Кристаллизация и структура металлов и сплавов.

Энергетические и температурные условия процесса кристаллизации.

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях — га­зообразном, жидком и твердом. Изменение агрегатного состояния проис­ходит при определенных температурах. Температура перехода зависит от давления, но при постоянном давлении они вполне определенны.

Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кри­сталлической структуры называется первичной кристаллизацией. Плавле­ние процесс, обратный кристаллизации.

В природе все самопроизвольно протекающие превращения (кристал­лизация и плавление) обусловлены тем, что новые состояния в новых ус­ловиях являются энергетически более устойчивыми, обладают меньшим запасом энергии.

Энергетическое состояние системы, имеющее огромное число охва­ченных тепловым движением частиц (атомов, молекул), характеризуется особой термодинамической функцией G, называемой свободной энергией. В условиях постоянного давления:

G = U – T ⸳ S

где — U — внутренняя энергия системы (вещества), т. е. полная энергия, равная сумме кинетической и потенциальной энергии частиц, составляю­щих данную систему: Т — абсолютная температура в системе, S — энтро­пия, т. е. мера внутренней неупорядоченности в системе.

GamePark RU

Чем больше свободной энергии системы, тем система менее устойчи­ва. С изменением внешних условий свободная энергия системы изменяет­ся по сложному закону, но различно для жидкого и кристаллического со­стояний. Схематический характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний в зависимости от температуры показан на рис. 1.

Изменение свободной энергии жидкого и кристаллического состояний в зависимости от температуры
Рис. 1. Изменение свободной энергии жидкого (1) и кристаллического (2)
состояний в зависимости от температуры.

Из графика видно, что при температуре Ts свободные энергии жидко­го и твердого состояний равны, металл находится в равновесии. Ts — рав­новесная или теоретическая температура кристаллизации, при которой Gж = Gтв.

Для начала кристаллизации необходимо уменьшение свободной энер­гии системы. Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кри­сталлизации называется переохлаждением. Разница между равновесной Ts и реальной Тк температурой кристаллизации называется степенью переох­лаждения ΔТ. Степень переохлаждения зависит от природы металла, она увеличивается с повышением частоты металла и ростом скорости охлаж­дения. Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах «Время — Температура» (рис. 2).

Кривые охлаждения при кристаллизации
Рис. 2. Кривые охлаждения при кристаллизации.

Охлаждение металла в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры. При достижении температуры кристаллизации на кривой «температура-время» появляется горизонтальная площадка, так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скры­той теплотой кристаллизации. Жидкий металл обладает большей внутрен­ней энергией, чем твердый, поэтому при кристаллизации выделяется теп­лота. По окончании кристаллизации температура снова начинает снижать­ся и твердое кристаллическое вещество охлаждается.

Print Bar

Механизм и основные закономерности процесса кристаллизации.

В жидком состоянии атомы вещества вследствие теплового движения перемещаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются группи­ровки атомов небольшого объема, в пределах которых расположение ато­мов вещества во многом аналогично их расположению в решетке кристал­ла. Эти группировки неустойчивы, они рассасываются и вновь появляются в жидкости. При переохлаждении жидкости некоторые из них (наиболее
крупные) становятся устойчивыми и способными к росту. Эти устойчивые группировки атомов называют центрами кристаллизации (зародышами).

Образование зародышей способствует флуктуации энергии, т. е. от­клонение энергии группировок атомов в отдельных зонах жидкого металла от некоторого среднего значения. Размер образовавшегося зародыша зави­сит от величины зоны флуктуации.

Процесс образования кристаллов путем зарождения центров кристал­лизации и их роста можно рассмотреть с помощью схем (рис. 3).

Схема процесса кристаллизации
Рис. 3. Схема процесса кристаллизации.

Рассмотрение подобных схем кристаллизации позволяет объяснить два важных момента:

  1. по мере развития процесса кристаллизации в нем участвует все большее и большее число кристаллов, поэтому процесс вначале ускоряется до тех пор, пока в какой-то момент взаимное столкновение растущих кри­сталлов не начинает заметно препятствовать их росту, которое замедляет­ся; тем более, что и жидкости, в которой образуются новые кристаллы, становится все меньше;
  2. в процессе кристаллизации кристалл, окруженный жидкостью, имеет правильную форму, но по мере столкновения и срастания кристал­лов их правильная форма нарушается и оказывается в зависимости от ус­ловий соприкосновения растущих кристаллов. Кристаллы неправильной формы называются кристаллитами или зернами.

Скорость процесса и окончательный размер кристаллов при затверде­вании определяется соотношением между скоростью образования центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов (рис. 4).

Изменение скорости образования зародышей и скорости роста кристаллов в зависимости от степени переохлаждения
Рис. 4. Изменение скорости образования зародышей V3 и скорости роста кристаллов Vp в зависимости от степени переохлаждения ΔТ.

При небольших степенях переохлаждения, когда зародыш критиче­ского размера велик, а скорость образования зародышей мала, в результате затвердевания образуется крупнокристаллическая структура. Чем больше степень переохлаждения, тем больше центров кристаллизации и тем меньше размер зерна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства сплава.

Небольшие степени переохлаждения достигаются при заливке жидко­го металла в форму с низкой теплопроводностью (земляная, шамотовая) или в подогретую металлическую форму. Увеличение переохлаждения происходит при заливке жидкого металла в холодные металлические фор­мы, а также при уменьшении толщины стенок отливок. Поскольку при этом скорость образования зародышей увеличивается более интенсивно, чем скорость их роста, получается более мелкий кристалл.

В реальных условиях процессы кристаллизации и характер образую­щейся структуры в значительной мере зависят от имеющихся центров кри­сталлизации. Такими центрами являются частицы тугоплавких неметалли­ческих включений, оксидов, интерметаллических соединений, образуемых примесями. При кристаллизации атомы металла откладываются на акти­вированные поверхности примеси как на готовом зародыше.

Наличие готовых центров кристаллизации приводит к уменьшению размеров кристалла при затвердевании. Рост зерна чаще всего происходит по дендритной схеме (рис. 5). Это связано с тем, что развитие зародышей протекает главным образом в тех направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние меж­ду ними. В этих направлениях образуются ветви — оси первого порядка I. От осей первого порядка начинают расти оси второго порядка II, от них — оси третьего порядка III и т. д.

Схема строения дендрита
Рис. 5. Схема строения дендрита: 1-3 — оси первого, второго и третьего порядка.

