Будова і властивості металів

Будова і властивості металів

Метали — це хімічні елементи, характерними ознаками яких є висока тепло — і електропровідність, пластичність та міцність. М. В. Ломоносов метали визначав як «світлі тіла, які ковать можно» . Це визначення не втратило значення і в даний час. Отже, властивість пластично деформуватись без руйнування — одна з головних ознак металів.

З відомих 106 хімічних елементів металічні властивості проявляють 83. Кожний з них різниться властивостями та будовою, але їх можна об'єднати в групи. Перш за все метали розділяють на чорні та кольорові. Чорні метали в свою чергу розділяють на залізні (залізо, кобальт, нікель та ін.), тугоплавкі, уранові, рідкоземельні та лужноземельні.

Кольорові метали розділяють на легкі (берилій, магній, алюміній), благородні (срібло, золото, платина та ін.), легкоплавкі (цинк, кадмій, ртуть, олово, свинець, вісмут, талій, сурьма, галій, германій).

Вказані властивості металів обумовлені їх електронною будовою. В них електрони, які знаходяться на зовнішніх оболонках (валентні електрони), не зв’язані з певними атомами, а відірвані від них і належать всьому металу в цілому. Тому метал можна уявити у вигляді іонної решітки, у вузлах якої розташовані позитивно заряджені іони, а між ними знаходяться колективізовані електрони. Якщо позитивно заряджені іони мислено з'єднати лініями, то утворяться геометрично правильні фігури. їх називають елементарні комірки (рис. І). Найчастіше в поширених металах зустрічається об'ємоцентрована кубічна (рис. 1, а) (залізо), гранецентрована кубічна (рис. 1, б) (алюміній, мідь), гексагонально щільно упакована (рис. 1, в) (кобальт).

Кристалічні решітки характеризуються такими параметрами: період, базис, коефіцієнт упаковки, координаційне число та інші. Розташування вузлів у решітці визначається індексами Міллера.

Утворення кристалічної решітки в металі відбувається при переході з рідкого стану у твердий. При цьому відстань між атомами зменшується, а сили взаємодії між ними зростають. При наближенні атомів електрони, які знаходяться на зовнішніх оболонках, втрачають зв’язок зі своїми атомами. Відбувається утворення вільних електронів.

Зв’язок між атомами в металі здійснюється електростатичними силами. Між іонами і вільними електронами виникають електростатичні сили притягання, які стягують іони. Такий зв’язок називається металічним.

Тіла, в яких спостерігається правильне розташування атомів, прийнято називати кристалічними. Ті ж тіла, в яких атоми розташовані хаотично, називають аморфними.

Рис. 1.

Отже, метали є кристалічними тілами. Чи можна отримати аморфні метали? Так, можна, але для цього треба розплавлений метал дуже швидко охолодити. В даний час аморфні метали отримують у вигляді тонкого дроту чи пластинок, тобто таких тіл, які можна швидко охолодити по всьому перерізу.

Процес переходу металу з рідкого стану в твердий називається кристалізацією. Він відбувається в два етапи. Спочатку, при зменшенні температури розплавленого металу утворюється зародки, а потім ці зародки розростаються до утворення зерен. Зародки — це перші елементарні комірки, які утворюються в розплавленому металі в центрах кристалізації. Центрами кристалізації є домішки, стінки посудини та випадково розташовані атоми у вигляді геометрично правильних фігур, ідентичних до елементарних комірок, які характерні даному металу. Оскільки атоми в розплавленому металі швидко рухаються і їх величезна кількість, то завжди є імовірність утворення таких фігур в значній кількості. Отже, в розплавленому металі є величезна кількість центрів кристалізації. При певній температурі, яка характерна для кожного металу (температура плавлення), біля центрів кристалізації утворюються зародки довільно орієнтовані у просторі.

Розростаючись, вони утворюють зерна (рис. 2). Отже, метал складається з великої кількості зерен, тобто є полікристалічним тілом. Якби він кристалізувався з одного центра, то був би монокристалом.

Рис. 2.

З вище сказаного випливає, що змінюючи число центрів кристалізації можна змінити величину зерна. Наприклад, додавши в розплавлений метал порошкоподібного модифікатора можна зменшити величину зерна. Число зародків, а значить і величину зерна, можна змінити також шляхом переохолодження розплаву. Переохолодження металу — це охолодження з більшою швидкістю ніж тією, яка супроводжується рівноважними процесами. Воно характеризується стелінню переохолодження. Степінь переохолодження — це різниця між теоретичною температурою кристалізації (рівноважний процес) і практичною. Чим більша степінь переохолодження, тим меншими будуть зерна в металі.

