S. Способы изменения структуры и свойств металлов У в твердом состоянии

Изменение структуры и свойств металлов производят и без его расплавления. Для этого используют три ха­рактерных для металлических веществ явления: алло­тропию, пластическую деформацию и рекристаллизацию.

Аллотропия (полиморфизм)—способность металлов

в твердом состоянии иметь различное кристаллическое строение (вид решетки). Процесс перехода одного вида решетки в другой называется аллотропическим, или по­лиморфным, превращением. Определенный тип решетки, характерный для металла в твердом состоянии и суще­ствующий в определенном интервале температур и дав­ления, называется модификацией (аллотропической фор­мой). Модификации металлов обозначают начальными буквами греческого алфавита: а, |3, у и др.

Известны модификации железа, кобальта, титана, олова, марганца, лития и др. Для железа характерны два аллотропических превращения: Fea^Fey. При темпе­ратуре менее 910 °С и в интервале от 1392 до 1539 °С железо имеет объемно центрированную решетку (Ред), а в интервале температур от 911 до 1392 °С — гранецент-рированную решетку (Fey). На рис. 8 переход железа из одной модификации в другую отмечен соответствующими горизонтальными площадками. При температуре 768 °С аллотропических изменений не происходит. Ниже этой температуры железо магнитно, выше — немагнитно. Тем­пературы 768 °С, 911°С, 1392 °С и 1539 °С называются критическими.

При нагревании железа и переходе Pea в Fey проис­ходят зарождение и рост новых зерен другой формы и размера. Как правило, при этом получаются более мел­кие, равноосные зерна, которые при охлаждении, т. е. превращении Fey в Fea, сохраняют свою форму и разме­ры. Металл получается с более мелкими и равномерными по размеру зернами. Следовательно, при постоянном дав­лении стоит только нагреть металл до такой температу­ры, при которой осуществляется переход из одной моди­фикации в другую, а затем охладить его, как атомы, перестроившись из одной решетки в другую, придадут новую форму и размеры зернам.

Процессы, связанные с аллотропическими превраще­ниями железа, широко используются при термической обработке стали и чугуна.

В некоторых случаях аллотропические превращения могут приводить и к разрушению металла. Например, олово при охлаждении ниже температуры —18 °С пре­вращается в порошок, известный под названием «оло­вянная чума».

Аллотропические превращения можно искусственно затормозить или вовсе не допустить путем быстрого ох­лаждения металла или добавки в него других элементов.

Пластическая деформация—это изменение размеров и формы металлов под действием приложенных сил и сохранение их после прекращения воздействия (в про­тивоположность упругой деформации, устраняющейся по­сле прекращения действия внешних сил).

В результате пластической деформации металл ста­новится более прочным, твердым и менее пластичным. Происходит это вследствие нарушения строения кристал­лической решетки, что затрудняет дальнейшую пласти­ческую деформацию. Явление упрочения металла при пластическом деформировании называется наклепом.

Пластическая деформация сопровождается также из­менением и более крупной структуры — формы и разме­ров зерен. При деформировании в одном направлении (например, при прокатке) зерна получаются вытянуты­ми. Такую структуру называют волокнистой. Это явле­ние в ряде случаев нежелательно, так как делает тело анизотропным, т. е. свойства его вдоль волокон отлича­ются от свойств поперек их.

Волокнистость устраняется нагревом (для устранения наклепа до температуры 300—400 °С). При этом обра­

зуются новые, отличительные от исходных, равновесные зерна металла. Такой процесс называетсярекристалли­зацией, а температура его протекания — температурой рекристаллизации.I Методы исследования структуры металлов и сплавов

Внутреннее строение, или структуру, металлов и их дефекты изучают с помощью макроструктурного, микро­структурного, магнитного, люминесцентного, ультразву­кового, рентгеновского н ^-Дефектоскопического методов анализа.

Макроструктура—это строение металла, видимое не­вооруженным глазом или при небольшом увеличении с помощью лупы.Макроструктурный анализ используют для выявления формы и расположения зерен в литом металле, направления волокон в поковках и штамповках, местонахождения, размеров и форм нарушения сплош­ности, дефектов сварки, оценки толщины поверхностного слоя в изделиях, подвергнутых специальной поверхност­ной обработке, и др. Его осуществляют просмотром от­шлифованной, отполированной и протравленной поверх­ности металлического изделия или макрошлифа (выре­занного из заготовки или металлоизделия темплета), по­верхность которого шлифуют и протравливают.

Микроструктурный анализ — это исследование струк­туры металлов и сплавов с помощью микроскопов с уве­личением от 1500 до 100000. Его осуществляют посред­ством изучения микрошлифов — вырезанных из метал­лоизделия или заготовки образцов, поверхность которых шлифуют, полируют и подвергают травлению специаль­ными реактивами. При использовании электронных мик­роскопов рассматривают тонкий прозрачный слепок с микрошлифа — фольгу, или реплику.

В последнее время для исследования структуры и свойств металлов широко применяются методы фракто-графии, позволяющие исследовать строение изломов, т. е. поверхностей, образующихся в результате разрушения металлоизделий или заготовок. Изломы изучают посред­ством макро- и микроструктурного анализа.

Магнитный метод (магнитная дефектоскопия) приме­няется для выявления трещин, волосовин, раковин и дру­гих дефектов, находящихся на поверхности (или близко около нее) изделий из ферромагнитных материалов. Сущ-

ность метода заключается в намагничивании изделия. Затем на поверхность наносится магнитный порошок оки­си железа или его суспензия в керосине. Частицы порош­ка под действием магнитного потока, рассеивающегося в месте расположения дефекта, ориентируются по сило­вым линиям. В результате отчетливо выделяются даже самые мелкие дефекты.

Люминесцентный метод (люминесцентная дефекто­скопия) используется для выявления поверхностных де­фектов изделий (микротрещин). Он основывается на свойстве некоторых органических веществ светиться под действием ультрафиолетовых лучей. Сущность метода заключается в нанесении на поверхность изделия специ­ального флуоресцирующего раствора и ее освещении ультрафиолетовым светом. Проникающий в микротрещи­ны раствор под действием лучей светится, тем самым по­зволяя их выявить.

С помощьюультразвукового метода (ультразвуковая дефектоскопия) выявляют дефекты, расположенные глу­боко в толще металла. Для этого используются ультра­звуковые дефектоскопы, с помощью которых через тол­щу металла пропускают пучок ультразвуковых волн и контролируют их прохождение. Любая несплошность ме­талла нарушает нормальное распространение волн, что можно увидеть на экране имеющегося в приборе осцил­лографа.

Рентгеновский метод (рентгеновская дефектоскопия)применяется для контроля литых, кованых и штампован­ных деталей, а также сварных соединений. Он заклю­чается в просвечивании деталей рентгеновским излуче­нием и фиксировании выходящего излучения на специ­альной светочувствительной пленке. При этом темные места на пленке свидетельствуют о наличии дефектов в исследуемых деталях.

Разновидностью рентгеновского метода являетсяу-де-фектоскопия.