Условия отвода теплоты при кристаллизации значительно влияют на форму зерен. Кристаллы растут преимущественно в направлении, обрат­ном отводу теплоты. Поэтому при направленном теплоотводе образуются вытянутые (столбчатые) кристаллы. Если теплота от растущего кристалла отводится во всех трех направлениях с приблизительно одинаковой скоро­стью, формируются равноосные кристаллы.

Структура слитка зависит от многих факторов, основные из которых следующие:

  • количество и свойство примесей в чистом металле или легирующих элементов в сплаве;
  • температура разливки;
  • скорость охлаждения при кристаллизации, а также конфигурация;
  • температура;
  • теплопроводность;
  • состояние внутренней поверхности литейной формы.

Типичная структура литого слитка состоит из трех основных зон (рис. 6).

Схема строения стального слитка
Рис. 6. Схема строения стального слитка: 1 — наружная мелкозернистая корка, 2 — зона столбчатых кристаллов, 3 — зона равноосных кристаллов

1 зона — наружная мелкозернистая корка, состоящая из мелких раз­лично ориентированных кристаллов. Для этой зоны характерна большая степень переохлаждения, что ведет к образованию большого количества центров кристаллизации. Отсутствие направленного роста кристаллов этой зоны объясняется их случайной ориентацией, которая является причиной столкновения кристаллов и прекращения их роста. Эта зона очень тонка и не всегда различима невооруженным глазом.

2 зона — зона столбчатых кристаллов. После образования корки уменьшается степень переохлаждения и кристаллы растут в направлении отвода тепла.

3 зона — зона равноосных кристаллов. В центре слитка нет определен­ной направленности отвода тепла, наблюдается наименьшая степень пере­охлаждения, кристалл может расти практически с одинаковой скоростью по всем направлениям.

Применяя различные технологические приемы, можно изменить коли­чественные соотношения зон или исключить из структуры слитка какую либо зону вообще. В верхней части слитка, которая затвердевает в послед­нюю очередь, концентрируется усадочная раковина. Под усадочной рако­виной металл получается рыхлым, в нем содержится много усадочных форм. Часть слитка с усадочной раковиной и рыхлым металлом отрезают.

Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм.

Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или разных модификациях. Существование одного металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма.

В результате полиморфного превращения атомы кристаллического те­ла, имеющие решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа. Полиморфную моди­фикацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой α, а при более высокой — β, γ и т. д.

МеталлКристаллическая структураТемпература существования модификации, °C
ТитанГП
ОЦК
До 882
882-1668
ЦирконийГП
ОЦК
До 862
862-1852
ОловоАлмазная
ТОЦ
До 13
13-232
УранРомбическая
ТОЦ
ОЦК
До 663
663-764
764-1130
КобальтГП
ГЦК
До 447
477-1490
Таблица 1. Кристаллическая структура полиморфных металлов.

При переходе металла из одной полиморфной модификации в другую происходит фазовая перекристаллизация, вследствие образования новых зерен в структуре металла. Можно считать, что процесс перекристаллиза­ции при полиморфном превращении подчиняется тем же законам, что и процесс перекристаллизации. Полиморфное превращение прежде всего развивается в тех участках структуры, в которых уровень свободной энер­гии повышен. Такими участками являются границы зерен и приграничные области. Чем меньше размер зерна, тем больше межзеренная поверхность и тем больше возникает зародышевых центров. Температура, при которой осуществляется переход из одной модификации в другую, носит название температуры полиморфного превращения.

Переход металла из одной полиморфной модификации в другую в ус­ловиях равновесия протекает при постоянной температуре и сопровожда­ется выделением тепла, если превращение идет при охлаждении, и погло­щением тепла — при нагреве. На кривых охлаждения и нагрева переход из одного состояния в другой характеризуется остановкой (для чистых ме­таллов) или изменением характера кривой (для сплавов).

Рассмотрим явление полиморфизма на примере железа (рис. 7). Же­лезо имеет две температуры полиморфного превращения — 1392 °C и 911 °C:

при t < 1392 °C; Feδ(α) ->Feγ; ОЦК -> ГЦК,

при t < 911 °C; Feγ ->Feα; ГЦК -> ОЦК.

При температуре 768 °C получается остановка на кривой охлаждения, связанная не с перестройкой решетки, а с изменением магнитных свойств. Железо отличается специфическими магнитными свойствами. Эти свойст­ва называются ферромагнитными. При нагреве ферромагнитные свойства постепенно теряются. П. Кюри показал, что полная потеря ферромагнит­ных свойств получается при определенной температуре, названной впо­следствии точкой Кюри. Выше 768 °C Feα немагнитно (немагнитное Feα иногда называют Feβ), ниже 768 °C железо ферромагнитно.

Кривая охлаждения железа
Рис. 7. Кривая охлаждения железа.

Магнитное превращение имеет ряд особенностей, отличающих его от полиморфического превращению. Магнитные свойства железа постепенно падают по мере приближения к точке превращения, и эта точка не отвечает скачкообразному изменению свойств:

  • магнитное превращение не имеет температурного гистерезиса, уве­личение скорости охлаждения не снижает температуры превращения;
  • механические и некоторые физические свойства при превращении не изменяются, изменяются многие электрические, магнитные и тепловые свойства;
  • магнитное превращение не сопровождается перекристаллизацией.

При магнитных превращениях происходит изменение не в кристалли­ческой структуре металла, а во взаимодействии внешних и внутренних электронных оболочек атомов.

Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным измене­нием свойств металлов или сплавов — удельного объема, теплоемкости, те­плопроводности, электропроводности и т. д. Эти превращения происходят не только в чистых металлах, но и в сплавах.

Строение материалов.

Металлы, их классификация и основные физические свойства.

Что такое металл? М. В. Ломоносов в своем труде «Первые основания металлургии или рудных дел» дал металлам такое определение: «Металлы суть ковкие блестящие тела». Позже, объясняя понятие «металлы», стали называть и другие металлические свойства. В энциклопедическом словаре Мейера о металлах говорится следующее: «Элементы, которые являются хорошими проводниками тепла и электричества, обладают характерным сильным блеском, непрозрачны (в не слишком тонком слое) и образуют с кислородом соединения преимущественно основного типа».

