- •Н.В. Храмцов Основы материаловедения
- •Введение
- •Общие понятия о материалах
- •Исходные понятия
- •1.2. Классификация материалов
- •1. 3. Качество материалов
- •2. Свойства материалов
- •2.1. Химический состав. Макро и микроструктура металлов
- •2.2. Физические свойства материалов
- •Значения плотности некоторых материалов*
- •Взаимосвязь плотности с другими показателями
- •Где ф и o - прочность пористого (фактического) и беспористого материала;
- •Следовательно, более пористые материалы имеют более низкую прочность (рис. 2.2) по сравнению с материалами, имеющими меньше пор. Температурные характеристики
- •Т аблица 2.4 Некоторые температурные характеристики материалов
- •Коэффициенты теплопроводности материалов
- •Теплота плавления
- •Коэффициенты теплоемкости материалов
- •Коэффициенты линейного расширения материалов
- •Характеристики взаимодействия материалов с жидкостями и газами
- •Коэффициенты водопоглащения материалов
- •Электромагнитные свойства
- •Магнитные свойства материалов
- •2.3. Механические характеристики материалов
- •У сталостные испытания
- •2.4. Технологические свойства
- •Потребительские показатели качества материалов
- •Влияние воздуха и воды на свойства материалов
- •Влажность воздуха
- •Точка росы
- •2.7. Экологическая безопасность строительных материалов
- •Средние затраты энергии на производство единицы продукции
- •3. Металлы и сплавы
- •3.1. Кристаллическая структура металлов
- •3.2. Чугуны и стали
- •Сравнительные показатели чугунов и сталей
- •3.3. Углеродистые и легированные стали
- •Легированные стали
- •Арматурные стали
- •3.4. Жаростойкие и тугоплавкие металлы и сплавы
- •3.5. Термообработка сталей
- •Закалка сталей
- •3.6. Общие свойства цветных металлов и сплавов
- •Свойства цветных металлов
- •3.7. Алюминиевые сплавы
- •3.8. Медные сплавы
- •3.9. Свинец, олово, серебро и цинк
- •3.10. Титан и его сплавы
- •4. Каменные строительные материалы
- •4.1. Природные каменные материалы
- •4.2. Вяжущие неорганические материалы
- •Определение марки цемента в результате испытаний
- •4.3. Искусственные каменные материалы
- •Классификация бетонов
- •Классификация керамики
- •Основные различия между силикатными и керамическими кирпичами
- •4.3. Современные стеновые строительные материалы
- •5. Органические материалы
- •5.1. Лесоматериалы
- •Защита древесины от гниения и возгорания
- •5.2. Строительные изделия из древесины
- •Изделия из древесины
- •5.3. Использования древесных отходов
- •5.4. Органические вяжущие
- •5.5. Современные технологии деревянного домостроения
- •Клееные брусья
- •Термодревесина
- •6. Порошковые и композиционные материалы
- •6.1. Классификация порошковых материалов
- •Классификация порошковых материалов
- •Конструкционные металлические порошковые материалы по назначению могут быть:
- •6.2. Получение металлических порошков и изготовление деталей
- •6.3. Композиционные материалы
- •Примерами композиционных материалов являются:
- •7. Полимерные и пластические материалы
- •7.1. Общие свойства
- •Классификация полимерных материалов
- •Достоинства пластмасс:
- •Недостатки пластмасс:
- •7.2. Термопластичные полимеры
- •Группы полимерных материалов
- •Классификация наполнителей полимерных материалов
- •7.3. Изготовление и ремонт деталей
- •Сварка полимерных материалов
- •Способы сварки пластмасс
- •Клеевые составы на основе эпоксидных смол
- •7.5. Резиновые материалы
- •8. Основы получения сырья, обработки материалов, изготовления деталей и сборки конструкций
- •8.1. Добыча сырья
- •8.2. Изготовление материалов
- •Поризация строительных материалов
- •8.3. Обработка камня
- •8.4. Обработка древесины
- •8.5. Литье и прокатка металлов
- •Технология изготовления бесшовных труб
- •8.6. Резка металлов
- •Причины затрудненной резки некоторых сплавов
