Материаловедение. Лекция Материаловедение и технология конструкторских материалов.. И технология конструкционных материалов металлы и сплавы железоуглеродистые сплавы
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
≤ 0,06 %. Чугуны подразделяют на: - белые , - серые, - ковкие . В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, с трудом отливаются и обрабатываются инструментом. В основном эти чугуны идут на переплавку в сталь или используются для получения ковкого чугуна. При замедленном охлаждении расплавленного чугуна цементит может подвергнуться разложению Fe 3 C → Fe + С с образованием феррита и графита. В результате получается серый чугун , имеющий благодаря графиту серый излом. В зависимости от степени разложения цементита серый чугун может иметь структуры «перлит–графит»; «перлит–графит–феррит»; «феррит–графит». С увеличением содержания феррита и перлита в чугуне уменьшается его твердость и увеличивается пластичность. Образованию тонкодисперсного графита способствуют специальные присадки, в частности ферросилиций. Серые чугуны – это литейные чугуны: они обладают хорошими литейными качествами – жидкотекучестью, мягкостью, хорошо обрабатываются, сопротивляются износу. Серые чугуны с высоким содержанием фосфора (0,3…1,2 %), жидкотекучие и используются для художественного литья. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Установлены следующие марки отливок из серого чугуна: СЧ 00, СЧ 120…280, СЧ 150…320, СЧ 180…360, СЧ 210…400, СЧ 240…440, СЧ 280…480, СЧ 320…520, СЧ 360…560, СЧ 400…600, СЧ 440…640. « СЧ » обозначает серый чугун. Первое число показывает предел прочности (в МПа) при испытании на разрыв, а второе – предел прочности при испытании на изгиб. Чугун марки СЧ 00 не испытывается . Кроме указанных чугунов применяются легированные чугуны, которые наряду с обычными примесями содержат легирующие элементы: хром, никель, титан и др. Эти элементы улучшают твердость, прочность износоустойчивость, сопротивление ржавлению и т. д. Ковкие чугуны – разновидность серых чугунов, получаемая путем длительного (до 80 ч) выдерживания при высокой температуре. Такая термическая обработка называется томлением . При этом цементит распадается, и выделившийся при его распаде графит образует хлопьевидные включения, равномерно рассеянные в массе феррита. Ковкие чугуны наиболее пластичны из всех видов чугунов. Из серых чугунов изготовляют элементы строительных конструкций, в том числе и таких ответственных, как опорные части железобетонных балок, ферм, башмаки под колонны, тюбинги для тоннелей метрополитена и др. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Цветные металлы и сплавы На долю цветных металлов приходится всего лишь 5 % мирового производства металлов. Это объясняется их небольшим содержанием в земной коре, малым содержанием в рудах, а также сложностью производства. В строительстве из цветных металлов и сплавов изготовляют легкие конструктивные элементы, теплообменные аппараты, электрооборудование, химически- и огнестойкие конструкции и т. д. Большое количество цветных металлов и их сплавов используют в строительных машинах, оборудовании и инструментах. Широко применяемые цветные металлы называют техническими (алюминий, магний, титан, никель, медь, свинец, цинк, олово. Остальные цветные металлы относятся к редким. В чистом виде цветные металлы применяют редко, чаще – в виде сплавов. Большое распространение получили медные сплавы: латуни и бронзы. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Цветные металлы и сплавы Латунь – сплав меди с цинком. Кроме двухкомпонентной латуни в промышленности применяют сплавы, содержащие Al, Pb, Ni, Sn, Mn. Латуни в зависимости от химического состава подразделяются на марки: - томпак Л 96 и Л 90 (с содержанием 88…97 % Си), - полутомпак Л 80 и Л 85 (с содержанием 79…86 % Сu), - латунь Л 62, Л 68 и Л 70 (цифры 62, 68 и 70 показывают содержание меди, %), - алюминиевая латунь ЛА 77-2, - марганцовистая латунь ЛМц 58-2, - железомарганцовистая ЛЖМц 59-1-1, - никелевая латунь ЛН 65-5. Бронза – сплав меди с оловом, марганцем, алюминием, никелем, кремнием, бериллием и другими элементами . Бронза маркируется буквами Бр , а далее следуют буквы и цифры, показывающие содержание легирующих элементов. Содержание меди определяется по разности между 100 % и общим процентным содержанием остальных элементов. Так, бронза марки БрОЦС 8–4–3 содержит 8 % Sn , 4 % Zn, 3 % Pb и 85 % Сu. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Цветные металлы и сплавы РАЗЛИЧАЮТ БРОНЗЫ: - оловянистую (устойчива против действия атмосферы, морской воды, растворов солей и кислот), - алюминиевую (очень прочна, химически стойка, обладает антифрикционными свойствами), - кремнистую (хорошо работает в условиях трения и высокой температуры), - бериллиевую (искробезопасна), - никелевую , - кремнистую и др. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Цветные металлы и сплавы Алюминий – один из распространенных металлов в земной коре. Применение алюминия и его сплавов наиболее эффективно при возведении легких конструкций зданий и сооружений, конструкций, подверженных действию агрессивной коррозионной среды, а также конструкций и изделий, к внешнему виду которых предъявляются повышенные требования – элементы выставочных павильонов, рамы и переплеты высотных зданий и т. п. Предел прочности чистого алюминия составляет 10 МПа, а некоторых конструкционных алюминиевых сплавов доходит до 62 МПа. Плотность алюминия и его сплавов составляет 2,65…2,85, а стали 7,85 г/см 3 , то есть алюминий легче стали почти в 3 раза. Модуль упругости алюминия небольшой – 0,71 ּ10 5 МПа, то есть в три раза меньше, чем стали (2,1 ּ10 5 МПа). Это значит, что деформации алюминиевых конструкций при прочих равных условиях будут значительно превышать деформации стальных конструкций. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Цветные металлы и сплавы Сплавы системы А1–Сu–Mg называются дуралюминами. Для упрочнения они подвергаются закалке при температуре 500 °С и естественному старению при комнатной температуре в течение 5…7 дней. Для повышения коррозионной стойкости дуралюмины плакируют чистым алюминием. Наибольшей прочностью обладают дуралюмины после закалки и старения. Деформируемые термоупрочняемые сплавы системы Al–Mg–Si отличаются высокой технологичностью, хорошей коррозионной стойкостью, достаточно высокими прочностными характеристиками, способностью к цветному анодированию, эмалированию. Литейные сплавы алюминия характеризуются наличием в структуре эвтектики, повышающей их жидкотекучесть и другие литейные свойства. Увеличение количества эвтектики в структуре сплава выше 10…15% по объему ухудшает механические и некоторые технологические свойства. Поэтому количество эвтектики в литейных сплавах ограничивают. Магний – самый легкий из всех применяемых в технике металлов, его плотность 1,74 г/см 3 , температура плавления 650 °С. В литом состоянии предел прочности 100…120 МПа, пластичность 3,6 %. Чистый магний имеет малую устойчивость против коррозии. В промышленности магний используется в виде сплавов с алюминием, марганцем, цинком и другими металлами. Все магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием и имеют сравнительно высокую прочность (предел прочности 200…400 МПа, пластичность 6…20 %). Титан обладает высокими механическими характеристиками при малой плотности. У технически чистого титана предел прочности 450…650 МПа, пластичность 15…30 %. Плотность титана 4,5 г/см 3 , температура плавления 1660 °С. Титан практически не подвергается коррозии в атмосфере, пресной и морской воде. Он устойчив против кислотной и газовой коррозии до температуры 350 °С. Технический титан применяют как коррозионностойкий материал. МЕТАЛЛЫ. Исключительно важное значение металлов в современной технике и строительстве объясняется их ценными свойствами: - высокой прочностью, - пластичностью, - высокой тепло- и электропроводностью, - хорошими литейными свойствами, -способностью работать при низких и высоких температурах, -свариваемостью. Однако большинство из них имеют высокую плотность и сильно корродируют под действием различных газов и влаги. Классификация металлов. ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ - это сплавы железа с углеродом. К ним относятся: сталь чугун содержащая углерода до 2 %, содержащий углерода от 2% до 6,67% ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ: - легкие ( на основе алюминия) - тяжелые (медь, латунь, олово) - редкие (вольфрам, бронза, титан) - благородные (платина, серебро, золото) Строение металлов Все металлы имеют кристаллическое строение. Физико-механические свойства чистых металлов определяются природой атомов, образующих их кристаллическую решетку, и структурой самого металла. Свойства металлов. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА: цвет, плотность, температура плавления, электро- и теплопроводность, коэффициент температурного расширения. Цвет большинство металлов имеют серебристо-белый, серебристо-серый с характерным металлическим блеском. Плотность большинства тяжелых металлов превышает 7000кг/м, а плотность легких составляет не более 3000кг/м . Температура плавления металлов строго определенная, однако меняется при добавке к нему других металлов. Все металлы хорошо проводят тепло и электричество. При нагревании металлы увеличиваются в размерах, что характеризуется коэффициентами объемного и линейного расширения. Это необходимо учитывать при их эксплуатации. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА: прочность, твердость, ударная вязкость, ползучесть. ПРОЧНОСТЬ - способность металла сопротивляться возникающим внутренним напряжениям под действием внешних сил, вызывающих растяжение, сжатие, изгиб, кручение. Для большинства металлов универсальным испытанием на прочность является растяжение, но для серого чугуна - на сжатие и изгиб. Испытание на изгиб проводится для листового металла толщиной не более 30 мм. При этом на поверхности изгибаемого образца не должны появляться трещины, надрывы, расслоение или излом. Испытанием на удар определяют хрупкость металла или его способность работать в условиях динамических нагрузок. Чем пластичнее металл, тем лучше он переносит ударные нагрузки. УСТАЛОСТЬ определяется у металлов, работающих в условиях повторно-переменных растягивающих, изгибающих, крутящих, ударных и других нагрузок. ПОЛЗУЧЕСТЬ металлов - это процесс увеличения деформации во времени при постоянном напряжении. ТВЕРДОСТЬ металла определяется противодействием вдавливанию в его поверхность твердого стального шарика ( метод Бринелля, НВ ), алмазного конуса ( метод Роквелла, HR ), алмазной призмы ( метод Виккерса, HV ). Чем выше твердость, тем меньше будет величина отпечатка на поверхности металла. Числа твердости ( НВ, НR, HV ) вычисляются по эмпирическим формулам, которые приводятся в справочной литературе. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА - это -пластичность, определяющая ковку, прокатку, волочение; -резанье и сварка, определяющие способность металла подвергаться сварке и резанью; -способность подвергаться термической и химико-термической обработке с целью улучшения механических свойств металлических изделий. ЧУГУНЫ. Производство чугуна - первичный процесс получения черных металлов из природного сырья. Сырье для производства чугуна: железные руды, флюсы и кокс. Наиболее часто используемые железные руды: магнитный железняк ( Fе3О4 ), красный железняк ( Fе2О3 ), бурый железняк ( 2Fе2О3*3Н2О ), шпатовый железняк ( FеСО3 ), Флюсы - известняк СаСО3 или доломит СаСО3*МgСО3. Кокс в доменном процессе выполняет роль топлива и восстановителя железа. При его горении выделяется большое количество тепла Продукты доменного производства: чугун, огненно-жидкие шлаки и доменный газ. ДОМЕННЫЙ ГАЗ - топливо для нужд металлургической промышленности. ДОМЕННЫЕ ШЛАКИ - ценное сырье в промышленности стройматериалов; их используют для производства шлаковой ваты, шлаковой пемзы, шлако- портландцемента, заполнителей для легких бетонов, шлакоситаллов и т.п. Разновидности чугуна в промышленности маркируют таким образом: - Ч – легированный чугун со специальными свойствами, - ВЧ – чугун с графитом шаровидным для отливок (цифры после символов «ВЧ» говорят о временном сопротивлении разрыву в кгс/мм), - АЧК – чугун антифрикционный ковкий, - АЧВ – чугун антифрикционный высокопрочный, - АЧ – чугун антифрикционный, - СЧ – чугун с графитом пластинчатым (цифры после символов «СЧ» говорят о величине временного сопротивления разрыву), - ПВК3, ПВК2, ПВК1 – чугун предельный высококачественный, - ПФ3, ПФ2, ПФ1 – чугун предельный фосфористый, - ПЛ1, ПЛ2 – чугун предельный для отливок, - П2, П1 – чугун предельный. Ферросплавы - специальные чугуны, в которых содержание углерода может достигать 5 % и более. Кроме того они содержат повышенное количество кремния и марганца: ферросилиций - Si - 9...13 %, ферромарганец - Mn - 10...25 % или 70...75 %. Такие ферросплавы, как феррохром или ферросилиций используют для легирования и раскисления стали. Благодаря этому- свойства и качества металлов улучшаются: они становятся более износостойкими и устойчивыми к серьезным нагрузкам. С Т А Л Ь Сталь получают из предельного чугуна, содержащего до 4 % углерода, 1% марганца, до 1,3 % кремния, десятые доли процента серы и фосфора. Сущность процесса сталеварения заключается в окислении излишнего содержания углерода и примесей, содержащихся в чугуне, кислородом воздуха и кислородом руды. Этому процессу способствует образующаяся в начале плавки закись железа. Так как излишнее содержание закиси железа вызывает хрупкость стали, производят раскисление жидкого металла путем ввода ферросплавов. Образовавшиеся оксиды удаляются вместе со шлаком. Окисление излишнего углерода и примесей кислородом воздуха и руды Закись железа Хрупкость стали Раскисление жидкого металла путем ввода ферросплавов Удаление оксидов вместе со шлаками |