Металлы в твердом состоянии обладают рядом характерных свойств:

  • высокой тепло- и электропроводностью;
  • положительным температурным коэффициентом электросопротив­ления (с повышением температуры электросопротивление чистых метал­лов возрастает; большое число металлов обладает сверхпроводимостью — у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электро­сопротивление падает скачкообразно практически до нуля);
  • термоэлектронной эмиссией, т. е. способностью испускать электроны при нагреве;
  • хорошей отражательной способностью (металлы непрозрачны и об­ладают металлическим блеском);
  • повышенной способностью к пластической деформации.

Эти свойства металлов обусловлены их электронным строением. Ме­таллическое состояние возникает в комплексе атомов, если при их сбли­жении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами, становят­ся общими, т. е. коллективизируются и свободно перемещаются по опре­деленным энергетическим уровням между положительно заряженными и периодически расположенными в пространстве ионами. Устойчивость ме­талла, представляющего собой ионно-электронную систему, определяется электрическим взаимодействием между положительно заряженными ио­нами и коллективизированными электронами. Такое взаимодействие меж­ду ионным скелетом и электронным газом получило название металличе­ской связи.

Сила связи в металлах определяется соотношением между силами от­талкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстояния один от другого, чтобы энергия взаимодействия быта минимальной. Этому положению соответствует рав­новесное расстояние d0 (рис. 1).

GamePark RU

Сближение атомов (ионов) на расстояние меньшее do или удаление на расстояние больше do. осуществимо лишь при совершении определенной работы против сил отталкивания или притяжения.

Силы взаимодействия двух атомов
Рис. 1. Силы взаимодействия двух атомов.

Каждый металл отличается от других строением и свойством, но по не­которым признакам их можно объединить в группы (рис. 2).

Классификация металлов периодической системы Д.И. Менделеева
Рис. 2. Классификация металлов периодической системы Д.И. Менделеева.

Металлы делятся на две большие группы — черные и цветные. Черные металлы делятся на:

  • железные — железо, кобальт, никель, марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в каче­стве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам;
  • тугоплавкие — титан, вольфрам, хром, молибден и др. — температура плавления выше, чем железа (выше 1539 °C). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов;
  • урановые — актиний и актиноиды, имеющие преимущественное при­менение в сплавах для атомной энергетики;
  • редкоземельные — лантан, церий, неодим и др., объединяемые под названием лантаноиды. Эти металлы обладают близкими химическими свойствами, но различными физическими (температура плавления и т. д.). Их применяют как присадки к сплавам др. элементов;
  • щелочноземельные — литий, натрий, кальций и др., которые в сво­бодном металлическом состоянии не применяются.

Цветные металлы подразделяются на:

  • легкие — бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотно­стью;
  • благородные — серебро, золото, металлы платиновой группы. Обла­дают высокой устойчивостью против коррозии;
  • легкоплавкие металлы — цинк, олово, свинец и др.

Различные агрегатные состояния и кристаллическое строение металлов.

Все вещества в зависимости от температуры и давления могут нахо­диться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

В чистых металлах при повышении температуры происходит измене­ние агрегатного состояния: при превышении температуры плавления твер­дое состояние сменяется жидким, при превышении температуры кипения жидкое состояние переходит в газообразное. Эти температуры перехода зависят от давления.

Температура плавления — особенно важная константа свойств метал­ла — колеблется для различных металлов в весьма широких пределах: от минус 38,9 °C для ртути, самого легкоплавкого металла, находящегося при комнатной температуре в жидком состоянии, до 3390 °C — для самого ту­гоплавкого металла — вольфрама.

При постоянном давлении температуры плавления, плотность и неко­торые теплофизические характеристики вполне определенны и для наибо­лее распространенных в технике металлов приведены в таблице 1.

Плотность, теплоемкость, температура плавления и теплота плавления некоторых металлов
Таблица 1. Плотность, теплоемкость, температура плавления и теплота плавления некоторых металлов.

В газообразном состоянии частицы вещества не связаны между собой молекулярными силами притяжения и хаотически движутся, заполняя весь возможный объем. При обычных давлениях и температурах среднее рас­стояние между молекулами в газах примерно в десять раз больше, чем в твердых телах и жидкостях. Поэтому газы имеют значительно меньшие плотности, чем твердые тела и жидкости. При обычных температурах газы — хорошие диэлектрики, так как их атомы и молекулы электрически ней­тральны.

При нагреве газа до высоких температур происходит его ионизация: концентрация заряженных частиц увеличивается, причем объемные плот­ности положительных и отрицательных электрических зарядов заряжен­ных частиц становятся практически одинаковыми. Термически ионизиро­ванный газ отличается от обычного газа рядом особенностей, позволяю­щих считать его четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) со­стоянием вещества — плазмой. В технике широкое применение получила «холодная» или низкотемпературная плазма (~103-104К).

Жидкости представляют собой вещества в конденсированном агрегат­ном состоянии, промежуточном между’ твердым и газообразном. Жидко­сти подобно твердым телам обладают малой сжимаемостью и большой плотностью, но в то же время подобно газам не обладают упругостью формы и легко текут.

В жидкостях среднее расстояние между молекулами сравнимо с раз­мерами самих молекул (~10 Нм = 10-10 м), поэтому силы межмолекуляр­ного взаимодействия весьма значительны. Подобно частицам твердого те­ла молекулы жидкости совершают тепловые колебания около некоторых положений равновесия. Однако если в твердых телах эти положения рав­новесия неизменны (т. е. имеет место дальний порядок), то в жидкостях они время от времени изменяются: по истечении некоторого времени мо­лекула жидкости перескакивает в новое положение равновесия, перемеща­ясь на расстояние, сравнимое с расстоянием между молекулами.

Эти перемещения молекул жидкости обусловливают ее текучесть. Та­ким образом, несмотря на то, что в жидкостях не соблюдается дальний по­рядок, как у твердых тел, для них имеет место «ближний порядок»: в среднем для каждой молекулы жидкости число ближайших соседей и их взаимное расположение одинаковы.

В твердом состоянии физические тела характеризуются стабильно­стью формы. При изменении формы в твердых телах возникают упругие силы, препятствующие этому изменению. В твердых телах элементарные частицы (атомы, молекулы или ионы) совершают малые тепловые колеба­ния около некоторых фиксированных положений равновесия, т. е. имеет место «дальний порядок», вследствие которого элементарные частицы твердого тела могут: располагаться по узлам кристаллических решеток.

Print Bar

Правильное регулярное расположение атомов в твердом теле, характе­ризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях, образует кристаллическую решетку, а тела, имеющие кристаллическую решетку, на­зывают твердыми телами. Металлы являются телами кристаллическими.

