см–2, что соответствует примерно 1 млн ки­лометров дислокаций в 1 см3.

Использование теории дислокаций позволило объяснить большое расхож­дение между теоретической и фактической прочностью металлов. Теорети­ческая прочность должна быть пропорциональна произведению сил меж­атомной связи на число атомов в сечении кристалла.

Расчетное усилие для смещения одной части кристалла относительно другой оказалось на 2–3 порядка выше фактически затрачиваемого при пластической деформации металла. Так, теоретическая прочность железа составляет около 13 000 МПа, а фактическая — всего 250 МПа.

Такое расхождение теоретической и фактической прочности объясняет­ся тем, что деформация происходит не путем одновременного смещения целых атомных плоскостей, а путем постепенного перемещения дислока­ций. Влияние дислокаций на процесс пластической деформации на примере краевых дислокаций показано на рис. 1.8. Пластический сдвиг является следствием постепенного перемещения дислокаций в плоскости сдвига. Распространение скольжения по плоскости скольжения происходит после­довательно. Каждый элементарный акт перемещения дислокации из одного положения в другое совершается путем разрыва лишь одной вертикальной атомной плоскости. Для перемещения дислокаций требуется значительно меньшее усилие, чем для жесткого смещения одной части кристалла отно­сительно другой в плоскости сдвига. При движении дислокации вдоль на­правления сдвига через весь кристалл происходит смещение верхней и нижней его частей лишь на одно межатомное расстояние. В результате переме­щения дислокация выходит на поверхность кристалла и исчезает. На по­верхности остается ступенька скольжения.

В лекции о роли дислокаций Орован в качестве аналогии движения дислокаций приводил примеры перемещения таких представителей животного мира, как дождевой червь или змея. Они скользят по поверхности земли, последовательно перемещая участки своего тела. При этом участки, через которые прошла  волна  возмущения, восстанавливаютисходную форму. В случае пластического сдвига позади переместившейся дислокации атомная структура верхних и нижних слоев восстанавливает свою исход­ную конфигурацию.

Рис. 1.8. Схема пластической деформации путем последовательного перемещения дислокации в простой кубической решетке:  а) исходное состояние краевой дислокации (^);  б) контур Бюргерса вокруг дислокации;  в) контур Бюргерса для неискаженной решетки после скольжения

Другой аналогией движения дислокаций является перемещение складки на ковре. Последовательное перемещение складки потребует значительно меньше усилий, чем перемещение всего ковра по поверхности пола, хотя в обоих случаях будет достигнут один и тот же результат — ковер переместится на одинаковое расстояние (рис. 1.9).

Дислокации легко перемещаются в направлении, перпендикулярном экстраплоскости. Чем легче перемешаются дислокации, тем ниже проч­ность металла, тем легче идет пластическая деформация.

Пластическая деформация кристаллических тел связана с количеством дислокаций, их шириной, подвижностью, степенью взаимодействия с де­фектами решетки и т. д. Характер связи между атомами влияет на пластич­ность кристаллов. Так, в неметаллах с их жесткими направленными связя­ми дислокации очень узкие, они требуют больших напряжений для старта — в 103 раз больших, чем для металлов. В результате хрупкое разрушение в неметаллах наступает раньше, чем сдвиг.

Таким образом, причиной низкой прочности реальных металлов явля­ется наличие в структуре материала дислокаций и других несовершенств кристаллического строения. Получение бездислокационных кристаллов приводит к резкому повышению прочности материалов (рис. 1.10).

Левая ветвь кривой соответствует созданию совершенных бездислокационных ни­тевидных кристаллов (так называемых «усов»), прочность которых близка к теоретической.

При ограниченной плотности дислокаций и других искажений кристал­лической решетки процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дис­локаций находится в объеме металла.

С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций в металле и их плотность увеличивается. Помимо параллельных дислокаций возникают дислокации в разных плоскостях и направлениях. Дислокации воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемешаться, происходит их аннигиляция (взаимное уничтожение) и т. д., что позволило Дж. Гордону образно назвать их взаимодействие в процессе пластической деформации «интимной жизнью дислокаций». С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затруд­ненным,  что  требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется, что соответствует правой ветви кривой на рис. 1.11.

Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся ато­мы растворенных в металле примесей и леги­рующих элементов, частицы выделений второй фазы, границы зерен или блоков и т. д. На практике пре­пятствие движению дислокаций, т. е. упрочнение, создается введением дру­гих элементов (легирование), наклепом, термической или термо­механической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится более прочным, но хрупким.

Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями: 1) получением металлов с близким к идеальному строением кристаллической решетки, т. е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало; 2) либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.

Поверхностные дефекты

Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть границы зерен, грани­цы фрагментов внутри зерна, границы блоков внутри фрагментов. Соседние зерна по своему кристаллическому стро­ению имеют неодинаковую про­стран­ст­венную ориентировку решеток. Блоки повернуты друг по отноше­нию к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут, их размер 10–5 см. Фрагменты имеют угол разориентировки не более 5°. Если угловая разориентировка решеток соседних зерен меньше 5°, то такие границы на­зываются малоугловыми границами. Такая граница показана на рис. 1.11. Все субзеренные границы (границы фрагментов и блоков) — малоугловые. Строение границ зерен оказывает большое влияние на свойства металла.

Рис. 1.9. Схема движения дислокации по аналогии  с перемещением складки на ковре

Рис. 1.10. Влияние искажений кристаллической  решетки на прочность кристаллов

Рис. 1.11. Схема малоугловой границы между блоками

На рис. 1.12 показано, что границы зерен и фаз могут совпадать (когерентные), совпадать частично (полукогерентные) и не совпадать (некогерентные).

Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5–10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого (рис. 1.13). Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.

Плоскости и направления скольжения в соседних зернах не совпадают. Скольжение первоначально развивается в наиболее благоприятно ориенти­рованных зернах. Разная ориентировка систем скольжения не позволяет дислокациям переходить в соседние зерна, и, достигнув границы зерен, они останавливаются. Напряжения от скопления дислокаций у границ одних зе­рен упруго распространяются через границы в соседние зерна, что приводит в действие источники образования новых дислокаций (источники Франка—Рида). Происходит передача деформации от одних зерен к другим, подобно передаче эстафеты в легкоатлетических соревнованиях.

Рис. 1.12. Схема межфазных границ:  а) когерентные; б) полукогерентные; в) некогерентные

Рис. 1.13. Схема строения зерен и границ между ними

Вследствие того, что границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства метал­ла.

Под размером зерна принято понимать величину его среднего диа­метра, выявляемого в поперечном сечении. Это определение условно, так как действительная форма зерна в металлах меняется в широких пределах — от нескольких микрометров до миллиметров. Размер зерна оценивается в баллах по специальной стандартизованной шкале и характеризуется числом зерен, приходящихся на 1 мм2 поверхности шли­фа при увеличении в 100 раз (рис. 1.14).

Процесс пластического течения, а, следовательно, и предел текучести зависят от длины свободного пробега дислокаций до «непрозрачного» барьера, т. е. до границ зерен металла. Предел текучести sТ связан с размером зерна d уравнением Холла—Петча: sТ = sо + kd–1/2, где sо и k — постоянные для данного металла. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести и прочность металла. Одновременно при измельчении зерна увеличиваются пластичность и вязкость металла. Последнее осо­бенно важно для металлических изделий, работающих при низких тем­пературах. Повышенные пластичность и вязкость обусловлены более однородным составом и строением мелкозернистого металла, отсутстви­ем в нем крупных скоплений, структурных несовершенств, способству­ющих об­ра­зованию трещин.

Рис. 1.14. Шкалы для определения величины зерна (ГОСТ 5639-82)

Рост зерен аустенита эффективно затрудняет дисперсные частицы второй фазы — карбидов, нитридов, неметаллических включений. Частицы нитрида AlN, содержащиеся в спокойных сталях, раскисленных алюминием, препятствуют росту аустенитных зерен.

В легированных сталях рост зерен аустенита тормозится карбидами и карбонитридами легирующих элементов V, Ti, Nb, микродобавки которых в количестве около 0,1 % специально вводят в стали с целью сохранения мелкого зерна аустенита вплоть до 1000 °С. Использование этих элементов одновременно обеспечивает мелкозернистую струк­туру и снижение критической температуры хрупкости.

Помимо перечисленных дефектов в метал­ле имеются макродефекты объемного характера: поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещины и т. д. Эти дефекты снижа­ют проч­ность металла.

1.2. Механические свойства

Поведение металлов под действием внешних нагрузок харак­теризуется их механическими свойствами, которые позволяют определить пределы нагрузки для каждого конкретного материа­ла, произвести сопоставимую оценку различных материалов и осуществить контроль качества металла в заводских и лаборатор­ных условиях.

К испытаниям механических свойств предъявляется ряд тре­бований. Температурно-силовые условия проведения испытаний должны быть по возможности приближены к служебным услови­ям работы материалов в реальных машинах и конструкциях. Вместе с тем методы испытаний должны быть достаточно просты­ми и пригодными для массового контроля качества металлурги­ческой продукции. Поскольку необходимо иметь возможность сопоставления качества разных конструкционных материалов, методы испытаний механических свойств должны быть строго регламентированы стандартами.

Результаты определения механических свойств используют в расчетной конструкторской практике при проектировании машин и конструкций. Наибольшее распространение имеют следующие виды механических испытаний.

1. Статические кратковременные испытания одно-кратным нагружением на одноосное растяжение - сжатие, твердость, изгиб и кручение.

2. Динамические испытания с определением ударной вязкости и ее составляющих - удельной работы зарождения и развития трещины.

3. Испытания переменной нагрузкой с определением предела выносливости материала.

4. Испытания на термическую усталость. Испытания на ползучесть и длительную прочность.

5. Испытания на сопротивление развитию трещины с опреде­лением параметров вязкости разрушения.

7.Испытания материалов в условиях сложнонап-ряженного состояния, а также натурные испытания деталей, узлов и готовых конструкций.

а б

Рис. 1.1. Схема машинных диаграмм растяжения пластичных материалов: а– с площадкой текучести,б– без площадки текучести

Наиболее часто проводят испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84). Обычно применяют малый пятикратный образец круг­лого сечения (диаметр 5 мм, расчетная длина 25 мм). На рис. 1.1. приведены два вида диаграмм растяжения: с площадкой и без площадки текучести в координатах нагрузка Р - удлинение ∆ℓ. Диаграмма просто преобразуется в диаграмму в координатах на­пряжение σ - относительная деформация δ. При этом σ = P/F0; δ = (∆ℓ/ℓ0) ∙ 100 %, где Fo, ℓ0 - начальная площадка сечения и длина образца до испытания.

Диаграмма растяжения состоит из трех участков: упругой де­формации ОА, равномерной пластической деформацииАВи со­средоточенной деформации шейкиВС.

В области упругой деформации (участок ОА) зависи-мость между нагрузкой Р и абсолютным упругим удлинением образца ∆ℓ пропорциональна и известна под названием закона Гука:

Р = k∙∆ℓ,

где k = E∙F/ℓ - коэффициент, зависящий от геометрии образца (площади поперечного сечения Fo и длины ℓ0) и свойств ма-териа­ла (параметр Е).

Параметр Е (МПа) называют модулем нормальной упругости, характеризующим жесткость материала, которая связана с силами межатомного взаимодействия. Чем выше Е, тем материал жестче и тем меньшую упругую деформацию вызывает одна и та же нагрузка. Закон Гука чаще представляют в следующем виде:

σ = Е∙δ,

где σ = P/Fo - нормальное напряжение; δ = ∆ℓ/ℓо - относительная упру­гая деформация.

При растяжении определяют следующие показатели прочности и пла­стичности материалов.

Показатели прочности материалов характеризуются удельной величи­ной - напряжением, равным отношению нагрузки в характерных точках диаграммы растяжения к площади поперечного сечения образца. Дадим оп­ределение наиболее часто используемым показателям прочности материалов.

Предел текучести (физический)т, МПа) - это наи­меньшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без за­метного изменения нагрузки:

σт = Рт / F 0 ,

где Рт - нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме рас­тяжения (см. рис. 1.1, а).

Если на машинной диаграмме растяжения нет площадки текучести (см. рис. 1.1, б), то задаются допуском на остаточную деформацию образца и оп­ределяют условный предел текучести.

Условный предел текучести0,2, МПа) - это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от начальной расчетной длины образца:

σ0,2 = Р0,2 / F0 ,

где Р0,2 - нагрузка, соответствующая остаточному удлинению ∆ℓ0,2 = 0,002 ∙ℓ0.

Временное сопротивление (предел прочности)в, МПа) - это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Рmax, предшествующей разрыву образца:

σв =Pmax /F0 .

Истинное сопротивление разрыву ( Sк, МПа) - это на­пряжение, определяемое отношением нагрузки Рк в момент разрыва к пло­щади поперечного сечения образца в месте разрыва Fk:

Sк = Pк / Fк ,

где Fк = nd/ 4.

Пластичность - одно из важных механи­ческих свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Дадим определение наиболее часто используемым показателям пластичности материалов.

