СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

ТОЧКИ ЧЕРНОВА

Инженер Д. К. Чернов в 1866 году начал работу в сталеплавильном цехе военного завода в Петербурге.

Почему одни пушки, выпускаемые заводом, прочны и долговечны, а другие быстро разрушаются? Не зависит ли прочность стали от её обработки? Вот вопросы, которые поставил перед собой инженер Чернов.

Первые же исследования убедили Чернова в том, что непрочная орудийная сталь всегда оказывается крупно­зернистой. Но почему в одних случаях в стали образуются крупные зёрна, а в других — мелкие? Может быть, вели­чина зерна зависит от режима ковки и закалки?

Чернов начал выяснять, что происходит со сталью при закалке. Он нашёл, что при нагревании сталь не остаётся неизменной: при определённых температурах меняются и размеры кристаллов (зёрен) и свойства стали. Эти тем­пературы Чернов назвал критическими точками а и Ь теперь их называют точками Чернова.

В те времена ещё не было приборов для измерения вы­соких температур и наблюдения за режимом велись «на - глазок», по цвету нагретой стали. В точке а, например,

Сталь имела темновишнёвый цвет (около 700°), а в точке

Ь — матово-красный (800—850°). В своих лекциях по ме­таллургии в Артиллерийской академии Д. И. Чернов при­водит шкалу всех критических температур для стали:

Критический

200° 450° промежуток

D е а Ъ (х)к с

О ■ 1 I I ■ ■ II | | I _ I

Температура Температура (___ | Температура

Охлаждения полного Красное плавления

Для полней отпуска каление закалки

Какое же значение имеют эти критические точки?

Между точками х и с лежат температуры плавления различных сталей. Точка а — это та температура, при ко­торой сталь уже способна принимать закалку. «Сталь, как бы она тверда ни была,— писал Чернов,— будучи нагрета ниже точки а, не принимает закалки», то-есть не становит­ся более твёрдой при последующем быстром охлаждении в воде или в масле. «Сталь, нагретая ниже точки Ь,— писал далее Чернов, — не изменяет своей структуры, мед­ленно ли или быстро после того она охлаждается... Как только температура стали возвысилась до точки 6, масса стали быстро переходит из зернистого (или, вообще го­воря, кристаллического) в аморфное (воскообразное) со­стояние».

Позже было, однако, установлено, что при нагревании выше точки b сталь сохраняет кристаллическое строение, но кристаллическая решётка железа изменяется: из
кубической объемноцентрированной (альф а-железо) она превращается в кубическую гранецентрированную решётку (гамма-железо). Если такую сталь очень быстро охладить в воде, то структура стали снова резко изменяется. Под микроскопом мы увидим тёмные пере­крещивающиеся друг с другом иглы (рис. 9). Это так на­зываемый мартенсит. Он-то и придаёт стали очень высокую твёрдость и хрупкость после закалки. Мартен­сит неустойчив и может рас­падаться даже при комнатной температуре, правда, очень медленно. При нагревании мар­тенсит распадается быстро.

Структура мартенсита и усло­вия его образования были тща­тельно изучены советским учё­ным, ныне членом-корреспон - дентом Академии наук СССР Г. В. Курдюмовым.

Точка (I — 200° — соответ­ствует температуре охлаждения для полной закалки. До этой Рис- 9* Иглы мартенсита, гочки нужно быстро охлаждать

Сталь при закалке, чтобы сталь была твёрдой. При 200° в стали образуется мартенсит.

Закалённая сталь хрупка. Для устранения хрупкости сталь подвергается отпуску — снова нагревается до 200—600°, а затем охлаждается. При этом мартенсит рас­падается и из него выделяется смесь частиц почти чистого железа — феррита и химического соединения железа с углеродом — цементита. Чем выше температура отпуска, тем быстрее и полнее происходит распад мартен­сита и тем крупнее выделяющиеся кристаллы феррито - цементитной смеси; чем выше температура отпуска, тем более мягкой и вязкой становится сталь.

