Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. Справочник

Подождите немного. Документ загружается.

а-Марганец — хрупкий, у — марганец—пластичный, и при испыта-

нии

на ударный изгиб его образцы, не разрушаясь, проходят

между

опо-

рами копра.

Одна из причин хрупкости марганца

всех

марок при 20 °С — загряз-

ненность

примесями. Даже в наиболее чистом

(99,85%)

электролитиче-

ском

марганце допускается до 0,03 % S, 0,04 % С, 0,01 % Р.

При

наличии в электролите соединений серы, селена и

теллура

осаждается а-Мп, а при отсутствии таких соединений в марганецам-

монийных

электролитах высокой чистоты осаждается только у-модифи

кация

[1].

Свежеосажденный электролитический у-Мп — пластичный и мягкий

металл; он легко поддается резке, изгибу и прокатке в листы при 20 "С.

Однако при выдержке более 8 сут он становится менее пластичным, по-

является а-фаза: после 22 сут у-фаза полностью исчезает и металл ста-

новится

хрупким [1].

Очистка марганца от серы и

других

примесей

улучшает

его плас-

тичность при 20 °С, а хранение в нейтральной среде — увеличивает дли-

тельность выдержки сверх достигнутых 20 дней без потери пластич-

ности.

Для приготовления сплавов с высоким содержанием марганца необ-

ходимо применять электролитический марганец после предварительной

переплавки его с криолитом для очистки от неметаллических примесей,

Пластичный

марганец можно получить закалкой с 1350 °С его спла-

ва с небольшим количеством меди (3 %).

ТЕХНЕЦИЙ

Атомный

номер

технеция

43,

атомная

масса 98,913,

атомный

радиус

0,1358 нм.

Технеций

—

искусственно

полученный

радиоактивный

эле-

мент.

Все

изотопы

нестабильны;

наиболее

долгоживущий

— 99-й имеет

период

полураспада 212-10

лет.

Электронное

строение

[Kr]4d

Элек-

троотрицательность

1,4.

Потенциал

ионизации

7,276 эВ.

Кристалличе-

ская

решетка

— п. г. с

параметрами:

а=0,2735 нм, с = 0,4391, с/а= 1,60.

Плотность

11,387 т/м

. г

л = 214О°С, t

= 4700 °С.

Технеций

растворяется

серной

кислоте,

перекиси

водорода,

бром-

ной

воде, в

смеси

соляной

кислоты

перекиси

водорода: легко

окис-

ляется

азотной

кислотой.

Известны

соединения

технеция

кислородом,

серой,

галоидами,

фосфором,

азотом,

углеродом.

Непрерывные

ряды

твердых

растворов образует

технеций

с рутением,

осмием,

рением,

леги-

рование

нержавеющей стали технецием улучшает ее

коррозионную

стой-

кость.

Литой

металл чистотой 99,92 % при 20

С хрупок: он

растрески-

вается

при

незначительных

обжатиях холодной

прокатки.

После

выдавли-

вания

и вакуумного отжига при 1300 °С

технеций

выдерживает холод-

ную

прокатку

обжатиями

15—20 % за проход и

волочение

с обжати-

ем

10 % за проход. Из

технеция

можно

изготовлять

прутки,

проволоку,

ленту

и фольгу.

Упрочнение

при

деформировании

технеция

намного

больше,

чем

платины,

но

ниже,

чем

рения.

Ниже

приведено

влияние

температуры отжига (2 ч) на свойства

продольных

(числитель) и

поперечных

(знаменатель)

образцов

техне-

ция

при 20 °С [38]:

'отж-

°в-

МПа

ст

о,2'

МПа

°пц-

МПа 6

- 1490/598 1392/440 1343/392 13/29 16/36

250 1470/530 1353/392 1305/353 10/15 9/24

1000 735/608 216/343 196 295 57/85 37 55

2000 460/265 176/69 147/59 26/50 /в/

141

Горячую обработку технеция давлением

следует

проводить в ва-

кууме

или в инертной атмосфере.

РЕНИИ

Атомный номер рения 75, атомная масса

186,207,

атомный радиус

0,137 нм. Известно 10 изотопов, стабильный 185-й. Электронное строе-

ние

[Xe]4/

Электроотрицательность 1,5. Потенциал ионизации-

7,87 эВ. Кристаллическая решетка — п. г. с параметрами а=0,276 нм,.

