Металлы и человек
Шрифт:
Для того чтобы разобраться, что же все-таки может сообщить нам наша диаграмма, рассмотрим застывание сплава, содержащего, например, около одного процента углерода.
При температуре около 1470 градусов, скажете вы, глядя на диаграмму, из расплава начнут выделяться частицы твердого сплава железа с углеродом, имеющие кристаллическую гранецентрированную решетку. Такая структура железа и углерода называется аустенитом.
Аустенит мягок, пластичен, это хорошо знают кузнецы, которые нагревают металл до высокой
При температуре чуть ниже 1250 градусов весь металл затвердеет. Крупные кристаллы аустенита заполнят весь объем расплава. Углерод, содержащийся в сплаве, в это время весь растворен в нем. Он вклинивается в самую середину гранецентрированной кристаллической решетки. А так как свободное имеющееся там место мало для него, он несколько деформирует, раздвигает всю ее структуру.
Аустенит сохранит свою структуру до пересечения со следующей линией. Это пересечение произойдет при температуре чуть выше 800 градусов.
В нашем аустените содержится, как мы условились, один процент углерода. Он отлично растворился в металле при застывании; весь аустенит при высоких температурах может растворить до двух процентов углерода. Но теперь, когда мы охладили металл до температуры в 800 градусов, столько углерода раствориться в аустените не может. Углерод начинают выбрасывать из кристаллических решеток. Но он уходит не один, а только прихватив с собой на каждый атом по три атома железа в виде химического соединения — карбида железа или цементита.
Это выделение цементита будет продолжаться до температуры 723 градуса, при которой в металле останутся растворенными всего 0,8 процента углерода. И при этой температуре весь оставшийся аустенит превратится в перлит. Это тонкая структура, состоящая из зерен феррита с объемоцентрированной, то есть почти не содержащей растворенного углерода, кристаллической решеткой. Таким он будет оставаться и при нормальной температуре.
Возьмем сплав с содержанием углерода в 0,8 процента. Нагреем выше 723 градусов, чтобы попасть в область аустенита. Выдержим его там некоторое время, чтобы быть твердо убежденными, что весь цементит распался и углерод занял свое место в кристаллах твердого сплава.
Теперь начнем медленно охлаждать сплав. Лучше всего тигель с ним не будем извлекать из электропечи, где мы осуществляли его нагрев, а просто выключим ток. Пусть металл остывает вместе с печью.
Этим способом мы и получим перлит, о котором уже говорили. Измерим его твердость. Окажется, что она равна 200 единицам.
Другой такой же тигель с металлом вынем из печи и дадим ему остыть на воздухе. Измерим твердость. Ого, оказывается, чистый воздух способствовал укреплению здоровья металла! Твердость равна 300 единицам.
Металл из третьего тигля охладим в горячем масле. И масляная ванна полезна металлу. Твердость уже 400 единиц.
И тогда металл из последнего тигля опустим в воду. Взлетает облако пара. Но вот вода перестает кипеть. Достаем слиток и измеряем твердость. Не только спортсменам,
Имея перед глазами диаграмму состояния сплава железа и углерода, металлург всегда может сказать, до какой температуры надо нагреть того или иного состава сплав, чтобы закалить его, если он мягкий, или, наоборот, отпустить, если он твердый.
Уже не делая опыта, мы можем вывести из диаграммы и другую закономерность. Чем больше содержится в сплаве углерода, тем он более твердый. Это и понятно: в нем будет содержаться все больше химического соединения железа с углеродом цементита — твердого и хрупкого, и все меньше и меньше феррита — твердого раствора углерода в железе.
Сплавы, содержащие до двух процентов углерода, принято называть сталями. Два процента — это максимальное количество углерода, которое может быть еще растворено в аустените.
Сплавы, содержащие больше двух процентов углерода, называются чугунами.
Вот, оказывается, в чем главное различие между двумя великими братьями сплавами! Мы узнали его, знакомясь с удивительной диаграммой— настоящим путеводителем по чугунам и сталям.
Еще раз пройдем по этой диаграмме.
Мягкие стали с содержанием углерода до 0,3 процента можно гнуть, штамповать, вытягивать в холодном состоянии. Их хорошо берет резец, снимая длинную неломкую стружку. Они хорошо свариваются, легко режутся огнем. Но не пытайтесь их закалить: они почти не принимают закалки.
Стали, содержащие больше углерода — до 0,7 процента, прочны, упруги, но все же достаточно хорошо обрабатываются. И резко увеличивают свою прочность, если их подвергнуть закалке.
Все эти стали называются конструкционными. Из них делаются бесчисленные детали машин, валы, оси, бандажи, железнодорожные мосты, фермы, балки, болты, гайки, гвозди, пружины и т. д. и т. д. Конечно, для каждого изделия подбирают свой сорт стали.
Еще более высокую твердость имеют стали с содержанием углерода выше 0,7 процента. Эти стали — до 1,3 процента содержания углерода— называют инструментальными. Из них делают инструмент для обработки металлов. Конечно, перед тем как пустить этот инструмент в работу, его закаливают. И сталь становится очень твердой.
Еще дальше начинается область чугунов. Совсем недавно он шел только на отливки грубых деталей, таких, как станины станков, да на переработку в сталь. А сегодня даже коленчатые валы автомобилей нередко делают из чугуна, так улучшились его качества. Но о чугунах нам еще придется говорить отдельно.
…Химик, пользуясь периодической таблицей элементов Менделеева, может многое сказать о свойствах того или иного металла, зная только его место в периодической системе элементов. Металлург, имея в руках диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов, не меньше может сказать о качествах той или иной стали, хотя он и никогда не имел с такой сталью дела.