Наиболее простой кристаллической решеткой у металлов является ку­бическая, имеющая две разновидности: кубическую объемноцентрированную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК).

У обоих типов этих решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы нахо­дятся или в центре объема куба (1 атом на пересечении диагоналей в ре­шетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (6 атомов в решетке ГЦК). Кристаллические решетки ОЦК имеют альфа-железо (Feα), хром, ванадий, вольфрам и другие металлы. Решетку ГЦК имеют гамма-железо (Feγ), алюминий, медь, никель и другие металлы.

Другой разновидностью кристаллических решеток у металлов являет­ся гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ). Ячейка этой решет­ки представляет собой шестигранную призму с центрированными основа­ниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. ГПУ решетку имеют магний, цинк, бериллий и другие металлы (рис. 3).

Кристаллические решетки
Рис. 3. Кристаллические решетки:
а) кубическая объемноцентрированная (ОЦК), б) кубическая гранецентрированная (ГЦК), в) гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

Плоскости, параллельные координатным плоскостям и находящиеся на расстоянии а, в, с, разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед на­зывают элементарной ячейкой. Вершины параллелепипеда называют уз­лами пространственного решетки. Размер элементарной ячейки оценива­ют отрезками а, b, c. Их называют периодами решетки. Дополнительными характеристиками кристаллической решетки являются координационное число и коэффициент компактности.

Координационное число К — число ближайших равноудаленных частиц (атомов) от любого атома в кристаллической решетке (для ОЦК — К8, для ГЦК — К12). Коэффициент компактности — отношение объема всех частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки (для ОЦК — 0,68, для ГЦК — 0,74).

Упорядоченность расположения атомов в кристаллической решетке позволяет четко выделить кристаллографические направления и плоскости (рис. 4). Кристаллографические направления — лучи, выходящие из ка­кой-нибудь точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы.

Основные кристаллографические направления и плоскости
Рис. 4. Основные кристаллографические направления и плоскости.

Точками отсчета могут служить вершины куба, при этом кристалло­графическими направлениями являются его ребра и диагонали грани.

Кристаллографические плоскости — плоскости, на которых лежат атомы, например, грани куба или его диагональной плоскости. Кристалло­графические направления и плоскости принято обозначать индексами Миллера. Для определения индекса какого-либо направления следует най­ти координаты ближайшего к точке отсчета атома, лежащего на этом на­правлении, выраженные через параметр решетки.

Пример. Координаты ближайшего атома вдоль оси ох выразятся через 100. Этими цифрами принято обозначать индекс направления вдоль оси ох и параллельных ему направлениях [100]. Индексы направлений вдоль оси оу и oz и параллельных им направлений выразятся соответственно через [010] и [001], а направления вдоль диагонали грани xoz, хоу, yoz и диаго­нали куба получат индексы соответственно [101], [110], [011], [111].

Для определения индекса кристаллографической плоскости следует вначале найти координаты ближайших точек ее пересечения с осями коор­динат, проведенными из точки отсчета 0. Затем обратные величины най­денных координат следует записать в обычной последовательности в круглых скобках. Использование понятий о кристаллографических на­правлениях и плоскостях и об их индексах позволяет описывать различные явления, происходящие в кристаллических телах, а также особенности свойств кристаллических тел вдоль различных направлений и плоскостей.

Физические и прочностные свойства металлов вдоль различных кристаллографических направлений зависят от числа атомов, расположенных на этих направлениях. В действительности в кристаллической решетке на различных направлениях находится разное число атомов. Например, в ку­бических решетках (рис. 4) вдоль диагонали куба ОЦК решетки [111] или диагонали грани решетки ГЦК [110], [101], [011] размещается больше атомов, чем по направлениям вдоль ребер кубов [100], [010], [001].

Из этого следует, что в кристаллических веществах должна наблю­даться анизотропия, т. е. неодинаковость свойств вдоль различных кристаллографических направлениях.

Анизотропия — это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая в результате упорядоченного расположения атомов в про­странстве. Анизотропия механических и других свойств наблюдается при испытании образцов, вырезанных вдоль различных кристаллографических направлений. Не всем свойствам кристаллических тел присуще явление анизотропии, так, например, теплоемкость, от направления не зависит.

Анизотропия проявляется только в пределах одного кристаллического зерна. Реальные металлы являются телами поликристаллическими, со­стоящими из огромного числа зерен, произвольно ориентированных друг к другу своими кристаллографическими направлениями и плоскостями.

В связи с этим, недостаток какого-либо свойства по одному из направ­лений приложения силы в одних зернах компенсируется избытком этого свойства по этому же направлению в других зернах. Поэтому реальные металлы являются изотропными телами, т. е. телами с примерно одинако­выми свойствами по всем направлениям.

Реальное строение металлов и дефекты кристаллических решеток.

Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты, которые подразделяются на то­чечные, линейные, поверхностные и объемные.

К самым простым точечным дефектам относятся вакансии, межузель­ные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения (рис. 5).

Точечные дефекты в кристаллической решётке
Рис 5. Точечные дефекты в кристаллической решётке:
а — вакансии; б — межузельный атом основного вещества; в — примесный атом внедрения

Вакансией называется пустой узел кристаллической решетки, т. е. ме­сто, где по той или иной причине отсутствуют атомы (рис. 5, а). Межу­зельный атом — атом, перемещенный из узла в позицию между узлами (рис. 5, б). Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах из-за тепловых колебаний атомов при любой температуре выше абсолютного нуля. Каждой температуре соответствует равновесная концентрация ва­кансий, а также межузельных атомов.

Вакансии являются самой важной разновидностью точечных дефек­тов, они ускоряют все процессы, связанные с перемещениями атомов (диффузия, спекание порошков и т. д. ).

Атомы внедрения — это атомы примесного элемента, находящиеся в междоузлиях кристаллической решетки (рис. 5, в).

Все виды точечных дефектов искажают кристаллическую решетку и в определенной мере влияют на физические свойства металла (электропро­водность, магнитные свойства и др.), а также на фазовые превращения в металлах и сплавах.

Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Важнейшие виды линей­ных несовершенств — краевые и винтовые дислокации. Образуются дисло­кации в результате локальных или местных смещений кристаллографиче­ских плоскостей, происходящих в кристаллической решетке зерен на раз­личных технологических этапах их формирования. Наиболее распростра­ненной является краевая дислокация (рис. 6). Она представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличи­ем атомной полуплоскости или экстраплоскости АВ.

Схема краевой дислокации в кристаллической решетке
Рис. 6. Схема краевой дислокации в кристаллической решетке.