Перехід металу з розплавленого стану в твердий відбувається при постійній температурі. Це пояснюється тим, що утворення елементарних комірок відбувається з виділенням тепла (схована теплота кристалізації).

При подальшому охолодженні кристалічні комірки в окремих металах можуть змінюватись. Атоми розташовуються в новому порядку, який енергетично вигідніший, ніж в попередньому. Це явище називається поліморфним або алотропічним перетворенням. Наприклад, залізо має а, у, 8 перетворення. До температури 911 °C буде б-залізо з ОЦК решіткою. Від 911 °C до 1392 °C буде г-залізо з коміркою ГЦК, а від 1392 °C і до плавлення буде д-залізо з ОЦК коміркою.

Оскільки в зерні елементарні комірки об'єднуються в решітку, то спостерігається різна густина упаковки атомів в різних напрямках. Це приводить до анізотропії всіх його властивостей (неоднаковість властивостей в різних напрямках). Оскільки зерен в металі багато і вони розорієнтовані, це приводить до усереднення всіх властивостей, тобто метал є ізотропічним.

Таким чином, метал є полікристалічним тілом. Він має велику кількість зерен, кристалічні решітки яких розорієнтовані в просторі. Атоми металу розташовуються у вузлах кристалічної решітки, яка складається з елементарних комірок, характерних для даного металу. Комірки являють собою геометрично правильну фігуру.

У реальних умовах правильне розташування атомів у решітці порушується. Це викликається різними причинами. Так, до порушень (дефектів) приводять домішки, вакансії тощо.

Усі дефекти можна розділити на три види: точкові, лінійні та поверхневі.

Точкові дефекти мають незначні розміри у трьох вимірах (X, У, Z). Причин їх виникнення дві. Одна з них — це виникнення в металі вакансій (рис. 3, а). Відомо, що атоми коливаються біля вузлів решіток. З підвищенням температури амплітуда цих коливань збільшується. Більшість атомів кристалічної решітки мають однакову (середню) енергію і коливаються при даній температурі з однаковою амплітудою. Проте, окремі атоми можуть випадково отримати надлишок енергії від сусідніх атомів, якої достатньо, щоб атом покинув своє місце. Таким чином, утворюється вакансія. Кулонівські сили взаємного притягання стягують сусідні атоми і утворюють дефект. Найбільш часто це трапляється в поверхневих шарах металу. Утворена вакансія може швидко заповнитись атомом, який створив вакансію в іншому місці металу і т.д. Тобто вакансія може переміщуватись в глибину металу. Атом, який покинув вузол решітки, в свою чергу утворює точковий дефект, або навпаки заповнює вакансію.

Точковий дефект може створити також домішковий атом, який відрізняється від основних атомів своїми розмірами (рис. 3, б, в).

а) б) в)

Рис. 3.

Лінійні дефекти мають незначні розміри в двох вимірах і значні в одному, тобто є протяжними. Вони можуть бути крайові (рис. 4, а) та гвинтові (рис. 4, б).

а) б)

Рис. 4.

Крайові утворюються в результаті зсуву на одну міжатомну відстань однієї частини решітки відносно іншої вздовж якоїсь площини. Тоді число рядів атомів у верхній частині решітки на одиницю більше, ніж у нижній. Отже, у верхній частині решітки з’явиться ніби зайва атомна площина (екстраплощина). Край цієї площини створює лінійний дефект. Гвинтовий дефект утворюється в результаті кристалізації металу шарами, які заходять один під інший. При цьому відбувається закручування атомних шарів по гвинтовій лінії. Поверхневі дефекти знаходяться на границях між зернами, оскільки на границях зерен атоми розташовуються неправильно. Крім того, по границям зерен зосереджуються дислокації і вакансії, а також концентруються домішки, що ще більше порушує порядок розташування атомів.

Дефекти в кристалах суттєво впливають на властивості металів. Підрахунки показують, що ідеальні кристали мають високу теоретичну міцність (у 10.1000 разів більшу, ніж у реальних кристалах). Однак міцність змінюється в залежності від концентрації дефектів.

Теорія сплавів

Металічним сплавом називається складна речовина, отримана сплавленням (або спіканням) декількох металів або металів з неметалами (металоїдами). Сплав можна отримати дифузійним методом, тобто в метал впроваджують атоми якоїсь речовини. З часом, при створенні відповідних умов, вони дифундують у глибину металу. На практиці частіше всього використовують сплави, отримані методом розплаву.

Елементи, які входять до складу сплаву, називають компонентами. Сплави можуть бути двокомпонентні і більше. Однак теорія багатокомпонентних сплавів складна, тому далі будемо розглядати тільки двокомпонентні сплави.