с=0,446 нм, с/а= 1,62. Плотность рения 21 т/м

. г

дл

3190°С,

5630

"С.

На

воздухе

при температуре выше 300 °С рений окисляется с обра-

зованием оксида Re

, при повышении температуры окисление усили-

вается; оксид плавится при 296 °С, кипит при 363 °С [1]. Примесь кис-

лорода наиболее опасна для прочности и пластичности рения.

Рений

взаимодействует со фтором и хлором при

700—800

°С; рас-

творяется в азотной кислоте и в горячей серной кислоте. Медленно реа-

гирует

с растворами щелочей, быстро — с их расплавами.

Для рения характерно уникальное сочетание физико-механических

свойств: высокая прочность, жесткость (высокий Е), пластичность, ис-

ключительная

упругость,

тугоплавкость, коррозионная стойкость и вы-

сокая

эмиссионная способность.

Механические свойства рения зависят от наличия примесей, техно-

логии изготовления (табл. 60) и степени деформации.

ТАБЛИЦА 60. ВЛИЯНИЕ

ПРИМЕСЕЙ

НА СВОЙСТВА

РЕНИЯ

ПРИ

20°С

[1]

Рений

Спеченный

. . . . , .

Дуговой плавки ...

Монокристаллический

. . .

,07

,01

,001

Примеси,

0,008

0,001

0,0001

,006

,002

,0001

МПа

ИЗО

735

412

б, %

Ниже

показано влияние степени деформации е на свойства листов

рения

различной толщины d при 20 °С [1]:

d, мм

0,257

0,224

0,193

0,178

e.%

МПа

1160

1720

2110

2210

МПа

922

1690

2050

2140

б. %

M>.

Влияние примесей при 20 °С и температуры испытания на механи-

ческие свойства рения показано в табл. 61—63.

Ниже

приведено влияние температуры испытания на твердость

рения:

<иоп.

"С • • —194 20 400 600 800 1000 1200

НВ

. . . . 400 274 210 208 204 144 134

Критическая

температура хрупкости рения ниже комнатной [1].

142

ТАБЛИЦА

61.

ВЛИЯНИЕ ГАЗОВЫХ ПРИМЕСЕЙ

ПРИ 20 °С НА

СВОЙСТВА РЕНИЯ

II]

Содержание примесей, %

• 10

120

180

200

220

НВ лито-

го рения

148

187

191

249

260

272

Рений,

отожженный при

1750—1800

"С

после е=40

НВ

100

131

182

187

235

255

272

<т

МПа

412

519

647

712

814

843

6,%

—.

Механические свойства монокристаллов рения существенно зависят

от ориентировки. Благоприятно ориентированные монокристаллы элек-

тронно-лучевой зонной плавки рения чистотой

99,94

% (ат.) имеют при

20 и 1000 "С 6 = 300 %, а при — 269 °С б

==50

% [1]-

ТАБЛИЦА

62.

ВЛИЯНИЕ ВОЛЬФРАМА. МОЛИБДЕНА

ЖЕЛЕЗА

НА

СВОЙСТВА РЕНИЯ*

ПРИ 20 "С [1]

Солевжание

примеси,

0.02W

0.05W

0.10W

О.ОШо

0.048МО

0,1Мо

0,02Fe

0,06Fe

0,10Fe

Литой рений

НВ

при

е=0

200

202

211

220

215

224

229

195

202

209

НВ

при

е=40

590

628

681

707

621

675

691

585

601

663

Рений,

отожженный при

1750—-1800

°С

после

6=40

НВ

200

198

207

219

215

229

195

202

207

, МПа

657

667

707

657

696

657

677

707

в.

•

Содержание газов

во

всех образцах:

0,013—0,015

% О, 0,006 % Н в

0,0004

% N.