Инструментальная сталь (для зубил, отвёрток, пил, резцов и т. д.) нагревается при отпуске обычно только до 200° — при этой температуре твёрдость понижается мало, но хрупкость устраняется в значительной степени.

Отпуск стальных пружин и некоторых штампов про­изводят при температурах до 400—500°; при этом твёр­дость заметно снижается и сталь становится пластичной.

Конструкционные стали, из которых делаются ответст­венные детали автомобилей, тракторов, самолётов, после закалки, как правило, подвергаются высокому от­пуску, нагреваются до 550—650°. При этом сталь при­обретает благоприятные сочетания прочности и пластич­ности; детали, изготовленные из такой стали, долговечны.

Точка е соответствует температуре 450°. Это — точка полного отпуска: мартенсит, сообщающий стали высокую твёрдость и хрупкость, при 450° распадается полностью.

Чернов изучил и режим ковки: болванку нужно нагреть до температуры 1200—1250°, и когда сталь станет пла­стичной, ковать её до тех пор, пока она не остынет до точки Ь (800—850°). При высоких температурах сталь имеет крупнозернистое строение, и если ковку кончить не в точке fr, а при температуре, допустим, 1000°, крупные зёрна ос­танутся нераздроблёнными, и сталь получится непрочная.

Д. К. Чернов впервые в истории науки указал, что свой­ства сплава зависят от его внутреннего строения и, чтобы придавать сплавам те или другие ценные свойства, нужно подробно изучать все изменения, которые происходят при термической и механической обработке сплавов.

Значение работ Д. К. Чернова для науки о металлах и техники чрезвычайно велико. В 1900 году на Всемирной выставке в Париже французский металлург Поль 'Мон­гольфье обратился к собравшимся со следующими сло­вами: «Считаю своим долгом открыто и публично зая­вить в присутствии стольких знатоков и специалистов, что наши заводы и всё сталелитейное дело обязаны на­стоящим своим развитием и успехом в значительной мере труду и исследованиям русского инженера Чернова».

Известный советский учёный А. А. Байков в статье, посвящённой столетию со дня рождения Д. К. Чернова, так оценивает значение работ Д. К. Чернова: «Д. К. Чер­нов является величайшим гениальным учёным, который своими замечательными исследованиями произвёл в ме­таллургии полную революцию. Значение Д. К. Чернова для металлургии можно сравнить со значением Д. И. Менделеева для химии. Подобно тому как химия в своём дальнейшем развитии будет итти по пути, указан­ному Д. И. Менделеевым, так и металлургия стали будет развиваться в том направлении, которое было указано Д. К. Черновым».

Мы уже знаем, что сплавы — это кристаллические ве­щества, состоящие из атомов двух или нескольких химиче­ских элементов.

Сплавы получаются обычно путём сплавления либо металлов друг с другом, либо металлов с неметал­лами. Расплавленные металлы обычно хорошо растворяют­ся один в другом и дают однородный жидкий раствор. Так, медь растворяется в никеле, свинец — в сурьме. По­лучаемые таким путём сплавы называются литыми.

В настоящее время ряд сплавов получают также спе­канием. Для этого из металлов, которые должны войти в состав сплава, приготовляют тонкие порошки, перемеши­вают их, прессуют, а затем спекают при соответствующих температурах и таким образом получают нужные сплавы. Спекание применяется иногда для получения подшипнико­вых сплавов (железа с графитом, железа со свинцом) и сплавов из тугоплавких металлов, например из кобальта и карбидов (соединений с углеродом) вольфрама и тита­на. Прессование и спекание смеси порошков производится в специальных пресс-формах, имеющих точную форму и размеры будущих изделий, и поэтому дальнейшая обра­ботка сплавов оказывается ненужной.

Свойства сплава зависят не только от его химического состава, но и от внутреннего строения, структуры сплава. Поэтому в настоящее время при изучении спла­вов строению их уделяется большое внимание.

