• Рабочие
  столы
  • Столы
  • Столы-шкафы
  • Столы разделочные пластик
  • Столы разделочные дерево
  • Столы специальные
• Нейтральное
  оборудование
  • Шкафы для посуды
  • Ванны моечные
  • Полки открытые
  • Полки закрытые
  • Стеллажи
  • Стойки-шпильки
  • Тележки
  • Подтоварники
  • Контейнеры для мусора
• Вентиляционное
  оборудование
  • Вытяжные зонты островные
  • Вытяжные зонты пристенные
  • Приточно-вытяжные зонты островные
  • Приточно-вытяжные зонты пристенные
• Тепловое
  оборудование
  • Столы с подогревом внутри
  • Столы с подогревом столешницы
  • Мармит
• Энциклопедия
  стали
  • Сталь - общие сведения
  • Нержавеющая сталь
  • Маркировка сталей
  • Области применения
  • Уход за изделиями

Микроструктура сплавов

Г.В.Акимов

Чистые металлы сравнительно мало употребляются в технике. Чтобы получить материал с высокими механическими свойствами, почти всегда приходится обращаться к сплавам. Наибольшее значение имеют такие сплавы, как стали, чугуны, дуралюмины, силумины, магналии, латуни, бронзы и др.

Какую структуру имеют сплавы?

Взаимодействуя друг с другом, металлы могут образовать в сущности три типа структурных составляющих.

Во-первых, металлы могут растворяться друг в друге и в жидком, и в твёрдом состоянии. В твёрдых растворах атомы одного элемента равномерно распределены среди атомов другого. Твёрдые растворы не имеют какого-либо постоянного состава. Таким образом, в некоторой степени твёрдые растворы напоминают обычные растворы, например, сахара или соли в воде, только атомы в твёрдых растворах более прочно закреплены на своих местах. Твёрдые растворы образуются часто в том случае, если по размерам ион-атомы обоих металлов близки.

Твёрдые растворы служат основой многих технически важных сплавов. Так, твёрдые растворы железа и хрома — основа нержавеющих сталей; твёрдые растворы меди и олова, а также меди п цинка — основа для оловянистых бронз и латуней.

Во-вторых, атомы двух компонентов могут более тесно взаимодействовать друг с другом, в результате чего возникают настоящие химические соединения. Такие соединения носят название интерметаллических соединений. Таковы, например, соединения меди с алюминием (CuA12), железа с алюминием (FeA13), магния с цинком (MgZn2 и MgZn5), золота со свинцом (Au2РЬ), железа с вольфрамом (Fe3W3), сурьмы с железом (Sb2Fe3) и др.

Интерметаллические соединения по своим главным свойствам отличаются от чистых металлов — они обладают более низкой электрической проводимостью, низкой пластичностью, высокой твёрдостью.

Третью группу структурных составляющих образуют так называемые эвтектики. Некоторые металлы могут растворяться друг в друге в жидком состоянии. Но по мере затвердевания сначала выделяются кристаллики одного из компонентов, а затем происходит одновременная кристаллизация обоих металлов. Образуется большое количество кристаллов, имеющих вид вкрапленных в основу зёрнышек или, что ещё более характерно, чередующихся пластинок. На рисунке изображена структура стали, содержащей около 0,9% углерода, имеющей пластинчатую эвтектическую структуру. На следуюшем рисунке эта же структура изображена при ещё большем увеличении. Иногда эвтектики бывают очень красивыми и напоминают какие-то старинные узоры.

Характерной особенностью чистых металлов и чистых эвтектик является то, что они плавятся и затвердевают при некоторой постоянной температуре. Плавление и затвердевание сплавов (за исключением чистых эвтектик) происходит в некотором температурном интервале, т. е. при меняющейся температуре. Температура затвердевания чистых эвтектик всегда ниже температуры затвердевания исходных материалов.

Микроструктура стали, содержащей около 0,9% углерода. Пример пластинчатой эвтектической структуры (увеличение 500).

Эвтектическая структура стали (увеличение 2500).

В настоящее время учение о сплавах достигло большого совершенства. Изучены многие важные двойные, тройные и более сложные сплавы. Установлены закономерности возникновения структур, и теперь во многих случаях можно, зная компоненты, предвидеть, какова будет микроструктура сплава.

Управление структурой металлов

Как мы можем влиять на структуру металла? Если структура и прочность металла (а также и другие его свойства) весьма тесно связаны друг с другом, то этот вопрос, конечно, очень важен в практическом отношении. Управляя структурой металла, мы в известной мере управляем и его свойствами.