Микротвердость различных плоскостей монокристаллов рения высо-

кой

чистоты отличается в два раза. У монокристаллов_с /-=1500 она в

среднем равна, МПа: для плоскостей

(0001)

4638;

(1011)

2550;

(1010)

2167;

(1122)

2471;

(1210)

2060

[1]. ,

повышением чистоты микротвердость уменьшается, особенно на

143

ТАБЛИЦА 63. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СВОЙСТВА ПРОВОЛОКИ

ИЗ

РЕНИЯ

ДИАМЕТРОМ

1,3-1.6

мм [1]

500

1000

1500

2000

2300

Отожженная проволока

, МПа

1170

784

588

265

137

в,

1-2

1—2

Ф.%

2—3

Проволока

после обжа-

тия

9 %

, МПа

1490

1049

677

255

152

—

б, %

2—3

—

Ф.

—

Проволока

после обжа-

тия

15 %

МПа

2324

1196

853

275

—

6.%

—

Ф.%

—

плоскости (0001), что

свидетельствует

о преимущественном распределе-

нии

примесей по базисным плоскостям:

1000

1500

3000

5000

*•

(0001)

4932

4638

4462

3795

Mna

2275

2167

2098

2040

Р(0001)

(1010)

2,17

2,14

2,12

1,86

Наибольшую опасность для прочности н пластичности рения пред-

ставляет кислород, присутствующий по границам зерен в виде легко-

плавких соединений. После закалки с

3000

°С слитков рения

дугового

переплава пластичность увеличивается, что позволяет деформировать их

с обжатием 40 % без образования трещин. Увеличение пластичности

после закалки связано с повышением растворимости в рении примесей

внедрения.

Рений,

содержащий

0,022

% кислорода, разрушается по границам

зерен при холодной прокатке с обжатием 25 %,

тогда

как поликристал-

лический рений с

0,002

% кислорода в аналогичных условиях выдержи-

вает обжатие 70 % без разрушения [1]. Малые добавки редкоземельных

металлов

улучшают

пластичность литого рения, содержащего 0,015 %

кислорода. Введение 0,01 % лантана и некоторых РЗМ увеличивает сте-

пень

обжатия при осаживании до 70 % по сравнению с

45—50

% для

исходного рения. Увеличение содержания лантана до 0,02 % приводит

снижению пластичности и обрабатываемости из-за появления по гра-

ницам

зерен рения второй фазы, богатой РЗМ.

Введение в рений 1 % циркония позволяет повысить величину об-

жатия при холодной прокатке в два раза [1].

При

20 °С рений обладает хорошей пластичностью, позволяющей

прокатывать, ковать и подвергать его волочению. Из него можно изго-

товлять фольгу толщиной

0,025

мм и проволоку диаметром

0,008

мм.

При

деформировании он упрочняется более интенсивно, чем

другие

ме-

таллы: в 3,5 раза больше, чем вольфрам и молибден.

При

горячей обработке рения на

воздухе

наблюдается краснолом-

кость вследствие окисления и образования по границам зерен легко-

плавкой

фазы, содержащей Re

O7- Прокатка рения на

воздухе

при

1000 °С приводит к образованию глубоких трещин.

144

Ранее

считали [I], что даже исключительно чистый рений

нельзя

обрабатывать в горячем состоянии ни на

воздухе,

ни в вакууме, ни в

пакетах, однако Е. М. Савицкий и др. [1] успешно прокатали при

1350°С

рений в вакууме

5-10~

Па или в защитных стальных оболоч-

ках. Деформация в вакууме полностью исключает появление красно-

ломкости и обеспечивает получение высококачественного проката.

Приведенные выше данные показывают, что и металлы с п. г. ре-

шеткой — технеций и рений — обладают достаточной пластичностью,

позволяющей обрабатывать их до фольги.

Низкая

пластичность а-Мп объясняется его сложной структурой,

а также наличием значительного количества примесей и прежде всего

серы. Успехи, достигнутые при изменении состава электролита или при

небольшом легировании, позволяют надеяться на возможность получе-

ния

интересных результатов при продолжении таких работ с целью

улучшения пластичности марганца при 20 °С. Целесообразно также ис-

следовать при этой температуре охрупчивание чистейшего марганца.

====

24.

МЕТАЛЛЫ

СЕМЕЙСТВА

ЖЕЛЕЗА

Железо,

кобальт

никель

в атмосфере

сухого

воздуха

при температу-

рах до

150—250

°С покрываются защитной оксидной пленкой; при даль-

нейшем

нагревании взаимодействуют с кислородом, серой, фосфором,

углеродом. Коррозионная стойкость этих металлов существенно

улучша-

ется после очистки от примесей. Эти металлы, особенно железо, ферро-

магнитны;

высокими магнитными свойствами обладают металлиды ко-

бальта.

