Конструкционные материалы и технологии их обработки

Раздел 4

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ОБРАБОТКИ

Глава 10

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ И СВОЙСТВАХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Металлы и сплавы используют в производстве электроустано­вок в качестве как конструкционных, так и электротехнических ма­териалов. Первые применяют для изготовления корпусов приборов и аппаратов, шасси, органов управления и т. п. Вторые применяют в качестве проводниковых и магнитных материалов, изготавливая из них провода и кабели, сердечники трансформаторов, дросселей, ка­тушек индуктивности и т. п. В данной главе будут рассмотрены строение и механические свойства металлов и сплавов, а также фа­зовые превращения и структурные изменения в различных типах металлических сплавов в зависимости от их состава, более подроб­но остановимся на таких широко используемых конструкционных материалах, как углеродистые и легированные стали. Электриче­ские и магнитные свойства этих материалов будут рассмотрены в гл. 12-15.

10.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

По объему и частоте использования металлов в технике их мож­но разделить на металлы технические и редкие. Технические метал­лы — это наиболее часто применяемые; к ним относятся железо Fе, медь Сu, алюминий А1, магний Мg, никель Ni, титан Ti, свинец Рb, цинк Zn, олово Sn. Все остальные металлы — редкие (ртуть Нg, на­трий Nа, серебро Аg, золото Аu, платина Рl, кобальт Со, хром Сг, молибден Мо, тантал Та, вольфрам W и др.).

Железо в чистом виде используется чрезвычайно редко. Обычно используют железоуглеродистые (Fе-С) сплавы — стали и чугуны, которые образуют группу черных металлов. Все остальные представ­ляют группу цветных металлов. На долю черных металлов приходит­ся -85% всех производимых металлов, а на долю цветных ~15%.

По физико-химическим свойствам металлы можно разделить на шесть основных групп.

Магнитные — Fе, Со, Ni обладают ферромагнитными свойства­ми - Сплавы на основе Fе (стали и чугуны) являются главными кон­струкционными материалами; сплавы на основе Fе, Со и Ni являют­ся основными магнитными материалами (ферромагнетиками).

Тугоплавкие — металлы, у которых температура плавления выше, чем у Fе (1539°С); это W (3380°С), Та (2970°С), Мо (2620°С), Сг (1900°С), Рt (1770°С), Тi (1670°С) и др. Применяют их как самостоя­тельно, так и в виде добавок в стали, работающие, в частности, при высокой температуре.

Легкоплавкие — имеют Тпл ниже 500°С; к ним относятся: Zn(419°С), Рb (327°С), кадмий Cd (321°С), таллий Тi (303°С), висмут Вi (271°С), олово Sn (232°С), индий In (15б°С), Nа {98°С}, Нg (-39°С) и др. Назначение их самое различное: антикоррозионные покрытия, антифрикционные сплавы, проводниковые материалы.

Из тугоплавких и легкоплавких металлов перечислены наиболее распространенные, хотя известны и такие тугоплавкие металлы, как, например, рений Rе (3180°С), осмий Оs (3000°С), ниобий Nb (2470°С), а из легкоплавких — литий Li (180°С), калий К (68°С), ру­бидий Rb (39°С), цезий Сs (28°С).

Легкие металлы имеют плотность не более 2,75 Мг/м3; к ним от­носится А1, плотность - 2,7, Сs - 1,90, бериллий Ве - 1,84, Мg —1,74, Rg — 1,53; Nа - 0,97, Li — 0,53 Мг/м3 и др. Эти металлы применяют для производства сплавов, используемых в конструкциях с ограничениями в массе.

Благородные — в электротехнике применяют Аu, Аg, Рt, палла­дий Рd, а также металлы платиновой группы: иридий Iг, родий Rh, осмий Оs, рутений Ru. Эти металлы и сплавы на их основе обладают высокой химической стойкостью, в том числе и при повышенных температурах. Их используют в производстве ответственных контак­тов, выводов интегральных микросхем и других полупроводниковых приборов, термометров сопротивления и термопар, нагревательных элементов, работающих в особых условиях.