Предельное равномерное удлинениер, %) - это наи­большее удлинение, до которого образец деформируется равномерно по всей его расчетной длине, или, другими словами, это отношение абсолютного приращения расчетной длины образца ∆ℓр до нагрузки Рmax к ее первона­чальной длине (см. рис. 1.1, а):

δр = ( ∆ℓр/ ℓ0)∙ 100 = [(ℓp- ℓ0)/ ℓ0 ] ∙100.

Аналогично предельному равномерному удлинению существует пре­дельное равномерное сужение (ψр,%):

ψp = (∆Fр / F0)∙ 100 = [(F0 - Fp) / F0]∙ 100,

где Fр = nd/4 - площадь поперечного сечения образца, соответствующая Рmax. Из условия постоянства объема образца при растяжении можно получить

ψр = δp / (l + δp).

При разрушении образца на две части определяют конечные показатели пластичности: относительное удлинение и относительное сужение образца после разрыва.

Относительное удлинение после разрыва (δ,%) - это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва ∆ℓк к ее первоначальной длине:

δ = (∆ℓк / ℓ0)∙100 = [(ℓк - ℓ0) / ℓ0]∙100.

Относительное удлинение после разрыва зависит от соотношения ℓ0 и Fo, т. е. от кратности образцов. Чем меньше отношение ℓ0 /и кратность образца, тем больше δ. Это объясняется влиянием шейки образца, где имеет место сосредоточенное удлинение. Поэтому индекс у δ указывает на крат­ность образца, например δ2,5 , δ5, δ10 .

Относительное сужение после разрыва (ψ,%) - это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте раз­рыва ∆Fк к начальной площади поперечного сечения:

ψ = (∆Fк / F0)∙ 100 = [(Fo – Fк) / F0]∙ 100.

В отличие от конечного относительного удлинения конечное относи­тельное сужение не зависит от соотношения ℓ0 и Fo (кратности образца), так как в последнем случае дефор-мацию оценивают в одном, наиболее узком, сечении образца.

Условно принято считать металл надежным при δ ≥ 15%, ψ ≥ 45%.

Наиболее простым методом испытания свойств является из­мерение твердости. Твердостью называют свойство материала ока­зывать сопротивление деформации в поверхностном слое при ме­стных контактных воздействиях. Наибольшее примене-ние получило измерение твердости вдавливанием. В результате вдавливания достаточно большой на­грузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконеч­ником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает только в не­большом объеме, окруженном недеформированным металлом. В та­ких условиях испытания, близких к всестороннему неравномер­ному сжатию, возникают главным образом касательные напря­жения, а доля растягивающих напряжений незначительна по сравнению с получаемыми при других видах механических испы­таний (на растяжение, изгиб, кручение, сжатие). При измерении твердости вдавливанием пластическую деформацию испытывают не только пластичные сплавы, но и металлы (например, чугун), которые при обычных механических испытаниях (на растяжение, сжатие, кручение, изгиб) разрушаются хрупко почти без макро­скопически заметной пластической деформации.

Таким образом, твердость характеризует сопротивление пла­стической деформации и представляет собой механическое свой­ство металла, отличающееся от других его механических свойств способом измерения. Я. Б. Фридман предложил рассматривать измерения твердости как «местные механические испытания по­верхностных слоев материала». Преимущества измерения твер­дости следующие:

1. Между твердостью пластичных металлов, определя-емой способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом временным сопротивлением), существует коли­чественная зависимость. Величина твердости характеризует вре­менное сопротивление металлов, получающих в испытаниях на растяжение сосредоточенную пластическую деформацию (шейку), а именно сталей (кроме сталей с аустенитной и мартенситной структурой) и многих цветных сплавов. Это связано с тем, что при испытаниях на растяжение наибольшей нагрузке, предше­ствующей разрушению и отнесенной к его первоначальной пло­щади (временное сопротивление), отвечает сосредоточенная пла­стическая деформация (образование шейки), а не разрушение образца. Такая пластическая деформация аналогична деформа­ции, создаваемой в поверхностных слоях металла при измерении твердости вдавливанием наконечника.

Подобная количественная зависимость не наблюдается для хрупких материалов, которые при испытаниях на растяжение (или сжатие, изгиб, кручение) разрушаются без заметной пласти­ческой деформации, а при измерении твердости получают пласти­ческую деформацию. Однако в ряде случаев и для этих металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между пределом прочности и твердостью; возрастанию твердости обычно соответствует увеличение предела прочности на сжатие. По значениям твердости можно определять также и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определенная вдав­ливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.

Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластич-ности и вязкости. Испытание твердости не требует изготовления специальных образцов и выполняется непосредственно на проверяемых деталях после зачистки на поверхности ровной горизонтальной площадки, а иногда даже и без такой подготовки. Измерение твердости выполняется быстро, например, при вдавливании конуса за 30 - 60 с, а при вдав-ливании шарика за 1-3 мин.

Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения проверяемой детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов из детали.

Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых способов измерения твердости) десятых долей миллиметра или в микрообъемах металла; в последнем случае измерения проводят способом микротвердости.

Многие способы измерения твердости пригодны для оценки различных по структуре и свойствам слоев металла, например поверхностного слоя цементованной, азотированной или закален­ной стали, имеющей разную твердость по сечению детали. Методом определения микротвердости можно измерять также твердость отдельных составляющих в сплавах. Для полной характеристики свойств металла необходимо наряду с измерением твердости про­водить остальные механические испытания. Поскольку при измерении твердости в большинстве случаев детали не раз­рушаются, то эти измерения можно применять для сплошного контроля деталей, в то время как определение характеристик прочности и пластичности проводят в качестве выборочного кон­троля.

Измерение твердости (макротвердости) характеризуется тем, что в испытуемый материал вдавливается тело, проникающее на сравнительно большую глубину, зависящую прежде всего от величины прилагаемой нагрузки и свойств металла. Кроме того, во многих испытаниях вдавливается тело значительных размеров, например стальной шарик диаметром до 10 мм, в результате чего в деформируемом объеме ока-зываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава в количествах и с располо­жением, характерными для измеряемого материала. Измеренная твердость должна в этом случае характеризовать твердость всего испытуемого материала.

Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависят от целей испытания структуры, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца. Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных структурных составляющих, различных по свойствам (например, серый чугун, цветные подшипниковые сплавы), то для испытания твердости следует выбирать шарик большого диаметра. Если же металл имеет сравнительно мелкую и однородную струк­туру, то малые по объему участки испытуемого металла могут быть достаточно характерными для оценки свойств материала в целом и, в частности, его твердости. В этих случаях испытания можно проводить вдавливанием тела меньшего размера, например алмазного конуса или пирамиды, и на меньшую глубину, и, сле­довательно, при небольшой нагрузке.

При испытании металлов с высокой твердостью, например закаленной или низкоотпущенной стали, приведенное условие является даже обязательным, поскольку вдавливание стального шарика или алмаза с большой нагрузкой может вызывать дефор­мацию шарика или скалывание алмаза. Однако значительное снижение нагрузки нежелательно, так как это приведет к резкому уменьшению деформируемого объема и может дать значения, не характерные для основной массы металла. Нагрузки и размеры получаемых в материалах отпечатков не должны быть меньше определенных пределов.

У полимерных материалов измерение твердости дает меньше информации об их свойствах, так как между твердостью и проч­ностью этих материалов нет определенной зависимости. Резуль­таты измерений являются лишь дополнительной характеристикой свойств полимерных материалов.

Значительное влияние на результаты испытаний твердости оказывает состояние поверхности измеряемого материала. Если поверхность неровная (криволинейная или с выступами), то отдельные участки в различной степени участвуют в сопротивле­нии вдавливанию и деформации, что приводит к ошибкам в изме­рении. Чем меньше нагрузка для вдавливания, тем более тща­тельно должна быть подготовлена поверхность. Она должна представлять шлифованную горизонтальную площадку.

Измеряемая поверхность должна быть установлена горизон­тально, т. е. перпендикулярно действию вдавливаемого тела. Противоположная сторона образца также должна быть зачищена и не иметь окалины, так как последняя при нагружении образца сминается, что искажает результаты измерения.

Различают следующие методы определения твердости: по Бринеллю (по диаметру отпечатка ша­рика); по Роквеллу (по глубине вдавливания алмазного конуса или закаленного шари-ка); по Виккерсу (для деталей малой тол­щины или тонких по-верхностных слоев твердость определяют по диагонали отпе-чатка алмазной пирамиды). Схемы этих методов приведены на рис. 1.2. При испытании на твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) в поверхность материала вдавливается твердо-сплавный шарик диаметром D под действием нагрузки Р и после снятия нагрузки измеряется диаметр отпе­чатка d (рис. 1.2, а). Число твердости по Бринеллю (НВ) подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности сферического отпечатка М:

HB = =.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 HB, так как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.

Временное сопротивление и число твердости по Бринел-лю связаны между собой: для стали σв = 0,34 HB, для медных сплавов σв = 0,45 HB, для алюминиевых сплавов σв = 0,35 HB.

а

Рис. 1.2. Схема определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу

При испытании на твердость по методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Однако, согласно этому ме­тоду, за условную меру твер-дости принимается глубина отпечатка. Схема испытания по методу Роквелла показана на рис. 1.2, б. Вначале прикладыва-ется предварительная нагрузка Р0, под действием которой индентор вдав­ливается на глубину h0. Затем прикладывается основная нагрузка Р1 под действием которой индентор вдавливается на глубину h. После этого сни­мают нагрузку Р1, но оставляют предварительную нагрузку Р0 . При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достига­ет уровня h0. Разность (h - h0) зависит от твердости материала; чем тверже материал, тем меньше эта разность.

Глубина отпечатка измеряется индика­тором часового типа с ценой деления 0,002 мм. При испытании мягких ме­таллов методом Роквелла в качестве индентора применяется стальной шарик. Последовательность операций такая же, как и при испытании алмазным конусом. Число твердости, определенное методом Роквелла, обозначается символом HR. Однако в зависимости от формы индентора и значений нагрузок вдавливания к этому символу добавляется буква А, или С, или В, обозначающая соответствую­щую шкалу измерений. Обозначения твердости и значения нагрузок вдавливания для разных шкал измерений методом Роквелла приведены ниже:

Шкала А С В

Индентор Алмазный Алмазный Стальной

конус конус шарик

Обозначение

твердости HRA HRC HRB

Нагрузи вдавливания,

кгс (Н): Ро 10(98,1) 10(98,1) 10(98,1)

P1 50(490,5) 140(1373,4) 90(882,9)

Р 60(588,6) 150(1471,5) 100(981)

Различие в нагрузке Р1 для шкал А и С объясняется тем, что по шкале А измеряют твердость особо твердых материалов и в этом случае во избежание повреждений алмазного конуса рекомендуется меньшая нагрузка вдавливания.

Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению широко применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость. Ударная вязкость оценивает­ся работой, затраченной на ударный излом образца и отнесенной к площади его поперечного сечения в месте надреза.

а б

в

Рис. 1.3. Образцы для испытаний на ударную вязкость: а -сU-образным надрезом;б – сV-образным надрезом;в – с Т-образным надрезом

Согласно ГОСТ 9454-78, для определения ударной вязкости применя­ют призматические образцы с надрезами различных типов. Самыми распро­страненными типами являются образцы с U-образным (рис. 1.3, а) , V-образным (рис. 1.3, б) и Т-образным (инициированная трещина) надрезами (рис.1.3, в)

Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре. Схема испытаний приведена на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Схема испытаний на ударную вязкость: 1 – корпус; 2 – маятник; 3 – образец

Ударная вязкость КС, Дж/см2, определяется как отношение рабо­ты разрушения К, затраченной на деформацию и разрушение удар­ным изгибом надрезанного образца, к начальной площади поперечного течения образца в месте надреза So по формуле:

КС = K / S0.

Ударная вязкость обозначается символом КС, МДж / м2 Если образец сU-образным надрезом, то к символу добавляется букваU(KCU), если сV-образным надрезом, то добавляется букваV(KCV), если с Т-образным надрезом, то добавляется буква Т (KCT).

Обычно снижение ударной вязкости ниже 40 Дж / м2 (3-4 ) значительно увеличивает опасность хрупкого разру-шения, поэтому одним из условий надежной работы материала является значение ударной вязкостиKCU≥ 50 Дж /м2.

Хладноломкостью называют способность некоторых металлов охрупчиваться при низких температурах. К хладно-ломким металлам можно отне­сти металлы с решеткой объемно-центрированного куба, например Fea, и гек­сагональной, напри-мер Zn. Для этой группы металлов при определенной ми­нусовой температуре наблюдается резкое снижение ударной вязкости.

К нехладноломким металлам можно отнести металлы с решеткой гранецентрированного куба, например Fer, Al, Ni и др.

Деление металлов на хладноломкие и нехладноломкие является услов­ным, так как, например, аустенитные стали, име-ющие решетку гранецентрированного куба, тоже подвержены охрупчиванию, но только в меньшей сте­пени и при более низких температурах, чем углеродистые и низколегирован­ные стали, имеющие решетку объемноцентрированного куба.