Строение различных сплавов не одинаково. Состав­ные части сплава могут образовать либо механическую смесь, либо химическое соединение, либо твёрдый раствор.

Что представляет собой механическая смесь?

Если тщательно смешать порошок мела и порошок серы и посмотреть на полученную смесь в лупу, то можно уви­деть отдельные зёрнышки мела и серы. Они не взаимодей­ствуют друг с другом химически, а находятся в смеси в ви­де самостоятельных частиц. Подобные смеси и называют механическими. Такие смеси встречаются часто среди сплавов. Например, сплав свинца и сурьмы — меха­ническая смесь. Если посмотреть на этот сплав в микро­скоп, то можно различить мельчайшие кристалики свинца и сурьмы (рис. 10). Механические смеси может давать

Алюминий с кремнием, свинец с сурьмой, висмут с кадмием и т. д. В сплавах, которые состоят из механической смеси двух элементов, всегда можно подобрать только один определённый состав сплава, который имеет самую низ­кую температуру плавлеиия. Сплавы с таким составом на­зываются эвтектическими или просто эвтек­тика м и (от греческого слова «эвтектос» — легкопла - вящийся). Для сплава свинца с сурьмой состав эвтек­тики— 87% свинца и 13% сурьмы, температура плав­ления её 246°.

Металлы, образующие эвтектику, плавятся одно­временно, при одной и той же температуре. Если же в сплаве один из ме­таллов находится в коли­честве большем, чем это нужно для эвтектики, то он плавится при темпера-

Рис. 10. Сплав свинца и сурьмы туре более высокой.

(схемз структуры). Меняя в сплаве весо­

Вые количества отдельных элементов, можно получать сплавы с различными темпе­ратурами плавления. Если, например, в 100 граммах сплава свинца с сурьмой содержится только 5 граммов сурьмы, то сплав плавится при температуре 296°, если сурьмы 10 граммов, температура плавления равна 260°, 20 граммов — 280°, 40 граммов — 395° и т. д. Весьма характерным для таких сплавов является то обстоятель­ство, что все они начинают плавиться вне зависимости от состава при температуре плавления эвтектики (246°), а заканчивают — при разных температурах.

Эвтектические сплавы очень ценны. Они представляют собой смесь чрезвычайно мелких кристаликов, имеют одно­родное строение и обладают сравнительно высокой проч­ностью и хорошими литейными свойствами, то-есть хорошо заполняют литейную форму и дают небольшую усадку (усадка — это уменьшение объёма отливки при переходе сплава из жидкого состояния в твёрдое).

Эвтектический сплав, содержащий 45,3% висмута, 12,3% кадмия, 17,9% свинца и 24,5% олова, плавится при 70°. Из него делаются электрические предохранители.

Эвтектические сплавы алюминия с кремнием — си­лумины — применяются для изготовления некоторых деталей в авиамоторостроении.

Познакомимся теперь с твёрдыми раство­рами.

Мы уже знаем, что расплавленные металлы могут рас­творяться один в другом: атомы одного металла равно­мерно распределяются в другом металле — растворителе. Это такой же процесс, как и растворение сахара в воде. При застывании сплава атомы растворённого металла так и остаются «рассеянными» в другом металле, и образует­ся твёрдый раствор.

Способность образовывать твёрдые растворы харак­терна для многих металлов. Железо, например, образует твёрдые растворы с углеродом, никелем, марганцем, крем­нием и другими элементами; медь — с никелем, цинком, алюминием, кремнием; алюминий — с медью, магнием. Монеты, которыми мы сейчас пользуемся, являются твёр­дыми растворами: одно-, двух-, трёх - и пятикопеечные мо­неты — растворы алюминия в меди; десяти-, пятнадцати - и двадцатикопеечные монеты — растворы меди в никеле.