Редкоземельные — лантаноиды; их применяют как присадки в различных сплавах. Сплавы (КМ) металлов группы железа (М) с ред­коземельными элементами (К) являются весьма перспективными магнитотвердыми материалами.

Классифицируются металлы и по другим признакам, например в электротехнике по значению электропроводности: хорошо и плохо проводящие электрический ток. К хорошо проводящим относится большинство металлов, они хорошо проводят электрический ток и пластичные. К плохо проводящим — элементы V группы периодиче­ской системы — это висмут Вi, сурьма Sb, мышьяк Аs, они плохо проводят ток и хрупкие, их иногда называют полуме­таллами.

Важнейшее свойство дислокаций — их легкая подвижность и активное взаимодействие между собой и с любыми другими дефек­тами решетки. Это взаимодействие затрудняет перемещение дисло­каций в кристалле и тем самым упрочняет его. Чтобы вызвать движение дислокаций, достаточно создать в кристалле небольшое напряжение сдвига (например, 0,1 кгс/мм2). С увеличением пласти­ческой деформации кристалла плотность дислокаций возрастает в тысячи, иногда — в миллионы раз (в недеформированных металли­ческих кристаллах через площадку в 1 см2 проходит 106—108 дислокаций). При этом возрастает также концентрация других дефектов, которые затрудняют перемещение дислокаций; в результате кри­сталл упрочняется. Таким образом, дефекты кристаллической ре­шетки металла являются тем препятствием, которое затрудняет движение дислокаций и упрочняют металл. Поэтому, чтобы повы­сить прочность металлов, необходимо либо уменьшить концентра­цию дефектов в них, получая бездефектные кристаллы, например нитевидные кристаллы («усы»), либо получать поли кристалличе­ские однородные тела с повышенной плотностью дислокаций, под­вижность которых ограничивают. Подвижность дислокаций огра­ничивают, увеличивая деформацию кристаллической решетки и тем самым увеличивая концентрацию дефектов. Это достигается путем легирования, закалки или наклепа металла. При этом плот­ность дислокаций не должна превышать 1012— 1013 см-2, так как при большей плотности дислокаций металл становится хрупким. На практике обычно следуют по второму пути.

Легирование — это введение в металл небольших количеств спе­циальных примесей, которые приводят к значительным его струк­турным изменениям. Легирующие добавки сильно взаимодействуют с дислокациями и затрудняют их движение, улучшая тем самым ме­ханические характеристики (см. гл. 10.6.3).

Закалка — это термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла выше температуры фазового превращения в твердом состоя­нии, выдерживании при этой температуре и контролируемом уско­ренном охлаждении. В результате этих операций в металле увеличи­вается концентрация дефектов, в том числе плотность дислокаций, а также образуется мелкозернистая структура, поэтому протяженность границы между зернами резко возрастает. Сама же граница трудно­проходима для дислокаций, что приводит к затруднению их движе­ния и упрочнению металла (см. гл. 10.5,3).

Наклеп — это обработка металлической заготовки путем прокат­ки, ковки или волочения. В результате пластической деформации металла увеличивается плотность дислокаций (и концентрация дру­гих дефектов), а главное — дислокации при этой обработке перепле­таются, что приводит к затруднению их движения и упрочнению ме­талла. На этом принципе было основано производство дамасской стали.

Указанные технологические операции (легирование, закалка, наклеп) создают оптимальную концентрацию дислокаций. Известно, что наибольшее упрочнение металлов достигается при плотности дислокаций порядка 1012—1013 на 1 см-2 (у совершенных кристаллов Si и Gе – 102—103 на 1 см-2, а у недеформированных металлических кристаллов 106—108 на I см-2).

10.3. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА

Чистые металлы (содержание основного компонента 99,99— 99,999%) обладают низкой прочностью, поэтому их в технике ис­пользуют редко (кроме Сu и Аl в электротехнике). Наиболее широко применяют в технике в качестве конструкционных материалов ме­таллические сплавы.

Сплавом называют материал, состоящий из двух или большего числа химических элементов, являющихся компонентами сплава. В металлических сплавах основным компонентом (более 50%) явля­ется металл. Так же как и чистые металлы, сплавы построены из кристаллических зерен.