Испытания на ударную вязкость при низких темпера-турах позволяют получить хрупкое разрушение металла в ре-зультате одновременного действия надреза, повышенной ско-рости деформирования и температуры.

1.3. Испытания долговечности

Многие детали машин (валы, шатуны, зубчатые колеса) испытыва­ют во время работы повторяющиеся циклические нагружения. Цикл на­пряжения - совокупность изменения напря-жений между двумя его пре­дельными значениями σmax и σ min в течение периода Т. При экспери­ментальном исследовании соп-ротивления усталости материала за основ­ной принят синусо-идальный цикл изменения напряжения (рис. 1.6.). Он харак-теризуется коэффициентом асимметрии цикла R = σ min / σmax; ам­плитудой напряжения σa = (σ max - σ min) / 2; средним напряжением цикла σ m = (σ max + σ min)/2.

Рис. 1.6. Синусоидальный цикл изменения напряжений

Различают симметричные циклы (R = -1) и асим-метричные (R из­меняется в широких пределах). Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин.

Долговечность металлов определяется испытаниями на усталость, ползучесть и длительную прочность, износ, коррозию и другими методами.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под дей­ствием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, обра­зованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью. Усталостью металла называется разрушение металлов под действием повторных или знакопеременных нагрузок. Уста­лостное разрушение происходит, например, у пружин автомати­ки, деталей кулачковых механизмов, и т.д., работающих в ре­жимах «нагружение - разгрузка», «растяжение - сжатие»; при многократном повторении ударных или плавно возрастающих нагрузок. У валов, передающих крутящий момент, материал ко­торых испытывает изгиб с вращением, происходит многократ­ное изменение знака напряжений (растяжение - сжатие) и т.д. Около 80% всех разрушений носят усталостный характер. Усталостное разрушение имеет ряд характерных признаков. Устало­стный излом (рис. 1.7) состоит из зоны с ровной и блестящей поверхностью, которая включает в себя: место зарождения разрушения и зону стабильного развития трещины (1); участок раз­вития трещины (З); связанный с окончательным разрушением. Очаг разрушения обычно расположен вблизи поверхности. В зоне усталости нередко можно видеть полосы, расходящиеся от очага разрушения (усталостные бороздки) и отра­жающие последовательное положение растущей тре­щины (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Излом усталости: 1 – зона очага разрушения; 2 – зона стабильного развития трещины; 3 – зона долома; 4 – усталостные бороздки

Характерно, что ус­талостное разрушение раз­вивается в деталях, рабо­тающих при напряжениях, меньших предела текучести металла. Образование уста­лостной трещины связано с реальным строением метал­лов - наличием различно ориентированных зерен и блоков, неметаллических включений, микропор, дислокаций и других дефектов кристаллической решетки.

Трещины являются сильными концентраторами напря­жений, и из них образуются микротрещины, далее соединяю­щиеся в общую усталостную микротрещину, постепенно рас­пространяющуюся на сечение. Разрушение происходит в ре­зультате возрастания напряжения в оставшейся зоне сечения.

Таким образом, усталость - процесс постепенного нако­пления повреждения металла под действием повторных переменных напряжений, приводящих к образованию трещин и разрушению.

Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.

Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости, под которым понимают максимальное напряжение, которое не вызывает разрушения образца при любом числе циклов (физический предел выносливости) или заданном числе циклов (ограниченный предел выносливости). Предел выносливости при симметричном цикле обозначается σ-1

Методика проведения испытаний материалов на усталость регламенти­рована ГОСТ 25.502 - 79. Для определения предела выносливости испыты­вают не менее 15 образцов. Каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений - до разрушения или до базового числа циклов. По ре­зультатам испытаний отдельных образцов строят диаграммы усталости в координатах максимальное напряжение - число циклов (рис. 1.8.).

Переход кривой усталости в горизонталь наблюдается обычно на сталях после 107 циклов нагружения. Для цветных сплавов это значение составляет обычно 108 циклов нагружения. Ордината, соответствующая постоянному значению σmax, является физическим пределом выносливости.

Предел выносливости, т.е. сопротивление усталостному разрушению, резко снижается при наличии концентраторов напряжений. Чем тщательнее обработана поверхность детали, тем выше предел выносливости. По сравнению с полированными образцами шлифованные имеют σ-1 на 10 - 15%, а фрезерованные на 45 – 50% ниже.

Рис. 1.8. Диаграмма усталости в различных координатах для материалов, имеющих (1) и не имеющих (2) физического предела выносливости

Термической усталостью называют усталость металлов, вы­званную напряжениями от циклических колебаний температуры. Термическая усталость отличается от силовой меньшим числом циклов и сравнительно высоким уровнем напряжений.

В холодильной и криогенной технике температурные гради­енты и соответствующие термические напряжения могут возни­кать из-за нагрева или охлаждения конструкций при заполнении или сливе охлаждающей жидкости, при попадании криогенных продуктов на относительно теплую поверхность металла емкостей, трубопроводов, деталей арматуры, могут быть вызваны различием теплофизических свойств, входящих в конструкцию деталей из разных материалов. Особенно опасно многократное наложение термических напряжений на напряжения от внешних нагрузок. Кроме того, некоторые металлы могут претерпевать структурные превращения при охлаждении. Все это может явиться причиной преждевременного разрушения детали.

Многие детали должны работать под нагрузкой в течение дли­тельного времени при определенной температуре. При этом про­исходит медленная пластическая деформация металла под дейст­вием постоянной нагрузки, создающей в детали напряжения, превышающие предел упругости, но меньшие, чем предел текуче­сти материала детали при данной температуре. Такая деформация называется ползучестью.

Различают ползучесть при высоких и низких темпе-ратурах. Более подробно изучена высокотемпературная ползу-честь. При деформации нагретого металла в нем развиваются два противопо­ложных процесса: упрочнение за счет наклепа при пластической деформации и разупрочнение в результате наг-рева. Если второй процесс преобладает, то в металле начинают развиваться диффу­зионные разупрочняющие процессы - отдых, коагуляция фаз, рекристаллизация, способствующие ползучести. Если при высо­ких температурах ползучесть происходит в ре-зультате диффузи­онных процессов, то при низких температурах она осуществляет­ся за счет движения и размножения дислокаций, имеет термоактивизированную природу и зависит от ряда факторов, из которых наибольшую роль играют температура испытаний и структура металла.

Основными критериями жаропроч­ности металлов являются предел дли­тельной прочности и предел ползу­чести.

Пределом длительной прочности называют напряжение, которое приводит к разрушению образца при заданной темпера-туре за определенное время, соответствующее условиям экс-плуатации изделий. Предел длительной прочности обозначают σ, где индексыt и τ обозначают температуру и время испы-таний: например, σ= 300 МПа означает, что длительная прочность металла при испытании в течение 200 ч при 700 °С составляет 300 МПа.

Кривая ползучести состоит из четырех участков (рис. 1.9). Участок ОА соответствует упругой и пластической дефор-мации, возникшей в момент приложения нагрузки. Участок АВ характе­ризует неустановившуюся ползучесть, где металл дефор-мируется с неравномерной скоростью, участок ВС – установив-шуюся пол­зучесть и участок CD - ускоренное разрушение, связанное с обра­зованием шейки.

а б

Рис. 1.9. Кривые длительной прочности (а) и ползучести (б)

Пределом ползучести называют напряжение, вызы-вающее заданную суммарную деформацию за определенное время при данной температуре. Предел ползучести обозначают σ, гдеt - температура, δ - суммарное удлинение, τ - время. Например, σ= 350 МПа означает, что предел ползучести металла при1 %-й деформации за 1000 ч при температуре испытаний 400°С составляет 350 МПа. Для деталей, длительное время работающих при повышенных температурах, задается обычно скорость ползу­чести на установившейся стадии процесса, например 0,1 % за 104 ч или за 105 ч.

Таблица 1.1.

Обозначения основных механических свойств по отечественным

и зарубежным стандартам

Свойства

Обозначение,

стандарт

Определение

отечест-

венный

зару-

бежный

1

2

3

4

Модуль упругости

(elasticmodulus)

Е

Е

Отношение приращения напряжения к соответ-ствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации

Предел текучести

физический

σ

Re

Напряжение, при котором материал изменяет свою длину при постоянной нагрузке

Предел текучести

условный (yield

strength)

σ 0,2

Rp0.2

Напряжение для мате-риалов, не имеющих площадки текучести, при котором остаточное удлинение составляет 0,2% первоначальной длины

Временное сопротивление, или предел прочности

(tensilestrength)

σв

Rm

Напряжение, соответ-ствующее наибольшей нагрузке, предшеству-ющей разрушению образца

1

2

3

4

Относительное удлинение (specificelongation)

δ

А510

Отношение приращения расчетной длины образца после разрушения к начальной расчетной длине, %

Относительное сужение (reductionofarea)

Ψ

Z

Отношение разности первоначального сече-ния и минимальной площади поперечного сечения образца после разрушения к первона-чальной площади, %

Предел ползучести (creeplimit)

σ

R

Пример: напряжение, которое вызывает де-формацию 0,2% за 100 ч при 700°С

Предел длительной прочности (stress-rupturestrength)

σ

R

Пример: напряжение, вызывающее разруше-ние металла за 1000 ч испытаний при постоян-ной температуре 700°С

Предел выносливости (fatiguestrength)

σR

σк, τк

Максимальное напря-жение, которое вы-держивает материал не разрушаясь при дос-таточно большом числе повторно – переменных нагружений (циклов)

Условия эксплуатации многих изделий, работающих при низ­ких температурах, предусматривают их длительную безаварий­ную работу (более 10 лет) под нагрузкой. В таких изделиях, как резервуары и емкости для хранения и транспортировки криоген­ных жидкостей, обладающих повышенным запасом упругой энер­гии в системе, деформация, обусловленная ползучестью, может способствовать значи-тельному росту напряжений в отдельных зонах конструкции. При этом, учитывая действие низких темпе­ратур эксплуатации, существенно усиливается опасность хрупко­го разрушения. При низкотемпературных испытаниях ползучести необходи­мая температура создается за счет того, что образец находится в среде охлаждающей жидкости, а постоянное нагружение переда­ется на образец через верхний или нижний захват испытательной машины.

В табл. 1.1. приведены отечественные и зарубежные обозначе­ния основных механических свойств и их наименования на рус­ском и английском языке.

1.5. Физико-химические свойства материалов

Наиболее важными физическими свойствами, значения которых учи­тывают при практическом использовании материалов, являются плот­ность, теплоемкость, теплопро-водность, тепловое расширение, электро­проводность. Особые магнитные свойства железа, никеля, кобальта и их сплавов, а также ферритов, выделили их в группы материалов исключи­тельной ценности - ферро- и ферримагнетики.

Физические свойства определяются типом межатомной связи и хими­ческим составом материалов, температурой и давлением. Для большин­ства процессов обработки материалов давления не превышают 500 МПа. Такие давления практически не влияют на значения физических свойств. Различают зависимые и независимые от структуры материала физические свойства. Значения последних определяются только химическим составом материала и температурой.

При нагреве физические свойства изменяются нелинейно. Прибли­женно они характеризуются соответствующими температурными коэф­фициентами. Например, удельное электросопротивление ρ при нагреве на ∆Т определяется зависимостью:

ρт = ρ0 ∙ (1 + β∙∆Т),

где ρ0, ρт - удельное электросопротивление на нижней и верхней границе интервала температур ∆Т; β - температурный коэффициент. Так как значения температурных коэффициентов малы, то аналогичные линейные зависимости свойств от температуры применимы в широких интервалах температур с достаточной для практических целей точностью.

Плотность существенно зависит от типа межатомной связи. Макси­мальную плотность имеют материалы с ненаправленными металлически­ми или ионными связями. Направленная ковалентная связь предопределя­ет менее плотное расположение атомов.

У металлов плотность изменяется от 22,5 г/см3 у осмия до 0,534 г/см3 у лития. Легирование сплава более тяжелыми элементами, чем основа, увеличивает, а более легкими — уменьшает его плотность. Масштабы легирования ограничены техническими и экономическими соображениями. Плотность основы является определяющей для группы сплавов разного химического состава на основе данного металла.

Пористость уменьшает плотность. Для порошковых сплавов и дру­гих пористых материалов она является одним из критериев качества. По­ристость оценивают по фактической плотности материала и определяют методом гидростатического взвешивания или другими способами. Уменьшение расхода конструкционных материалов и снижение массы металлоконструкций и машин является тенденцией современного маши­ностроения. Чем меньше плотность материалов, тем ниже динамические нагрузки на детали и меньше расход энергии на эксплуатацию машины.

Преимущество легких материалов над тяжелыми становится более наглядным при сравнении материалов по их удельной прочности σB / γ∙g и удельной жесткости E / γ∙g. По этим характеристикам первое место зани­мают композиционные материалы, а сплавы алюминия (дуралюмины) не уступают более прочным легированным конструкционным сталям.

При нагреве плотность материалов уменьшается из-за теплового рас­ширения.

