Сталь легированная. При введении в углеродистые стали специальных легирующих добавок (Cr, Mn, Ni, Si, W, Mo, Ti, Co, V и др.) достигается значительное улучшение их физико-механических свойств (например, повышение предела текучести без снижения пластичности и ударной вязкости и т.д.). Легирующие добавки, растворяясь в железе, искажают и нарушают симметрию его кристаллической решетки, так как они имеют другие атомные размеры и строение внеш-них электронных оболочек.
Чаще всего увеличивается карбидосодержащая фаза за счет уменьшения углерода в перлите, что соответственно увеличивает прочность стали. Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно повышает вязкость стали.
Некоторые легирующие элементы расширяют область аустенита, снижая критические точки Ас3, а другие, наоборот, сужают эту область. Большое значение на практике имеет способность большинства легирующих элементов повышать прокаливаемость стали на значительную толщину, задерживая переход аустенита в другие структуры, что создает возможность закаливать стали при умеренных скоростях охлаждения. При этом уменьшаются внутренние напряжения и снижается опасность появления закалочных трещин.
Согласно существующим стандартам легированные стали классифицируют по на-значению, химическому составу и микроструктуре. По назначению легированные стали разделяют на три класса: конструкционные (машиноподелочные и строительные), инструментальные и стали с особыми физико-химическими свойствами. Для обозначения марок сталей принята буквенно-цифровая система. Легирующие элементы обозначаются буквами: С – кремний, Г – марганец, X – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, Р – бор, Т – титан, Ю – алюминий, Ф – ванадий, Ц – цирконий, Б – ниобий, А – азот, Д – медь, К – кобальт, П – фосфор и т.д. Цифры, стоящие перед буквами, показывают содержание углерода в конструкционных сталях в сотых долях процента, в инструментальных - в десятых долях процента.
Цифры, стоящие за буквами, показывают содержание легирующих элементов в процентах. Если содержание элементов не превышает 1,5 %, то цифры не ставят. Буква А, стоящая в конце марки, означает, что сталь высококачественная. Например, сталь марки 35ХНЗМА – высококачественная, содержащая 0,35 % С, 1 % Сг, 3 % Ni, 1 % Mo. По химическому составу легированные стали делят на три класса: низ-колегированные с общим содержанием легирующих элементов до 2,5 %; сред-нелегированные – от 2,5 до 10% и высоколегированные, содержащие более 10 % таких элементов, например нержавеющая сталь 1Х18Н9. В зависимости от структуры, которую получают легированные стали после нормализации, их делят на пять классов: перлитная, мартенситная, аустенитная, феррит-ная и карбидная (ледебуритная). Большинство конструкционных и инструментальных сталей относится к сталям перлитного класса.
Такие стали содержат незначительное количество легирующих элементов (не более 5 6 %), хорошо обрабатываются давлением и резанием.
После нормализации имеют структуру перлита (сорбита, троостита). После закалки и отпуска заметно повышают механические свойства. Основным преимуществом легированных сталей по, сравнению со сталью марки СтЗ является их большая прочность при сохранении достаточно высокой пластичности и свариваемости, что позволяет повысить допускаемые напряжения и уменьшить расход металла на изготовление конструкций, а также повышенная стойкость к атмосферной кор-розии. [2, стр. 321-323] СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ Исследование структуры металла проводят путем изучения макроструктуры с уве-личением до 10 раз и без увеличения; микроструктуры с увеличением от 10 до 2000 раз на оптических микроскопах и до 100 000 раз на электронных микроскопах, атомной структуры – рентгенографическим анализом.
Металлы представляют собой кристаллические тела с закономерным расположением атомов в узлах пространственной решетки.
Рис. 3. Элементарный кубический кристалл: а – объемно-центрированный; б – гранецентрированный Решетки состоят из ряда кристаллических плоскостей, расположенных друг от дру-га на расстоянии нескольких нанометров (1 нм = 10-9 м). Для железа эти расстояния 28,4 нм (α=Fe) и 36,3 нм (γ = Fe). Большинство металлов имеет пространственные решетки в виде простых геометрических фигур.
