Макроструктура, мікроструктура, металознавство, твердість
Макроструктура металу (від макро ... і лат. stuctura - будова), будову металу, видиме неозброєним оком або за допомогою лупи, тобто при збільшеннях до 25 разів. М. вивчають на плоских зразках - Темплете, вирізаних з виробу або заготовки, а також на зламах вироби. Для виявлення М. поверхню Темплете ретельно шліфують, потім травлять розчинами кислот або лугів. При дослідженні М. можна виявити порушення суцільності металу (раковини, рихлість, газові бульбашки, розшарування, тріщини і т.д.), виявити розподіл домішок і неметалічних включень, форму і розташування кристалітів (зерен) в різних частинах вироби, а іноді навіть особливості будови окремих зерен металу (див. Металографія). Вивчення М. дозволяє зробити висновок про Як заготовки та правильності ведення технологічного процесу при литті, обробці тиском або зварюванні вироби. У деяких випадках якість металу характеризується видом зламу, що дозволяє встановити, як проходить поверхню руйнування (по тілу або по границях зерен), з'ясувати причини руйнування і т.д.
Мікроструктура металу (від мікро ... і лат. structura - будова), будову металу, що виявляється за допомогою мікроскопа (оптичного або електронного). Метали і сплави складаються з великого числа кристалів неправильної форми (зерен), найчастіше нерозпізнаних неозброєним оком . Зерна мають округлу або витягнуту форму, можуть бути великими або дрібними і розташовуватися друг щодо одного в певному порядку або випадково. Форма, розміри і взаємне розташування, а також орієнтування зерен залежать від умов їх освіти. Частина мікроструктури металу, що має одноманітну будову, зване структурної складової (наприклад, надлишкові кристали, евтектика, евтектоід, зокрема для залізовуглецевих сплавів аустеніт, ферит, цементит, перліт, ледебурит, мартенсит). Кількісне співвідношення структурних складових сплаву визначається його хімічним складом і умовами нагріву і охолодження.
Металознавство - наукова основа вишукувань складу, способів виготовлення і обробки металевих матеріалів з різноманітними механічними, фізичними і хімічними властивостями. Вже народам стародавнього світу було відомо отримання металевих сплавів (бронзи та ін), а також підвищення твердості і міцності сталі за допомогою гарту. Як самостійна наука металознавство виникло і оформилося в 19 столітті, спочатку під назвою металографії. Термін металознавство введений в 20-х гг.20 в. в Німеччині, причому було запропоновано зберегти термін "металографія" тільки для вчення про макро - і мікроструктурі металів і сплавів. У багатьох країнах металознавство і раніше позначають терміном "металографія", а також називають "фізичної металургією ".
Твердість - опір металів вдавленню. Твердість металів не є фізичною постійною, а являє собою складне властивість, залежне як від міцності і пластичності, так і від методу вимірювання. Т. м. характеризується числом твердості. Найбільш часто для вимірювання Т. м. користуються методом вдавлювання. При цьому величина твердості дорівнює навантаженню, віднесеної до поверхні відбитка, або обернено пропорційна глибині відбитка при деякої фіксованої навантаженні. Відбиток зазвичай виробляють кулькою з загартованої сталі (методи Брінелля, Роквелла), алмазним конусом (метод Роквелла) або алмазною пірамідою (метод Віккерса, вимір мікротвердості). Рідше користуються динамічними методами вимірювання, в яких запобіжним твердості є висота отскаківанія сталевої кульки від поверхні досліджуваного металу (наприклад, метод Шора) або час загасання коливання маятника, опорою якого є досліджуваний метал (метод Кузнецова - Герберта - Ребіндера). Числа твердості вказуються в одиницях НВ (метод Брінелля), HV (метод Віккерса), HR (Метод Роквелла), де Н від англійського hardness - твердість. Оскільки при визначенні твердості методом Роквелла користуються як сталевою кулькою, так і алмазним конусом, часто вводяться додаткові позначення - В (кульку), З і А (конус, різні навантаження). За спеціальними таблицями або диаграммам можна здійснювати перерахунок чисел твердості (наприклад, число твердості за Роквеллом можна перерахувати на число твердості за Брінеллем). Вибір методу визначення твердості залежить від досліджуваного матеріалу, розмірів і форми зразка або вироби та ін факторів.