Тепловое расширение - это изменение объема (линейных размеров) тела при повышении температуры при постоянном давлении. В основе теплового расширения лежит несим-метричность тепловых колебаний ато­мов, поэтому при повышении температуры увеличиваются средние меж­атомные расстояния.

Для практических целей пользуются средними значениями коэффи­циентов объемного и линейного αрасширения:

αv = ; α= ,

где V,ℓ - объем и длина образца соответственно; ∆V, ∆ℓ - изменения объема и длины при повышении температуры на ∆T.

В общем случае:

β = α1 + α2 + α3,

где α1; α2 и α3 - соответственно коэффициенты линейного расширения по трем осям симметрии кристалла .

Различие значений коэффициента теплового расширения двух соединяемых материалов является причиной появления значительных термических напряжений. Согласование значений α при соединении стекол с металлами необходимо при впаивании металлических проводников в стекла. Получаемые спаи отличаются простой конструкции и надежностью в эксплуатации.

Тепловое расширение учитывают при расчете прессовых посадок, сварке и пайке разнородных материалов, изготовления аппаратуры из двухслойных сталей и ее эксплуатации, при выборе клеев и эксплуатации машин и приборов в изменяющихся температурных полях.

Теплопроводностью называется перенос тепловой энергии в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности частиц. Перенос теплоты происходит от более горячих частиц к холодным и под­чиняется закону Фурье:

q = - λgradT,

где q - плотность теплового потока, Дж/м2∙с; λ - теплопроводность, Вт/(м∙К).

Теплопроводность зависит от типа межатомной связи, температуры, химического состава и структуры материала.

Механизм передачи теплоты в первую очередь определяется типом связи: в металлах теплоту переносят электроны; в материалах с ковалентным или ионным типом связи - фононы. Самым теплопроводным является алмаз. В полупроводниках при весьма незначительной концен­трации носителей заряда теплопроводность осуществляется в основном фононами. Чем совершеннее кристаллы, тем выше их теплопроводность. Монокристаллы лучше проводят теплоту, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеива­ют фононы и увеличивают электросопротивление.

Чем больше примесей содержит металл, мельче зерна и больше искажена кристаллическая решетка, тем меньше теплопроводность. Легирование вносит искажение в кристаллические решетки твердых растворов и понижает теплопроводность по сравнению с чистым металлом - основой сплава. Структурные составляющие, представляющие дисперсные смеси нескольких фаз (эвтектики, эвтектоиды), снижают теплопроводность. Структуры с равномерным распределением частиц фаз имеют меньшую теплопроводность, чем основа сплава. Предельным видом подобной струк­туры является пористый материал. По сравнению с твердыми телами газы являются теплоизоляторами.

Теплопроводность пористых керамических и металлических материалов независимо от типа межатомной связи и можно оценить по формуле:

λ пор ≈ λ (1 - р),

где λ - теплопроводность беспористого материала, Вт/(м∙К); р - доля пор в объеме пористого материала.

Теплоемкость - это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость - количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. У большинства металлов теплоемкость составляет 300 - 400 Дж / (кг ∙ К) и более. Теплоемкость металлических материалов растет с повышением температуры.

Полимерные материалы, как правило, имеют удельную теплоемкость 1000 Дж / (кг ∙ К) и более.

1.4. Формирование структуры деформированных металлов

При конструировании изделий в первую очередь руководствуются механическими свойствами материалов. Механические свойства материалов характеризуют их способность сопротивляться деформированию и разрушению под воздействием различного рода нагрузок. Механические нагрузки могут быть статическими, динамическими и циклическими. Кроме того, материалы могут подвергаться деформации и разрушению как при разных температурах, так и в различных, в том числе агрессивных средах.

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений. Деформация, возникающая при сравнительно небольших напряжениях и исчезающая после снятия нагрузки, называется упругой, а сохраняющаяся - остаточной, или пластической. При увеличении напряжений деформация может заканчиваться разрушением.

При упругой деформации происходит обратимое смеще-ние атомов из положений равновесия в кристаллической решет-ке. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных из-менений в структуре и свойствах металла. После снятия нагруз-ки сместившиеся атомы под действием сил притяжения (при растяжении) или отталкивания (при сжатии) возвращаются в исходное равновесное положение, и кристаллы приобретают первоначальную форму и размеры. Упругие свойства материалов определяются силами межатомного взаимодействия.

В основе пластической деформации лежит необратимое перемещение одних частей кристалла относительно других. После снятия нагрузки исчезает лишь упругая составляющая де-формаций. Пластичность, т. е. способность металлов перед раз-рушением претерпевать значительную пластическую дефор-мацию, является одним из важнейших свойств металлов. Благодаря пластичности осуществляется обработка металлов давлением. Пластичность позволяет перераспределять локальные напряжения равномерно по всему объему металла, что уменьшает опасность разрушения.

Процесс пластической деформации обычно представляет собой процесс скольжения одной части кристалла относительно другой по кристаллографической плоскости или плоскостям скольжения с более плотной упаковкой атомов, где наименьшее сопротивление сдвигу. Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. В результате скольжения кристаллическое строение перемещающихся частей не меняется (рис. 1.11.).

Другим механизмом пластической деформации является двойникование. Как и скольжение, двойникование осу-ществляется за счет сдвига, однако в этом случае происходит сдвиг части кристалла в положение, соответствующее зеркальному отображению несдвинутой части (рис. 1.12). Двойники обычно возникают тогда, когда скольжение по тем или иным причинам затруднено. Деформация двойникованием обычно наблюдается при низких температурах и высоких скоростях приложения нагрузки, так как в этих случаях для скольжения необходимо высокое напряжение сдвига. Двойники более характерны для металлов с ГП решеткой ( Ti, Mg , Zn ).

Рис. 1.11. Схема пластической деформации скольжением:

а - исходное состояние; б - упругодеформированное состояние; в - упруго и пластически деформированное состояние; г - состояние после пластической (остаточной) деформации по плоскости АВ; Fусилие.

Рис. 1.12. Пластическая деформация двойникованием: F – уси-лие; АВ - плоскость перемещения

При деформировании поликристаллов отсутствует стадия легкого скольжения, деформация зерен начинается сразу по нес-кольким системам скольжения и сопровождается изгибами и по-воротами плоскостей скольжения. Пока общая деформация мала (порядка 1 %) зерна деформируются неоднородно в силу их разной ориентации по отношению к приложенным нагрузкам.

Изменения микроструктуры при деформировании сводятся к следующему (рис. 1.13).

С ростом степени деформации зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения. Внутри зерен повышается плотность дефектов. При значительных деформациях образуется волокнистая структура, где границы зерен различаются с трудом ( рис. 1.13, б).

При значительной деформации в металле появляется кристаллографическая ориентация зерен, которая называется текстурой деформации. Текстура деформации – это результат одновременного деформирования зерен по нескольким системам скольжения.

Рис. 1.13. Измение формы зерен в результате деформации: а, б – схема формы зерен до и после деформации

После снятия нагрузки, превышающей предел текучести, в образце останется остаточная деформация. При повторном нагружении возрастает предел текучести металла и уменьшается его способность к пластической деформации, т. е. происходит упрочнение металла. Упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом.

Упрочнение при наклепе объясняется существенным повышением плотности дислокаций, характерным для процесса пластической деформации. Плотность дислокаций после холодной деформации увеличивается на несколько порядков по сравнению с плотностью дислокаций отожженного металла, достигая величины 1011 - 1012 см-2. Одновременно в процессе пластической деформации увеличивается количество точечных несовершенств - вакансий и дислоцированных атомов. С ростом плотности дислокаций и несовершенств кристаллического строения затрудняется свободное перемещение дислокаций. Дополнительные барьеры для дислокаций создаются за счет деформации зерен и дробления блоков. Все эти факторы способствуют упрочнению металла при наклепе.

Одновременно в результате пластической деформации существенно изменяются физико-механические свойства металлов. На наклепанный металл имеет меньшую плотность, более высокое электросопротивление, меньшую тепло-проводность; у него падает устойчивость против коррозии. Металлы с ГЦК решеткой при наклепе упрочняются более сильно, чем металлы с ОЦК решеткой.

Наклепанные металлы легче корродируют и склонны к коррозионному растрескиванию. Образование текстуры дефор-мации вызывает анизотропию свойств.

Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения прочности деталей, изготовленных методами холодной обработки давлением. Снижение пластич-ности при наклепе улучшает обрабатываемость резанием вязких и пластичных материалов (латуней, сплавов алюминия и др.).

Рост числа дефектов кристаллического строения и возникновение внутренних напряжений в результате наклепа приводит к тому, что свободная энергия металла растет, и он приходит в неравновесное, неустойчивое состояние. Длительная выдержка при комнатной температуре, а тем более нагрев, должны способствовать переходу металла в более устойчивое структурное состояние.

Рост числа дефектов кристаллического строения и возникновение внутренних напряжений в результате наклепа приводит к тому, что свободная энергия металла растет, и он приходит в неравновесное, неустойчивое состояние. Длительная выдержка при комнатной температуре, а тем более нагрев, должны способствовать переходу металла в более устойчивое структурное состояние.

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию. Обе стадии сопровождаются выделением теплоты и уменьшением сво-бодной энергии. Возврат происходит при относительно низких температурах, рекристаллизация - при более высоких. Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением мик-роструктуры деформированного металла, размер и форма кристаллов при возврате не изменяются. Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых кристаллов с меньшим количеством дефектов строения. В результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы. Стадию возврата, в свою очередь, подразделяют на две стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.

Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой вследствие перемещения атомов уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий. В ряде металлов, таких как алюминий и железо, отдых предполагает также переползание дислокаций, которое приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопровождается также уменьшением остаточных напряжений. Отдых вызывает значительное уменьшение удельного электросопротивления и повышение плотности металла. Если при отдыхе уменьшается плотность дислокаций, то наблюдается уменьшение твердости и прочности металла (алюминий, железо); если плотность дислокаций при отдыхе не меняется, то отдых не сопровождается изменением механических свойств (медь, латунь, никель).

При возврате может идти процесс полигонизации. При этом в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы. Полигонизация протекает не только при возврате. Она наблюдается также при температуре, значительно превышающей температуру рекристаллизации. Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций (рис. 1.14.). В результате кристалл разделяется на субзерна-полигоны, свободные от дислокаций, а дислокации скапливаются на границах полигонов, образуя стенки. Два полигона, разделенные стенкой (малоугловой границей), состоящей из нескольких краевых дислокацией, схематично показаны на рис. 1.15. Процесс полигонизации про-исходит после небольших деформаций при нагреве до (0,2-0,3) Тплав.

Рис. 1.14. Распределение дислокаций: а - после пластической деформации; б - после полигонизации

Для некоторых металлов (алюминия, титана, молибдена, вольфрама) в процессе полигонизации происходит заметное понижение прочности и повышение пластичности. Полигонизация холоднодеформированного металла обычно приводит к уменьшению твердости и прочности.

В алюминии, молибдене и вольфраме полигонизация протекает с большой скоростью, и субзерна достигают значительных размеров, что вызывает сильное разупрочнение. Некоторые физические свойства (например, электросопро-тивление) в процессе возврата восстанавливаются практически полностью. Это связано с уменьшением концентрации вакансий и с перераспределением дислокаций.

При последующем нагреве происходит изменение микро-структуры наклепанного металла (рис. 1.16). С ростом темпе-ратуры подвижность атомов растет, и образуются новые зерна вместо ориентированной волокнистой структуры. Образование новых равноосных зерен называется рекристаллизацией.

Рис. 1.15. Схема расположения двух полигонов

Процесс рекристаллизации протекает в две стадии. Различают первичную, или рекристаллизацию обработки, и собирательную рекристаллизацию. Рекристаллизацией обра-ботки, или первичной рекристаллизацией, называют процесс образования новых равноосных зерен. Новые зерна возникают на границах блоков и старых зерен, т.е. там, где решетка наиболее искажена при наклепе. В результате первичной рекристаллизации наклеп металла снимается, и свойства приближаются к исходным значениям. Плотность дислокаций также уменьшается до первоначального уровня.

Температуру начала рекристаллизации называют температурным порогом рекристаллизации. Она зависит от температуры плавления: Трек = αТпл , где α - коэффициент, зависящий от состава и структуры металла. Для технически чистых металлов α = 0.3 - 0.4, для сплавов α = 0.5 - 0.6.

Последующий рост температуры приводит ко второй стадии процесса - собирательной рекристаллизации, состоящей в росте вновь образовавшихся новых зерен. Размер зерен, образовавшихся в процессе рекристаллизации, оказывает большое влияние на свойства металла. Образование крупных зерен снижает его механические свойства.

а б в г д

Рис. 1.16. Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве: а - наклепанный металл; б - начало первич-ной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристал-лизации; г - рост зерен; д - образование равновесной структуры

2.2. Диаграммы состояния (фазового равновесия сплавов)

Диаграммы состояния представляют собой график в координатах состав сплава - температура, на котором отражены продукты, образующиеся в результате взаимодействия компонентов сплава друг с другом в условиях термодинамического равновесия при различных температурах. Этими продуктами являются вещества, имеющие в зависимости от температуры и состава определенное агрегатное состояние, специфический характер строения и вполне определенные свойства. Их принято называть фазами. Причем фазой считается определенная часть системы, образованной компонентами сплава, которая во всех своих точках имеет одинаковые состав, строение и свойства.