Однорідну частину системи, яка має чітку границю, при переході через яку різко змінюються властивості, називають фазою. Сукупність фаз, які знаходяться в рівновазі при певних зовнішніх умовах (тиску, температурі), називають системою. Наприклад, розплавлений метал є однофазною системою. Видиме взаємне розташування фаз, їх форма і розміри визначають поняття структура сплаву.

Металічних сплавів можна створити багато, тому що більшість відомих хімічних елементів є металами. Навіть якщо створювати сплави тільки з їх комбінації, то вже буде значне число сплавів.

У зв’язку з різноманітністю компонентів виникає багато запитань. Наприклад, як будуть вести себе компоненти, якщо їх розплавити та змішати між собою? Можливо, що вони необмежено розчинятимуться один в іншому, або буде неповна розчинність, чи-то не розчиняться один в іншому зовсім.

Виявляється, що більшість металів в розплавленому стані розчиняється один в одному в будь-яких співвідношеннях. В однорідному розчині атоми компонента В рівномірно розподіляються серед атомів металу А - розчинника. Лише деякі метали розчиняються в рідкому стані обмежено. І тільки дуже обмежена кількість металів із-за великої різниці в розмірах атомів не розчиняються один в іншому в рідкому стані.

Як же будуть вести себе компоненти при кристалізації сплаву? Як вона буде протікати? Кристалізація сплавів відбувається по такому ж механізму, як і металів. Хоча в процесах кристалізації є й відмінне. Так, кристалізація металів відбувається при постійній температурі, а сплавів — в певному інтервалі температур. Наприклад, залізо затвердіває при температурі 1539 °C, а сталь 45 починає кристалізуватися при температурі близько 1500 °C і закінчує при 1400 °C. Із зниженням температури кількість твердої фази росте. Щоб знайти співвідношення між фазами, можна застосувати так зване правило відрізків, яке буде розглянуте далі.

Другою відмінністю є те, що метали при затвердінні залишаються однофазними, а сплави можуть утворити твердий розчин, або механічну суміш, чи-то хімічну сполуку. Тверді розчини утворюються в результаті переходу в твердий стан однорідних рідких розчинів. У твердому розчині одна з речовин, яка входить до складу сплаву, зберігає характерну їй кристалічну решітку, а інша розподіляється окремими атомами в кристалічній решітці першої речовини. При цьому можливі тверді розчини втілення та заміщення. В твердих розчинах втілення атоми розчинюваної речовини заходять в міжатомний простір кристалічної решітки розчинника. В твердих розчинах заміщення частина атомів розчинюваного заміщає атоми в кристалічній решітці розчинника.

Прикладом твердого розчину втілення може бути сплав заліза з азотом, бором, воднем тощо. Твердий розчин заміщення залізо створює з хромом, нікелем тощо.

Сплав типу механічна суміш характерний тим, що після кристалізації розплаву утворюються зерна окремих компонентів з властивими для них комірками.

У сплаві типу хімічна сполука після кристалізації утворюються зерна з коміркою, яка не характерна ні компоненту А, ні компоненту В. Атоми компонентів в цій комірці розташовуються за законом А_тВ_п, тіп кількість атомів відповідних компонентів.

Хімічні сполуки, як і чисті метали, мають постійну температуру плавлення і, як правило, є великої твердості і крихкості.

Чи можна передбачити який тип сплаву створять ті чи інші компоненти? Точно сказати про це не можна. Хоча є певна імовірність це з’ясувати. Так, велика імовірність утворення сплаву хімічна сполука є тоді, коли елементи компонентів сплаву знаходяться далеко один від одного в таблиці Д.І. Менделєєва. Механічні суміші утворюють метали, які мають різні типи кристалічних решіток і значно відрізняються діаметрами атомів та температурою плавлення.

Схема утворення твердого розчину

Крім зазначених вище типів сплавів можуть виникати проміжні - тверді розчини на основі хімічної сполуки, упорядковані тверді розчини, електронні сполуки (фази Юм-Ро-зері), фази втілення тощо.

Раніше розглядались тверді розчини, які утворились на основі чистих компонентів. Однак, здатність до утворення твердих розчинів характерна не тільки чистим елементам, але й хімічним сполукам. В таких випадках зберігається решітка хімічної сполуки, але надлишкова кількість атомів (наприклад, атомів В) розчиняється, заміщуючи в решітці якусь кількість атомів А. Можливе також розчинення і третього елемента С. У такому разі атоми С заміщують у вузлах кристалічної решітки атоми А і В.

