Конструкционные материалы на основе легких и тяжелых металлов.
Свойства конструкционных материалов, применяемых в технике. Электротехнические материалы: полупроводники, диэлектрики, проводники, сверхпроводники.
Конструкционные материалы на основе легких и тяжелых металлов. Свойства конструкционных материалов, применяемых в технике.
Под материалами понимают вещества, идущие на изготовление чего-либо или используемые при эксплуатации других веществ. Материалы, предназначенные для изготовления деталей машин и аппаратов, приборов, технических конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам, называются конструкционными. Среди конструкционных материалов выделяют прочные, износостойкие, упругие, легкие, коррозионно-стойкие, жаропрочные. Материалы разделяют по магнитным, электрическим и другим свойствам.
Однако основы современной технике – машины и механизмы – изготовляют в основном из металлических материалов – металлов, сплавов металлов друг с другом и с некоторыми неметаллами.
В настоящее время сплавы железа подразделяют, на углеродистые стали, чугуны, легированные стали и стали с особыми свойствами.
Углеродистые стали – это сплавы железа с углеродом. В зависимости от содержания углерода в железе и температуры, получаются различные стали, отличающиеся микроструктурой. Такие стали обладают различными кристаллическими и механическими свойствами и могут превращаться одна в другую.
Твердое железо обладает способностью растворять в себе многие элементы. В частности, растворяется в железе и углерод. Его растворимость зависит от кристаллической модификации железа и температуры. Углерод растворяется в γ-железе гораздо лучше, чем в других полиморфных модификациях железа. Раствор углерода в γ-железе термодинамически устойчив в более широком интервале температур, чем чистое γ-железо. Твердый раствор углерода в α-, β-, δ-железе называется ферритом, твердый раствор углерода γ-железе – аустенитом.
Феррит является твердым раствором внедрения углерода в объемно-центрированную кубическую решетку железа. В связи с малыми расстояниями меду атомами железа в кристаллической решетке атомы углерода вынуждены размещаться в дефектах решетки (вакансиях, дислокациях).
Аустенит представляет собой фазу внедрения атомов углерода между атомами железа в гранецентрированной кубической решетке γ-железа. Но в связи с большим значением параметра кристаллической решетки γ-железа, чем у его остальных модификаций, содержание углерода значительно больше (до 2,14 % (масс.).
Другой фазой, образуемой железом и углеродом, является карбид железа, или цементит, Fe3C. Цементит имеет сложную кристаллическую структуру, содержит 6,67 % (масс.) углерода и характеризуется высокой твердостью (близкой к твердости алмаза) и значительной хрупкостью.
Механические свойства феррита и аустенита зависят от содержания в них углерода. Однако при всех концентрациях углерода феррит и аустенит менее тверды и более пластичны, чем цементит.
Железоуглеродные сплавы, содержащие меньше 2,14 % углерода, называются сталями, а содержащие больше 2,14 % углерода – чугунами.
Наиболее совершенный промышленный способ получения стали – плавка в электрических печах. Этим способом выплавляют в настоящее время большинство сортов специальных сталей. В электрической печи легко обеспечивается быстрый подъем и точное регулирование температуры, в ней можно создавать окислительную, восстановительную или нейтральную атмосферу. Это позволяет получать сталь с наименьшим количеством вредных примесей и заданного состава с высокой точностью.
При всех процессах выплавки жидкая сталь содержит небольшое количество растворенного кислорода (до 0,1 %). При кристаллизации стали, кислород взаимодействует с растворенным углеродом, образуя оксид углерода (II). Этот газ (а также некоторые другие растворенные в жидкой стали газы), выделяется из стали в виде пузырей. Кроме того, по границам зерен стали выделяются оксиды железа и металлических примесей. Все это приводит к ухудшению механических свойств стали. На качество стали, сильно влияют содержащиеся в ней газы (кислород, водород, азот) и вредные примеси (сера, фосфор). Кислород, азот и водород снижают пластичность и способствуют, хрупкому разрушению стали. Сера придает хрупкость стали при горячей обработке давлением (красноломкость), присутствуя в ней в виде сульфидов FeS. Крайне нежелательная примесь – фосфор, который вызывает хладноломкость: хрупкость стали при пониженных температурах. Сталь обыкновенного качества содержат до 0,015 % S и 0,045 % P, высококачественные стали содержат серы не более 0,015 %, а фосфора – не более 0,025 % масс.
Для удаления из сталей кислорода её еще в процессе получения, в жидком состоянии, подвергают раскислению. Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода добавлением марганца, кремния, алюминия, титана. Эти элементы активно связывают кислород, содержащийся в стали, в виде оксидов, которые переходят в шлак. Если кислород из стали не удалять, то при деформации при высоких температурах сталь подвергается хрупкому разрушению. Марганец также связывает серу в виде MnS и способствует, таким образом, устранению красноломкости стали:
Mn+FeS=MnS+Fe