Жидкая фаза представляет собой раствор расплав-ленных компонентов.

Твердые фазы являются зернами, имеющими опреде-ленную форму, размер, состав, специфику строения и свойства. Твердые фазы можно наблюдать в микроскоп. Это могут быть твердые растворы, химические соединения, а также зерна чистых компонентов, не образующих с другими компонентами ни твердых растворов, ни химических соединений.

Диаграмма состояния разделена линиями на области. От-дельные области могут состоять только из одной фазы, а неко-торые - из двух, имеющих разные составы, строение и свойства.

В диаграммах состояния содержится информация, необ-ходимая для создания и обработки сплавов различного назна-чения. Ниже рассматриваются четыре основных типа (рода) диаграмм состояния.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Исходные данные: оба компонента неограниченно растворимы в твердом и жидком состоянии и не образуют химических соединений.

Компоненты: химические элементы А, В

Фазы : жидкость Ж, кристаллы твердого раствора α. Примером сплавов с такими диаграммами состояния являются сплавы системы Сu - Ni.

На диаграмме (рис. 2.2) присутствуют три области: об-ласть выше линии Аа'В - жидкость; область между линиями Аа'В и Аb'В - жидкость и твердый раствор. Ниже линии Аb'В - область твёрдого раствора. Линия Аа'В является линией ликвидус, а линия Аb'В - линией солидус.

Для определения относительного количества каждой фа-зы и состава фаз на диаграммах состояния любого типа, поль-зуются правилом отрезков (правилом рычага), основные поло-жения которого формулируются следующим образом. Чтобы оп-ределить концентрации компонентов в двухфазной области, че-рез интересующую нас точку, характеризующую состояние сплава (состав сплава и его температуру), проводится гори-зонтальная линия до пересечения с линиями, ограничивающими двухфазную область. Проекции точек пересечения на ось кон-центраций покажут состав жидкой и твердой фаз. Чтобы опре-делить количественное соотношение жидкой и твердой фаз, не-обходимо составить обратно пропорциональную зависимость между их количеством и отрезками горизонтальной линии, образованными между точкой, характеризующей состояние сплава, и точками, определяющими состав жидкой и твердой фаз.

Рис. 2.2. Диаграмма состояния, кривые охлаждения и схемы ти-повых структур сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии

Рассмотрим на примере двух типов диаграмм (рис. 2.3), как с помощью правила отрезков можно определить количество и состав фаз, например, для состояния, соответствующего точке к.

Для определения соотношения фаз и их состава через точку к проводим горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими двухфазную область на диаграмме (точки l и s, рис. 2.3, а, б). Проекции точек пересечения на ось концентраций показывают состав жидкой фазы (точка l' – проек-ция точки l, лежащей на линии ликвидус) и твердой фазы (точка s' - проекция точки s, соответствующей на рис. 2.3, а концен-трации 100 % Sb и лежащей на линии солидус на рис. 2.3, б).

В соответствии c правилом рычага для определения весового или объемного количества твердой фазы необходимо вычислить отношение длины отрезка, примыкающего к составу жидкой фазы, к длине всего отрезка; для определения количества жидкой фазы - отношение длины отрезка, примыкающего к составу твердой фазы, к длине всего отрезка. Следовательно, количество твердой фазы α (в процентах) в точке к определится отношением отрезка kl к длине отрезка ls:

а масса или объем жидкой фазы:

Правило отрезков может использоваться не только для изучения процесса кристаллизации сплавов, но и для рассмотрения процессов, происходящих в твердом состоянии. Оно применимо ко всем двухфазным сплавам независимо от их агрегатного состояния.

а б

Рис. 2.3. Применение правила отрезков для сплавов, обра-зующих механические смеси ( а ) и твердые растворы ( б )

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Исходные данные: оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно растворимы в твердом состоянии и не образуют химических соединений.

Компоненты: химические элементы А, В.

Фазы: жидкость Ж, твердые растворы α (раствор компонента А в В) и β (раствор компонента В в А).

Этот тип диаграмм очень важен в практическом отношении, так как часто представлен в составе сложных диаграмм широко распространенных промышленных сплавов, например сплавов систем Fe – C, Al – Cu и др. В рассматриваемой системе ограниченная растворимость компонентов в твердом состоянии может не меняться с изменением температуры, а может и меняться. Оба рассматриваемых случая представлены на рис. 2.4. (со-ответственно линии ЕN и DF). В итоге имеем диаграмму состояния с двусторонней ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

На этой диаграмме линия GСН - линия ликвидус, выше которой все сплавы имеют однородный жидкий раствор. Линия GEDН - линия солидус, ниже которой в сплавах отсутствует жидкая фаза.

Точки Е и D являются границами линии ЕD, в пределах которой протекает эвтектическое превращение, а точка С - эвтектической точкой. Следовательно, во всех сплавах, расположенных в пределах границ эвтектической линии, будет проходить эвтектическое превращение. Эвтектика состоит из механической смеси твердых растворов α и β. В данном случае эти твердые растворы как бы являются компонентами сплавов для той части диаграммы, которая ограничена длиной эвтектической линии. Соответственно, эвтектика в этом случае будет иметь вид: Э( α + β), а эвтектическая реакция может быть записана так: Ж →α Е + β D .Сплав с концентрацией компонентов А и В, соответствующей проекции точки С, т.е. сплав состава С, называется эвтектическим.

Рис. 2.4 Диаграмма состояния, кривые охлаждения и схемы образования структур сплавов.

Все сплавы, расположенные между точками С и Е, называются доэвтектическими. Они после окончательного охлаждения будут иметь структуру α + Э (α + β).

Все сплавы, расположенные между точками С и D, называются заэвтектическими. Все заэвтектические сплавы ниже температуры эвтектического превращения ( например сплав 111 ниже точки 2 ) будут иметь следующую структуру: β + Э(α +β) + α11 . Эта структура содержит три структурных составляющих: β, Э(α + β) и α11 , но при этом структура является двухфазной: α - фаза и β - фаза.

Диаграмма с периктетическим превращением

Исходные данные: оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно – в твердом состоянии, не образуют химических соединений и образуют механические смеси в результате перитектической реакции.

Компоненты: химические элементы А и В.

Фазы: жидкость Ж, твердые растворы α и β.

Примером диаграмм этого типа является диаграмма состояния сплавов системы Ag – Pt.

Перитектическим называется такое превращение, при котором жидкая фаза взаимодействует при постоянной температуре с ранее выпавшими кристаллами твердой фазы и при этом образуется новый вид кристаллов.

Диаграмма с перитектическим превращением приведена на рис. 2.5. На этой диаграмме линия АВС является линией лик-видус, линия АРDCлинией солидус, линия BD - линией пери-тектического превращения, а точка P - перитектической точкой.

Для всех сплавов, расположенных в пределах границ перитектической линии (точки B и D), будет проходить перитектическая реакция в виде: Ж + β → α . У сплавов, расположенных между точками P и D, в интервале между точками 1, 2) из жидкости первоначально выделяются крис-таллы β – раствора, т.е. эти сплавы имеют двухфазную структуру Ж + β. При дальнейшем охлаждении этих сплавов ниже линии перитектического превращения (например, сплава 1 ниже точки 2) в их структуре помимо продуктов перитек-тической реакции (т. е. кристаллов α – твердого раствора) имеются также ранее выделившиеся из раствора кристаллы β – твердого раствора. Все сплавы, расположенные между точками P и D, после окончательного охлаждения будут иметь двухфазную структуру α – и β – твердых растворов (α + β).

Рис. 2.5. Диаграмма состояния и кривые охлаждения сплавов с перитектикой

Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения

Исходные данные: оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом состоянии, но образуют химические соединения.

Компоненты : химические элементы А и В.

Фазы: жидкость Ж, кристаллы компонентов А, В или химического соединения А nВm.

Химическое соединение может быть устойчивым, т. е. до расплавления сплава не разлагаться при нагреве. Соответственно неустойчивое химическое соединение при нагреве разлагается.

Рассмотрим диаграмму состояния устойчивым химическим соединением. Такая диаграмма изображена на рис. 2.6. Примером диаграмм этого типа является диаграмма состояния сплавов системы Мg – Са..

Химическое соединение (например, АnВm) характеризуется определенным соотношением компонентов (например, п % компонента А и т % компонента В). На оси концентрации компонентов (ось абсцисс) химическое соединение обозначает точку, из которой выходит вертикальная линия, фактически разбивающая диаграмму на две простые диаграммы, в которых химическое соединение выступает уже в качестве самостоятельного компонента и, соответственно, образует эвтектики с компонентом А по реакции Ж → А + АnВm (1 простая диаграмма) и c компонентом В по реакции Ж → В + АnВm (11 простая диаграмма).

Рис. 2.6. Диаграмма состояния с устойчивым химическим сое-динением

Кристаллизация сплавов в пределах 1 и 11 простых диаграмм проходит аналогично кристаллизации сплавов, образующих эвтектику из чистых компонентов. Поэтому после окончательного остывания у эвтектического сплава на 1 простой диаграмме структура будет состоять только из эвтектики Э(А + АnВm ), у эвтектического сплава на 11 простой диаграмме - из эвтектики Э(В + АnВm); у доэвтектических сплавов соответственно на 1 простой диаграмме и на 11 простой диаграмме структура будет иметь вид: А + Э(А + АnВm ) и АnВm + Э(В + АnВm ); у_заэвтектических сплавов на 1 простой диаграмме - АnВm + Э(А + АnВm ) и у заэвтектических сплавов на 11 простой диаграмме – В + Э(В + АnВm ).

2.3. Диаграмма состояния системы железо – углерод

В системе железо - углерод возможно присутствие следующих фаз: жидкой фазы, твердых растворов на базе α – Fе (феррита) и на базе γ – Fе (аустенита), химического соединения Fе3С (цементита) и графита.

Феррит (Ф), являющийся твердым раствором внедрения углерода в α – железе, обозначается Feα. При 727°С наблюдается максимальная растворимость углерода в феррите, составляющая 0,02 %; при 20°С в феррите растворяется около 0,006% С. Свойства феррита близки к свойствам чистого железа.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе, обозначается Fеγ. При 1147°С аустенит может cодержать до 2,14% С, при 727°С - 0,8% С.

Цементит (Ц) - карбид железа Fе3С, в котором содержится 6,67% С. Температура плавления цементита 1252 °С. Обладает высокой твердостью (около 800 НВ), легко царапает стекло. Цементит очень хрупок, имеет почти нулевую пластичность, сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. При нагреве цементит распадается.

Диаграмма состояния железо - цементит приведена в приложении на рис. 5.5. Линия АВСD - линия ликвидус, линия АНJЕСF - солидус. Точка А соответствует температуре плавления железа (1536°С), точка В - температуре плавления цементита (1252°С). Точки N и G соответствуют температурам полиморфного превращения железа.

В системе Fе - Fе3С на разных ярусах происходят эвтектическое и эвтектоидное превращения. По линии ЕСF при 1147°С происходит эвтектическое превращение: Жс → Ав + ЦF. Образующаяся звтектика называется ледебуритом. Ледебурит (Л) - механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3 % углерода.

По линии РSК при 727°С происходит эвтектоидное прев-ращение: Аs Фp + Цk, в результате которого из аустенита, со-держащего 0,8 % С, образуется механическая смесь феррита и цементита. Эвтектоидное превращение происходит аналогично кристаллизации звтектики, но не из жидкости, а из твердого раствора. Образующийся эвтектоид называется перлитом. Пер-лит (П) - механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8 % С. Перлит состоит из пластинок цементита в ферритной основе, на травленом шлифе имеет блеск перламутра, отсюда и название - перлит. Зерно перлита состоит из параллельных пластинок цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита. Аустенит, входящий в состав ледебурита, при 727° С также испытывает эвтектоидное превращение. Поэтому ниже 727° С ледебурит состоит из механической смеси перлита и цементита.

На свойства сплавов оказывает большое влияние различие в размерах и расположении выделений цементита.

Первичный цементит (Ц1) выделяется при высоких температурах непосредственно из жидкой фазы. Его кристаллы - крупные, т. е. Ц1 дает наиболее грубые выделения. Цементит вторичный (Ц11) выделяется из аустенита при достаточно высоких температурах и высокой скорости диффузии. Поэтому Ц11 образуется в виде сетки по границам зерен. Цементит третичный (Ц 111) выделяется из феррита при сравнительно низких температурах. Ц111 выделяется обычно внутри зерен в виде дисперсных включений. Эти включения увеличивают прочность феррита.

Сплавы системы Fe – Fe3C по структурному признаку делят на две группы: углеродистые стали и белые чугуны.

