Очень коротко о металлах

E-mail Печать

Металлы и сплавы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. Атомы в кристалле металла образуют пространственную решётку: кубическую объёмно-центрированную (Fe?) и кубическую гранецентрированную (Fe?) (рис. 1).

Рис. 1. Схема кристаллических решёток:а– объёмно-центрированная;б - гранецентрированная

Некоторые металлы, в том числе и железо, могут существовать и в той,  и в другой форме. Это явление называется полиморфизмом  и зависит от температуры. Для чистого железа (рис.2):

Рис. 2. Кривая охлаждения (нагревания) железа

- ниже температуры 911ОС и выше 1392 ОС  -  кубическая объёмно-центрированная решётка (Fe?);

- выше температуры 911ОС -  кубическая гранецентрированная решётка (Fe?).

Разная решётка – разные свойства (например, пластичность), что позволяет применять термическую обработку.

Железо в чистом виде применяется ограниченно. Высокая прочность, твёрдость, коррозионная стойкость – только в сплавах: железа с углеродом и другими элементами (легирующими), придающими сплаву те или иные механические, физические или химические свойства.

Основными характеристиками металла являются:

- прочность на растяжение,

- твёрдость (чаще определяют по Бринеллю),

- ударная вязкость,

- усталостная прочность,

- температура перехода в хрупкое состояние.

При испытании металлов на растяжение последовательно наступают следующие состояния (рис. 3):

Рис. 3. Диаграмма испытания стали на растяжение

- предел пропорциональности (предел упругости ?у); за условный предел упругости принимают напряжение, вызывающее остаточное удлинение, равное 0,05%  от начальной длины (?0,05);

- предел текучести – наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки; условный предел текучести соответствует напряжению, вызывающему остаточную деформацию, равную 0,2% от начальной длины (?0,2);

- предел прочности – максимальное напряжение, которое образец выдерживает до разрушения (временное сопротивление, ?в).

Cырьем для производства чёрных металлов (чугуна и стали) являются железные руды (содержащие смесь оксидов железа и пустую породу – 30…65%). Пустая порода – это кварцит или песчаник, примеси глины, известняка, доломита; по химическому составу - SiO2, Al2O3, CaO, MgO.

Рис. 4. Вертикальный разрез доменной печи:

1 – колошник; 2 – шахта; 3 –распар; 4 – заплечики; 5 –горн; 6 – засыпной аппарат; 7 - чугунная летка; 8 - расплавленный чугун; 9 – шлаковая летка; 10 – шлак; 11 – зона горения кокса

Выплавку чугуна производят в доменных печах (вертикальная печь шахтного типа, рис. 4), нагревая исходные материалы до полного расплава. Суть получения чугуна заключается в восстановлении  железа последовательно от высших оксидов к низшим:

Fe2O3 ?  Fe3O4 ?  FeO ?  Fe .  Одновременно железо взаимодействует с оксидом углерода  с образованием  Fe3С до содержания углерода 4,3%. Расплавы чугуна и минеральной части (шлака) чётко разделяются на два слоя  в силу большой разницы по плотности (?7,8 и ?2,7) и выпускаются из печи каждый через свою летку.

Полученный чугун по назначению подразделяют на две группы:

- передельный (белый чугун), содержащий около 4% углерода, идущий на производство стали, 80%;

- серый чугун (литейный), содержащий до 4% углерода, 20%.

Выплавка стали заключается в удалении из передельных чугунов углерода, а также кремния, марганца, фосфора и серы. Во время плавки передельных чугунов за счёт окисления вышеназванные соединения   переходят в шлак или выгорают.  Для производства стали используют конверторы, мартеновские печи и электрические печи; соответственно стали называются конверторные, мартеновские, электростали.

Сталями называются сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14% углерода. Углерод оказывает на свойства стали очень большое влияние. С увеличением его содержания все прочностные показатели растут, а пластичность и упругая вязкость снижаются. Конструкционные стали, которые должны иметь достаточно высокий уровень пластичности и ударной вязкости – это мало- и среднеуглеродистые стали (< 0,7 % С). Стали с большим содержанием углерода по своему назначению являются инструментальными.

Углеродистые стали обыкновенного качества делятся на три группы:

А – с гарантированными механическими свойствами;

Б - с гарантированным химическим составом:

В - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

Марки углеродистых сталей  обыкновенного качества:

Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6 – (группа А);

БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6;

ВСт0, ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5, ВСт6.

С увеличением номера механические свойства сталей и содержание в них углерода возрастает (табл. рис. 5).

Рис. 5. Зависимость временного сопротивления ?в, предела текучести ?0,2 и относительного удлинения от марки углеродистой стали ?