У сплавов можно получать более высокие механические ха­рактеристики, электрическое сопротивление, стойкость к коррозии и т. д.

Большинство сплавов, кроме сплавов с неорганической раство­римостью компонентов в твердом состоянии, можно представить как систему, состоящую из нескольких фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре, давлении).

Фазой называют однородную по химическому составу и строе­нию часть системы, отделенную от другой части системы поверхно­стью раздела, при переходе через которую изменяются состав, строе­ние и свойства сплава.

В жидком состоянии компоненты сплава обычно полностью рас­творимы друг в друге, т. е. образуют жидкий раствор. В твердом со­стоянии сплавы образуют гетерогенные структуры, твердые растворы или химические соединения. Закономерности изменения строения и свойств этих типов сплавов установлены исследованиями и .

Графическое изображение представляет собой диаграмму состоя­ния, в котором отражено изменение фазового состава и структуры сплавов в зависимости от концентрации компонентов и температуры в условиях равновесия, т. е. когда в сплавах все фазовые превращения полностью завершились.

10.3.1. Сплавы, образующие гетерогенные структуры

Гетерогенные структуры (в электротехнической литературе их называют сплавами «механическая смесь») образуются тогда, когда компоненты сплава не вступают друг с другом в химическое взаимо­действие с образованием новых химических веществ и не растворя­ются друг в друге в твердом состоянии.

В сплавах с гетерогенной структурой каждый компонент (например, химический элемент) кристаллизуется самостоятельно, образуя соответствующую фазу. Фазы и создают гетерогенность структуры сплава. Каждая фаза имеет кристаллическую решетку, соответствую­щую данному компоненту.

Этот тип сплавов (например, Ри—Sb, Zn—Sn, Рb—Вi, Сu—W и др.) образуется при сплавлении компонентов с большой разницей атомных радиусов и значительным различием электрохимических свойств. Чем больше эти различия, тем меньше растворимость ком­понентов друг в друге. Вообще в реальных сплавах абсолютной вза­имной нерастворимости компонентов не бывает. Небольшое количество одного из компонентов сплава, как правило, растворяет­ся в другом компоненте.

Гетерогенные структуры образуются также, когда компоненты сплава ограниченно (частично) растворимы в твердом состоянии или создают химические соединения (см. гл. 10.3.2 и 10.3.3).

Рассмотрим диаграмму состояния сплавов, образующих гетероген­ные структуры (рис. 10.7, а), характер изменения удельного электри­ческого сопротивления р и его температурного коэффициента ТКр, σB и НВ этих сплавов (см. рис. 10.7, б) и структуру образующихся спла­вов (рис. 10.8) в зависимости от концентрации компонентов.

Кривая АСВ отвечает началу затвердевания всех сплавов и называ­ется температурой ликвидуса. Прямая ОСЕ соответствует концу затвердевания сплавов и называется температу­рой солидуса. Выше линии ликвидуса все сплавы этой системы (Рb—Sb или в общем виде А + Б) находятся в жидком состоянии и образуют раствор. Ниже этой линии имеется жидкий раствор плюс кристаллы Рb (ниже линии АС) и кристаллы Sb (ниже линии СB). Таким образом, по линии АС из жидкого раствора кристаллизуется компонент А (Рb), образуя α-фазу, а по линии СВ - компонент Б (Sb), образуя β-фазу. В чистом виде Рb начинает кри­сталлизоваться при температуре 327°С, Sb — 631˚С; у сплавов темпе­ратуры эти ниже. Твердый сплав, состав которого отвечает точке С, имеет гетерогенную структуру и представляет собой механическую смесь двух твердых фаз (α- и β-фазы) в определенных соотношениях друг с другом и одновременно кристаллизующихся из жидкого рас­твора. Для системы сплавов Рb—Sb соотношение компонентов в точ­ке С составляет 87% Рb и 13% Sb. Такую структуру называют эвтекти­кой, сплав - эвтектическим, температуру, при которой образуется этот сплав, — эвтектической температурой, а состав сплава — эвтектиче­ским составом.