В настоящее время мы имеем много способов изменения структуры металла. Прежде всего, мы можем влиять на структуру изменением химического состава металла. В ряде случаев введение в сплав даже очень небольших количеств нового компонента резко изменяет структуру.

Микроструктура обычного (вверху) и модифицированного (внизу) силумина.

На рисунке изображены две микрофотографии сплава алюминия с 11% кремния; это «силумин» — широко распространённый литейный сплав. Микрофотография (вверху) воспроизводит обычный силумин. Мы видим структуру эвтектического характера с крупными пластинками и иглами кремния. Микрофотография (внизу) соответствует тому же сплаву после введения нескольких сотых процента натрия. Это так называемый «модифицированный силумин». Структура резко изменилась: пластинки кремния превратились в очень мелкие зёрнышки.

В связи с таким изменением структуры меняются и свойства. Модифицированный силумин обладает и большей прочностью, и значительно более высокой пластичностью. Введение в модифицированный силумин некоторого процента магния (около 0,3% ) позволяет применить термическую обработку и ещё значительно улучшить механические свойства сплава. Однако введение магния уже почти не отражается па микроструктуре. Повышение свойств в этом случае идёт за счёт изменений на других, более низких «ступенях» структуры.

Подобного же рода «модифицирование», т. е. изменение структуры и свойств, путём введения в сплав малых сильно действующих добавок, применяется и для чугунов, только вместо натрия в этом случае употребляется сплав силико-кальций.

Сильное изменение состава сплава, например, введение значительных количеств алюминия в латунь или никеля, марганца, молибдена и других металлов в сталь, может вызвать очень резкое изменение структуры (на той или иной ступени) и, следовательно, свойства металла.

Мы знаем уже, что структура металла начинает формироваться при переходе из жидкого состояния в твёрдое. Создание тех или иных условий кристаллизации — второй путь влияния на структуру. Так, например, изделия из алюминиевых сплавов, отлитые в металлические формы (так называемые кокили) и испытавших быстрое охлаждение, по структуре и механическим свойствам значительно лучше, нежели отлитые в обычные земляные формы. Отсюда быстрое распространение кокильного литья на наших предприятиях, особенно при производстве высокоответственных деталей для авиации и моторостроения.

Очень большое влияние на структуру металла оказывает механическая обработка (прокат, ковка, штамповка, протяжка). Общеизвестно, что самые ответственные детали машиностроения (валы, шестерни, болты и др.) изготовляются из пруткового, т. е. прокатного, материала или из поковок. Правда, совершенствование техники литья тоже идёт очень быстро, и теперь при помощи литья часто изготовляются самые сложные и ответственные детали (большие шестерни, коленчатые валы автомобилей, поршни, броневые башни, узлы самолётов, детали оружия).

Вообще после горячей механической обработки возрастают прежде всего пластичность и вязкость (сопротивление ударным нагрузкам); прочность обычно повышается в меньшей степени. Иначе влияет холодная обработка — протяжка, волочение или холодная прокатка. В этом случае на зёрнах металла появляются как бы штрихи, так называемые линии скольжения, характерный признак холоднодеформированного материала. При этом сильно изменяются и механические свойства металла — прочность возрастает, а пластичность падает. С помощью холодной протяжки и прокатки получают в настоящее время прочную «нагартованную» проволоку, высокопрочную ленточную нержавеющую сталь, которая идёт для изготовления лёгких судов, скоростных поездов и деталей самолётов.

Но, конечно, самое сильное влияние на структуру, а отсюда и на свойства многих сплавов, оказывает тепловая (термическая) обработка. Закалка, т. е. нагрев до определённой температуры и охлаждение в воде или масле, совершенно изменяет структуру стали.

Микроструктура отожжённой н закалённой стали, содержащей около 0,5% углерода.
Слева — отожженная сталь. Твердость по Брннелю — 150, удлинение — 20%.
Справа — закаленная сталь. Твердость по Бринелю — 620, удлинение 2 %.

Структура с большими зёрнами чистого железа и участками «перлита» для стали со средним содержанием углерода превращается в так называемую «мартенситную» структуру, представляющую однородные тёмные зёрна, заполненные иголочками, расположенными под углом 60 градусов друг к другу. Вместе с тем и свойства изменяются чрезвычайно сильно. Твёрдость возрастает в 5-6 раз, а пластичность падает почти до нуля. Процесс отпуска, то есть невысокий нагрев закалённой стали, может несколько улучшить пластичность и сделать закаленную сталь менее хрупкой.

Итак, мы располагаем разнообразными средствами, позволяющими ы значительной степени управлять структурой металла и влиять на его свойства.

Следующая страница: Сплавы и техника