Схема утворення механічної суміші

Схема утворення хімічної сполуки

Явище упорядкованості атомів у твердому розчині було помічене Н. С. Курнаковим. У звичайних твердих розчинах атоми розчиненого компонента розподіляються в решітці довільно. Але в окремих випадках атоми розчиненого елемента можуть розташовуватись правильно. Такі тверді розчини називають упорядкованими. Наприклад, при повільному охолодженні сплаву міді та золота їхні атоми займають, певні місця в решітці. Так, атоми золота можуть зайняти всі кутові положення ГЦК, а атоми міді - центри граней.

Англійський металофізик Юм-Розері відкрив твердий розчин на основі електронного з'єднання. Цей вид з'єднань утворюється двома металами із слідуючих груп: мідь, срібло, золото, кобальт, свинець, нікель, з однієї сторони та берилій, цинк, кадмій, алюміній, олово, кремній — з іншої. Ці з'єднання характеризуються певним відношенням валентних електронів до числа атомів (3/2; 21/13 чи 7/4), причому кожному відношенню відповідає певна кристалічна решітка. Так, відношенню 3/2 відповідає ОЦК решітка, 21/13 — складна кубічна, 7/4 — гексагональна решітка.

До числа найбільш важливих з'єднань, які утворюються в сплавах, відносяться фази втілення. Це з'єднання перехідних металів (залізо, марганець, хром, молібден тощо) з неметалами, які мають малі атомні радіуси (вуглець (0,077 нм), водень (0,046 нм), азот (0,071 нм)). У цьому випадку атоми металу утворюють прості решітки, а атоми неметалу впроваджуються в пори цих решіток в певні місця. Основна відмінність фаз втілення від твердих розчинів втілення, полягає в тому, що перші утворюють нову кристалічну решітку із закономірним розташуванням атомів компонентів, а другі зберігають упаковку розчинника. Фази втілення мають високі температури плавлення, твердість і електропровідність.

Діаграми подвійних сплавів

Діаграми стану є графічним зображенням фазового стану сплавів в залежності від температури і концентрації компонентів.

Діаграми стану показують стійкий стан, при якому система має мінімум вільної енергії, тому вони називаються діаграмами рівноважного стану. Цей стан відповідає дуже повільному нагріванню та охолодженню сплаву. Оскільки істинну рівновагу в реальних умовах досягти важко, то діаграми стану носять теоретичний характер, а на практиці вони використовуються для розгляду перетворень при малих швидкостях нагріву та охолодження.

Загальні закономірності співіснування стійких фаз, які відповідають теоретичним умовам рівноваги, можуть бути виражені в математичній формі правилом фаз (законом Гіббса):

с = k - f + п,

де с - число ступенів свободи; k — кількість компонентів; f — число фаз у системі; п - число зовнішніх факторів (k, п i f - незалежні змінні фактори рівноваги).

Під числом степенів свободи (варіантністю) системи розуміють число зовнішніх і внутрішніх факторів (температура, тиск, концентрація), які можна змінювати без зміни числа фаз в системі.

Якщо с = 0 (нонваріантна система), то зміна хоча б одного фактора приведе до порушення рівноваги та викличе зміну фазового стану системи. Якщо с = 1 (моноваріантна система), то можлива зміна в деяких межах одного з факторів і це не приведе до зменшення чи збільшення числа фаз.

Фазою називається однорідна частина системи, яка відділена від іншої частини поверхнею розподілу, при переході через яку хімічний склад, або структура речовини змінюється скачками. Так, розплавлений метал однофазний, а сплав механічна суміш — двофазний.

Число зовнішніх факторів п це температура і тиск. Оскільки в металах і сплавах усі перетворення відбуваються при постійному (атмосферному) тиску, то п = 1, тоді правило фаз записується так:

с = k - f + 1.

Правило фаз дозволяє перевірити правильність побудови кривих кристалізації та діаграм стану. При с = 0 на кривій охолодження відмічається полочка, а при с = 1 — перелом лінії. Діаграми стану будують на основі кривих охолодженим Для конкретного сплаву з різною концентрацією компоненті будують криві охолодження. Потім критичні точки з кривих охолодження переносять в систему координат температура-концентрація і з'єднують їх лініями. Так отримують основні лінії діаграм.

Конкретний приклад побудови діаграми сплаву свинець-сурма наведений на рисунку 5.

Рис. 5.

Лінію АСВ називають ліквідує (у перекладі з латинського означає «рідкий»). Вище цієї лінії сплав знаходиться в рідкому стані. Лінію ДСF, яка відділяє сплав в твердому стані від двофазного (рідина плюс тверде тіло), називають солідус (твердий). Точка С, де перетинаються лінії ліквідує і солідус, називається точкою евтектики (легкоплавкий). Ця точка характерна тим, що при кристалізації сплав із рідкого стану відразу переходить у твердий.