- •8.7. Антикоррозионная защита металлов и сплавов
- •8.8. Механическая обработка металлов
- •8.9. Сборка деталей
- •9. Сварка металлов
- •9.1. Классификация способов сварки
- •9.2. Тепловые процессы при сварке
- •9.2. Тепловые процессы при сварке
- •9.3. Основы электродуговой сварки и наплавки
- •9.4. Ручная электродуговая сварка и наплавка
- •9. 5. Особенности сварки чугуна и алюминия
- •9.7. Газовая сварка и наплавка
- •9.8. Оценка качества сварки
- •Методы контроля с разрушением сварного соединения
- •10. Перспективные технологии
- •10.1. Нанотехнологии
- •Размерные приставки для единиц измерения
- •Фуллерены
- •Нанотрубки
- •Шунгиты
- •Шунгит имеет следующие замечательные свойства:
- •Нанобетоны и наноасфальты
- •Полимерцементогрунт
- •Области применения наноматериалов
- •Научные перспективы
- •10.2. Фаббер-технологии в производстве деталей и строительных конструкций
- •10.3. Лазерные технологии
- •Характеристики резки материалов лазером мощностью 1,5 кВт
- •Литература
- •4.2. Вяжущие неорганические материалы -82
- •5. Органические материалы -102
- •6. Порошковые и композиционные материалы - 111
- •6.2. Получение металлических порошков и изготовление деталей -115
- •7. Полимерные и пластические материалы -120
- •9. Сварка металлов - 163
- •Механические свойства арматурной стали по классам
3.2. Чугуны и стали
Чугун и сталь это сплавы железа с углеродом, в которых неизбежно наличие примесей других химических элементов:
Сталь: Fe + С ( < 2 % ) + примеси (S, P, N и др. - относительно немного).
Чугун: Fe + С ( > 2 % ) + примеси (больше, чем у стали).
Что общего и в чем различия (табл. 3.1) между этими сплавами?
Таблица 3.1
Сравнительные показатели чугунов и сталей
№ |
Наименование показателей |
Чугун |
Сталь |
1 |
Содержание углерода, % |
> 2 % |
< 2 % |
2 |
Содержание S, P, Mn, Si |
много * |
меньше |
3 |
Структура |
ледебурит,…. |
аустенит, феррит,… |
4 |
Хрупкость |
более хрупкий * |
|
5 |
Твердость |
|
более твердая * |
6 |
Прочность |
|
выше * |
7 |
Ковкость |
|
выше * |
8 |
Литейные свойства |
выше |
|
9 |
Изготовляемые детали |
станины, корпуса, |
валы, шестерни,… |
10 |
Технология изготовления |
литье и механ. обраб. |
прокатка и механ. обраб. |
11 |
Свариваемость |
хуже |
|
- чаще всего.
Основа у чугуна и стали одна — железо. Главное отличие заключается в том, что чугун имеет повышенное содержание углерода (свыше 2 % в чугунах и до 2 % в сталях). Граница между этими сплавами проходит по содержанию углерода (2 %) в сплаве Fe - С. Во многих чугунах значительно больше, чем в сталях марганца, серы, фосфора и кремния.
Стали чаще всего более твердые, прочные и износостойкие. Чугуны же более хрупкие, но обладают хорошими литейными свойствами. Сталь является производной от чугуна, т.к. ее производство в основном двух стадийное: из железных руд сначала получают чугун, далее из чугуна и стального лома получают сталь.
Современное производство чугуна и сталей выполняется по схеме, представленной на рис. 3.4. Чугун выплавляется в домнах. Это сложное инженерное сооружение, работающее непрерывно в течение 5..10 лет. Печь работает по принципу противотока. Сверху загружается руда, флюсы и кокс, а снизу подается воздух. Кокс служит для нагревания и расплавления руды, а также участвует в восстановлении железа из окислов руды. В коксе должно быть минимум серы и фосфора. Флюсы (известняки, кремнеземы и др.) необходимы для получения шлаков. При сгорании топлива образуется окись углерода, которая и является главным восстановителем железа. Восстановление железа происходит от высших окислов к низшим и, в конечном итоге, к металлу Fe
Fe2 O3 Fe3 O4 Fe O Fe
окисью углерода СО и твердым углеродом С. Восстановление марганца, кремния и других элементов выполняется также коксом.