При производстве стали в ней образуется закись железа FeO, что резко снижает пластичность и частично прочность стали, поэтому необходимо принять меры по удалению FeO из расплава – процесс раскисления. По степени раскисления стали подразделяются:

кп -  кипящие (более хрупкие, температура охрупчивания 20О С),

пс – полуспокойные (температура охрупчивания 0О С),

сп - спокойные (температура охрупчивания - 20О С) .

Обозначаются: например, Ст1кп, Ст3сп.

В строительстве широко используется сварка. Свариваемость стали – важное её свойство. Свариваемость ухудшается с увеличением содержания углерода. Поэтому в строительстве применяют конструкционные низкоуглеродистые стали.

По содержанию углерода стали подразделяются на :

- низкоуглеродистые – 0,1…0,25 % ,

- среднеуглеродистые – 0,3…0,65 %,

- высокоуглеродистые – 0,7…1,4 %. ( Более 1,4 углерода в сталях обычно не бывает).

Легированные сталистали, в состав которых входят различные элементы, придающие сталям требуемые свойства. В зависимости от содержания легирующих элементов стали делятся на:

- низколегированные (сумма легирующих элементов меньше 2,5 %), чаще применяемые в строительстве,

- среднелегированные (от 2,5 до 10 %),

- высоколегированные (более 10 %).

Буквенные обозначения легирующих элементов в маркировке стали:

Х - хром

Н - никель

Г - марганец

С - кремний

В - вольфрам

М - молибден

Ф - ванадий

К - кобальт

Т - титан

А - азот

Ю - алюминий

Ц - цирконий

Д - медь

Б - ниобий

Р - бор

Для обозначения состава легированной стали принята следующая маркировка:

- две первые цифры указывают на содержание углерода в сотых долях процента; если в начале обозначения цифра не указывается, это означает, что содержание углерода находится в пределах 0,01 % (для конструкционных сталей) и 1 % (для инструментальных сталей).

- буквы – это легирующий элемент,

- цифры за буквами – процентное содержание легирующих элементов в стали; если после буквенного обозначения цифры не указываются, это означает, что содержание этого элемента в пределах 1%, а чаще значительно меньше  -  (низколегированная сталь).

Например, сталь 14Г2 содержит в среднем 0,14 % углерода и около 2 % марганца; сталь 16Г2АФ содержит в среднем 0,16 % углерода,  около 2 % марганца и до 1% азота и ванадия.

Легирование марганцем, кремнием повышает предел текучести.

Наиболее широко применяемые стали марок:

09Г2, 14Г2, 19Г, 17ГС, 15ХСНД, 18Г2АФ, 25Г2С.

Медь влияние на механические свойства не оказывает, но повышает коррозионную стойкость стали.

Термическая обработка стали. В целях получения более высоких или специально заданных свойств изделий из металла и сплавов  их подвергают термической обработке. Смысл её заключается в изменении структуры путём:

- нагрева изделия до определённой температуры,

- выдержке при этой температуре в течение определённого времени,

- последующего охлаждения по заданному режиму.

Отжиг – вид термической обработки, имеющий целью улучшение свойств стали, подготовку её структуры к окончательной термической обработке, придание более высоких пластических свойств, снятие внутренних напряжений и т.д. При отжиге сталь нагревают ниже или выше температуры фазовых превращений (в зависимости от дефектов структуры), выдерживают при этих температурах для того, чтобы превращения прошли во всём объёме и затем медленно охлаждают (обычно вместе с печью).

Нормализация стали применяется для снятия внутренних напряжений, уменьшения твёрдости  и получения однородной мелкозернистой структуры. Нормализация заключается в нагреве, выдержке при заданной температуре с последующим охлаждением на воздухе.

Закалка и отпуск производятся для придания металлу высокой твёрдости  и прочности при сохранении достаточной вязкости. Закалка заключается в нагреве стали выше температуры фазовых превращений, выдержке при этой температуре  и последующем быстром охлаждении (в воде или масле). При закалке всегда образуются внутренние напряжения, поэтому после закалки всегда проводят отпуск. Под отпуском понимают вид термической обработки, при котором сталь нагревают до температуры ниже критической точки, выдерживают при этой температуре, а затем охлаждают на воздухе. Цель отпуска – снять внутренние напряжения, перевести структуру в более устойчивое состояние. Твёрдость несколько снижается, а пластичность повышается.

Химико-термической обработкой стали называют термическую обработку, связанную с изменением химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя. Цель её – упрочнение поверхностного слоя: повышение твёрдости, усталостной прочности, износоустойчивости, коррозионной стойкости и т.д.

Цементация стали – процесс поверхностного науглероживания изделия из низкоуглеродистой стали в углеродосодержащей среде с целью получения твёрдой поверхности и вязкой середины.

