Методические указания к теме 1.2

Чистые металлы во многих случаях не обеспечивают требуемых свойств, поэтому они применяются сравнительно редко. Более широко используются металлические сплавы. Их получают сплавлением или спеканием двух или более металлов или металлов с неметаллами. Химические элементы или их соединения, образующие сплав, принято называть компонентами. Сплав может состоять из двух и более компонентов и образовывать одну или несколько фаз.

В большинстве случаев входящие в сплав компоненты в жидком состоянии полностью растворимы друг в друге и представляют собой жидкий раствор (одна фаза – жидкость). В твердом состоянии сплавы образуют твердые растворы (по расположению атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения), химические соединения и механические смеси (сплав-смесь).

Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в сплавах. Знание структуры сплавов и их изменения в связи с нагревом или охлаждением сплава позволяет установить закономерность в изменении механических свойств сплавов при различных видах термической и химико-термической обработки.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов данной системы в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Диаграммы состояния строят при условии равновесия системы. Такое состояние может быть достигнуто при малых скоростях охлаждения или нагрева. Поэтому с помощью диаграмм

состояния можно исследовать фазовые и структурные превращения, происходящие в сплавах при медленном нагреве или охлаждении.

Наиболее широко применяются сплавы системы железо-углерод, содержащие до 6,67% углерода, что соответствует его концентрации в цементите. Диаграмма состояния «железо-цементит» (рис.1) имеет важное значение для обоснованного выбора железо-углеродистых сплавов (сталей и чугунов) при изготовлении изделий различного назначения, для теории и практики их термической обработки.

Рис. 1. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Для изучения железоуглеродистых сплавов необходимо научиться анализировать диаграмму состояний «железо – цементит»; знать состав, строение и условия образования различных фаз и структурных составляющих; понимать, в чем структурное различие между техническим железом, сталью и чугуном; разобраться, как влияет углерод и нормальные (постоянные) примеси – кремний, марганец, сера и фосфор – на свойства сталей, в чем состоит вредное влияние фосфора и серы, определяющие явления хладно- и красноломкости стали.

Критические точки сталей (точки Чернова), при которых происходят фазовые превращения, устанавливают связь между обработкой стали, ее структурой и свойствами, что обеспечивает возможность назначения режимов термической обработки сталей. Все критические точки обозначаются буквой «А» (рис.2).

Поскольку превращения совершаются при нагреве и охлаждении при различных температурах, чтобы отличить эти процессы, ввели дополнительные обозначения. Для обозначения превращений при нагреве к букве «А» добавляют букву «с»: А_с1,А_с2; при охлаждении – латинскую букву «r»: А_r1,А_r3.

 

 

910°С

768°С

1147°С

727°С

210°С

P

M

O

S

E

G

I

II

0,8

2,14

Q

А1

А2

А0

А3

А0

А0

А1

А1

Аm

Рис. 2. Критические точки сталей

Т, °С

С, %

 

 

Углеродистые стали кроме двух основных компонентов железа и углерода содержат различные примеси (химические элементы). К их числу относятся постоянные и случайные примеси. Постоянные примеси подразделяются на вредные и полезные. И те и другие оказывают влияние на свойства сталей.

Случайные примеси попадают в сталь из вторичного сырья или руд. Их количество невелико, они мало влияют на процессы превращений и свойства сталей.

Вопросы для самоконтроля

1. Почему в технике наибольшее применение получили сплавы, а не металлы?

2. Поясните понятия: «сплав», «компоненты», «фаза», «структура».

3. В чем разница между фазой и структурной составляющей?

4. Как компоненты сплава могут взаимодействовать друг с другом?

5. Перечислите типы сплавов.

6. Охарактеризуйте каждый тип сплавов.

7. Что такое твердый раствор?

8. Какие бывают твердые растворы?

9. Что такое химические соединения?

10. Что такое механическая смесь?

11. Что называется первичной кристаллизацией?

12. Перечислите механические смеси и охарактеризуйте их.

13. Чем различаются диаграммы состояния «железо-углерод» и «железо-цементит»?

14. Какие фазы образуются в системе «железо-цементит»?

15. Какие группы сплавов можно выделить в системе «железо-цементит»?

16. Назовите критические точки сталей. В чем состоит их практическое применение?

17. Назовите постоянные примеси в сталях. В чем заключается влияние вредных примесей и какова роль полезных примесей?

18. Какое влияние оказывает содержание углерода на механические свойства стали?

19. Какие свойства придают сталям сера и фосфор?