Чистые железо и никель обладают высокой пластичностью при всех

температурах; они не имеют зон хрупкости. Последние вызываются при-

месями.

Особенно неблагоприятное влияние оказывает сера: тысячная

доля процента ее приводит к межкристаллитной хрупкости, а в случае

крупнокристаллической структуры влияют даже десятитысячные доли

процента серы.

Вредное действие серы устраняют, вводя малые добавки элементов,

способных образовывать тугоплавкие или летучие сульфиды.

Существенное влияние на никель и железо оказывает окружающая

атмосфера, которая может привести к межкристаллитному охрупчива-

нию

даже при низких температурах. Изложенное в полной мере отно-

сится и к кобальту. Испытания показали, что его пластичность сущест-

ненно

улучшается при очистке от примесей, однако пока еще

уступает

пластичности железа и никеля. Причина этого — в десятки раз меньшее

число исследований кобальта по сравнению с другими металлами этой

группы. Дальнейшие работы по очистке кобальта и испытания в очи-

щенной

атмосфере несомненно

будут

способствовать повышению его

пластичности.

ЖЕЛЕЗО

Атомный номер железа 26, атомная масса

55,847,

атомный радиус

",126 нм. Известно 9 изотопов, из них 4 стабильны. Электронное стро-

ение

[Ar]3d

Электроотрицательность 1,2. Потенциал ионизации

7,90 эВ. Кристаллическая решетка: до 910 °С — о. ц. к. с параметром

145

0,2866

нм, до

1393°С

— г. ц. к. с

параметром а=0,3637

нм;

выше

1393

°С — о. ц. к. с

параметром а=0,2925

нм.

Плотность

7,86 т/м

. /

пл

1530°С,

<„пп

2872°С.

Упругие свойства:

£=220

ГПа,

G=85

ГПа.

Железо пластично; примеси кислорода, серы, фосфора, азота,

уг-

лерода, водорода, олова, сурьмы, теллура понижают пластичность.

Же-

лезо, содержащее

не

более

0,01 %

примесей,

из них не

более

0,001 %

азота, углерода

менее

0,001 %

серы, обладает

при 20 °С о

235 МПа,

= 54 % при 0,01 %

серы

275 МПа,

а 6 = 42 % [1].

Свойства железа различных сортов

при 20 °С

приведены ниже:

Сорт

железа:

чистейшее

....

электролитическое ,

карбонильное . . ,

техническое

. . .

МПа

284

176-245

196—275

176—314

°О,2'

МПа

176

98—140

84—168

89—245

б,

•ф.

Считается,

что

температурная зависимость пластичности железа

не-

монотонна;

при

определенных температурах имеются зоны хрупкости,

которые,

по

данным разных авторов, существенно различаются между

собой.

А.

Пресняков

и др. [1]

указывают,

что

глубина провалов плас-

тичности

железа чистотой

99,99

больше,

чем у

загрязненного желе-

за,

делают вывод,

что

красноломкость

синеломкость железа связа-

ны

полиморфными превращениями; примеси—лишь одна

из

причин

развития провалов пластичности

железа

и его

сплавов.

Распространено мнение,

что

хладноломкость железа

— это

прояв-

ление истинной физической хрупкости железа, обусловленной особым

кристаллографическим характером разрушения, типом решетки,

ее па-

раметром; примеси

могут

лишь изменять температуру хладноломкости

(кислород

— в

сторону повышения) (марганец, углерод

— в

сторону

по-

нижения).

Синеломкость

(350—450

С) обусловлена выпадением

из

твердого раствора каких-либо компонентов, например оксидов, карби-

дов, нитридов. Красноломкость наблюдается только

загрязненных

серой

кислородом металлов

[1].

Действительно,

при

высоком содер-

жании

этих примесей железо

№ 1 и 4

(табл.