Углеродистые стали содержат до 2,14% С и заканчивают кристаллизацию образованием аустенита. Белые чугуны содержат более 2,14% С и заканчивают кристаллизацию образованием эвтектики – ледебурита.

По структуре углеродистые стали бывают доэвтектоидные (Ф + П), эвтектоидные (П) и заэвтектоидные (П + Ц). Белые чугугуны также делятся на доэвтектические (А + Л), эвтектические (Л) и заэвтектические (Л + Ц).

Раздел 3. Строение полимеров

3.1. Молекулярная структура полимеров

Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся элементарных звеньев, представляющих собой одинаковую группу атомов. Молекулярная масса таких молекул составляет от 500 до 1 000 000.

В молекулах полимеров различают главную цепь, построенную из большого числа атомов. Боковые цепи имеют значительно меньшую протяженность.

По форме макромолекулы полимеров делят на линейные, разветвленные, плоские, ленточные, пространственные или сет-чатые (рис. 3.1). Длина линейной макромолекулы в нес-колько тысяч раз больше ее поперечного сечения. Макро-молекулам поэтому присуща гибкость. Такие макромолекулы, обладая достаточно высокой прочностью вдоль главной цепи, слабо связаны между собой и обеспечивают высокую элас-тичность материала. Нагрев вызывает размягчение, а после-дующее охлаждение - затвердевание полимера (полиамид, полиэтилен).

Разветвленная макромолекула содержит боковые ответ-вления (рис. 3.1, б), что затрудняет сближение макромолекул и понижает межмолекулярное взаимодействие. Полимеры с по-добной формой макромолекул отличаются пониженной проч-ностью, повышенной плавкостью и рыхлостью. С гибкостью макромолекул полимеров связаны многие свойства полимеров: обратимая высокоэластичная деформация, достигающая десятков сотен процентов, ползучесть. Наиболее четко высокоэластичность проявляется в резинах и каучуках.

Увеличение химической связи между макромолекулами очень сильно сказывается на их гибкости. Так натуральный кау-чук, вулканизированный 3% серы, имеет относительное удли-нение при разрыве 800 – 900%, прочность на разрыв 29 – 32 МПа. Эбонит, тот же каучук, но отвержденный до 30% серы, имеет относительное удлинение при разрыве менее 20% и прочность на разрыв 52 – 54 МПА. Увеличивая количество вулканизатора – серы, мы тем самым повышаем энергию межатомной связи.

Рис. 3.1. Формы макромолекул полимеров: а - линейная; б - разветвленная; в - сетчатая

. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛОВ

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ (Н.С. Самойлов)

Макроскопический анализ

Макроанализ заключается в определении строения металла путем просмотра его излома или специально подготовленной поверхности невооруженным глазом или через лупу при небольших увеличениях — до 30 раз. Это позволяет наблюдать одновременно большую поверхность и получить представление об общем строении металла и о наличии в нем определенных дефектов.

В отличие от микроскопического исследования (см. ниже «Микроскопический анализ») макроскопический анализ не определяет подробностей строения и часто является предварительным, но не окончательным видом исследования. Характеризуя многие особенности строения, макроанализ позволяет выбрать те участки, которые требуют дальнейшего микроскопического исследования. С помощью макроанализа можно определить:

1. Нарушение сплошности металла: усадочную рыхлость, газовые пузыри и раковины, пустоты, образовавшиеся в литом металле, трещины, возникшие при горячей механической или термической обработке, флокены, дефекты сварки (в виде непровара, газовых пузырей, пустот);

2. Дендритное строение и зону транскристаллизации в литом металле;

3. Химическую неоднородность сплава (ликвацию);

4. Неоднородность строения сплава, вызванную обработкой давлением: полосчатость, а также линии скольжения (сдвигов) в наклепанном металле;

5. Неоднородность, созданную термической или химико-термической обработкой.

Поверхность, подлежащую макроанализу, изучают непосредственно (по виду излома) или шлифуют и подвергают травлению специально подготовленными реактивами. На шлифованной поверх­ности не должно быть загрязнений, следов масла и т. п., поэтому ее перед травлением протирают ватой, смоченной в спирте. Подготовленный образец называют макрошлифом.

Большое значение для успешного выполнения макроанализа имеет правильный выбор наиболее характерного для изучаемой детали сечения или излома (см. ниже).

Способы макроанализа различны в зависимоcти от состава сплава и задач, поставленных в исследовании.

1. Для выявления дефектов, нарушающих сплошность металла, флокенов, строения литой стали, волокон катаной стали применяют реактивы как глубокого, так и поверхностного травления. Состав некоторых реактивов для глубокого травленияуказан в таблице 2.1.

После травления макрошлиф приобретает рельефную поверхность с отчетливо видимыми осями дендритов (литая сталь), ликвационной зоной и трещинами (если они были в изломе или если в металле обнаружились флокены). Для этих целей чаще применяют поперечные макрошлифы (темплеты).

Травление производят в вытяжном шкафу; макрошлифы вынимают из реактива щипцами или рукой, защищенной резиновой перчаткой.

Для поверхностного травления чаще всего применяют реактив Гейна, содержащий (на 1000 мл воды) 53 г хлористого аммония NH4Cl и 85 г хлористой меди CuCl2.

При погружении макрошлифа в реактив (на 30–60 с) происходит обменная реакция: железо вытесняет медь из водного раствора, и она оседает на поверхности шлифа; на участках, недостаточно защищенных медью (поры, трещины, неметаллические включения),  происходит  травление.  Затем макрошлиф вынимают, слой осевшей меди снимают ватой под струей воды и протирают макрошлиф досуха, чтобы предохранить его от быстрого окисления на воздухе.

Таблица 2.1

Наиболее употребительные реактивы для глубокого травления

Сталь

Состав реактива, мл

Количество воды, мл

Режим травления при  температуре 60–70 °С

HCl

HNO3

Двухромовокислый калий

Углеродистая, марганцовистая, хро­мистая, хромомолибденовая, хромованадиевая

50

50

15–25 мин

Остальные марки легированной — конструкционной стали и инструментальной стали

50

50

25–35 мин

Ферритная и аустенитная стали, устойчивые против коррозии

1000

100

250

1000

30–40 мин

макрошлиф вынимают, слой осевшей меди снимают ватой под струей воды и протирают макрошлиф досуха, чтобы предохранить его от быстрого окисления на воздухе.

Этот реактив более отчетливо выявляет характер ликвации и полосчатость деформированной стали, но менее резко выявляет структуру литого металла и трещины, особенно вызванные флокенами. Для последних целей более пригодны указанные выше реактивы глубокого травления.

2. Определение химической неоднородности. С помощью макроанализа, в отличие от химического анализа, нельзя определить количественное содержание примесей, но можно установить неоднородность распределения их в металле. Для этой цели макрошлиф следует вырезать из катанной или кованной стали в продольном направлении. Распределениесеры определяют следующим образом (способ Баумана). Фотографическую (бромосеребряную) бумагу на свету смачивают или выдерживают 5–10 мин в 5 %-ном водном растворе серной кислоты и слегка просушивают между листами фильтровальной бумаги для удаления излишнего раствора. После этого на приготовленный макрошлиф укладывают фотобумагу и слегка и осторожно, не допуская смещения бумаги, проглаживают рукой или резиновым валиком для удаления оставшихся между бумагой и макрошлифом пузырьков воздуха, так как эти пузырьки оставляют на фотобумаге белые пятна и маскируют результаты анализа. Фотобумагу выдерживают на макрошлифе 2–3 мин.

Сернистые включения (MnS, FeS), имеющиеся в поверхностных участках металла, реагируют с серной кислотой, оставшейся на фотобумаге:

MnS(FeS) + H2SO4 → MnSO4(FeSO4) + H2S

Образующийся сероводород непосредственно против очагов своего выделения воздействует на кристаллики бромистого серебра фотоэмульсии:

H2S + 2AgBr → 2HBr + Ag2S.

Темные участки сернистого серебра, образующиеся на фотобумаге, указывают форму и характер распределения сульфидов.

Снятую с макрошлифа фотобумагу промывают под струей воды, фиксируют 20–30 мин в растворе гипосульфита, после чего промывают примерно 10 мин в воде и просушивают.

Если в стали и чугуне содержится повышенное количество фосфора, то он в отдельных участках, вследствие значительной ликвации, может также участвовать в реакции с бромистым серебром, образуя фосфиды серебра темного цвета.

Определение ликвации углерода и фосфора. Для этой цели используют указанный выше реактив: 85 г CuCl2 и 53 г NH4Cl(на 1000 мл воды).

Способ определения ликвации фосфора и углерода основан на неодинаковом травлении участков с различным содержанием этих элементов. Участки, обогащенные углеродом и фосфором, окрашиваются в более темный цвет. Лучшие результаты достигаются для стали, содержащей менее 0,6 % С. В стали с более высоким содержанием углерода осадок меди, выделяющийся при травлении, плохо смывается с поверхности шлифа.

3. Определение неоднородности строения, соз­данной обработкой давлением (полосчатость). Направление волокон, созданное обработкой давлением, хорошо выявляется реактивом состава: 85 г CuClи 53 г NH4Cl (на 1000 мл воды), т. к. волокна металла и особенно их пограничные участки, отличающиеся по структуре и содержанию примесей, обладают неодинаковой травимостью.

4. Определение неоднородности в структуре, созданной термической и химико-термической обработкой.

А. Определение толщины закаленного слоя. Для этой цели закаленный образец ломают. Слой, получивший закалку, отличается по виду излома (более мелкозернистый, а при закалке без перегрева — фарфоровидный излом). Более точно толщину закаленного слоя определяют после шлифования образца по излому (перпендикулярно оси) и травления в течение 3 мин в 50 %-ном растворе соляной кислоты при 80 °С. Закаленный слой получает более темную окраску.

Б. Определение толщины цементованного слоя. Образец после цементации и закалки, как и в предыдущем случае, ломают. Наружный цементованный и закалившийся слой имеет более мелкое зерно и при выполнении цементации и закалки без перегрева отличается матовым фарфоровидным (шелковистым) изломом. По толщине этого слоя судят о глубине цементации.

Толщину цементованного слоя можно определять более точно шлифованием места излома (перпендикулярно оси) и травлением в течение 1–2 мин в реактиве состава: 2 г Cu Cl× 2H2O и 1 мл HCl (на 100 мл спирта). Мягкая нецементованная сердцевина покроется красноватым налетом меди вследствие вытеснения ее железом из реактива, тогда как цементованный слой останется нетронутым.

Последовательность операции макроанализа

При необходимости полного макроскопического исследования и определения как нарушений сплошности металла, так и дефектов строения, целесообразно придерживаться следующей последовательности: сначала производят травление реактивом состава: 85 г CuClи 53 г NH4Cl (на 1000 мл воды), являющимся общим реактивом и позволяющим выявить строение металла; полученные результаты зарисовывают или фотографируют. Затем образец снова шлифуют и определяют распределение серы по отпечатку на фотобумаге. После этого производят глубокое трав­ление для определения нарушений сплошности и флокенов.

Микроскопический анализ

Микроскопический анализ металлов заключается в исследовании их структуры с помощью оптического микроскопа (использующего обычное белое или ультрафиолетовое излучение) и электронного микроскопа.

При использовании оптического микроскопа структуру металла можно изучать при общем увеличении от нескольких десятков до 2 000–3 000 раз. Микроанализ позволяет характеризовать размеры и расположение различных фаз, присутствующих в сплавах, если размеры частиц этих фаз не менее 0,2 мкм. Многие фазы в металлических сплавах имеют размеры 10–4–10–2 см и поэтому могут быть различимы в микроскопе.

При микроанализе однофазных сплавов (обычно твердых растворов) и чистых металлов можно определять величину зерен и отметить существование дендритного строения.

Определение размеров зерен проводится либо методами количественной металлографии, либо путем сопоставления структуры с заранее составленными шкалами.

Пользуясь методами микроанализа, можно также оценить свойства ряда многофазных сплавов и, в частности, чугуна, для которого имеются специальные шкалы, классифицирующие по форме и количеству графит и фосфидную эвтектику.

По площади, занимаемой каждой фазой или структурной составляющей в поле зрения микроскопа, можно в ряде случаев определить количество присутствующих фаз, если известна их плотность. Кроме того, если известен состав каждой из фаз, можно приблизительно определить и состав изучаемого сплава. Такие расчеты только в том случае будут достаточно точными, если присутствующие фазы не слишком дисперсны и находятся в значительном количестве.

С помощью микроанализа можно определить структуру сплава не только в равновесном, но и в неравновесном состоянии, что в ряде случаев позволяет установить предшествующую обработку сплава.

Изменение структуры от поверхностного слоя к середине изделий указывает на характер нагрева (наличие окисления или обезуглероживания стали) или на применение химико-термической обработки (цементации, азотирования и т. д.).

Приготовление микрошлифов

В оптическом микроскопе рассматриваются микрошлифы — специальные образцы металла, имеющие шлифованную и полированную гладкую поверхность, отражающую световые лучи.

