8875

Макроизлом при хрупком разрушении имеет блестящую гладкую поверхность. Плоские грани расколотых кристаллических зерен предают металлический блеск хрупкому излому. Электронно-микроскопическое исследование обнаруживает «речные узоры», или ручьистое строение излома

(рис. 1.15,а), являющееся следствием взаимодействия движущейся трещины с дефектами кристалла, а также наличие предпочтительных кристаллографических ориентаций фасеток скола. Излом при вязком разрушении имеет матовый волокнистый характер без металлического блеска.

Электронно-микроскопическое исследование обнаруживает характерное чашечное строение излома (рис. 1.15,б).

Для хрупкого разрушения характерна высокая скорость распространения трещины, достигающая приблизительно 0,4 скорости распространения звука в металле. Скорость распространения вязкой трещины значительно ниже и определяется скоростью нарастания напряжений.

в)

Рис.1.15. Микроструктура изломов: а – хрупкий ручьистый излом; б –

вязкий чашечный излом; в – вязко-хрупкое разрушение

31

С помощью рассмотренных признаков можно определить характер разрушения детали или конструкции (вязкий или хрупкий механизм) (рис.

1.15,в). Необходимость идентификации характера разрушения в каждом отдельном случае обусловлена тем, что меры борьбы с вязким и хрупким разрушением принципиально различны. В случае вязкого разрушения необходимо повышать прочность материала. При хрупком разрушении следует наоборот увеличивать вязкость и пластичность, при необходимости даже снижая прочность. Наиболее опасно хрупкое разрушение.

Разрушение сколом можно разделить на три фазы: зарождение микротрещины; ее подрастание до критического размера; распространение микротрещины через соседние зерна. В относительно чистых металлах – это зарождение и начальное подрастание трещины. В металлах, содержащих включения, первые две стадии протекают сравнительно легко, но затем трещина сдерживается границами зерен. По этой причине в таких металлах часто наблюдают зарождение и торможение множества трещин до момента неустойчивого распространения одной из них.

1.2. Основные положения теории сплавов

Для определения температуры кристаллизации металла применяют термический метод, заключающийся в следующем: в тигель 1 (рис. 1.16) с

расплавленным металлом погружают термопару 2; термопара представляет собой две проволоки из различных металлов (или сплавов), сваренные с одного конца; свободные концы проволок присоединены к гальванометру 3; при нагреве сваренных концов проволоки в них возникает термоэлектродвижущая сила, что приводит к отклонению стрелки гальванометра; чем выше (рис. 1.16)

температура спая проволок, тем больше отклонение стрелки гальванометра; для измерения температуры на гальванометре имеется 4.

32

Рис. 1.16. Измерение температур при построении кривых охлаждений: 1 – тигель; 2 – термопара; 3 – гальванометр; 4 - температурная шкала

Если температуру, измеряемую таким методом, регистрировать через определенные промежутки времени, то теоретически для чистого металла,

охлаждающегося очень медленно, кривая охлаждения в координатах

«температура – время» имеет вид, показанный на рис. 1.17, а. Проследим ход процесса кристаллизации металла по кривой охлаждения.

33

в

Рис. 1.17. Кривые охлаждения при кристаллизации металла и аморфного тела

Сначала, когда металл находится в жидком состоянии, температура понижается равномерно до точки А. Затем понижение температуры прекращается и на кривой охлаждения получается горизонтальный участок.

Хотя тигель с металлом и охлаждается окружающим воздухом, но отвод тепла компенсируется выделением скрытой теплоты кристаллизации (затвердевания)

металла.

Рис. 1.18. Схема изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний металла в зависимости от температуры

34

По времени кристаллизация продолжается от точки А до точки Б. К

моменту, соответствующему точке Б, кристаллизация заканчивается, весь металл переходит из жидкого состояния в твердое и после этого температура вновь понижается равномерно. Температура Ts – теоретическая температура кристаллизации. В реальных условиях затвердевание не может происходить при этой температуре, так как свободная энергия жидкого состояния равна свободной энергии твердого состояния (рис. 1.18). Металл, охладившись до Ts,

еще не кристаллизуется, а остается некоторое время жидким.

В это время металл переохлаждается до температуры Тn (рис. 1.17,б и

1.18). Только при этой температуре начинается процесс кристаллизации.

Разность температур Ts – Тn называется степенью переохлаждения ∆Т. Чем больше скорость охлаждения, тем больше и степень переохлаждения у данного металла (см. рис. 1.17,б).

В отличие от кривой охлаждения кристаллического тела (металла) кривая охлаждения аморфного тела (рис. 1.17,в) на всем протяжении идет плавно, что указывает на постепенное его отвердевание вследствие уменьшения подвижности частиц. По своей структуре кажущееся твердым аморфное тело является переохлажденной жидкостью.

Аллотропия (полиморфизм) металлов

Аллотропией, или полиморфизмом, называется способность металлов в твердом состоянии иметь различное кристаллическое строение, а

следовательно, и свойства при различных температурах.

Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называется

аллотропическим (полиморфным) превращением. Аллотропические формы обозначают начальными буквами греческого алфавита: альфа α, бета β, гамма γ,

дельта δ и т. д., начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре.

В процессе аллотропического превращения выделяется скрытая теплота кристаллизации (если превращение идет при охлаждении); на кривой

35

охлаждения аллотропическое превращение отмечается горизонтальным участком. Аллотропические превращения имеют многие металлы, например,

железо, марганец, олово, титан и др.

На рис. 1.19 приведена кривая нагрева и охлаждения железа,

характеризующая аллотропические превращения. Железо имеет объемно-

центрированную кубическую решетку до температуры 911°С и в интервале

1392 – 1539°С (Feα), а от температуры 911 до 1392°С имеет гранецентрированную кубическую решетку (Feγ).