Линию атомов нижней границы экстраплоскости принято называть дислокацией. Дислокацию обозначают знаком ┬ или ┴ (экстраплоскости в верхней или нижней части зерна — положительная или отрицательная). Различие между положительной или отрицательной дислокациями чисто условное. Вокруг дислокаций решетка упруго искажена. Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. Он получается, если обойти замкнутый контур в идеальном кристалле (рис. 7), переходя от узла к уз­лу, а затем этот же пуль повторить в реальном кристалле, заключив дисло­кацию внутрь контура. Отрезок АЕ, по модулю равный параметру решет­ки, принято считать вектором Бюргерса. Он перпендикулярен линии дислокации.

Схема определения вектора Бюргерса
Рис. 7. Схема определения вектора Бюргерса.

Дислокации возникают при кристаллизации, плотность их большая, поэтому они значительно влияют на свойства материалов, наряду с други­ми дефектами участвуют в фазовых превращениях. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов. Примесные атомы образуют во­круг дислокации зону повышенной концентрации — так называемую ат­мосферу Коттрела, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.

Поверхностные дефекты.

Наиболее важными являются большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников.

Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно (рис. 8) и граница между зернами представляет собой переходный слой шириной 1-5 нм. В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей. Границы между зернами называются большеугловыми, т.к. соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют узлы в десятки градусов (рис. 8, а).

Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен. Субзерно пред­ставляет собой часть кристалла относительно правильного строения, а его границы — стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные суб­зерна (рис. 8, б). Угол взаимной разориентации между соседними субзер­нами невелик (не более 5 %), поэтому такие границы называются малоуг­ловыми.

Схемы строения большеугловых и малоугловых границ
Рис. 8. Схемы строения большеугловых (а) и малоугловых (б) границ.

Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, огра­ниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный поря­док чередования атомных слоев.

Двойники. Двойникованием называют симметричную переориентацию областей кристаллической решетки. Решетка внутри двойниковой про­слойки является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла.

Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свой­ства материалов. Особенно большое значение имеют границы зерен. Предел текучести от связан с размером зерен зависимостью: σт = σ0 + кd-1/2, где σ0 и к — постоянные для данного материала. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения.

Объемные дефекты (пустоты, поры, трещины и включения) имеют значительные размеры во всех трех направлениях.

Строение сплавов.

Сплавы — важные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких элементов периодической системы, называемых ком­понентами. Сплав считается металлическим, если его основу (свыше 50 % по массе) составляют металлические компоненты. Металлические сплавы обладают более высокими прочностными и другими механическими свой­ствами по сравнению с чистыми металлами.

В зависимости от природы сплавляемых компонентов сплавы, взаимо­действуя друг с другом, могут образовать различные по строению и свой­ствам продукты. Характер взаимодействия компонентов при сплавлении зависит от их положения в таблице Д. И. Менделеева, особенностей строе­ния электронных оболочек их атомов, типов и параметров их кристалличе­ских решеток, соотношения температур их плавления, атомных диаметров и других факторов.

Компоненты при сплавлении могут образовывать смеси зерен с пре­небрежимо ничтожной взаимной растворимостью, неограниченно или час­тично растворяться друг в друге, а также образовывать химические соеди­нения.

Смесь образуется при взаимодействии компонентов, не способных к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступающих в химиче­скую реакцию с образованием соединения (рис. 9). В этих условиях сплав состоит из чистых зерен обоих компонентов, сохраняющих прису­щие им типы кристаллических решеток и прочностные свойства. Механи­ческие свойства таких сплавов зависят от количественного соотношения компонентов, от размеров и формы зерен и соединения их границ.

Микроструктура смеси
Рис. 9. Микроструктура смеси (схема).

Химическое соединение представляет собой зерна со специфической кристаллической решеткой, отличной от решеток обоих компонентов. При образовании химического соединения соотношение чисел атомов элемен­тов соответствует стехиометрической пропорции, что выражается форму­лой АnВт связь между атомами в них сильнее и жестче металлической. Поэтому они являются очень твердыми и хрупкими веществами.

Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления, скачкообразным изменением свойств при изменении состава. Если химическое соединение образуется только металлическими элемен­тами, то в узлах решеток располагаются положительно заряженные ионы, удерживаемые электронным газом — возникает металлическая связь.

При образовании химического соединения металла с неметаллом воз­никает ионная связь. В результате взаимодействия элементов в этом случае атом металла отдает электроны (валентные) и становится положительным ионом, а атом металлоида принимает электроны на свою внешнюю оболоч­ку и становится отрицательным ионом. В решетке химического соединения такого типа элементы удерживаются электростатическим притяжением.

Если образующиеся в сплавах химические соединения оказываются стойкими веществами, не диссоциирующими при нагреве вплоть до темпе­ратуры плавления, то их принято рассматривать в качестве самостоятель­ных компонентов, способных образовывать сплавы с компонентами сплава.

Твердый раствор образуется при растворении компонентов друг в дру­ге, является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку и существует в интервале концентраций. Обо­значаются твердые растворы буквами латинского алфавита: α, β, γ и т. д.

При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из компонентов. В этом случае компонент называется растворителем.

Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние разме­ры элементарной ячейки растворителя. Если атомы растворенного компо­нента В замещают в узлах решетки атомы компонента-растворителя А, то образующийся раствор называется твердым раствором замещения. Твер­дые растворы замещения могут: быть ограниченные и неограниченные. Не­ограниченные твердые растворы образуются, если компоненты имеют одинаковую кристаллическую решетку и одинаковый атомный радиус. Ограниченные твердые растворы образуются, если компоненты имеют одинаковую кристаллическую решетку, а атомные радиусы разнятся.

При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного вещества С располагаются между атомами А в кристаллической решетке растворителя. Следовательно, диаметр атома С должен быть невелик, а внутри решетки металла А должно быть достаточное пространство для атома С (рис. 10). Искажения решетки при образовании твердых раство­ров внедрения больше, чем при образовании твердых растворов замеще­ния, поэтому у них более резко изменяются свойства.

Кристаллическая решетка ОЦК
Рис. 10. Кристаллическая решетка ОЦК: а — неограниченный твердый раствор замещения; б — ограниченный твердый раствор замещения; в — твердый раствор внедрения

Образование твердых растворов сопровождается увеличением твердо­сти и прочности, уменьшением температурного коэффициента электриче­ского сопротивления, пластичности (исключение составляют твердые рас­творы на основе меди) по сравнению с чистыми металлами.