Отдельные участки кристаллической решетки проч-но связаны между собой в комплексы – зерна. Взаимное расположение зерен отдельных элементов и сплавов определяет структуру металлов и их свойства. Атомы металлов характеризуются малым количеством электронов (1 2) на наружной оболочке, легко отдают их, что подтверждается высокой электропроводностью. Черные металлы имеют простые кубические ячейки решеток (рис. 3) двух видов: а) центрированный или объемно-центрированный куб (9 атомов в ячейке), объем шаров занимает 68 %; б) гранецентрированный или куб с центрированными гранями (14 атомов), объем шаров занимает 74 %. Некоторые цветные металлы и их сплавы имеют гексагональную (шестигранную) решетку. Железо, олово, титан и другие металлы обладают свойствами аллотропии, т.е. спо-собностью одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру.
Аллотропические превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты.
Железо имеет четыре аллотропические формы: α-Fe; β-Fe, γ-Fe, δ-Fe. Практическое значение имеют α - Fe и γ -Fe, так как p-Fe и б-Fe отличаются от a-Fe только величиной межатомного расстояния, а для β-Fe характерно отсутствие магнитных свойств. Рис. 4. Кривые охлаждения и нагревания железа Температура, при которой происходит переход металла из одного алло-тропического вида в другой, называется критической. Величины этих температур видны на диаграмме охлаждения и нагревания чистого железа (рис. 4) в виде участков, свидетельствующих о том, что фазовые превращения происходят с выделением теплоты при нагревании.
Все металлы находятся в твердом состоянии до определенной температуры. При нагреве металла амплитуда колебания атомов достигает некоторой критической величи-ны, при которой происходят разрушение кристаллической решетки и переход металлов из твердого в жидкое состояние. Процесс кристаллизации заключается в росте кристаллов путем отложения новых кристаллических групп вокруг возникших зародышей.
Рост кристаллических образований происходит в определенных направлениях. Вначале образуются главные оси кристалла путем роста в трех взаимно перпендикулярных направлениях, а затем от каждой из этих осей образуются новые и возникает не полностью завершенный кристалл, называемый дендритом. В дальнейшем все промежутки между осями дендрита заполняются упорядоченно расположенными атомами.
В условиях несвободной кристаллизации образующиеся кристаллы получают не-правильные очертания и форму и называются кристаллитами или зернами. Величина зе-рен оказывает существенное влияние на механические свойства металлов: чем мельче зерна, тем прочнее металл. Технические металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа различно ориентированных кристаллических зерен (поперечные размеры зерен – 0,001 0,1 мм). Поэтому в целом металлы и сплавы можно считать условно изотропными телами.
Структура. Сплавы обладают металлическими свойствами и состоят из двух элементов и более. Элементы, входящие в состав сплавов, называют компонентами. Компоненты сплавов в процессе затвердевания и последующего охлаждения могут образовывать химические соединения, твердые растворы на базе одного из компонентов или нового химического соединения и механические смеси. Химические соединения, образующиеся на основании общих химических законов (валентности, ионной связи), могут быть выражены химическими индексами.
Обычно хи-мические соединения повышают твердость и хрупкость металлов и, как правило, имеют кристаллическую решетку другого типа, чем у каждого из элементов в отдельности. Твердые растворы – сплавы, у которых атомы растворимого элемента рассеяны в кристаллической решетке растворителя; растворимый элемент может замещать часть ато-мов основного металла или внедряться между ними, но без образования молекул определенного состава.
В железоуглеродистых сплавах Fe–С атомы углерода внедряются в поры решетки Fe. В отличие от химических соединений состав твердых растворов непостоянен и зависит от температуры и концентрации (проникания одного элемента кристаллической решетки в другой). Кристаллическая решетка твердого раствора сохраняет тип решетки одного из компонентов, который по этому признаку считается растворителем. Механические смеси (эвтектики, эвтектоиды) – микроскопически малые, тесно перемешанные и связанные между собой компоненты сплава, состоящие из чистых металлов, твердых растворов и химических соединений.