Эвтектика образуется также в сплавах с ограниченной растворимостью компо­нентов в твердом состоянии или создающих химические соединения. Эвтектику обра­зует не только механическая смесь мелких кристаллов α- и β-фазы, она также может состоять из кристаллов α- и β-фазы, имеющих форму пластинок, равномерно чере­дующихся между собой и образующих колонии. Иногда обе фазы в колониях не­прерывно разветвлены одна в другой. Наряду с этими структурами в эвтектике могут присутствовать обособленные кристаллы α и β твердых растворов. Все эти типы эв­тектических структур оказывают существенное влияние на формирование физико-химических и механических свойств сплавов. В соответствии с работами , и др. различают три типа эвтектических структур: структуры грубого конгломерата фаз, колониальные структуры и тонкодисперсные.

Сплавы, лежащие левее эвтектической точки С (на линии ОС и ниже ее), называют доэвтектическими сплавами. После затвердева­ния они имеют структуру, состоящую из кристаллов Рb и эвтектики (87% Рb + 13% Sb). Фазы две: Рb + Sb. Сплавы, лежащие правее эвтектической точки С (линия СЕ), называют заэвтектическими. По­сле затвердевания они имеют структуру, состоящую из кристаллов Sb и эвтектики (87% Рb + 13% Sb). Структура доэвтектического, эвтек­тического и заэвтектического сплавов системы Рb—Sb представлена на рис. 10.8.

Из рис. 10.7, б видно, что свойства сплавов гетерогенных струк­тур изменяются линейно (аддитивно) от свойств компонента А к свойствам компонента Б. Однако количественная величина характе­ристик зависит также от типа эвтектической структуры (конгломе­ратной, колониальной, тонкодисперсной).

10.3.2. Сплавы, образующие твердые растворы

Твердыми растворами являются сплавы, в которых кристалличе­ская решетка построена из атомов двух или большего числа компо­нентов, при этом один из них является растворителем, а другой - растворимым. Твердый раствор имеет сильно деформированную кристаллическую решетку, тип которой соответствует типу решетки одному из образующих компонентов.

Твердые растворы могут образовываться при любом соотноше­нии компонентов. Различают твердые растворы замещения и внед­рения.

При образовании твердого раствора замещения атомы растворен­ного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристал­лической решетке. Твердые растворы замещения могут быть с неог­раниченной растворимостью и ограниченной. С неограниченной растворимостью образуются твердые растворы тогда, когда сплавляе­мые компоненты имеют одинаковый тип кристаллической решетки, близкие параметры решетки и сходные по строению оболочки ва­лентных электронов в атомах. Например, сплавы: Ni—Сu, Ni—Рb, As—Аu, Fе—Со, Fе—Сг и другие. Если эти условия не соблюдаются, образуется раствор с ограниченной растворимостью. Например, в сплаве Аl—Сu алюминий может растворить медь лишь 5,7%, а в сплаве Сu—Zn в меди растворяется цинка 39% и то при достаточно высокой температуре. При ограниченной растворимости в решетке одного компонента может раствориться лишь некоторое (зависящее, как правило, от температуры) количество атомов другого компонен­та. Остальное («лишнее») количество второго компонента при этом либо само становится растворителем и образует зерна на основе сво­ей решетки, в которой растворены атомы другого компонента, либо вступает с ним в химическое взаимодействие.

При образовании твердого раствора внедрения атомы растворен­ного компонента располагаются в междоузлиях кристаллической решетки растворителя. Такие твердые растворы могут образовы­ваться, когда атомы растворяемого компонента имеют малый радиус. Например, с Fе твердые растворы внедрения образуют лишь С, N, Н и В.

Так как строение электронных оболочек и размеры атомов хими­ческих элементов отличаются друг от друга (см. периодическую сис­тему элементов и табл. 1.3), то при образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается (де­формируется), периоды ее изменяются, и в ней возникают внутренние напряжения. Эти напряжения, а также деформация решетки тем больше, чем больше в решетке посторонних («чужих») атомов и чем больше разница в размерах между этими атомами и «собственными» атомами решетки. Все это затрудняет передвижение дислокаций в зернах во время пластической деформации и повышает механиче­скую прочность и твердость НВ сплавов, образующих твердые растворы, а также создает препятствие движению электронов

прово­димости, повышая тем самым удельное электрическое сопротивле­ние р этих сплавов. Чем сильнее деформирована решетка, тем мень­ше она искажается при нагревании и тем ниже температурный коэффициент удельного электрического сопротивления — ТКр.