В никеле может раствориться сколько угодно меди. Точно так же и в меди могут растворяться неограниченные количества никеля. (Конечно, когда в грамме никеля рас­творяется килограмм меди, растворителем считают не ни­кель, а медь.) Однако такая неограниченная рас­творимость присуща далеко не всем металлам. Мно­гие из них обладают ограниченной раствори­мостью. Свинец, например, плохо растворяется в цинке, в меди, в железе. Если расплавить вместе цинк и свинец, то образуется два жидких слоя: в верхнем слое будет жидкий цинк с небольшим количеством растворённого в нём свинца, а в нижнем — свинец, растворивший немного цинка. При затвердевании расплава оба эти слоя так и остаются один над другим.

В твёрдом растворе атомы растворённого металла «рас­сеяны» среди атомов металла-растворителя. Но ведь твёр­дый раствор — кристаллическое тело. Как же построены в нём кристаллы?

Рентгеновские исследования показали, что твёрдые растворы могут быть построены по-разному (рис. 11).

Если твёрдый раствор содержит металлы, атомы кото­рых имеют приблизительно одинаковые размеры (диа-

Метры их различаются не больше, чем на 15%), то атомы растворённого металла не занимают каких-либо особых положений,— они могут замещать атомы рас­творителя в любом месте кристаллической решётки (рис. 11, а). Поэтому такие сплавы называются твёр­дыми растворами замещения. Это наиболее часто встречающийся тип твёрдого раствора. Сплавы железа с хромом, никелем, марганцем, сплавы меди с никелем, кобальта с никелем образуют твёрдые растворы замещения. Если атомные диаметры металлов отличаются

Друг от друга больше, чем на 15%, то твёрдые раство­ры обычно не образуются.

Второй тип твёрдых растворов — это рас­творы внедрения. Они образуются чаще всего тогда, когда металл растворяет в себе неме­таллический элемент, ато­мы которого значительно меньше атомов растворителя. Атомы растворяющегося элемента внедряются в промежутки кристалличе­ской решётки между атомами растворителя, образуя твёрдые растворы внедрения (рис. 11, б). К сплавам, которые образуют такие твёрдые растворы, относятся сплавы железа с углеродом, азотом и т. д.

Растворителем может быть не только чистый металл, но и химическое соединение. Так, например, химическое соединение алюминия с никелем может растворить в себе как никель, так и алюминий.

У твёрдых растворов есть одно замечательное свойство. Мы уже знаем, что атомы внутри кристалла находятся в непрерывном колебательном движении. Советские учёные А. Ф. Иоффе и Я. И. Френкель показали, что в то время, как один из колеблющихся атомов на какой-то момент времени покидает своё место в кристаллической решётке, соседний атом может проскочить на освободившееся место. В результате таких «перескоков» внутри кристаллической* решётки происходит непрерывное перемещение атомов, тем более оживлённое, чем выше температура сплава. На сво­бодное место решётки, лежащей в поверхностном слое сплава, способны перескочить и атомы другого вещества,

Соприкасающиеся со сплавом. Эти «посторонние» атомы могут проникать, диффундировать и в глубь спла­ва, иначе говоря, растворяться в нём.

Способность сплавов-твёрдых растворов быть рас­творителями имеет громадное значение в технике. Во мно­гих машинах и механизмах есть детали — коленчатые валы, шестерни, втулки и т. д., — сердцевина которых должна быть упругой и вязкой, а поверхность — твёрдой, прочной и стойкой к истиранию. Такие детали делают из вязкой и мягкой малоуглеродистой стали, а затем прово­дят следующую операцию. В железный ящик, куда насы­пана смесь древесного угля с другими веществами, содер­жащими углерод (например, углекислым барием) кладут детали, плотно закрывают ящик и несколько часов нагре­вают его до 900—950°. После этого поверхность детали становится твёрдой и прочной. Почему это происходит? При высокой температуре углерод растворяется в поверх­ностном слое металла, и на детали образуется «корка» из твёрдой высокоуглеродистой стали. Насыщение поверхно­сти металла углеродом называют цементацией.

Таким же путём можно азотировать сталь, то-есть насыщать её поверхность азотом (чтобы сделать сталь бо­лее твёрдой) »хромировать — насыщать хромом (что­бы сталь была твёрдой и химически стойкой) и т. д.