Вырезка образца из исследуемого металла. Детали или образцы небольших размеров и веса после подготовки поверхности можно непосредственно установить на столике микроскопа. Если же размеры или вес детали (образца) значительны или трудно получить на детали плоскую поверхность, необходимо вырезать из детали специальную пробу, часто называемую темплетом.

Для изучения микроструктуры слитка вырезают несколько образцов (темплетов) таким образом, чтобы можно было определить изменение структуры по ряду поперечных сечений.

Получение плоской поверхности образца. Поверхность образца, по которой будет проводиться металлографическое исследование, подвергают специальной обработке. В первую очередь получают приблизительно плоскую поверхность.

Образцы небольших размеров для облегчения обработки помещают в специальный зажим, состоящий обычно из двух пластин, которые можно с помощью винтов сближать и раздвигать, или заливают в специальные легкоплавкие сплавы серу и т. п.

Заливку производят следующим образом: на металлическую или керамическую пластинку устанавливают круглую или квадратную оправку (из стали или латуни) и внутрь оправки помещают образец таким образом, чтобы подготавливаемая поверхность опиралась на пластинку. Затем жидкую легкоплавкую массу заливают в оправку с достаточно плотным заполнением ее.

В последнее время в лабораторной практике начали применять более удобную, чем заливка, запрессовку образцов в пластмассу.

Шлифование плоскости образца. После получения приблизительно плоской поверхности образец шлифуют наждачной бумагой, помещенной для этого на плоском основании (обычно на стекле), или закрепленной с помощью зажимных колец, или наклеенной на вращающийся круг.

Шлифование производят последовательно наждачной бумагой различного сорта, сначала с более крупным зерном абразива, а затем с более мелким. Направление движения образца по наждачной бумаге или положение образца относительно направления круга при смене сорта бумаги изменяют на 90° для лучшего удаления гребешков и рисок, созданных предыдущим шлифованием.

Остающиеся на поверхности образца после шлифования частицы абразивного материала удаляют обдуванием воздухом или промывкой водой.

При шлифовании очень мягких металлов вырываемые из наждачной бумаги абразивные частицы и металлические опилки могут легко вдавливаться в поверхность мягких металлов, поэтому наждачную бумагу предварительно смачивают в керосине или натирают парафином. Последнее применяют, например, при изготовлении микрошлифов из алюминия.

Полирование плоскости образца. Полированием удаляют оставшиеся после шлифования мелкие риски. Применяют механический, химико-механи­ческий и электрохимический способы полирования.

1. Механическое полирование производят на вращающемся круге с натянутым или наклеенным полировальным материалом (фетр, бархат, тонкое сукно), на который непрерывно или периодически наносят абразивное вещество с частицами очень малых размеров (оксид хрома, оксид алюминия, оксид железа и т. д.). Эти абразивные вещества предварительно взмучивают в воде, а затем поливают ими круг.

Полировальный круг должен быть влажным, а нажатие образца на круг незначительным. Скорость вращения круга диаметром 250 мм должна быть 400–600 об/мин.

Полирование считается законченным, когда поверхность образца приобретает зеркальный блеск и даже под микроскопом не видны риски или царапины.

2. Химико-механическое полирование производят полировальным кругом, на который вместе с абразивом наносят химические вещества, способствующие более быстрой обработке.

Для полирования черных металлов применяют пасту ГОИ. Эта паста выпускается трех сортов по зернистости и состоит из трехоксида хрома, стеарина, керосина, силикагеля и других веществ.

Для полирования цветных и некоторых редких металлов применяют травящие химически активные реактивы (например, раствор желтой кровяной соли), которые ускоряют процесс полирования, а в некоторых случаях выявляют также ми­кроструктуру без специального последующего травления.

3. Электрохимическое полирование проводят, помещая образцы в электролитическую ванну и присоединяя их к положительному полюсу. Катодом обычно является пластинка из нержавеющей стали. Шлифованную поверхность образца располагают против катода.

Изучение микроструктуры

Изучение микроструктуры начинают с рассмотрения шлифа в нетравленном виде, т. е. после полирования и промывки. В этом случае в поле зрения микроскопа можно заметить отдельные, обычно небольшие, темные участки. Они могутпредставлять: а) неметаллические включения; б) мел­­кие поры; в) структурные составляющие, характерные для некоторых сплавов (например, графит в сером чугуне).

После просмотра шлиф подвергают травлению.

Зерна чистых металлов или твердых растворов имеют неодинаковую кристаллографическую ориентировку. Поэтому на приготовленную плоскость микрошлифа приходятся зерна, срезанные по разным кристаллографическим направлениям и имеющие в этих направлениях неодинаковые свойства. Если микрошлиф подвергнуть действию химически активной среды (растворов кислот, солей, щелочей и т. д.), то степень травимости отдельных зерен окажется различной. Световой поток, направленный через объектив на микрошлиф, отражается различно от разных зерен; на участках стыков зерен возникает значительное рассеяние, и отраженные лучи не попадают в поле зрения, поэтому по границам зерен возникают темные линии, которые и воспроизводят картину действительных стыков между зернами. Этот эффект в значительной степени возрастает также и потому, что по границам зерен сосредоточиваются многие примеси, имеющиеся в металле или сплаве; травимость по границам зерен вследствие обра­зования гальванических пар увеличивается, и темные линии, указывающие на границы зерен, выступают весьма отчетливо.

В сплаве, имеющем две или несколько фаз, эти фазы могут различаться по величине электрохимического потенциала; поэтому зерна каждой фазы по-разному ведут себя при травлении. Вследствие наличия некоторого количества косых световых лучейвыступающие фазы отбрасывают тень на более сильно протравленные и расположенные ниже фазы, в результате чего образуются теневые картины. Этот эффект усиливается из-за рассеяния лучей, отраженных более глубоко расположенными и более сильно протравленными фазами.

Для травления шлифов применяют различные реактивы

Электронная микроскопия

Появление электронного микроскопа, имеющего разрешающую способность, в десятки раз большую, чем световой микроскоп, позволило подробно изучить такие важные элементы структуры, как выделения второй фазы при старении пересыщенных твердых растворов и, в частности, при отпуске закаленной стали, однодоменные ферромагнитные включения в высококоэрцитивных сплавах, структуру межкристаллитных прослоек и т. д. Однако следует учитывать, что при исследовании объектов косвенными методами электронный микроскоп не дает возможности проводить фазовый анализ. Последний должен, как правило, сопровождать исследование структуры металла. При исследовании прямым или полупрямым методами фазовый анализ возможен непосредственно в электронном микроскопе, настраиваемом для этого на дифракционную съемку; в этом случае микроскоп играет роль электронографа.

Прямое исследование в электронном микроскопе

Ряд объектов исследования структуры металлов можно рассматривать непосредственно в электронном микроскопе. Это тонкие (~ 0,1 мкм) металлические (главным образом конденсированные из паров) и окисленные пленки, частицы осадков, выделенных для фазового анализа, металлургические дымы, частицы порошков для порошковой металлургии и т. д. Дисперсные порошковые объекты наносят или непосредственно на медные или никелевые сеточки (150–300 меш) или на тонкие плоские пленки-подкладки, укрепленные на таких же сеточках.

Для того чтобы иметь возможность рассматривать отдельные частицы, применяют различные способы диспергирования. Для этого используют устройства, действующие по принципу пульверизатора, ультразвуковое облучение суспензии, перенос суспензии из жидкости с малым поверхностным натяжением в жидкость с большим поверх­ностным натяжением. Такое диспергирование в особенности необходимо при изучении частиц карбидных и интерметаллидных осадков, выделенных электролитически из сплава и легко слипающихся одна с другой.

Пленки-подкладки изготовляют любым из описанных ниже способов, используя для получения ровной поверхности тщательно отполированную поверхность стекла, металла, полистирола и т. д. или даже поверхность воды (для лаковой пленки).

Если пленка-подкладка бесструктурна, т. е. не дает собственной отчетливой дифракционной картины на электронограмме или очень тонка и поэтому в очень малой степени рассеивает электроны, то можно легко проводить прямой фазовый электронографический анализ карбидных, интерметаллидных и других частиц, помещенных на такой подкладке. Для успеха анализа необходимо лишь получить определенное, минимальное количество частиц.

Косвенное исследование структуры металлов  с помощью слепков (реплик)

 В большинстве случаев металлографический образец «непрозрачен» для электронов. Поэтому с помощью электронного микроскопа просвечивающего типа невозможно изучать его структуру непосредственно и приходится прибегать к косвенному методу исследования.

Косвенное изучение структуры проводится с помощью пленок-слепков толщиной порядка 10–100 нм, воспроизводящих рельеф поверхности протравленного шлифа. Во многих случаях этим способом можно получать сведения о тонкой структуре образца с такой же надежностью, как о более грубой структуре при обычном исследовании с помощью светового микроскопа. Отличия методов расшифровки электронного изображения от видимого в обычном оптическом микроскопе связаны с бесцветностью электронного изображения и большой глуби­ной резкости электронной оптики, которая позволяет получать стереоскопические изображения и с их помощью определять и измерять выступы и впадины рельефа. Теневые эффекты на правильно ограненных изолированных фигурах травления (всегда углубления) также дают возможность путем сопоставления теней отличать выступы от впадин в рельефе и на обычном изображении. Если же производится искусственное оттенение рельефа для увеличения контрастности изображения, то можно не только отличить выступы, но и измерить их возвышение относительно соседних участков рельефа. Лаковые слепки, кроме того, всегда толще во впадинах и тоньше на выступах рельефа.

Правильной трактовке изображения рельефа иногда может существенно помочь прицельная монтировка слепка на объект-диафрагму, позволяющая рассматривать одно и тоже место шлифа под световым и электронным микроскопами.

Наконец, очень ценные и, главное, прямые данные о фазовом составе и состоянии гребней рельефа на поверхности протравленного шлифа дает электронно-дифракционная съемка «на отражение» (точнее — на просвет тонких выступов) при очень малых (≤ 1 град.) углах падения электронного пучка.

В зависимости от сложности структуры нужно использовать в той или иной степени все возможности для получения объективных данных о происхождении тех или иных деталей рельефа, передаваемых слепком.

Применяется ряд способов получения слепков.

Методы получения слепков

Метод конденсации из паров. На поверхности исследуемого шлифа конденсируют тонкий слой определенного вещества из его паров. Эта операция производится в вакуумной установке (рис. 2.3), имеющей под съемным колпаком устройство для крепления образцов и испаритель — коническую спираль из вольфрамовой проволоки диаметром 0,3–0,5 мм, включенную в цепь понижающего трансформатора на 200–400 Вт при 25 А.

В качестве веществ для образования пленки применяют кварц, закись кремния, алюминий, титан, сплав алюминия с бериллием (60 %), углерод и др. Несколько миллиграммов выбранного материала помещают в испаритель и по достижении вакуума 0,013 Па в испаритель включают ток (от 10 до 25 А). При правильно изготовленном испарителе (плотно расположенные витки спирали для испарения кварца, растянутые витки для испарения металлов) операция испарения продолжается не более 20 с. Чтобы обеспечить испарение углерода, обычно накаливают графитовые стержни или пластинки в такой же установке. Угольную пленку получают также при разложении паров органических веществ (например, бензола) в газовом разряде.

Полученный слепок отделяют от образца или механически (с помощью желатины, коллодия или клейкой ленты) или электрохимически.

Лаковый метод. На поверхность образца наносят каплю очищенного 1 %-ного раствора коллодия в амилацетате. С вертикально поставленного шлифа снимают излишек раствора. После высыхания раствора остается тонкая пленка, отделяемая от образца описанными выше способами (чаще пользуются механическим отделением с помощью желатины). Поскольку лаковая пленка дает очень слабую контрастность изображения рельефа, применяют оттенение рельефа, напыляя на пленку в вакууме под углом к ее поверхности тонкий слой тяжелого металла (чаще пользуются хромом или марганцем). Тонкая лаковая пленка очень слабо рассеивает электроны, и контрастное изображение такой пленки, оттененной тяжелым металлом, является, по существу, изображением только металлического слоя

4. Технологические свойства

(только для спец.ЭОП)

(В.К. Афонин)

При разработке и создании различных изделий машиностроения особое внимание уделяется технологичности их конструкции.

Под технологичностью конструкции изделия понимают совокупность свойств конструкции изделия, определяющих ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, техническом обслуживании и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ (ГОСТ 14.205–83). Важная роль в обеспечении технологичности конструкций изделий принадлежит технологическим свойствам конструкционных материалов, основными из которых являются: свариваемость, паяемость, обрабатываемость давлением, литейные свойства, обрабатываемость резанием.

В данной главе представлены качественные и количественные характериcтики технологических свойств материалов, методы испытаний и контроля для их определения, даны практические рекомендации по использованию различных методов технологической обработки материалов.

CВАРИВАЕМОСТЬ

Сущность свариваемости и ее разновидности

Свариваемость — это комплексная технологическая характеристика металлических материалов, зависящая от многих факторов.

Основное общее определение свариваемости установлено ГОСТ 29273–92:

«Металлический материал считается поддающимся сварке до установленной степени при данных процессах и для данной цели, когда сваркой достигается металлическая целостность при соответствующем технологическом процессе, когда свариваемые детали отвечали техническим требованиям как в отношении их собственных качеств, так и в отношении их влияния на конструкцию, которую они образуют».