Высокотемпературная α-модификация (от 1392 до 1539°С) иногда обозначается Feδ (δ – железо). При температуре 768°С происходит изменение магнитных свойств: ниже 768°С железо магнитно, выше 768°С железо немагнитно. Характерным примером является аллотропия олова. При температуре ниже 18°С устойчива модификация α-олова (Snα), называемая серым оловом, а выше 18°С — модификация β-олова (Snβ), называемая белым оловом. Решетка белого олова более компактна, чем серого олова, и

превращение Snβ→Snα идет со значительным увеличением объема. Поэтому при образовании на белом олове бугорка серого олова последнее, вследствие больших объемных изменений, рассыпается в порошок. Это явление получило название «оловянной чумы», превращение необратимо.

Рис. 1.19. Кривая нагрева и охлаждения железа

36

Максимального значения скорость аллотропического превращения

Snβ→Snα достигает при переохлаждении примерно до температуры – 30°С.

Поэтому опасность «оловянной чумы» особенно велика при хранении олова в зимнее время в холодном помещении.

Основные сведения о сплавах

Металлическим сплавом называется вещество, состоящее из двух или более элементов (металлов или металлов с металлоидами), обладающее металлическими свойствами. Обычным способом приготовления сплавов является сплавление, но иногда применяют спекание, электролиз или возгонку.

В большинстве случаев входящие в сплав элементы в жидком состоянии полностью растворимы друг в друге, т. е. представляют собой жидкий раствор,

в котором атомы различных элементов более или менее равномерно перемешаны друг с другом (рис. 1.20,а). В твердом виде сплавы способны образовывать твердые растворы, химические соединения и механические смеси

(рис. 1.20,б, в, г).

а б в г

Рис. 1.20. Структура и строение элементарной ячейки пространственной кристаллической решетки различных сплавов из двух металлов А и В: а –

жидкое состояние; б – твердый раствор; в – химическое соединение; г –

механическая смесь; ο – атомы металла А;● – атомы металла В

37

Твердый раствор. Во многих сплавах при переходе в твердое состояние

(при кристаллизации) сохраняется однородность распределения атомов различных элементов и, следовательно, сохраняется и растворимость.

Образовавшийся в этом случае кристалл (зерно) называется твердым раствором.

Микроструктура твердого раствора в условиях равновесия представляет собой совершенно однородные и одинаковые по составу зерна и похожа на структуру чистого металла (рис. 1.20,б). Твердый раствор, как и чистый металл,

имеет одну кристаллическую решетку. Различие состоит только в том, что в кристаллической решетке чистого металла все узлы заняты атомами одного элемента, а в твердом растворе – атомами различных элементов, образующих этот твердый раствор.

Растворимость в твердом состоянии может быть неограниченной и ограниченной. Растворимость твердого раствора, полученного при любом количественном соотношении элементов, называется неограниченной.

Растворимость твердого раствора, полученного при определенном количественном соотношении элементов, называется ограниченной.

По расположению атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

В твердом растворе замещения атомы растворенного элемента занимают узлы атомов элемента растворителя, т. е. расположены в узлах общей кристаллической решетки (рис. 1.20,а).

38

а б

Рис. 1.20. Расположение атомов в твердых растворах: а – твердый раствор замещения; б – твердый раствор внедрения

В твердом растворе внедрения атомы растворенного элемента располагаются внутри кристаллической решетки элемента растворителя между атомами металла-растворителя (рис. 1.20,б).

При образовании твердых растворов свойства сплавов изменяются плавно и отличаются от свойств элементов, из которых они состоят.

Химическое соединение. Особый характер металлической связи в сплавах приводит к образованию особого вида химических соединений. В отличии от обычных химических соединений многие металлические соединения имеют переменный состав, который может изменяться в широких пределах.

Характерной особенностью металлического химического соединения является образование кристаллической решетки (рис. 1.20,в), отличной от решеток образующих элементов, и существенное изменение всех свойств.

Иногда в металлических сплавах образуются также химические соединения с нормальной валентностью, например, оксиды, сульфиды, а также соединения металлов с резко отличным электронным строением атомов (Mg2Sn, Mg2Pb и др.).

Механическая смесь. Если элементы, входящие в состав сплава, не растворяются друг в друге в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения, то при этих условиях из атомов каждого

39

элемента образуется отдельная кристаллическая решетка, и кристаллы (зерна)

элементов, входящие в сплав, образуют механическую смесь (рис. 1.20,г). При образовании механической смеси, когда каждый элемент кристаллизуется самостоятельно, свойства сплава получаются средними между свойствами элементов, которые его образуют.

Механические смеси образуются также в случаях, когда элементы обладают ограниченной растворимостью, а также когда образуют химическое соединение. Если в сплаве количество элементов превышает их предельную растворимость, то возникает механическая смесь двух насыщенных твердых растворов. При наличии в сплаве химического соединения образуется механическая смесь из зерен твердого раствора и химического соединения и т.

д. При изучении процессов, происходящих в металлах и сплавах при их превращениях, и описании их строения в металловедении пользуются следующими понятиями: структура, фаза, компонент, система.

Фазой называются однородные составные части системы (металла или сплава), имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение, свойства и одинаковое агрегатное состояние.

Например, жидкий металл является однофазной системой; смесь жидкого металла и твердых кристалликов – двухфазной системой, так как свойства жидкого металла значительно отличаются от свойств твердых кристалликов.

Фазами могут быть отдельные металлы, их химические соединения, а также растворы на основе металлов.

Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах.

Структурными составляющими сплава называются обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. Структурные составляющие могут состоять из одной, двух или более фаз. Одна из важнейших задач металловедения – определение взаимосвязи между составом, структурой и свойствами.

40