Сплавы с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

На рис. 10.9, а представлена диаграмма состояния сплавов, ком­поненты которых образуют твердые растворы с неограниченной рас­творимостью. Верхняя линия — это линия ликвидуса, нижняя — ли­ния солидуса. Выше линии ликвидуса все сплавы находятся в жидком состоянии, ниже линии солидуса — в твердом состоянии. Между этими линиями происходит затвердевание сплавов, и здесь находятся жидкая и твердая фазы. Состав твердой фазы сплавов при данной температуре показывает линия солидуса, состав жидкой фазы сплавов — линия ликвидуса.

При затвердевании сплава в интервале температуры Т1—Т2 внача­ле первые образования твердой фазы сплава Ni—Сu имеют больше тугоплавкого Ni и становятся центрами (зародышами) кристаллизации. Состав твердого раствора в этих зародышах соответствует точке S на диаграмме (Ni — 90%, Сu— 10%). С понижением температуры зародыши твердого раствора обрастают твердой фазой со всепонижающейся концентрацией Ni, и в момент полной кристаллизации (точка Т2) кристаллы имеют состав Ni — 50%, Си — 50%.

Таким образом, образующиеся кристаллы в интервале Т1—Т2 неоднородны по химическому составу, что особенно заметно при быстром охлаждении. Неоднородность состава внутри кристалла на­зывают внутрикристаллитной (или дендритной) ликвацией (под лик­вацией вообще понимают неоднородность системы по химическому составу). Эту ликвацию можно в значительной мере устранить отжи­гом (см. гл. 10.5.3). При длительном воздействии высокой температу­ры в результате диффузии атомов происходит выравнивание концен­трации компонентов по объему кристалла.

Из рис. 10.9, 6 видно, что свойства сплавов, образующих твердые растворы, изменяются экстремально, при максимальном искажении кристаллической решетки, с максимумом для твердости НВ, механи­ческой прочности σB, удельного электрического сопротивления р и минимума для температурного коэффициента удельного сопротивле­ния ТКр.

Сплавы с ограниченной растворимостью компонентов 8 твердом состоянии

Диаграмма состояния сплавов, образующих твердые растворы с ограниченной растворимостью компонентов, и изменение их твер­дости, механической прочности ав и электрического сопротивления в зависимости от состава представлены на рис. 10.10.

Выше линии ликвидуса АСЕ все сплавы из компонентов А и Б (например, Си и А&) находятся в виде жидких растворов (рис. 10.10, а, в). Ниже линии солидуса ADСЕВ все сплавы находятся в твердом состоянии в виде трех структурных областей (трех фаз): 1) твердого раствора α-фазы — раствор компонента Б в А (Аg в Сu); 2) твер­дого раствора β-фазы — раствор компонента А в Б (Си в А§); 3) и ме­жду этими областями размещены сплавы, состоящие из смеси α - и β - твердых растворов (область РОСЕС). Максимальные концентра­ции α - и β - твердых растворов имеют место при температуре, отве­чающей линии ОСЕ (для сплавов системы Сu—Аg 779°С). При охла­ждении сплавов до 0˚С концентрация компонента Б в α - твердом растворе уменьшается, см, кривую ОР (Аg уменьшается в α - твердом растворе); уменьшается также концентрация компонента A в β-твердом растворе, см. кривую ЕО (Си уменьшается в р-твердом растворе). Если при температуре 779˚С Au в α - твердом растворе содержится 7%, а Сu в β - растворе — 8%, то при 0°С концентрация Аg в а-твердом растворе уменьшается до 0%, а концентрация Сu в β-твердом растворе — до 1 %. Таким образом, состав α,- и β - фазы пере­менен и с понижением температуры раствора изменяется.