Эвтектики образуются из жидкого сплава при охлаждении и характеризуются самой низкой температурой затвердевания смеси, хорошими литейными качествами и высокими механическими свойствами. Эвтектоиды образуются при распаде твердого раствора. Эвтектические и эвтектоидные смеси возникают при определенной концентрации отдельных составляющих и определенной температуре.
В сплавах, отличных по составу от эвтектических, при затвердевании в первую очередь выпадает компонент, избыточный по отношению к эвтектическому. Изменения структуры и свойств сплавов с изменением концентрации и температуры в наглядной форме представлены на диаграммах состояния сплавов. Эти диаграммы не содержат фактора времени и соответствуют условию очень медленного нагрева и охлаждения. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 5). Основными структурами, составляющими железоуглеродистые сплавы, являются следующие.
Феррит – твердый раствор углерода в α -Fe. При температуре 723° С предельное содержание углерода 0,02 %. При отсутствии примесей не корродирует. Цементит – карбид железа Fe3C – химическое соединение, содержащее 6,67 % углерода. Является составной частью эвтектической смеси, а также самостоятельной структурной составляющей. Способен образовывать твердые растворы путем замещения атомами других металлов, неустойчив, распадается при термической обработке.
Цементит очень тверд (НВ 800) и хрупок. Аустенит – твердый раствор углерода в γ –Fe. Атомы углерода внедряются в кри-сталлическую решетку, причем насыщение может быть различным в зависимости от температуры и примесей. Устойчив только при высокой температуре, а с примесями Mn, Сг – при обычных, даже низких температурах. Твердость аустенита НВ 170 220. Рис. 5. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов: а – диаграмма; I – жидкий сплав; II – жилкий сплав и кристаллы аустенита; III – жидкий сплав и цементит; IV – аустенит; V – цементит и аустенит; VI – аустенит, цементит, ледебурит; VII – цементит и ледебурит; VIII – феррит и аустенит; IX – феррит и перлит; X – цементит и перлит; XI – перлит, цементит; ледебурит; XII – цементит, ледебурит; б – ориентировочные отношения структурные составляющих в различных облас-тях диаграммы.
Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, образуется при распаде аустенита при температуре 723° С и содержании углерода 0,83 %. Примеси Si и Мn способствуют образованию перлита и при меньшем содержании углерода.
Твердость перлита НВ 160 260. Структура перлита может быть пластинчатой и глобулярной (зернистой). Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при 1130° С и содержании углерода 4,3 % Структура неустойчивая: при охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ 700) и хрупок.
Графит – мягкая и хрупкая составляющая чугуна, состоящая из разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах. На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис 5) на оси ординат от-ложена температура, на оси абсцисс – содержание в сплавах углерода до 6,67 % т.е. до такого количества, при котором образуется химическое соединение Fe3C – цементит. Пунктирными линиями нанесена диаграмма состояния для системы железо – графит, так как возможен распад цементита Fe3С. Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой, а железоцементитной, так как свободного углерода в сплавах не содержится.
Но так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода. Все линии на диаграмме соответствуют критическим точкам, т. е. тем температу-рам, при которых происходят структурные изменения в сплавах. Критические точки для стали впервые открыл русский ученый-металлург Д.К. Чернов.
Линия ACD – линия начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса), линия AECF – линия конца кристаллизации сплава (линия солидуса). Только чистые металлы и эвтектика плавятся и затвердевают при постоянной температуре. Затвердевание всех остальных сплавов происходит постепенно, причем из жидкого сплава сначала выделяется избыточный по отношению к составу эвтектики компонент. Область AESG на диаграмме соответствует аустениту. Линия GS – начало выделения феррита, а линия SE – вторичного цементита. Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и выделению перлита.
В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит. В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы получают следующие названия: При содержании углерода <0,83 % – доэвтектоидные стали » » » 0,83% – эвтектоидные стали » » » 0,83 2% – заэвтектоидные стали » » » 2,0 4,3% – доэвтектические чугуны » » » 4,3 .6,67% – заэвтектические чугуны С увеличением содержания углерода в железоуглеродистых сплавах меняется и структура, увеличивается содержание цементита и уменьшается количество феррита.