В сплавах, содержащих более двух элементов, возможно растворение в одном и том же растворителе и путем замещения, и путем внедрения. Например, при сплавлении железа с марганцем и углеродом получается твердый раствор, в котором марганец растворяется путем замещения, а уг­лерод — путем внедрения.

Стали и их свариваемость.

Углеродистые стали.

Стали подразделяются на углеродистые и легированные. По на­значению различают стали конструкционные с содержанием углерода в сотых долях процента и инструментальные с содержанием углерода в десятых долях процента. Наибольший объем сварочных работ связан с использованием низкоуглеродистых и низколегированных конструк­ционных сталей.

Основным элементом в углеродистых конструкционных сталях является углерод, который определяет механические свойства сталей этой группы. Углеродистые стали выплавляют обыкновенного качест­ва и качественные.

Стали углеродистые обыкновенного качества подразделяются на три группы:

группа А — по механическим свойствам;

группа Б — по химическому составу;

группа В — по механическим свойствам и химическому составу.

Изготавливают стали следующих марок:

группа А — Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4, Ст 5, Ст 6;

группа Б — БСт 0, БСт 1, БСт 2, БСт 3, БСт 4, БСт 5, БСт 6;

группа В — ВСт 0, ВСт 1, ВСт 2, ВСт 3, ВСт 4, ВСт 5.

По степени раскисления сталь обыкновенного качества имеет сле­дующее обозначение: кп — кипящая, пс — полуспокойная, сп — спо­койная. Кипящая сталь, содержащая кремния (Si) не более 0,07 %, получается при неполном раскислении металла марганцем. Сталь ха­рактеризуется резко выраженной неравномерностью распределения вредных примесей (серы и фосфора) по толщине проката. Местная повышенная концентрация серы может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне. Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах.

Спокойная сталь получается при раскислении марганцем, алю­минием и кремнием и содержит кремния (Si) не менее 0,12 %; сера и фосфор распределены в ней более равномерно, чем в кипящей стали. Эта сталь менее склонна к старению и отличается меньшей реакцией на сварочный нагрев.

Полуспокойная сталь по склонности к старению занимает проме­жуточное место между кипящей и спокойной сталью. Полуспокойные стали с номерами марок 1-5 выплавляют с нормальным и повышен­ным содержанием марганца, примерно до 1%. В последнем случае после номера марки ставят букву Г (например, БСтЗГпс).

Стали группы А не применяются для изготовления сварных конс­трукций. Стали группы Б делятся на две категории. Для сталей первой категории регламентировано содержание углерода, кремния марганца и ограничено максимальное содержание серы, фосфора, азота и мы­шьяка; для сталей второй категории ограничено также максимальное содержание хрома, никеля и меди.

Стали группы В делятся на шесть категорий. Полное обозначение стали включает марку, степень раскисления и номер категории. Например, ВСтЗГпс5 обозначает следующее: сталь группы В, марка СтЗГ, полуспокойная, 5-й категории. Состав сталей группы В такой же, как сталей соответствующих марок группы Б, 2-й категории. Стали ВСт1, ВСт2, ВСтЗ всех категорий и степени раскисления выпускают с гарантированной свариваемостью. Стали БСт1, БСт2, БСтЗ постав­ляют с гарантией свариваемости по требованию заказчика.

Углеродистую качественную сталь выпускают в соответствии с су­ществующими стандартами. Сталь имеет пониженное содержание серы. Допустимое отклонение по углероду (0,03—0,04 %). Стали с со­держанием углерода до 0,20 % включительно могут быть кипящими (кп), полуспокойными (пс) и спокойными (сп). Остальные стали — только спокойные. Для последующих спокойных сталей после цифр буквы «сп» не ставят. Углеродистые качественные стали для изготовле­ния конструкций применяют в горячекатаном состоянии и в меньшем объеме после нормализации и закалки с отпуском.

Углеродистые стали в соответствии с существующими стандартами подразделяются на три подкласса: низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,25 %; среднеуглеродистые с содержанием углерода (0,25—0,60 %) и высокоуглеродистые с содержанием углерода более 0,60 %.

В сварных конструкциях в основном применяют низкоуглеродис­тые стали.

В сварочном производстве очень важным является понятие о сва­риваемости различных металлов.

Свариваемостью называется способность металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соедине­ния, отвечающие требованиям, обусловленным конструкцией и эк­сплуатацией изделия.

По свариваемости углеродистые стали условно подразделяются на четыре группы: I — хорошо сваривающиеся, с содержанием угле­рода до 0,25 %; II — удовлетворительно сваривающиеся, с содержани­ем углерода от 0,25 до 0,35 %, т. е. для получения качественных свар­ных соединений деталей из этих сталей необходимо строгое соблюде­ние режимов сварки, специальные присадочные материалы, опреде­ленные температурные условия, а в некоторых случаях — подогрев, термообработка; III — ограниченно сваривающиеся, с содержанием углерода от 0,35 до 0,45 %, для получения качественных сварных со­единений которых дополнительно необходим подогрев, предвари­тельная или последующая термообработка; IV — плохо сваривающи­еся, с содержанием углерода свыше 0,45 %, т. е. сварные швы склон­ны к образованию трещин, свойства сварных соединений понижен­ные, стали этой группы обычно не применяют для изготовления сварных конструкций.

Все низкоуглеродистые стали хорошо свариваются существующи­ми способами сварки плавлением. Обеспечение равнопрочности сварного соединения не вызывает затруднений. Швы имеют удовлетвори­тельную стойкость против образования кристаллизационных трещин. Это обусловлено низким содержанием углерода. Однако в сталях, со­держащих углерод по верхнему пределу, вероятность возникновения холодных трещин повышается, особенно с ростом скорости охлажде­ния (повышение толщины металла, сварка при отрицательных темпе­ратурах, сварка швами малого сечения и др.). В этих условиях пре­дупреждают появление трещин путем предварительного подогрева до 120-200 °С.

Легированные стали.

Сталь, содержащая один или несколько легирующих элементов, вводимых для придания изделию определенных физико-механичес­ких свойств, называется легированной. Содержание некоторых элемен­тов, когда они не являются легирующими, не должно превышать: кремния (Si) — 0,5 %; марганца (Мп) — 0,8%; хрома (Сг) 0,3 %; никеля (Ni) — 0,3 %; меди (Cu) — 0,3 %.