При наявності поліморфних перетворень у компонентів сплаву критичні точки на кривих охолодження будуть і в твердому стані, тому на діаграмі крім лінії ліквідує та солідус будуть ще лінії, які проходять нижче лінії солідус.

В наведеному прикладі діаграма має простий вигляд. Проте з неї можна почерпнути чимало корисного. Наприклад, без затруднень можна знайти температуру плавлення сплаву будь-якої концентрації, встановити залежність температури плавлення від концентрації, визначити точку евтектики, встановити, як із зміною концентрації сплаву змінюється температура початку і кінця кристалізації тощо. Крім того, діаграма стану дозволяє проводити якісний і кількісний аналіз фазового складу при різних температурах. Для цього, через будь-яку точку на лінії сплаву проводиться лінія, паралельна осі концентрації (конода). Точки перетину її з осями і лініями діаграми покажуть концентрацію рідко твердої фаз.

Рис. 6.

Наприклад, при температурі t₃ точка т характеризує склад твердої фази компонента В. Перетин коноди з лінією ліквідує k дозволяє визначити склад рідкої фази (опустити перпендикуляр на вісь концентрації) (рис. 6).

При зменшенні температури продовжується кристалізація компонента В, а тому його концентрація в рідині зменшується.

Таким чином, при охолодженні сплаву точка к переміщується по лінії ліквідує, наближуючись із зниженням температури до точки С. Значить, лінія ліквідує показує зміну концентрації компонента В в рідкій фазі по мірі кристалізації сплаву. В точці С рідина, яка залишилась, дає евтектичну суміш кристалів A і В.

Кількісна оцінка здійснюється правилом відрізків, яке можна сформулювати з двох частин. Перша з них формулюється так:

Щоб визначити концентрацію компонентів у фазах, через дану точку п, яка характеризує стан сплаву, проводять горизонтальну лінію до перетину з лініями, які обмежують дану область. Проекції точок перетину на вісь концентрації показують склад фаз.

Друга:

Для того, щоб визначити кількісне співвідношення фаз, через дану точку п проводять горизонтальну лінію. Відрізки цієї лінії тп і пk між заданою точкою і точками, які визначають склад фаз, обернено пропорційні кількості фаз.

Виходячи з цього правила знайдемо співвідношення між рідкою фазою (Ж) і кристалами (В):

Ж = · 100%; B = · 100%

Якщо кількість сплаву позначити Q, то

Ж = · Q; B = · Q

Після розгляду побудови діаграми сплаву свинець-сурма може виникнути запитання: чи велика різноманітність діаграм сплавів? Виявилося, що ні. Експериментальні дослідження показали, що всі діаграми можна розділити на чотири типи (рис. 7).

а) б) в) г)

Рис. 7.

Як з’ясувалось, тип діаграми відповідає типу сплаву. Механічна суміш має діаграму, показану на рис. 7, а, твердий розчин з обмеженою розчинністю в твердому стані розчинюваного — рис. 7, б, твердий розчин з необмеженою розчинністю — рис. 7, в, хімічна сполука — рис. 7, г. Проте, діаграми деяких сплавів не співпадають із зазначеними вище. Вони складаються з їх частин. Виявляється, що тип сплаву залежить не тільки від його компонентів, а й від концентрації. До цього винятку належить і діаграма сплаву заліза з вуглецем. І Іри незначній кількості вуглецю залізо з вуглецем утворює твердий розчин, а більший — хімічну сполуку.

Залізовуглецеві сплави

Залізовуглецеві сплави — це сплави, отриманні методом розплаву заліза з вуглецем. До них відносяться сталь і чавун. Оскільки основними компонентами їх є залізо та вуглець, то спочатку розглянемо їх більш детально.

Залізо — це хімічний елемент з явно вираженими металічними властивостями. Воно добувається з надр землі, де знаходиться в рудах частіше всього в окислах Fe₂0₃. Воно має сріблясто-білий колір. Густина заліза 7,8 г/см³. Температура плавлення 1539 °C. Кристалічна решітка ОЦК. При зміні температури залізо має поліморфні перетворення, які позначаються Fe_б, Fe_г, Fe_д. Атомний номер заліза 26, атомна вага 55,85. Залізо — феромагнітний матеріал, але при температурі 768 °C (точка Кюрі) воно стає немагнітним. Найбільш чисте залізо, отримане в лабораторних умовах, має 99,9917% Fe. Залізо має невисоку твердість (80 НВ) і міцність (280 мн/м²).

