БУДАВАННЕ МЕТАЛАЎ

§ 1. Крышталічная будова металаў і яго дэфекты

  У сучасным машынабудаванні металічныя сплавы з'яўляюцца асноўным канструкцыйным матэрыялам. Часцей за іншых ужываюцца сплавы жалеза - сталі і чыгуны, радзей - сплавы каляровых металаў (алюмінія, магнію, тытана, медзі, цынку, волава і свінцу). Уласцівасці металічных сплаваў у асноўным залежаць ад іх структуры (будынкі) і хімічнага складу.   Усе цвёрдыя металы маюць крышталічную будову. Іх атамы размешчаны ў прасторы ў вызначаным для кожнага металу парадку. Пры крышталізацыі металаў з вадкасці адбываецца ўтварэнне цэнтраў (зародкаў) крышталяў у выглядзе асобных груп элементарных крышталічных ячэек.



  Якія растуць са шматлікіх цэнтраў крышталі дасягаюць такіх памераў, што, датыкаючыся адзін з іншым, утвораць няправільныя па форме паверхні межаў (мал. 1.1, а), якія маюць у перасеку выгляд сеткі ламаных і выгнутых ліній (мал. 1.1, бы). Збожжа маюць розную арыентоўку крышталічных рашотак (мал. 1.1, у). Крышталіты (збожжа) металаў, якія ўтвараюцца, маюць неаднародную будову. Кожнае з зерняў складаецца з рознаарыентаваных у прасторы драбнейшых аб'ёмаў 0,1 - 10 мкм, званых блокамі. Блокі складаюцца з элементарных крышталічных вочак памерам 2,28 х 10 ^-4 - 6,5 х 10 ^-4 мкм (мал. 1.1, г).

  Пры крышталізацыі металаў у размяшчэнні атамаў узнікаюць парушэнні строгага парадку. Утвараюцца дэфекты крышталічнай будовы: атамныя пропускі (вакансіі), зрушэнні, укараненне іншародных атамаў, а таксама выцягнутыя, лінейныя дэфекты, званыя дыслакацыямі.

  Межы блокаў і зерняў складаюцца з навал дыслакацый. Пад уздзеяннем вонкавых сіл дыслакацыі здольныя перамяшчацца ў аб'ёме металу. Дэфармацыя (змена формы і памераў) тэхнічнага металу адбываецца ў выніку зрушэння дыслакацый. Чым менш у метале дыслакацый і чым слабейшыя яны замацаваны, напрыклад дробнымі ўключэннямі прымешак, тым менш патрабуецца намаганняў на дэфармацыю металу і тым меншыя цвёрдасць, трываласць і больш высокую пластычнасць выяўляе метал.

  Змяняючы колькасць, размяшчэнне і ступень замацавання дыслакацый, можна ў шырокіх межах змяняць механічныя ўласцівасці металаў. На практыцы гэта дасягаецца ўвядзеннем легіруючых дабавак, загартоўкай і дэфармаваннем сплаваў.

§ 2. Структурныя складнікі жалезавугляродзістых сплаваў

  У металах сустракаюцца тры віды элементарных крышталічных ячэек (мал. 1.1, г): цэнтраваны куб, гранецэнтраваны куб і шчыльна запакаваная гексаганальная ячэйка. Здольнасць металаў пры змяненні тэмпературы змяняць тып крышталічнай рашоткі называецца тэмпературнай алатрапіяй. Жалеза мае дзве асноўныя алатрапічныя формы: у тэмпературных інтэрвалах 0 - 910 і 1392 - 1539 ° С - альфа-жалеза (цэнтраваны куб), у інтэрвале 910 - 1392 ° С - гама-жалеза (гранецэнтраваны куб). Тэхнічнае жалеза, сталь і чыгун, якія з'яўляюцца сплавамі на аснове жалеза, заўсёды ўтрымоўваюць вуглярод. У тэхнічным жалезе змяшчаецца да 0,02% З, у сталі - 0,02 - 2,14% З, у чыгунах - 2,14 - 6,67% З.

  Жалеза з вугляродам можа спалучацца па-рознаму. Яны ўтвараюць хімічнае злучэнне - карбід жалеза Fe3C або цвёрдыя растворы (атамы вугляроду размяшчаюцца ў крышталічнай рашотцы паміж атамамі жалеза). Вуглярод можа ў выглядзе графіту знаходзіцца ў вольным стане. У железоуглеродистых сплавах сустракаюцца наступныя структурныя складнікі (асобныя крышталі ці групы крышталяў, рэзка адрозныя пры разглядзе пад мікраскопам).