Легированные стали подразделяют на подклассы: низко-, средне- и высоколегированные. Низколегированная сталь — это сталь, легиро­ванная одним элементом при содержании его не более 2 % (по верхне­му пределу) или несколькими элементами при суммарном их содержании 3,5 % (по верхнему пределу). Среднелегированная сталь — легирован­ная одним элементом, при содержании его не более 8 % (по верхнему пределу) или несколькими элементами при суммарном их содержа­нии, как правило, не более 12 % (по верхнему пределу).

Высоколегированная — это сталь с суммарным содержанием легирую­щих элементов не менее 10 % (по верхнему пределу), при содержании одного из них не менее 8 % (по нижнему пределу), при содержании железа более 45 %.

Маркировка всех легированных конструкционных сталей одно­типная. Первые две цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента, буквы являются условным обозначением легирующих элементов, цифра после буквы обозначает содержание легирующего элемента в процентах, причем содержание, равное 1 % и меньше, не ставится, буква «А» в конце марки показывает, что сталь высококачественная и имеет пониженное содержание серы и фосфора.

Условное обозначение элементов химического состава в основном металле и электродной проволоке

Условное обозначение элементов химического состава в основном металле и электродной проволоке

Основными элементами, влияющими на свойства стали, являются углерод, марганец и кремний.

Углерод при повышении его содержания в стали ведет к повыше­нию прочности и твердости и уменьшению пластичности. Окисление углерода во время сварки вызывает появление большого количества газовых пор.

Марганец повышает ударную вязкость и хладноломкость стали, являясь хорошим раскислителем; способствует уменьшению содержа­ния кислорода в стали. При содержании марганца в стали более 1,5 % свариваемость ухудшается, так как увеличивается твердость стали, об­разуются закалочные структуры и могут появиться трещины.

Кремний вводится в сталь как раскислитель. При содержании кремния более 1 % свариваемость стали ухудшается, так как возника­ют тугоплавкие окислы, что ведет к появлению шлаковых включений. Сварной шов становится хрупким.

Хром при значительном содержании в стали снижает ее сваривае­мость вследствие образования тугоплавких окислов и закалочных структур.

Никель повышает прочность и пластичность шва и не ухудшает свариваемость.

Алюминий — активный раскислитель стали, повышает окалиностойкость.

Вольфрам повышает прочность и твердость при повышенных тем­пературах, ухудшает свариваемость, сильно окисляется.

Ванадий затрудняет сварку, сильно окисляется, требует введения в зону плавления активных раскислителей.

Медь улучшает свариваемость, повышая прочность, ударную вяз­кость и коррозионную стойкость сталей.

Сера приводит к образованию горячих трещин.

Фосфор вызывает при сварке появление холодных трещин.

Как правило, повышение уровня легирования и прочности стали приводит к ухудшению ее свариваемости. Первостепенная роль по вли­янию на свойства сталей принадлежит углероду. Доля влияния каждого легирующего элемента может быть отнесена к доле влияния углерода. На этом основании о свариваемости легированных сталей можно судить по коэффициенту эквивалентности по углероду для различ­ных элементов.

Образование холодных трещин уменьшают путем выбора рацио­нального способа и технологии сварки, предварительного подогрева, снижения содержания водорода в сварном соединении, применения отпуска после сварки.

Элементами, обусловливающими возникновение горячих трещин, являются прежде всего сера, затем углерод, фосфор, кремний и др. Элементами, повышающими стойкость швов против трещин и ней­трализующими действие серы, являются марганец, кислород, титан, хром, ванадий.

Предупреждение образования горячих трещин может быть достиг­нуто путем уменьшения количества и сосредоточения швов, выбора оптимальной формы разделки кромок, устранения излишней жест­кости закреплений, предварительного подогрева, применения элект­родного металла с более низким содержанием углерода и кремния.

Низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами сварки плавлением. Получение при сварке равнопрочного сварного соединения, особенно термоупроченных сталей, вызывает некоторые трудности и требует определенных технологических приемов. В зонах, удаленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. При наложении последующих слоев эти зоны становятся участками деформационного старения, приводяще­го к снижению пластических и повышению прочностных свойств металла и соответственно к возможному появлению холодных тре­щин. В сталях, содержащих углерод по верхнему пределу и повышен­ное количество марганца и хрома, вероятность образования холод­ных трещин увеличивается (особенно с ростом скорости охлажде­ния). Предварительный подогрев и последующая термообработка позволяют снимать остаточные сварочные напряжения и получать необходимые механические свойства сварных соединений из низко­легированных сталей.

По разрезаемости легированные стали делятся на аналогичные четыре группы с соответствующим значением показателя эквивалента углерода.

Алмазы

Алмаз как инструментальный мате­риал получил в последние годы широкое применение в машиностроении.

В настоящее время выпускается боль­шое количество разнообразного инструмента с использованием алмазов: шли­фовальные круги, инструменты для прав­ки шлифовальных кругов из электро­корунда и карбида кремния, пасты и порошки для доводочных и притирочных операций. Значительные по размерам кристаллы алмазов применяются для изготовления алмазных резцов, фрез, сверл и других режущих инструментов. Область применения алмазного инстру­мента с каждым годом все более расши­ряется.

Алмаз представляет собой одну из мо­дификаций углерода кристаллического строения. Алмаз — самый твердый из всех известных в природе минералов. Твердость алмаза выше твердости кар­бида бора в 2,3 раза, карбида кремния — в 3 раза. Высокая твердость алмаза объясняется своеобразием его кристаллического строения, прочностью связей атомов углерода в кристаллической ре­шетке, расположенных на равных и очень малых расстояниях друг от друга. Однако прочность алмаза невелика и он легко раскалывается по плоскостям спайкости. Поэтому алмаз используется для обработ­ки при относительно малых нагрузках.

Коэффициент теплопроводности алма­за в два и более раза выше, чем у спла­ва ВК8, поэтому тепло от зоны резания отводится сравнительно быстро. Алмаз имеет весьма низкий коэффи­циент линейного расширения и высокий модуль упругости. Следовательно, ин­струменты с кристаллами алмаза имеют малые деформации. В результате можно получать детали высокой точности и поддерживать эту точность в течение длительного времени. Теплостойкость алмаза характеризуется тем, что при температуре около 800° С в обычных условиях он начинает превращаться в графит.

Вместе с тем алмаз обладает наи­более высокой абразивной способнос­тью по сравнению с другими абразив­ными материалами. Так, при заточке и доводке твердого сплава расход алмаза в 100—400 раз меньше, чем при обработ­ке карбидом кремния.