Азотирование – насыщение поверхности стали азотом обычно в среде газообразного аммиака для повышения твёрдости, прочности, износостойкости и коррозионной стойкости.

Цианирование (нитроцементация) – это процесс одновременного насыщения поверхности стали углеродом и азотом. По сравнению с газовой цементацией нитроцементация имеет ряд преимуществ: меньше деформации и коробление изделий, больше сопротивление износу и коррозионная стойкость.

Диффузионная металлизация – это процесс химико-термической обработки, при котором поверхность стальных деталей насыщается различными элементами: алюминием, кремнием, хромом и др.

Силицирование – насыщение поверхности слоя кремнием с целью повышения окалиностойкости до 800…850ОС, а также повышения коррозионной стойкости.

Хромирование - насыщение поверхности изделий хромом с целью повышения коррозионной стойкости, износостойкости и окалиностойкости.

Борирование - насыщение поверхности бором, имеет целью повысить твёрдость, сопротивление износу, коррозионную стойкость.

Обработка металлов давлением основывается на использовании их пластических свойств. При обработке металлов давлением изменяются не только форма исходной заготовки, но и их структура и механические свойства. Для облегчения обработки металлов и сплавов давлением их предварительно нагревают.

Прокатка – деформирование металла путём пропускания заготовки между вращающимися валками, зазор между которыми меньше толщины обрабатываемой заготовки. При прокатке плоской заготовки толщина её уменьшается, длина и ширина увеличиваются. Прокаткой получают листовой и сортовой прокат простого и фасонного профилей.

Волочение – протягивание заготовки (прутка или трубы) через коническое отверстие размером несколько м6еньшим, чем сечение заготовки. Многократным волочением изготовляют высокопрочную проволоку, трубы и т.п.

Прессование – выдавливание металла заготовки, главным образом из цветных металлов и сплавов, через профильное отверстие замкнуто1 формы для получения изделия определённой формы и сечения.

Ковка – свободное деформирование нагретой заготовки последовательными ударами молота или нажимами пресса.

Горячая объёмная штамповка – деформирование нагретой заготовки в штампе, по форме соответствующем конфигурации изделия.

Листовая штамповка – выполняется преимущественно на прессах для обработки листового, ленточного и полосового материалов для вырезки полосы, вытяжки, пустотелых, открытых с одной стороны изделий и т.п.

Сортамент стали в зависимости от методов обработки строительных сталей можно разделить на три группы:

I – горячего проката,

II – холодной вытяжки,

III – комбинированной обработки.

Для производства профильной стали (круглая, квадратная, полосовая сталь, уголки, тавры, швеллеры, рельсы и т.д.)  получил широкое распространение метод горячего проката. Сортамент стали холодной вытяжки состоит из высокопрочных холоднотянутых проволок. К сортаменту стали комбинированной обработки относятся гнутые профили и сталь периодического профиля.

Арматурная сталь делится на классы:

А – стержневая (диаметр 6…40 мм),   В – проволока (3…8 МПа),   К – канаты.

Стержневая горячекатаная арматура в зависимости от механических свойств делится на классы А-I(A-240), А-II(A-300), А-III(A-400), А-IV(A-600), А-V(A-800), А-VI(A-1000). В обозначении класса цифра показывает предел текучести стали. Стержневая арматура может быть гладкой или периодического профиля для улучшения сцепления арматуры с бетоном. Арматура класса  АI(A-240) – круглого сечения с гладкой поверхностью, остальные классы - периодического профиля. В обозначении термически или термомеханически обработанной арматуры добавляется индекс т (например, Ат-300).

Гладкая арматурная проволока может быть холоднотянутой В-I (низкоуглеродистая, ?в = 550 МПа) для ненапрягаемой арматуры и В-II (углеродистая, ?в = 1900…1400 МПа) для напрягаемой арматуры. Для проволоки периодического профиля добавляется индекс р: Вр-I, Вр-II.

Для предварительно напряжённых конструкции применяют высокопрочную проволоку, семипроволочные канаты и многопроволочные пряди и пучки, стержневую  арматуру классов А-IV(A-600), А-V(A-800), А-VI(A-1000).

Сварка – процесс получения неразъёмного соединения за счёт плавления кромок соединяемых деталей или совместного пластического деформирования (при использовании сил молекулярного сцепления).

В зависимости от энергии, используемой для образования сварного соединения, различают три класса сварки:

1) термический, к которому относится сварка, осуществляемая за счёт плавления при использовании тепловой энергии;

2) термомеханический – сварка с применением тепловой энергии и давления;

3) механический – сварка, использующая механическую энергию и давление.