64)

обладает пониженной

ТАБЛИЦА

64.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

НА

ОТНОСИТЕЛЬНОЕ

СУЖЕНИЕ

ОТНОСИТЕЛЬНОЕ УДЛИНЕНИЕ ЛИТОГО (ЧИСЛИТЕЛЬ)

ДЕФОРМИРОВАННОГО (ЗНАМЕНАТЕЛЬ) ЖЕЛЕЗА РАЗЛИЧНОЙ

ЧИСТОТЫ

[I]

'иыг

700

800

900

1000

1100

№

ч>.

31/42

42/29

22/15

36/59

14/53

15/9

15/11

28/40

Ч>.

77/86

80/88

77/81

70/81

66/73

31/52

45/60

52/43

49/55

46/48

№

•Ф-

82/86

87/85

33/37

28/33

70/77

в,

35/46

36/39

19/28

21/27

46/57

Ф.

62/—

3/—

7/—

16/—

43/—

6/-

8/-

Примечание.

Содержание примесей

железе:

№

.0.07 %

. 0.04 %

.0,00 %

. 0,25 %

0,024

0,01

Мп

.05

,03

.01

,006

.03

.02

,03

.02

,009

.01

—

нет

следы

146

-\900 <i -

700 МО

-w

•w-O-ч

/л

Ув-

ZO 100 ZOO300

500OOOtucnfC

100

ZOO300 400500600t

°C

бв,МПа

100ZOO300

fuO 500 600t

°C

Рис.

68.

Изменение механиче-

ских свойств углеродистых

сталей (марок

10, 40, 45, У8) в

зависимости

от

температуры:

—

испытания;

б —

прокатки

со степенью обжатия

15 %;

—

отпуска после холодной

прокатки

пластичностью при высоких температурах, более чистое железо № 2

3 — пластичней; деформированное железо пластичнее литого [1].

Углерод

понижает пластичность железа при температурах от 20 до

700°С

[1]. Относительное сужение при

20°С

стали 10 равно 77 %, а ста-

лей 45 и У8 соответственно 58 и 38 %. Небольшое понижение пластич-

ности

при 200 и 500 °С у стали 10 становится существенным для ста-

лей 45 и У8 (рис. 68).

Углерод

понижает пластичность стали после

всех

температур горя-

чей прокатки и отпуска (рис. 68,6 и в).

Азот

оказывает существенное влияние на пластичность стали, со-

держащей алюминий [1]. Относительное сужение стали с 0,35% С и

147

0,008

% N при

700—900

С равно 66 %; при

1200°С

оно

достигает

98 %

(рис.

69). Увеличение содержания алюминия приводит к красноломко-

сти вследствие образования нитридов алюминия по границам зерен.

уменьшением содержания азота до

0,002

% восстанавливается плас-

тичность стали, содержащей алюминий (рис. 70).

Дополнительное легирование титаном оказывает на сталь благо-

приятное влияние вследствие образования более стойких нитридов ти-

100

го

^»

700

800 900 1000 1W0t

n,C

Рис.

69.

Влияние температуры

содержания алюминия

на

относи-

тельное сужение стали

с 0.35 % С

0,008

% N

(скорость растяжения

мм/мин). Содержание алюми-

ния,

% в

стали:

; —0,009;

2 —

0,011;

S —

0,026;

4 —

0,039;

5 —

0,070;

б —

0,096

го

700

600 300 WOO

1W0t

ucn

Рис.

70.

Влияние

содержания азота

температуры

на

относитель-

'раст

ное

сужение

ст;

— 1 мм/мин);

—

Ст1 (0,35%

С.

0,039%

А1,

0,008%

N); 2

—Ст2 (0,15%

С,

0,033

% AI,

0,002

% N)

бд,МЛп

-19б°С

»»<

«в

-О"

•-*

1/0

3 f 0 1 ? 3

Mn,%

Рис.

7I. Влияние марганца на механические свойства сплавов

Fe—Мп

20°С

-80

-196

о-о

о—

-о

•о

тана.

Примеси

меди, олова и

мышьяка

также вызывают красноломкость

стали

при 900—1000 °С.

Многие

авторы считают хладноломкость железа его природным

свойством.

В работе Кохендорфера [1] указано, что чистое железо хлад-

ноломко

и имеет температуру перехода 50 °С. Однако исследованное

148

железо нельзя назвать чистым, так как оно содержало небольшое ко-

личество кислорода; после раскисления цирконием температура пере-

хода

к хрупкости понизилась до О °С.