Иногда при сплавлении отдельные части сплава соединяются друг с другом хими­чески. Так, например, вольфрам соединяется с углеро­дом, и в сплаве образуется новая составная часть — кар­бид. Кристалики химических соединений существуют в структуре сплава самостоятельно, как одна из составных частей механической смеси, или твёрдого раствора. Спла­вов, которые состояли бы только из одних химических соединений, нет.

Кристалики химических соединений обычно обладают большой твёрдостью и хрупкостью. Особенной твёрдостью отличаются карбиды таких металлов, как вольфрам, хром, титан, ванадий, молибден. Поэтому они всегда находятся в структуре твёрдых сплавов и быстрорежущих сталей.

Мир сплавов весьма разнообразен. Среди них часто встречаются сплавы, которые, как мы уже видели, являют­ся только механическими смесями, либо только твёрдыми растворами. Таких сплавов очень много среди простых сплавов, состоящих лишь из двух элементов.

В сложных сплавах — из трёх и более элементов — могут встречаться одновременно твёрдый раствор и химическое соединение, смесь чистого металла с его химическим со­единением и т. д.

Для примера мы познакомимся с внутренним строением самого распространённого в технике сплава — стали.

На рисунке 12

Изображена диа­грамма состоя­ния стали, которая показывает, как из - меняется структура стали в зависимости от содержания угле­рода (от 0 до 1,7%) и от температуры.

Выше линии АЦ сталь любого состава находится в жидком состоянии. При ох­лаждении по линии АЦ сталь начинает затвердевать, из рас­плава выделяются кристаллы а у с т е - н и т а. Аустенит — это твёрдый раствор цементита (химиче­ское соединение уг­лерода с железом) в гамма-железе. В об­ласти между линия­ми АЦ и АЕ в стали находятся и кристаллы аустенита и расплав. После затвердевания, то-есть ниже линии АЕ, сталь состоит только из зёрен аустенита.

Аустенит существует в структуре стали без каких-либо изменений лишь при высоких температурах (выше линии ЖСБ). При более низких температурах аустенит начинает распадаться.

Если в стали содержится менее 0,83% углерода, то при медленном охлаждении сплава часть аустенита превра­щается в почти чистое железо — феррит. Это происходит при температурах, которые соответствуют линии ЖС.

Когда температура стали достигнет 720°, зёрна аустенита окончательно распадаются и в сплаве образуется механи­ческая смесь феррита с цементитом (химическим соеди­нением железа с углеродом). Под микроскопом эта смесь имеет своеобразный перламутровый блеск и поэтому на­зывается перлитом. При дальнейшем охлаждении в сплаве так и остаются зёрна чистого феррита и перлит.

Иная картина получается, если в стали находится боль­ше 0,83% углерода. При медленном охлаждении такого сплава феррит не образуется. При температуре, соответст­вующей линии СЕ, из твёрдого раствора сразу выделяется цементит, а затем, при 720°, весь оставшийся аустенит пре­вращается в перлит. Медленно охлаждённая сталь состоит из цементита и перлита.

В стали, содержащей 0,83% углерода, аустенит при охлаждении превращается полностью в перлит.

Свойства феррита, цементита и перлита различны. Зёрна феррита пластичные и сравнительно мягкие, как и чистое железо. Зёрна цементита, наоборот, очень тверды и хрупки, цементит прочен. Перлит по своим свойствам занимает среднее положение между ферритом и цементи­том: он менее твёрд, чем цементит, и менее пластичен, чем феррит. Таким образом, меняя количество углерода в стали, можно изменять и её свойства. Сталь с небольшим количеством углерода — более мягкая и пластичная, чем сталь высокоуглеродистая.

Если сталь охлаждать быстро (это делается при за­калке), то аустенит превращается в мартенсит — твёрдый раствор углерода в альфа-железе, имеющий, как мы уже знаем, игольчатое строение, высокую твёрдость и прочность.