Вуглець у природі зустрічається у двох модифікаціях: у формі алмазу із складною кубічною решіткою, та у формі графіту з простою гексагональною решіткою. Густина графіту 2,25 г/см³. При нагріванні до 3650 °C графіт починає сублімувати. Діаметр атома вуглецю — 0,154 нм.

Виходячи з типів комірок, розмірів атомів заліза та вуглецю, можна зробити висновок, що вуглець в б-залізі не розчиняється, а в г-залізі розчиняється. Однак, експериментальна перевірка показує, що все-таки незначна кількість вуглецю розчиняється і в б-залізі. Пояснюється це наявністю в реальних решітках дефектів, особливо по границях зерен.

Рис. 8.

Основним конструкційним металічним матеріалом у промисловості є вуглецева сталь. Крім заліза і вуглецю в сталях є багато домішок. Вони можуть бути корисні та шкідливі, постійні та випадкові. Як вуглець, так і кожна з домішок впливають на властивості сталі. Особливо на властивості сталі впливає вуглець. Навіть при незначній зміні кількості вуглецю помітно змінюються властивості сталі. На рисунку 12 показана залежність між кількістю вуглецю і механічними та фізичними властивостями сталі.

Постійними домішками в сталі є марганець, кремній, фосфор, сірка, а також гази: водень, азот та кисень.

Марганець суттєво впливає на властивості сталі, підвищує міцність, нейтралізує шкідливі з'єднання сірки тощо.

Кремній позитивно впливає на сталь. Його дія аналогічна до марганцю.

Фосфор є шкідливою домішкою в сталі. Розчиняючись у фериті, він різко підвищує температуру переходу в крихкий стан, викликаючи холодноломкість (синьоломкість) сталі.

Сірка, як і фосфор, потрапляє в метал із руд та разом з паливом. Вона теж шкідлива. Але не розчиняється в сталі. Сірка в будь-який кількості утворює із залізом сірчасті з'єднання — сульфіди заліза, які є евтектичними з температурою плавлення 988 °C і вище, тобто в районі температур червоного кольору. Тому це явище називають червоноломкістю. Це явище особливо небезпечне при обробці сталі тиском, тому що при гарячій обробці тиском у металі з’являється надриви та тріщини.

Уведення в сталь марганцю зменшує шкідливий вплив сірки. Марганець з'єднується з сіркою, утворюючи сульфід марганцю, який плавиться при температурі 1620 °C.

Кількість фосфору і сірки обмежують. Фосфору у сталі допускається не більше 0,05%, а сірки — 0,03%.

Водень, азот, кисень знаходяться в сталі в незначній кількості. їх кількість залежить від способу виробництва. У сталях вони знаходяться в раковинах, розчиняються у фериті, утворюють різні з'єднання (нітриди, оксиди). Наявність цих газів у металі приводить до шкідливих наслідків. Водень сприяє утворенню надривів (флокенів). Азот і кисень дуже впливають на зменшення в’язкості металу, зменшують ударну в’язкість.

Виходячи з практичного застосування залізовуглецевого сплаву, діаграму будують не повністю від 0 до 100% вуглецю, а в межах практичного і теоретичного значення. Таким значенням виявилась кількість вуглецю від 0 до 6,67%, тобто від чистого заліза до сплаву, зерна якого називають цементит. Тому діаграму називають залізо-цементит (рис.8).

Лінія АВСД є лінією ліквідує, а лінія AHIECF — солідус. Всі критичні температури позначають буквою А з індексами с і г (с - нагрівання, г - охолодження) і цифрами. Тоді лінія PSK позначиться А_{, лінія GS — А₃, лінія SF — А_С1, лінія N1 - А_А. Лінію магнітних перетворень МО, яка відповідає температурі 768 °C, позначають А₂ Уведення індексів с і г обумовлене деяким неспівпадінням температур поліморфних перетворень при нагріванні та охолодженні в реальних умовах.

Рис. 9.

У залежності від кількості вуглецю змінюються фази. Так, при відсутності вуглецю буде чисте залізо. Оскільки залізо має поліморфні перетворення, то до температури 911 °C його позначають Fe_a, від 911 °C до 1392 °C Fe_y, і від 1392 °C до 1539 °C Fe₅, (оскільки Fe_a і Fe₅ мають однакову комірку, то інколи Fe₆ позначають Fe_a).

Отже, при нормальних умовах залізо є модифікації Fe_a. Залізо із незначним вмістом вуглецю (до 0,02%) називають технічно чистим залізом.

При малій кількості вуглецю утворюється зерна фериту (Ф) — твердий розчин вуглецю в Fe_a. Розчинність вуглецю у фериті при кімнатній температурі до 0,005%. Найбільша розчинність при 727 °C — 0,02%. Ферит має незначну твердість (80−100 НВ) і міцність (250 МПа), але високу пластичність (8=50%).