•   Аўстэніт - цвёрды раствор вугляроду ва ў-жалезе, немагнітны, мяккі і пластычны; цвёрдасць НВ прыкладна 200.
•   Ферыт - цвёрды раствор вугляроду ў альфа-жалезе, вельмі мяккі і пластычны; цвёрдасць НВ каля 80.
•   Цэментыт - карбід жалеза Fe3C; змяшчае - 6,67% З, цвярдзей загартаванай сталі, драпае шкло, вельмі далікатны; цвёрдасць НВ каля 800.
•   Перліт - сумесь крышталяў цэментіту (12%) і ферыту (88%). Атрымліваецца з аўстыніту, які змяшчае 0,8% С, у выніку яго распаду пры тэмпературы 723 ° С. Перліт таксама змяшчае 0,8% С. Цвёрдасць яго НВ = 180 - 240.
•   Ледэбюрыт - сумесь перліту і цэментіту; адрозніваецца падвышанай цвёрдасцю (НВ каля 550) і далікатнасцю.
•   Графіт - крышталічная форма вольнага вугляроду; мяккі, і далікатны, трываласць яго нікчэмна малая (блізкая да нуля); змяшчаецца ў шэрых, коўкіх і высокатрывалых чыгунах.

§ 3. Асноўныя віды тэрмічнай апрацоўкі сплаваў

  Тэрмічная апрацоўка сплаваў - адзін з найболей распаўсюджаных метадаў падвышэння іх трываласці. Змяняючы рэжымы тэрмічнай апрацоўкі, можна змяніць структуру і ўласцівасці сплаваў. Тэрмічная апрацоўка звычайна складаецца з нагрэву сплаваў да абранай тэмпературы, вытрымкі нагрэтага металу пры гэтай тэмпературы і астуджэнні. Калі сталь награваць вышэй 730' З, яна будзе набываць структуру аўстыніту. Змяняючы хуткасці астуджэння аўстеніта, атрымліваюць як вельмі цвёрдыя (мартэнсіт), так і ўмерана цвёрдыя (троасціт і сорбіт) загартавальныя структуры, а таксама адносна мяккі перліт.

  Ужываюць розныя віды тэрмічнай апрацоўкі.

  Адпал.Сталь награваюць да 760 - 900° З, вытрымоўваюць пры гэтай тэмпературы для атрымання аднастайнага аўстыніту і павольна астуджаюць для ператварэння яго ў перліт. У выніку адпалу ў доэвтектоидной сталі (якая змяшчае < 0,8% З) атрымліваецца структура перліт і ферыт, у заэвтектоідной (> 0,8% С) - перліт і цэментыт. Сталь набывае мінімальныя цвёрдасць і ўнутраныя напругі, а пластычнасць і глейкасць - максімальныя.

  Нармалізацыя. Гэта - разнавіднасць адпалу. Нагрэў даэўтэктоіднай сталі вырабляецца крыху вышэй, чым на адпал. Галоўнае адрозненне нармалізацыі складаецца ў тым, што астуджэнне з тэмпературы нармалізацыі да пакаёвай вырабляецца на паветры. Атрымліваюцца пасля нармалізацыі структуры адрозніваюцца большай чым пасля адпалу дробназярністасцю, большай цвёрдасцю і трываласцю.

  Загартоўка.Сталь награваюць да такіх жа тэмператур, як і пры адпале, вытрымоўваюць некаторы час і затым вырабляюць паскоранае астуджэнне. У выніку загартоўкі ў залежнасці ад хуткасці астуджэння атрымліваюць загартавальныя структуры рознай цвёрдасці: мартэнсіт (HRC 60), троостит (HRC 45) і сорбіт (HRC 30) або іх сумесі. Загартоўка - адзін з асноўных спосабаў умацавання сплаваў.

  Адпачынак. Гэты від апрацоўкі складаецца ў награванні загартаваных вырабаў да 150 - 700° З, вытрымцы і астуджэнні. Адпачынак змяншае загартавальныя высілкі, павялічвае пластычнасць і глейкасць загартаванай сталі. Нізкаму водпуску (150 - 200° З) падвяргаюць загартаваныя прылады, сярэдняму (300 - 500°З) - спружыны, рысоры, штампы і высокаму (550 - 650° З) - зубчастыя колы, валы; шатуны і іншыя дэталі машын.

  Акрамя згаданых відаў тэрмічнай апрацоўкі, для павышэння даўгавечнасці, паверхневай цвёрдасці і зносаўстойлівасці шырока прымяняюцца і розныя віды хіміка-тэрмічнай апрацоўкі: цэментацыя (насычэнне паверхні вырабаў вугляродам), азатаванне (насычэнне азотам), цыянаванне (насычэнне азотам і вугляродам), а таксама насычэнне вырабаў металамі - алітаванне, храмаванне і т. д.

  Для ўмацавання металічных вырабаў ужываюць таксама наклеп (павярхоўны і аб'ёмны), які здзяйсняецца пры ўсіх выглядах апрацоўкі металаў ціскам (коўцы, штампоўцы, пракатцы і інш.), легаванне (уводзіны якія легуюць дадаткаў у сплавы), мадыфікаванне (апрацоўка вадкіх сплаваў невялікімі актыўнымі дадаткамі - мадыфікатарамі. ) і іншыя спосабы апрацоўкі. Знаходзяць ужыванне і камбінаваныя метады ўмацавання вырабаў за рахунак адначасовага ўжывання ўмацавання легаваннем, дэфармацыяй і тэрмаапрацоўкай. Максімальнае ўмацаванне пры гэтым дасягаецца дзякуючы адукацыі вельмі высокай шчыльнасці і аптымальнага размеркавання дыслакацый.