В строительстве используются следующие виды сварки:

а) дуговая открытой дугой, дуговая под флюсом и в защитном газе, электрошлаковая, газовая – термический класс;

б) контактная, газопрессовая – термомеханический класс;

в) сварка трением, холодная сварка, ультразвуковая сварка - механический класс.

Чугунэто сплав железа с углеродом с содержанием углерода до 4,3%. В зависимости от структуры и свойств чугуны разделяют на следующие:

серый чугун с пластинчатым графитом маркируется буквами с последующей цифрой, указывающей предел прочности при растяжении, который изменяется от 10 до 45 кгс/мм2 (например, СЧ25);

высокопрочный чугун с шаровидным графитом маркируется буквами и цифрами (ВЧ-10-2), которые указывают предел прочности при растяжении (кгс/мм2) и относительное удлинение (%);

ковкий чугун получают из белого чугуна термической обработкой; маркируется буквами и цифрами (например, КЧ-50-5). Обозначения те же, что и у высокопрочного чугуна.

Чугун в строительстве применяется меньше, чем сталь. Изготовление изделий из него производят методом литья (трубы, тюбинги, колонны, решётки ограждения); из ковкого чугуна методом прокатки получают кровельный лист.

Цветные металлы и сплавы обладают рядом особых свойств: пластичностью, малой плотностью (алюминия 2700 кг/м3, сравните: стали 7850 кг/м3), антикоррозионной стойкостью, высокой электро- и теплопроводностью. В строительстве из цветных металлов наиболее широко применяют сплавы алюминия и меди.

Алюминиевые сплавы рекомендуются для несущих конструкций зданий и сооружений (оболочки, рамы, фермы), опор линий электропередач, конструкций для химических предприятий с агрессивной средой, ограждающих конструкций, кровельных панелей, подвесных потолков, витрин, переплётов и т.д.

Элементы конструкций из алюминиевых сплавов можно соединять заклёпками, болтами и сваркой.

Наиболее широко в строительстве используют дюралюмин –сплав алюминия с медью (3,8…4,8 %) и магнием (0,5…1,5%), который для повышения коррозионной стойкости добавляют марганец (0,3…0.9%).

Чистая медь находит применение как электротехнический материал, обладающий малым электросопротивлением, для отделочных работ.

Латунями называются сплавы меди с цинком (до 40%). Латуни маркируются буквой Л и цифрами, укзывающими содержание меди ( Л68 – 68 % меди (Cu), 32 % цинка (Zn)). Из латуни изготовляют ленту, лист, проволоку, трубы, прутки.

Бронзами называются сплавы меди с оловом, алюминием, марганцем, никелем. Марка бронзы Бр ОЦС 5-5-5 означает, что в сплаве содержится 5% олова (Sn), 5% цинка (Zn), 5% свинца (Pl), остальное медь. Бронза – прочный пластичный материал, хорошо сопротивляющийся коррозии. Бронза применяется для отделочных работ в сооружениях I класса.

Коррозией называется процесс разрушения металла вследствие физико-химического влияния на него внешней среды.

Способы защиты от коррозии:

легирование – введение меди в строительные стали, никеля и хрома в нержавеющие кислотоупорные стали;

оксидирование и фосфатированиекипячение изделий в специальных составах (селитры, едкого натра и перекиси марганца и ли фосфорной кислоты), в результате  чего образуются тёмные плёнки хорошей коррозионной устойчивостью;

металлическое покрытие – нанесение на поверхность изделия тонкой плёнки металла, обладающего более отрицательным электронным потенциалом, чем защищаемый металл (цинк, хром по отношению к железу) – до тех пор, пока в электролите не   растворится весь цинк, железо не корродирует. Для  защиты более ответственных элементов, закладных деталей применяют цинкование.

покрытие слоем лака или краскиполимерными плёнками, цементо-казеиновыми обмазками, битумными лаками и др.

P.S. Читайте раздел “Металлические материалы» в учебниках и разберитесь с диаграммой Fe – Fe3C.

Диаграмма состояния Fe – Fe3C

 

Укреплённые грунты

Лекция на тему: "Укреплённые грунты"

Новости кафедры

Отряд Внедрение МАДИ на субботнике 2018г.

/подробнее/

Новости сайта

Новые статьи на сайте

/подробнее/

Регистрация / Вход

Чем открыть книги:

Скачать программу для просмотра PDF и DJVU


Поиск по сайту

Наши интернет-проекты

  • Автоматизированный расчёт состава цементобетонных смесей
  • Система интернет-тестирования Scientia-test.ru
  • газета МАДИ
    газета МАДИ
  • Форум студентов МАДИ

Видеолекции

Литература по ДСМ

Обучающее видео


Система Orphus