При зростанні кількості вуглецю в сплаві поряд з феритом з’являються зерна перліту (П) — механічна суміш (евтектоїд, подібний евтектиці, але утворюється із твердої фази), фериту і цементиту, з вмістом вуглецю 0,80%. Перліт може бути пластинчатим і зернистим, що залежить від форми цементиту. При повільному охолодженні сплаву в розплаві першим утворюється зародки цементиту. Оскільки для його утворення потрібно 6,67% вуглецю, то область розплаву навколо зародка цементиту збіднюється на вуглець і створюються умови для утворення фериту. Так відбувається чергування зерен Ф і Ц. На протравленому зразку розчином азотної кислоти у спирті пластинчатий перліт виглядає як чергування світлих і темних ліній. При кімнатній температурі зернистий перліт має межу міцності 80 МПа, відносне видовження 15% і твердість 160 НВ. Якщо вміст вуглецю в сплаві досягне 0,8%, то буде чистий перліт. З підвищення кількості вуглецю в сплаві появляються зерна цементиту (Ц) — кристалічна решітка цементиту складна (рис.10).

Температура плавлення цементиту біля 1600 °C. Він дуже твердий (800 НВ), крихкий і практично не має пластичності. Цементит не стійкий і може розпадатись з виділенням вільного вуглецю (графіту).

Якщо кількість вуглецю перевищить 2,14%, то крім перліту і цементиту з’являються зерна ледебуриту (Л) — механічна суміш (евтектика) перліту і цементиту, яка містить 4,3% вуглецю. Ледебурит має твердість 600 — 700 НВ і велику крихкість. При збільшеній вуглецю крім ледебуриту появляються зерна цементиту. Його кількість зростає аж до 6,67%, при якій буде чистий цементит.

Рис. 10.

Суттєвих змін залізовуглецевий сплав зазнає при переході через точку, що відповідає 2,14% вуглецю. До 2,14% вуглецю графіт не виділяється, а після — значна частина вуглецю виділяється у вигляді графіту. Це спричиняє значні зміни у властивостях сплавів. В зв’язку с цим залізовуглецеві сплави розділяють на два види — сталь і чавун. Сталь це залізовуглецевий сплав із вмістом вуглецю від 0 до 2,14%. Чавун — це залізовуглецевий сплав із вмістом вуглецю від 2,14 до 6,67%.

Чавун з процентним вмістом вуглецю 4,3% називають евтектричним. Якщо в чавуні вуглецю менше за 4,3%, тоді його називають доевтектичним, а якщо більше — заевтектичним. Аналогічно називають і сталі. Сталь з вмістом вуглецю 0,8% називають евтектоїдною. Якщо в сталі вуглецю менше, ніж 0,8%, її називають доевтектоїдною, а більше — заевтектоїдною.

Оскільки залізо має поліморфні перетворення, то із зміною температури будуть змінюватись фази.

У сталях при повільному (рівноважному) нагріванні та охолодженні вони будуть характерними для доевтектоїдних, евтектоїдних і заевтектоїдних сталей. Якщо взяти доевтектоїдну сталь з процентним вмістом вуглецю, наприклад 0,5%, і повільно нагрівати, то до лінії A_С1 фазових змін не буде, тобто початкова структура Ф + Ятак залишається до 727 °C. По лінії А_С1 відбудеться розпад перліту в аустеніт (А). Аустеніт — це твердий розчин вуглецю в Fe_г. При подальшому нагріванні поступово розпадається Ф у А і після лінії А_С3 буде тільки А. При подальшому нагріванні аустеніт залишається аж до розплавлення. Хоча на цьому шляху відбудуються два негативних явища. Так, спочатку більші зерна А будуть поглинати менші, що приведе до збільшення зерен А. Якщо з цього моменту почати охолоджувати сплав, то крупнозернистість аустеніту передасться початковим фазам, що негативно вплине на механічні властивості такої сталі. Це явище називають перегрівом сталі. Його можна усунути шляхом спеціальної термічної обробки — відпалу.

Якщо ж сталь нагрівати далі, то великі зерна аустеніту почнуть окислюватись по межах зерен. Це явище називають перепалом сталі Його можна усунути тільки шляхом переплавлення сталі.

Якщо скористатись умовними позначеннями, то зазначені вище перетворення можна записати так:

П + Ф > А + Ф > А.