Твердість вельми чутлива до зміни структури металу. Вимірами мікротвердості користуються при вивченні механічних властивостей окремих зерен, а також структурних складових складних сплавів.
Для відносної оцінки жароміцності металевих матеріалів інколи користуються так званою тривалої твердістю (або мікротвердістю), вимір якої виробляють при підвищеній температурі тривалий час (хвилини, години) накреслити діаграму залізо - цементит.
Рівноважний стан залізовуглецевих сплавів в Залежно від змісту вуглецю і температури описує діаграма стану залізо - вуглець. На діаграмі стану залізовуглецевих сплавів (рис.1) на осі ординат відкладена температура, на осі абсцис - вміст у сплавах вуглецю до 6,67%, тобто до такої кількості, при якому утворюється цементит Fе 3 С. По діаграмі стану системи залізо - вуглець судять про структуру повільно охолоджених сплавів, а також про можливість зміни їх мікроструктури в результаті термічної обробки, визначальною експлуатаційні властивості. На діаграмі стану Fe - Fе 3 З ухвалені міжнародні позначення. Суцільними лініями показана діаграма стану залізо - цементит ( метастабильная , так як можливий розпад цементиту), а пунктирними - діаграма стану залізо - графіт ( стабільна ).
Розглянуту діаграму правильніше вважати не залізовуглецевих (Fe - З), а железоцементітной (Fe - Fе 3 С), так як вільного вуглецю в сплавах не міститься. Але так як вміст вуглецю пропорційно вмісту цементиту, то практично зручніше всі зміни структури сплавів пов'язувати з різним вмістом вуглецю.
Компоненти системи залізо і вуглець - елементи поліморфні. Основний компонент системи - залізо.
Вуглець розчинимо в залозі в рідкому і твердому станах, а також може утворити хімічна сполука - цементит Fе 3 С або присутніми в сплавах у вигляді графіту.
В системі залізо-цементит (Fe - Fе 3 С) маються наступні фази: рідкий розчин. тверді розчини - ферит і аустеніт, а також хімічна сполука - цементит.
Ферит може мати дві модифікації - високо - і низькотемпературну. Високотемпературна модифікація d-Fe і низькотемпературна - a-Fe являють собою тверді розчини вуглецю, відповідно, в d - і a - Залозі.
Діаграма стану Fe-C.
Граничний вміст вуглецю в a-Fe при 723 В° С - 0,02%, а при 20 В° С - 0,006%. Низькотемпературний ферит a-Fe за властивостями близький до чистому залізу і має досить низькі механічні властивості, наприклад, при 0,06% С:
s = 250 МПа;
d - 50%;
y = 80%;
твердість - 80 ... 90 НВ.
Аустеніт g-Fe - твердий розчин вуглецю в g-залозі. Гранична розчинність вуглецю в g-залозі 2,14%. Він стійкий лише при високих температурах, а з деяким домішками (Мn, Сr і ін) при звичайних (навіть низьких) температурах. Аустеніт має високу пластичністю, низькими межами текучості і міцності. Твердість аустеніту 160 ... 200 НВ.
Цементит Fе 3 С - хімічна сполука заліза з вуглецем, що містить 6,67% вуглецю. Між атомами заліза і вуглецю в цементиті діють металева і ковалентний зв'язки. Температура плавлення ~ 1250 В° С. Цементит є метастабільній фазою; область його гомогенності дуже вузька і на діаграмі стану він зображується вертикаллю. Час його стійкості зменшується з підвищенням температури: при низьких температурах він існує нескінченно довго, а при температурах, що перевищують 950 В° С, за кілька годин розпадається на залізо і графіт. Цементит має точк...