Природный алмаз условно обознача­ется А, а синтетические алмазы — АС.

В природе чаще всего встречаются агрегатные разновидности алмаза: борт, карбонадо и баллас. Находки крупных алмазных кристаллов редки. К борту относятся все зернистые и неправиль­ные сростки кристаллов алмазов, час­то без признаков граней и ребер.

К карбонадо относятся весьма тон­козернистые, плотные или несколько пористые агрегаты буровато-черного цвета. Черная окраска карбонадо обус­ловлена наличием в алмазе высокодис­персного графита. Шлифовальные по­рошки из природных алмазов выпуска­ются одной марки — А.

Возросшие потребности в алмазном инструменте не могут быть полностью удовлетворены за счет природных алма­зов. В настоящее время освоено про­мышленное производство синтетических алмазов из графита при больших дав­лениях и высоких температурах. Синтетические алмазы могут быть раз­личных марок, которые отличаются меж­ду собой по прочности, хрупкости, удельной поверхности и форме зерен.

В порядке возрастания прочности, снижения хрупкости и удельной поверх­ности микропорошки марок АН и АСН, имеющие повышенную абразивную спо­собность, рекомендуются для обработ­ки сверхтвердых, хрупких труднообра­батываемых материалов.

Зернистость алмазных шлифоваль­ных порошков, контролируемая сито­вым методом, колеблется от 630 до 40 мкм, а зернистость микропорошков, определяемая под микроскопом, колеб­лется от 60 до 0 мкм.

Марки шлифовальных порошков из синтетических алмазов располагают­ся так: АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС. Зерна АСО с повышенной хрупкостью и развитой поверхностью хорошо удер­живаются в связке и самозатачиваются в процессе работы. Они рекомендуются для изготовления инструментов на ор­ганической связке, а также для паст и порошков. Зерна АСР предназначены в основном для изготовления различ­ного инструмента на металлической и керамической связках.

Зерна АСВ имеют более гладкую по­верхность по сравнению с зернами АСО и АСР и рекомендуются для изготовле­ния инструмента на металлических связ­ках, работающего при повышенных уде­льных давлениях. Зерна АСК рекоменду­ются для изготовления инструмента на твердых металлических связках, при­меняемого для обработки природного камня и других твердых материалов.

Зерна АСС, имеющие наибольшую проч­ность, предназначены для правки абразив­ных кругов, резки и обработки корунда, ру­бина и других особо твердых материалов.

Микропорошки из природных алма­зов имеют марки AM и АН, а из синтетических АСМ и АСН.

Микропорошки марок AM и АСМ нормальной абразивной способности предназначены для изготовления абра­зивного инструмента, которым обраба­тывают твердые сплавы и другие твердые и хрупкие материалы, а также детали из стали, чугуна, цветных металлов при необходимости получения высокой чистоты поверхности.

Зернистость порошков обозначается дробью, числитель которой соответст­вует наибольшему, а знаменатель — наи­меньшему размеру зерен. Она опреде­ляется размерами сторон ячеек двух контрольных сит, через одно из которых зерна должны проходить, на другом — задерживаться. Поэтому фактически в обозначении зернистости порошка чис­литель и знаменатель указывают не на наибольший и наименьший размеры зер­на, а на размеры ячеек сит.

В последние годы все более широкое развитие получают работы, связанные с синтезом крупных алмазных монокрис­таллов и поликристаллов. Промышленность успешно освоила производство балласов АСБ и карбонадо АСПК. Раз­меры выпускаемых алмазов АСБ дос­тигают по диаметру 5—7 мм, а АСПК — до 5 мм, что позволяет использовать их для изготовления резцов, фрез и дру­гих лезвийных инструментов.

Наряду с совершенствованием спо­собов получения синтетических алмазов ведутся исследования по разработке дру­гих искусственных сверхтвердых материалов. Одним из таких материалов яв­ляется кубический нитрид бора (КНБ) — эльбор или боразон, который имеет кристаллическую решетку, аналогичную решетке алмаза, и состоит из двух эле­ментов — бора и азота. Синтезируется боразон в виде кристаллов размером до 600 мкм. Он не имеет природного двой­ника.

Боразон имеет твердость, близкую к твердости алмаза, такую же прочность и большую теплостойкость и не теряет режущих свойств при нагреве до 1500— 1600° С. Он рекомендуется для изготов­ления абразивных инструментов, предназначенных для шлифования трудно­обрабатываемых сталей, особенно быст­рорежущих сталей нормальной и по­вышенной производительности.

Минералокерамические материалы

Сравнительно недавно для изготовле­ния режущих инструментов стали применять минералокерамические материа­лы. Наиболее широкое распространение получил минералокерамический матери­ал марки ЦМ-332, состоящий в основном из окиси алюминия А12О3 с небольшой добавкой (0,5—1,0%) окиси магния MgO. Окись магния препятствует росту крис­таллов во время спекания и является хорошим связующим средством.

Минералокерамические материалы из­готовляются в форме пластинок и присоединяются к корпусам инструментов механическим путем, приклеиванием или припаиванием.

Минералокерамические материалы бо­лее дешевые, чем твердые сплавы, так как в их состав не входят дефицитные и дорогие элементы кобальт, вольфрам и др. Минералокерамика ЦМ-332 обладает высокой твердостью, ее красностойкость достигает 1200° С. Однако она отлича­ется низкой прочностью при изгибе (350—400 мн/м2) и большой хрупкостью, что приводит к частым выкрашиваниям и поломкам пластинок при работе.

Существенным недостатком минерало­керамики является ее крайне низкое сопротивление циклическому изменению температуры. Вследствие этого даже при небольшом числе перерывов в работе на контактных поверхностях инструмен­та появляются микротрещины, которые приводят к его разрушению даже при небольших усилиях резания. Это обсто­ятельство ограничивает практическое применение минералокерамического ин­струмента.

Минералокерамика успешно может применяться для чистового обтачивания чугуна, сталей, неметаллических мате­риалов и цветных металлов с большими скоростями и ограниченным числом пе­рерывов в работе. Имеются примеры удачного применения минералокерами­ки также и на обдирочных операциях.

Минералокерамические инструменты целесообразно применять только на стан­ках повышенной жесткости, характери­зующихся безвибрационной работой. С целью улучшения свойств минерало­керамики проводятся работы по созда­нию керметов, состоящих из минералоке­рамики и металлических добавок в виде карбидов вольфрама, молибдена и др.