При повільному охолодженні аустеніт по лінії А_гі починає розпадатись у ферит. Це буде відбуватись до лінії А_Л. По лінії А_л аустеніт, який залишився розпадається у перліт. Далі фазові перетворення відсутні. Тобто при повільному охолодженні спостерігається зворотній до попереднього процес перетворень. Його можна записати так:

А > Ф + А > Ф + П.

У евтектоїдної сталі фазові перетворення не такі: при нагріванні П > А; при охолодженні А > П.

У заевтектоідної сталі: при нагріванні - П + Ц > А + Ц > А, а при охолодженні - А > А + Ц > П + Ц.

Аналіз фазових перетворень у сталях при рівноважномунагріванні та охолодженні дає можливість зробити такі висновки:

До лінії А₁ (727°С) фазові перетворення відсутні.

По лінії А₁ відбувається розпад, або утворення перліту, тому цю лінію можна назвати лінією перлітних перетворень.

Завершується нагрівання сталі завжди утворенням аустеніту.

У чавунах фазові перетворення при повільному їх нагріванні та охолодженні аналогічні. Поскільки в залізовуглецевих сплавах відбувається кристалізація і перекристалізація, то фази, отримані з розплаву, називають первинними. Наприклад, якщо із розплаву утворився цементит, то його називають цементит первинний. Якщо ж він утворився із твердої фази (перекристалізація), то його називають вторинним, або навіть — третинним.

Окремо розгляду потребує ліва верхня частина діаграми (рис. 11).

Рис. 10.

Цю частину називають областю перитектичного перетворення. Перитектичне перетворення характерне тим, що із первинного фериту і рідини утворюється аустеніт. Перитектичне перетворення відбувається по лінії НІВ, тобто починаючи з 0,1% С і закінчуючи 0,5% С.

Кристалізація сплаву К₁ починається в точці 1 з утворенням первинного фериту. В точці 2 розплав перетворюється у ферит. Від точки З до 4 ферит перетворюється у аустеніт.

Сплав із вмістом вуглецю 0,16 кристалізується по пери-тектичній схемі. У точці 5 починає утворюватись ферит. У точці 1 при 1499 °C з фериту і рідини утворюється аустеніт.

Характерною є ліва нижня частина діаграми (рис. 12).

Рис. 11.

Сплав концентрації К₂, який має вуглецю менш ніж 0,01%, при температурі близько 1000 °C має структуру аустеніту. В інтервалі температур від точки 1 до 2 аустеніт перетворюється у ферит. Нижче точки 2 буде чистий ферит.

При кристалізації сплаву К₂ від точки З до 4 відбувається перетворення А > Ф. В точці 5 починається виділення надлишкового вуглецю з Ф і утворення. ^ (третинного).

Треба зауважити, що система залізо-цементит нестійка, оскільки при певних умовах цементит розпадається на аустеніт і вільний вуглець у вигляді графіту. При дуже повільному охолодженні із розплаву, в процесі його кристалізації, вуглець виділяється у вигляді графіту. Систему залізо-цемеї; піт називають метастабільною, а залізо-графіт — стабільною.

метал сплав хімічний елемент Процес кристалізації графіту в сплавах заліза з вуглецем називають графітизацією. Вона може відбуватись і у твердому стані, оскільки цементит при високих температурах нестійкий.

Тому можна вести мову про діаграму залізо-графіт. Оскільки лінії діаграм залізо-цементит і залізо-графіт розташовуються в близьких інтервалах температур, то діаграму залізо-графіт зображають на діаграмі залізо-цементит пунктирними лініями. Вони проходять де що вище ліній діаграми залізо-цементит. Найбільшого відхилення зазнає лінія СД.

Література

1. Богодухов С. И. Курс материаловедения в вопросах и ответах: Учеб. пособие для ВУЗов, обуч. по направлению подгот. бакалавров «Технология, оборуд. и автомат. машиностр. пр-в» и спец. «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты» и др. / С. И. Богодухов, В. Ф. Гребенюк, А. В. Синюхин. — М.: Машиностроение, 2003. — 255с.: ил.

2. Дриц М. Е., Москалев М. А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учеб. для студентов немашиностроительных спец. ВУЗов. — М.: Высшая школа, 1990. — 446с., ил.

3. Колесов С. Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для студентов электротехнических и электромеханических спец. ВУЗов / С. Н. Колесов, И. С. Колесов. — М. Высшая школа, 2004. — 518с.: ил.

4. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. Н. Материаловедение. Учебник для ВУЗов технич. спец. — 3-е изд. — М. Машиностроение, 1990. — 528с.

5. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебник для ВУЗов / Ю. П. Солнцев, В. А. Веселов, В. П. Демьянцевич, А. В. Кузин, Д. И. Чашников. — 2-е изд., перер., доп. — М. МИСИС, 1996. — 576с.