Седов Ю.Е., Адаскин А.М. Справочник молодого термиста. — М.: Высш. шк., 1986. — 239 с.
Приведены справочные денные о режимах термической обработки, свойствах сталей, чугунов, цветных металлов, а также сведения об оборудовании термических цехов. Даны свойства нагревающих и охлаждающих сред. Изложены практические рекомендации по проведению термической обработки в печах и ваннах.
Для средних профессионально-технических училищ.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ.
Строение металлов и сплавов.
Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, которое характеризуется упорядоченным расположением атомов в пространстве. Атомы образуют кристаллическую решетку. Каждый металл обладает определенной кристаллической решеткой. Некоторые металлы (железо, кобальт, титан, олово и др.) при изменении температуры испытывают полиморфное превращение, заключающееся в перестройке одного типа кристаллической решетки в другой.
Технические металлы и сплавы являются поликристаллическими телами, состоящими из большого числа разориентированных мелких кристаллов, которые имеют неправильную форму и называются зернами или кристаллитами. В зернах всегда имеются несовершенства (дефекты) кристаллического строения. Дефекты делят на точечные—вакансии или атомные пропуски, смещения атомов в межузлия, атомы примесей; линейные—краевые и винтовые дислокации; поверхностные — границы зерен и субзерен. Дислокации могут перемещаться под действием внешней нагрузки, что приводит к пластической деформации. Повышение плотности дислокаций и измельчение зерен при термической обработке позволяют повысить прочностные свойства металлов и сплавов.
Вещества, которые образуют сплав, называют компонентами. Компоненты вступают во взаимодействие и могут образовывать различные типы соединений: механические смеси, твердые растворы, химические соединения.
Фаза и структура.
Фаза —однородная часть системы (сплава), которая имеет границу (поверхность) раздела, отделяющую ее от остальных частей системы, и определенные химический состав, строение и свойства. Фазами в сплавах могут быть жидкие и твердые растворы, чистые компоненты, химические соединения. Структура — строение металла или сплава, наблюдаемое невооруженным глазом и при небольшом (до 30 раз) увеличении. Структура может быть однофазной или многофазной.
Различают также структурные составляющие, под которыми понимают обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. К ним относятся эвтектики и эвтектоиды.
Эвтектика — механическая смесь двух (или более) кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости при постоянной температуре; имеет постоянный химический состав. Эвтектоид — механическая смесь двух (или более) фаз, образующаяся при полном распаде твердого раствора.
Типы соединений при взаимодействии компонентов в металлических сплавах.
Твердые растворы -образуются металлами с одинаковым типом кристаллической решетки и отличием атомных диаметров не более 8— 15%. Сохраняется кристаллическая решетка одного компонента (растворителя), в которой располагаются атомы другого компонента; расположение атомов статистически не упорядочено. Период кристаллической решетки изменяется.
Пластичные (в равновесном состоянии) замещения с неограниченной растворимостью с ограниченной растворимостью- образуются металлами с близким или одинаковым типом кристаллической решетки и большим отличием атомных диаметров внедрения. Образуются металлами с неметаллами, имеющими большое отличие атомных диаметров.
Механическая смесь- образуется компонентами, не способными к взаимному растворению и не образующими химического соединения.
Химическое соединение- образуется компонентами с большим различием в электронном строении атомов.
Известны также упорядоченные твердые растворы (сверхструктуры), являющиеся промежуточными фазами между твердыми растворами и химическими соединениями. Могут иметь постоянный состав, подчиняясь законам валентности, или переменный состав; к последним относят фазы внедрения (соединения переходных металлов с неметаллами) — карбиды, бориды, нитриды, обладающие высокой твердостью; интерметаллиды (соединения металлов с металлами) — электронные соединения, фазы Лавеса.
Сплавы железа с углеродом.
Наиболее широко в промышленности применяют стали и чугуны, представляющие собой сплавы железа с углеродом. Железо и углерод вступают во взаимодействие, образуя различные фазы и структурные составляющие. Сплавы, содержащие углерод до 2,14 %, называют сталями, а более 2,14 %—чугунами.
Стали не содержат хрупкого ледебурита и имеют при высоких температурах аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Они являются деформируемыми (ковкими) сплавами (при нормальных и повышенных температурах). Стали с концентрацией углерода до 0,8% называют доэвтектоидными (структура: Ф+П); 0,8 % — эвтектоидными (П); более 0,8 % — заэвтектоидными (П + Цц). Чугуны содержат в структуре хрупкий ледебурит, имеют более низкие температуры плавления, меньшую усадку и обладают в связи с этим лучшими литейными свойствами. Они являются литейными сплавами. В чугунах с ледебуритом весь углерод находится в связанном состоянии — в цементите; такие чугуны называют белыми (излом матово-белый). Белые чугуны с концентрацией углерода до 4,3% называют доэвтектическими (П + Л+Цп); 4,3 % -эвтектическими (Л); более 4,3%—заэвтектическими (Л+Цг).
Цементит — неустойчивое химическое соединение; при повышенных температурах и длительных выдержках распадается с выделением свободного углерода в виде графита, имеющего низкие твердость и прочность. Чем медленнее охлаждение и больше в чугуне кремния, тем полнее протекает графитизация.
Критические точки сталей — это температуры, при которых происходят фазовые превращения; обозначают Ас — при нагреве, Аг — при охлаждении; используют для выбора температур нагрева при проведении термической обработки. Примеси и легирующие компоненты изменяют критические точки.
В сталях и чугунах всегда присутствуют постоянные (полезные, вредные) и случайные примеси. Полезные примеси — марганец и кремний; их специально вводят в жидкий металл для раскисления. Вредные примеси — сера, фосфор и газы (кислород, азот, водород). Они попадают в металл при выплавке из руд, шихты, печи.