Несмотря на различное толкование свариваемости в научно-технической, учебной и справочной литературе, за основу следует принять вышеуказанное определение свариваемости, которое соответствует международному стандарту ИСО 581–80.

Исходя из этого определения следует, что свариваемость зависит от четырех переменных: материала, технологического процесса, типа конструкции и ее функционального назначения. В зависимости от комбинации этих переменных ГОСТ 29273–92 предусматривает возможность частного определения свариваемости в каждом конкретном случае.

В современной сварочной терминологии различают физическую свариваемость и технологическую свариваемость.

Физическая свариваемость определяется физико-химическими свойствами соединяемых металлов и характеризует принципиальную возможность получения сварных соединений, в основном, из разнородных металлов .

Физическая свариваемость является необходимым условием существования функциональной свариваемости.

С физико-химической точки зрения, наилучшей свариваемостью обладают чистые металлы и сплавы, компоненты которых обладают неограниченной взаимной растворимостью, как в жидком, так и в твердом состоянии, то есть образующих непрерывный ряд жидких и твердых растворов. Практически не поддаются сварке плавлением металлы и сплавы, которые не могут взаимно растворяться в жидком состоянии, например, железо и магний, свинец и медь, железо и свинец и др. При расплавлении таких пар металлов образуются несмешивающиеся слои, которые при последующем охлаждении кристаллизуются самостоятельно, а после затвердевания могут быть сравнительно легко отделены друг от друга.

Характер взаимодействия компонентов в твердом и жидком состояниях определяют обычно по равновесным диаграммам состояния. Однако, надо иметь в виду, что построение равновесных диаграмм состояния предусматривает чрезвычайно замедленные нагрев и охлаждение, протекающие иногда в течение сотни часов. Действительные условия процесса сварки существенно отличаются от равновесных, поэтому определение свариваемости по диаграммам состояния отражает лишь принципиальную возможность получения сварного соединения.

Достаточным условием для обеспечения функциональной свариваемости является технологическая свариваемость.

Технологическая свариваемость — это комплексная характеристика металлов и сплавов, отражающая их реакцию на процесс сварки и определяющая относительную техническую пригодность материалов для выполнения заданных сварных соединений, удовлетворяющих условиям их последующей эксплуатации . Понятие технологической свариваемости часто используют на практике при сравнительной оценке существующих и разработке новых материалов без их прямой привязки к конкретному виду сварных изделий. Чем больше применимых к данному металлу видов сварки и шире для каждого вида сварки пределы оптимальных режимов, обеспечивающих возможность получения сварных соединений требуемого качества, тем лучше его технологическая свариваемость.

Технологическая свариваемость зависит от различных взаимосвязанных факторов. Их можно разбить на три группы: фактор материала, конструктивный фактор и технологический фактор.

Фактор материала является важнейшим среди этих групп. На технологическую свариваемость существенное влияние оказывают следующие свойства основного металла:

  • химический состав, который определяет температурный интервал кристаллизации; фазовый состав, а также фазовые и структурные превращения на этапах нагрева и охлаждения;

  • теплофизические свойства, определяющие область и степень завершенности процессов превращений, которые протекают в материале под воздействием сварочного цикла;

  • физико-химические свойства, которые определяют активность физико-химических реакций в сварочной ванне и зоне термического влияния;

  • механические свойства, которые определяют способность материала воспринимать механические воздействия (напряжения), возникающие за счет неравномерности нагрева и охлаждения, жесткости конструкций и других факторов без разрушения.

Конструктивный фактор обусловлен типом сварной конструкции. Тип конструкции определяет форму и взаимное расположение свариваемых элементов, их массу и толщину, тип сварного соединения, форму подготовки кромок под сварку, последовательность выполнения сварных соединений, жесткость сварной конструкции, напряженное состояние элементов этой конструкции перед монтажом, пространственное положение сварки и др.

Технологический фактор определяет свариваемость металлов в зависимости от вида и режима сварки, состава используемых электродов, сварочной проволоки, флюса, защитных газов, температуры окружающей среды, характера подготовки деталей под сварку и др.

По сравнению с другими технологическими процессами получения изделий сварочный процесс имеет специфические особенности, которые оказывают более сильное влияние на свойства обрабатываемого материала. К ним относятся особенности термического воздействия, протекания металлургических процессов и механического воздействия.

Особенностями термического воздействия являются:

  • неравномерный нагрев (градиент температуры при сварке в зависимости от вида сварки изменяется от сотен градусов до нескольких тысяч градусов на миллиметр);

  • высокие температуры нагрева в зоне действия источника тепла, достигающие температуры кипения материала, например при лазерной сварке;

  • большие скорости нагрева и охлаждения (от десятков до тысяч градусов в секунду).

  • Металлургические процессы, протекающие в сварочной ванне, также имеют свои особенности:

  • большая поверхность расплавленного металла по отношению к его объему (0,5–100 мм–1); это определяет существенное влияние реакций, протекающих на поверхности сварочной ванны, на изменение свойств металла во всем объеме сварного шва;

  • относительно малая масса расплавленного металла (от нескольких килограммов при электрошлаковой сварке до сотых долей грамма при сварке микродеталей);

  • активность химических и физических процессов взаимодействия расплавленного металла с окружающей средой и сварочными материалами, обусловленная в значительной степени высокой температурой.

К особенностям механического воздействия относят:

  • возникновение в сварных соединениях напряжений, достигающих во многих случаях предела текучести;

  • воздействие на сварное соединение остаточных напряжений, существовавших в конструкции до сварки.

Рассмотренный комплекс факторов, влияющих на свариваемость, обуславливает нежелательные последствия:

  • резкое отличие химического состава, механических свойств и структуры металла шва от химического состава, структуры и свойств основного металла;

  • изменение структуры и свойств основного металла в зоне термического влияния;

  • возникновение в сварных конструкциях значительных напряжений, приводящих в ряде случаев к образованию трещин;

  • образование в процессе сварки тугоплавких, трудно удаляемых оксидов, затрудняющих протекание процесса, загрязняющих металл шва и понижающих его качество;

  • образование пористости и газовых раковин в наплавленном металле, нарушающих плотность и прочность сварного соединения.

Материалы для обеспечения свариваемости

В различных областях промышленности при изготовлении сварных конструкций ведущее место занимает сварка плавлением, обеспечивающая их высокое качество и технологичность.

При сварке плавлением для обеспечения необходимых регламентируемых характеристик сварного соединения широкое применение находят расходуемые сварочные материалы: покрытые металлические электроды, сварочная проволока, флюсы и др.

Покрытые металлические электроды для сварки и наплавки являются важнейшим и наиболее используемым видом сварочных материалов. Несмотря на интенсивное развитие механизированных и автоматических видов сварки, преобладающим способом изготовления сварных конструкций, как в нашей стране, так и за рубежом является дуговая сварка покрытыми металлическими электродами. В общем объеме производства сварных конструкций около 60 % изготовляется с применением ручной дуговой сварки.

Электроды каждой марки обладают комплексом свойств, знание которых позволяет специалистам наиболее рационально и квалифицированно производить выбор определенной марки электрода применительно к конкретному изделию при его проектировании, изготовлении и ремонте. Правильный выбор электродов фактически гарантирует необходимую технологическую и функциональную свариваемость конструкционных материалов.

Покрытые металлические электроды для ручной дуговой сварки сталей

Классификация и условное обозначение электродов по отечественным стандартам. В основе классификации покрытых электродов для сварки сталей лежат признаки, которые находят отражение в их условном обозначении в виде буквенно-цифровой индексации. Условное обозначение электродов несет всестороннюю информацию о назначении и технологических свойствах электродов, о регламентируемых характеристиках металла шва и наплавленного металла (РХМ) по прочности, пластичности, хладостойкости, жаропрочности, жаростойкости и стойкости к межкристаллитной коррозии. Умелое использование этой информации помогает производить правильный выбор электродов для сварки различных сталей.

Структура условного обозначения покрытых металлических электродов для ручной дуговой сварки сталей установлена ГОСТ 9466–75 и представляет собой дробь, в числителе и знаменателе, которой в закодированном виде указывают различные характеристики электродов (рис. 4.5). Эти характеристики кодируют цифровыми, буквенными или буквенно-цифровыми индексами. Кроме того, на уровне черты за дробью указывают ГОСТ 9466–75 и обозначение стандарта на соответствующий тип электрода.

В зависимости от назначения различают следующие группы электродов, которые кодируют буквами:

У — для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с временным сопротивлением до 588 МПа (60 кгс/ммІ);

Л — для сварки легированных конструкционных сталей с временным сопротивлением свыше 588 МПа (60 кгс/ммІ);

Т — для сварки легированных теплоустойчивых сталей;

В — для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами.

Для каждой группы установлены свои типы электродов: для групп У, Л, Т — по ГОСТ 9467–75, для группы В — по ГОСТ 10052–75.

 

ПАЯЕМОСТЬ

Сущность паяемости

Паяемость — это свойство материала образовывать паяное соединение при заданном режиме пайки (ГОСТ 17325–79). В отличие от свариваемости стандартное определение паяемости не отражает в прямом виде функциональное назначение паяного соединения, хотя в скрытой форме оно заложено в термине «заданный режим пайки».

Под режимом пайки понимают совокупность параметров и условий, при которых осуществляют пайку. К этой совокупности относят температуру пайки, время выдержки при этой температуре, скорость нагрева и охлаждения, способ пайки, припой, флюс (газовую среду), давление на соединяемые заготовки и др. (ГОСТ 17325–79).

Тогда при заданном режиме пайки паяемость — это свойство материала образовывать паяное соединение с требуемой прочностью, пластичностью, герметичностью, электропроводностью, коррозионной стойкостью и т. д.

На паяемость оказывает влияние совокупность факторов, которые условно подразделяют на три группы: физико-химические, технологические и конструктивные факторы .

Материалы для обеспечения паяемости

Припои

Паяемость материалов существенно зависит от используемого припоя, к которому предъявляют следующие требования:

  • температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления соединяемых материалов;

  • припой должен обладать хорошей жидкотекучестью, смачивать поверхности соединяемых материалов, растекаться по ним, проникать в узкие зазоры;

  • припой не должен в значительной степени снижать прочность (статическую и вибрационную) и пластичность соединяемых материалов, а также способствовать их хрупкому разрушению;

  • с паяемыми материалами припой не должен образовывать соединений, склонных к коррозии;

  • коэффициенты линейного расширения припоя и соединяемых материалов не должны резко отличаться во избежание образования остаточных напряжений и трещин в паяном соединении.

Помимо общих требований, к припоям в зависимости от их использования предъявляют ряд специфических требований, например, по электропроводности, теплопроводности, коррозионной стойкости в специальных средах, деформации в горячем и холодном состояниях и др.

В зависимости от температуры полного расплавления Тпл (температуры ликвидуса) припои подразделяют на особолегкоплавкие (Тпл ≤ 145 0С), легкоплавкие (145 0С < Тпл ≤ 450 0С), среднеплавкие (450 0С < Тпл ≤ 1100 0С), высокоплавкие (1100 0С  < Тпл ≤ 1850 0С) и тугоплавкие (Тпл > 1850 0С).

Особолегкоплавкие и легкоплавкие припои относят к припоям для низкотемпературной (мягкой) пайки, а среднеплавкие, высокоплавкие и тугоплавкие — к припоям для высокотемпературной (твердой) пайки (ГОСТ 19248–90).

Припои для низкотемпературной пайки изготовляют на основе олова, свинца, висмута, цинка, кадмия и индия.

Припои для высокотемпературной пайки содержат медь, серебро, никель, кобальт, железо, алюминий и др.

Флюсы

Для обеспечения паяемости применяют различные флюсы, основное назначение которых — удаление окислов с поверхности паяемого материала и припоя и предотвращение их образования.

Свойства флюсов должны отвечать следующим требованиям:

  • вступать во взаимодействие с окислами, прежде чем расплавится припой; для каждого флюса существует температура его активного действия, которая несколько превышает температуру плавления флюса, но она должна быть ниже температуры плавления припоя;

  • смачивать паяемый материал;

  • не вызывать коррозионного влияния на соединяемые детали и припой;

  • оказывать адсорбирующее действие на металл, снижая поверхностное натяжение жидкого припоя и улучшая его растекаемость по паяемой поверхности;

  • не изменять своего химического состава при нагревании вследствие испарения и сублимации отдельных компонентов (не снижать активность в предусмотренном интервале температур пайки);

  • по возможности не содержать дорогостоящих компонентов;

  • быть устойчивым в условиях хранения, транспортирования и применения.

В зависимости от температурного интервала активности различают низкотемпературные (Тпл ≤ 450 0С) и высокотемпературные (Тпл > 450 0С) паяльные флюсы (ГОСТ 19250–73).

Составы наиболее распространенных флюсов для пайки черных и цветных металлов приведены в табл. 4.73 и 4.74 [2].

 

СТАЛИ И ЧУГУНЫ