Чем больше углерода в сплавах, тем выше твердость, прочность, но ниже их пластические свойства. Механические свойства сплавов зависят также от формы и размера частиц структурных составляющих. Твердость и прочность стали тем выше, чем тоньше и мельче частицы феррита и цементита. [2, стр. 302-308] СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ Химические свойства. В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе элементов, различают металлы главных и побочных подгрупп.
Металлы главных подгрупп (подгруппы а) называются также непереходными. Эти металлы характеризуются тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение s-и p-электронных оболочек. В атомах металлов побочных подгрупп (подгруппы б), называемых переходными, происходит достраивание d- и f-оболочек, в соответствии с чем их делят на d-группу и две f-группы – лантаноиды и актиноиды. В подгруппы а входят 22 металла: Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (I a); Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra (II a); Al, Ga, In, Tl (III a); Ge, Sn, Pb (IV a); Sb, Bi (V a); Po (VI a). В подгруппы б входят: 1) 33 переходных металла d-группы [Сu, Ag, Аи (I б); Zn, Cd, Hg (II б); Sc, Y, La, Ac (III 6); Ti, Zr, Hf, Ku (IV б); V, Nb, Та, элемент с Z = 105 (V б); Сr, Mo, W (VI б); Mn, Тс, Re (VII б); Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt (VIII б)]; 2) 28 металлов f-группы (14 лантаноидов и 14 актиноидов). Электронная структура атомов некоторых d-элементов имеет ту особенность, что один из электронов внешнего уровня переходит на d-подуровень.
Это происходит при достройке этого подуровня до 5 или 10 электронов. Поэтому электронная структура валентных подуровней атомов d-элементов, находящихся в одной подгруппе, не всегда одинакова.
Например, Cr и Мо (подгруппа VI б) имеют внешнюю электронную структуру соответственно 3d54s1 и 4d55s1, тогда как у W она 5d46s2. В атоме Pd (подгруппа VIII 6) два внешних электрона «перешли» на соседний валентный подуровень, и для атома Pd на-блюдается d10 вместо ожидаемого d8s2. Металлам присущи многие общие химические свойства, обусловленные слабой связью валентных электронов с ядром атома: образование положительно заряженных ио-нов (катионов), проявление положительной валентности (окислительного числа), образование основных окислов и гидроокисей, замещение водорода в кислотах и т.д. Металлические свойства элементов можно сравнить, сопоставляя их электроотрицательность [способность атомов в молекулах (в ковалентной связи) притягивать электроны, выражена в условных единицах]; элементу присущи свойства металла тем больше, чем ниже его электроотрицательность (чем сильнее выражен электроположительный характер). Если расположить металлы в последовательности увеличения их нормальных потенциалов, получим так называемый ряд напряжений или ряд активностей.
Рассмотрение этого ряда показывает, что по мере приближения к его концу – от щелочных и щёлочноземельных металлам к Pt и Аи – электроположительный характер членов ряда уменьшается. Металлы от Li по Na вытесняют Н2 из Н2О на холоду, а от Mg по Тl – при нагревании.
Все металлы, стоящие в ряду выше Н2, вытесняют его из разбавленных кислот (на холоду или при нагревании). Металлы, стоящие ниже Н2, растворяются только в кислородных кислотах (таких, как концентрирированная H2SO4 при нагревании или HNO3), a Pt, Аи – только в царской водке (Ir нерастворим и в ней). Металлы от Li no Na легко реагируют с О2 на холоду; последующие члены ряда соединяются с О2 только при нагревании, a Ir, Pt, Аи в прямое взаимодействие с О2 не вступают.
Окислы металлов от Li no Al и от La no Zn трудно восстановимы; по мере продвижения к концу ряда восстановимость окислов увеличивается, а окислы последних его членов разлагаются на металлы и О2 уже при слабом нагревании. О прочности соединений металлов с кислородом (и др. неметаллами) можно судить и по разности их электроотрицательностей: чем она больше, тем прочнее соединение [3, стр. 133-134].