Материаловедение

   По  линии GS превращение аустенита в  феррит, обусловленное полиморфным  превращением железа. По линии PG превращение  аустенита в феррит заканчивается.

   По  линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры.

   По  линии МО при постоянной температуре 768^o С имеют место магнитные превращения.

   По  линии PSK при постоянной температуре 727^o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного:

   

   По  механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в  твердом состоянии.

   Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода.

   Название  получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск.

   Перлит  может существовать в зернистой  и пластинчатой форме, в зависимости  от условий образования.

   По  линии PQ начинается выделение цементита  третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.

   Температуры, при которых происходят фазовые  и структурные превращения в  сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.

   Обозначаются  буквой А (от французского arret – остановка):

   А1 – линия PSK (7270С) – превращение  П  А;

   A2 – линия MO (7680С, т. Кюри) –  магнитные превращения;

   A3 – линия GOS ( переменная температура,  зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение Ф А;

   A4 – линия NJ (переменная температура,  зависящая от содержания углерода  в сплаве) – превращение ;

   Acm – линия SE (переменная температура,  зависящая от содержания углерода  в сплаве) – начало выделения  цементита вторичного (иногда обозначается A3).

   Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при  различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е , при охлаждении – букву r, т.е. .  

   Структуры железоуглеродистых сплавов  

   Все сплавы системы железо – цементит по структурному признаку делят на две большие группы: стали и чугуны.

   Особую  группу составляют сплавы с содержанием  углерода менее 0,02% (точка Р), их называют техническое железо. Микроструктуры сплавов представлены на рисунке. Структура таких сплавов после окончания кристаллизации состоит или из зерен феррита , при содержании углерода менее 0,006 %, или из зерен феррита и кристаллов цементита третичного, расположенных по границам зерен феррита , если содержание углерода от 0,006 до 0,02 %.

   

   
 

   Углеродистыми сталями называют сплавы железа с  углеродом, содержащие 0,02…2,14 % углерода, заканчивающие кристаллизацию образованием аустенита.

   Они обладают высокой пластичностью, особенно в аустенитном состоянии.

   Структура сталей формируется в результате перекристаллизации аустенита. Микроструктуры сталей представлены на рисунке:

   

     Микроструктуры сталей: а – доэвтектоидная  сталь 

; б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь .  

   По  содержанию углерода и по структуре  стали подразделяются на доэвтектоидные , структура феррит + перлит ; эвтектоидные , структура перлит (П), перлит может быть пластинчатый или зернистый ; заэвтектоидные , структура перлит + цементит вторичный (П + ЦII), цементитная сетка располагается вокруг зерен перлита.

   По  микроструктуре сплавов можно приблизительно определить количество углерода в составе сплава, учитывая следующее: количество углерода в перлите составляет 0,8 %, в цементите – 6,67 %. Ввиду малой растворимости углерода в феррите, принимается, что в нем углерода нет.

   Сплавы  железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14 % (до 6,67 %), заканчивающие кристаллизацию образованием эвтектики (ледебурита), называют чугунами.

   Наличие легкоплавкого ледебурита в структуре  чугунов повышает их литейные свойства.

   Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо –  цементит, отличаются высокой хрупкостью. Цвет их излома – серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми чугунами.

   Микроструктуры  белых чугунов представлены на рисунке:

   

     Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектический белый чугун

; б – эвтектический белый чугун (Л); в – заэвтектический белый чугун .  

   По  количеству углерода и по структуре  белые чугуны подразделяются на: доэвтектические , структура перлит + ледебурит + цементит вторичный ; эвтектические , структура ледебурит (Л) ; заэвтектические , структура ледебурит + цементит первичный .

   В структуре доэвтектических белых  чугунов присутствует цементит вторичный, который образуется в результате изменения состава аустенита при охлаждении (по линии ES). В структуре цементит вторичный сливается с цементитом, входящим в состав ледебурита.

   Фазовый состав сталей и чугунов при нормальных температурах один и тот же, они  состоят из феррита и цементита. Однако свойства сталей и белых чугунов значительно различаются. Таким образом, основным фактором, определяющим свойства сплавов системы железо – цементит является их структура. 

Красноломкость,

свойство стали  давать трещины при горячей обработке  давлением (ковка, штамповка, прокатка) в области температур красного или жёлтого каления (850—1150°С). К. обусловливается главным образом распределением некоторых примесей (меди, серы) по границам зёрен металла. В поверхностном слое стали, содержащей более 0,4—0,5% меди, при высоких температурах иногда образуются местные скопления структурно-свободной меди, в результате чего при деформации металла могут возникнуть поверхностные надрывы и трещины. К. наблюдается также в стали с повышенным содержанием серы и пониженным марганца. В этом случае сера находится в стали не в виде сравнительно тугоплавкого сернистого марганца MnS, а в виде сернистого железа FeS, которое образует с железом эвтектику, располагающуюся по границам зёрен. При 988 °С эта эвтектика плавится, что нарушает связь между зёрнами и при деформации вызывает появление трещин. Для ослабления вредного влияния и устранения К. в сталь вводят элементы (алюминий, титан, цирконий и др.), образующие тугоплавкие сульфиды. Концентрация меди на границах зёрен может быть в некоторой мере предотвращена легированием (никелем, молибденом, бором).  

Томасовский процесс,

томасирование чугуна, один из видов передела жидкого  чугуна в сталь без затраты  топлива. Т. п. был предложен С. Дж. Томасом в 1878 и успешно конкурировал с бессемеровским процессом, т.к. позволял перерабатывать чугун, содержащий до 2% P. Распространению Т. п. способствовало то, что томасовская сталь была дешевле стали, полученной другими способами.

Наибольшее применение Т. п. получил сначала в Германии, обладавшей в то время большими запасами лотарингских высокофосфористых руд (первые плавки в 1879). В России Т. п. был введён в 80-х г. 19 в. на Таганрогском, Керченском и Мариупольском заводах. В конце 19 в. томасовская сталь по объёму мирового производства (около 25% от всей выплавки стали) занимала 2-е место (после бессемеровской). Однако несколько повышенное по сравнению с мартеновским металлом содержание азота и фосфора, обусловившее большую хрупкость и хладоломкость томасовской стали, ограничило область её применения. В начале 20 в. Т. п. уступил по объёму производства стали мартеновскому процессу. В дальнейшем доля томасовского металла продолжала снижаться (в 1974 менее 2%).  
 

   Металлы, особенности атомно-кристаллического строения  

   В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни  и деятельности, металлы всегда занимали особое место.

   Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.

   Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

   Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:

• «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);
• пластичность;
• высокая теплопроводность;
• высокая электропроводность.

   Данные  свойства обусловлены особенностями  строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объ¨му металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

   Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».

   Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические  вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определ¨нным порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка.

   Другими словами, кристаллическая решетка  это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

   Элементарная  ячейка – элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.

   Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

   ·  размеры ребер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определенными.

   ·  углы между осями ( ).

   ·  координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.

   ·  базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

   ·  плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74)

   

     Схема кристаллической решетки  

   Классификация возможных видов кристаллических  решеток была проведена французским  ученым О. Браве, соответственно они  получили название «решетки Браве». Всего  для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа;

   ·  примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;

   ·  базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;

   ·  объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;