Высокая температура хладноломкости ( + 15°С), установленная для

накуумплавленного рафинированного карбонильного железа [1], также

обусловлена наличием в нем примесей, %: О

0,008,

С 0,003, N

0,005,

КС1/,Дж/см*

280

740

200

160

120

2,14

г-

•>

'Л

+WK

-20

-40

-60

'80

-100-90 -80 -70 -60

-50-tO-30-20

Рис.

72.

Влияние

температуры

испы-

тания

на

ударную

вязкость

сплавов

Fe-Mn

0 113 4

Мп,%

Рис.

73.

Влияние

содержания

мар-

ганца

на

порог

хладноломкости

бинарных

сплавов

Fe—Мп

0,002,

Si 0,001, Н

0,0003.

Легирование марганцем (до 2 %) повышает

механические свойства такого железа и понижает порог хладноломко-

сти (рис. 71—73).

При

избытке марганца (3,4%) порог хрупкости повышается. Ана-

логично влияют ванадий, кремний, молибден, хром. Легирование крем-

нием

железа (содержащего

0,008%

О,

0,0050

% N,

0,0003

% Н, 0,003%

С)

при \|) = 86 % приводит внача-

ле, при наличии 0,9 % Si, к

пони-

жению порога хладноломкости от

10 до — 80 °С, а затем при 4,7 %

Si, к повышению его до +140°С.

Порог

хладноломкости техническо-

го железа с 0,041 % О,

0,005

% N.

0,0001

% Н и

0,002

% С, равный

145 "С, также понижается при ма-

лых добавках кремния вследствие

его раскисляющего воздействия

[1].

Легирование 0,15 % V

пони-

жает порог хрупкости техническо-

го железа до —100 °С (табл. 65,

рис.

74). Железо не хладноломко;

КСУ,Дж/см

280

240

200

160

120

;

А !.

э-сн

-2

5И

]

| ] |

межкристаллитная хрупкость вы-

зывается примесями кислорода

(рис.

75), углерода (рис. 76), се-

ри,

фосфора [1]. При одновремен-

ном

присутствии некоторых при-

400 -80 -60

-40-30-20

010203040

Рис.

74.

Влияние

температуры

испы-

тания

на

ударную

вязкость

сплавов

Pe-V

(см.

табл.

65, № 1-5) [1]

149

ТАБЛИЦА

65.

СОСТАВ

РАЗМЕР

ЗЕРЕН

ИССЛЕДОВАННЫХ

СПЛАВОВ

НА

ОСНОВЕ

ЖЕЛЕЗА

[1]

Номер

сплава

Химш

ескип i-остап, %

| N

0,020

0,015

0,011

0,012

0,008

0,010

0,075

0,150

0,400

0,700

Размер

зерна,

«км

Фазовый

состав

карбидов

C+VC

О 100 200 300 400 500 600

acn

°C

Рис. 75.

Зависимость

работы

разрушения

при

ударе

железа

при раз-

личных

температурах

от

содержания

кислорода,

% (1]:

/ —

0,001;

2 —

0,004;

3—0,005;

4 —

0,007:

5 —

0,011;

6 —

0,057;

7 — 0,27

месей может наблюдаться улучшение

пластичности железа, например, вследст-

вие раскисления, десульфуризации и пр.

В работе Кохендорфера [1] указано,

что высокочистое железо хрупко при

температуре жидкого азота, однако это

не

так.

Высокочистое железо вакуумной

плавки

пластично даже при

—271,5

°С

имеет

г|>

= 80 % (рис. 77). Очистка же-

леза зонной плавкой позволяет полу-

чить г|) = 90 % при температуре жидкого

гелия [1].

Железо очень высокой чистоты (по-

лученное многократным электронно-луче-

вым бестигельным плавлением и после-

дующим циклическим рафинированием в

чистом водороде, выделенном из гидрида

циркония

при связывании примесей углерода, азота, кислорода и серы

металлическим цирконием) при содержании углерода и азота менее

10~

% и сумме примесей кислорода, азота, углерода, серы и фосфора,

700

-200 -700

Рис. 76.

Влияние

содержания

углерода

на

роботу

разруше-

ния при

ударе

железа

при раз-

яичных

температурах

[1]

150