Ч тобы получить сталь из чугуна надо уменьшить в нем количество углерода, марганца, серы и фосфора. Сталь получают в кислородных конверторах, мартеновских печах и электропечах.
Конвертор (рис. 3.5) —это сосуд грушевидной формы, футерованный внутри огнеупорным кирпичом и подвешенный на двух кронштейнах.
Ж идкий чугун (1250…1400 С), полученный в домне, с помощью ковша заливают в конвертор. Для получения шлака добавляют в конвертор железную руду и известь, боксит и плавиковый шпат. В конвертор снизу подается воздух, или сверху – кислород. Процесс получения стали проходит быстро (12…15 мин).
Мартеновское производство менее производительное, чем конверторное, но лучше регулируется процесс, используются чугунные чушки и металлолом. Мартен это регенеративная пламенная печь. Газ сгорает над плавильным пространством, где создается температура до 1750… 1800 С.
Сталь высокого качества выплавляют в дуговых и индукционных электропечах. Процесс примерно такой же, как и в мартеновской печи, но температура выше, поэтому можно получать в электропечах тугоплавкую сталь, содержащую хром, вольфрам и др.
При выплавке электростали происходят два последовательных периода: 1 - окислительный (выгорают Si, Mn, C, Fe) за счет кислорода, воздуха и оксидов шихты; 2 - восстановительный — раскисление стали, удаление серы. Для этого в печь вводят флюс, состоящий из извести и плавикового шпата.
Индукционная плавка применяется обычно для переплавки сталей и получения высоколегированных и специальных сталей в условиях вакуума или специальной регулируемой атмосферы.
С увеличением содержания углерода (рис.3.6) повышаются твердость и прочность, снижается пластичность, улучшается обработка резанием, повышается закаливаемость, но ухудшается свариваемость стали. Твердость и прочность тем выше, чем выше дисперсность (мелкозернистость) феррита и цементита.
Вредными примесями для стали являются S, P, O, H, N.
Сера S ухудшает пластичность и вязкость; сталь становится хрупкой при высоких температурах (красноломкость), поэтому серы должно быть в сталях менее 0,05%. При наличии серы в сплаве по краям зерен создается эвтектика FeS, которая при температурах выше 985 С плавится, поэтому по границам зерен образуются трещины и металл разрушается.
Наличие фосфора Р в стали приводит к хладноломкости (возникают трещины уже при комнатной температуре и, особенно, интенсивно при отрицательных температурах), ухудшаются пластичность и вязкость сплава. В высококачественных сталях должно быть фосфора менее 0,03% .
Марганец Mn раскисляет сталь и нейтрализует вредное влияние серы S,. повышает прочность и износостойкость стали.
Кремний Si повышает упругость и прочность стали, увеличивает предел текучести, что снижает возможности холодной штамповки и высадки металла.
Чугуны
Микроструктура чугунов (табл. 3.4) зависит от скорости охлаждения металла: при быстром охлаждении будет белый чугун (углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита и ледебурита), а при медленном охлаждении будет серый чугун (углерод находится в виде графита).
Таблица 3.4
Марки и механические характеристики чугунов
Группы чугунов |
Марки чугунов |
b , МПа |
НВ |
, % |
Серые |
СЧ 10 |
100 |
120…150 |
|
|
СЧ 15 |
150 |
130…241 |
|
|
……… |
……… |
…….. |
|
|
СЧ 35 |
350 |
179…290 |
|
Высокопрочные |
ВЧ 35 |
350 |
140…170 |
22 |
|
ВЧ 40 |
400 |
140…202 |
15 |
|
……… |
………. |
…….. |
……… |
|
ВЧ 100 |
1000 |
270…360 |
2 |
Ковкие |
КЧ 30-6 |
300 |
163 |
6 |
|
КЧ 33-8 |
330 |
163 |
8 |
|
КЧ 37-12 |
370 |
163 |
12 |
|
……. |
……. |
|
…… |
|
КЧ 63-2 |
630 |
269 |
2 |
Серые чугуны делятся на модифицированные, высокопрочные и ковкие (табл. 3.4.). В серых чугунах графит имеет пластинчатую форму, в высокопрочных - шаровидную, а в ковких - хлопьевидную.
Примеры обозначения чугунов: СЧ25 ГОСТ 1412-85, ВЧ 50 ГОСТ 7293-85.