Лекции ТКМ (1) (ЛЕКЦИЯ Семенов К.Г)

ЛЕКЦИЯ 1. Цели и задачи дисциплины ТКМ

ТКМ – дисциплина, изучающая способы получения различных металлов и неметаллов, а также технологические методы формообразования заготовок и деталей литьем, обработкой давлением, сваркой и обработкой резанием.

Металлы и их сплавы.

Все известные в настоящее время химические элементы (более 100 наименований) по совокупности свойств подразделяют на металлы и неметаллы. Примерно 80 % общего числа элементов относится к металлам. Некоторые из них (мышьяк, сурьму и др.) иногда называют полуметаллами, так как по одним свойствам их можно отнести к металлам, а по другим – к неметаллам.

Металлы (от греческого металлон – копи, рудники) – вещества неорганического происхождения, многие из которых обладают характерным блеском, высокой плотностью, прочностью и твердостью, пластичностью, хорошей электро- и теплопроводностью.

Классификация металлов

Все существующие металлы условно принято подразделять на черные и цветные.

Черные металлы – железо (Fe).

Цветные металлы – все остальные, например: K (калий), Na (натрий), Ca (кальций), Al (алюминий), Mg (магний); Ni (никель), Cu (медь), Pb (свинец), Zn (цинк), Sn (олово), W(вольфрам), Ti (титан), Mо (молибден), V (ванадий), Nb (ниобий), Zr (цирконий), Au (золото), Ag (серебро), Pt (платина) и т.д.

Цветные металлы в свою очередь подразделяются на следующие группы:

 легкие цветные, например: K (калий), Na (натрий), Ca (кальций), Al (алюминий), Mg (магний);

 тяжелые цветные с плотностью более 5 г/см3, например: Ni (никель)i, Cu (медь), Pb (свинец), Zn (цинк), Sn (олово);

 благородные, например: Au (золото), Ag (серебро), Pt (платина);

 редкие.

Редкие металлы в свою очередь подразделяют на:

 тугоплавкие (с температурой плавления выше 1875 °С), например: W (вольфрам), Ti (титан), Mо (молибден), V (ванадий), Nb (ниобий), Zr (цирконий), Та (тантал);

 легкие, например: Sr (стронций), Sc (скандий), Rb (рубидий), Cs (цезий);

 радиоактивные, например: U (уран); Ra (радий), Ae (актинидий), Pd (палладий);

 редкоземельные, например: Ge (германий), Ga (галлий), Hf (гафний), In (индий), La (лантан), Tl (таллий), Се (церий), Re (рений).

Классификация сплавов

Технически чистые металлы обладают низкой прочностью и поэтому применение их ограничено. В промышленности, как правило, применяются сплавы металлов.

Сплавом называют вещество, полученное сплавлением 2-х или более элементов, называемых компонентами сплавов.

Сплавы:

 на основе железа (Fe) называются чѐрными или железоуглеродистыми сплавами (стали, чугуны);

 на основе цветных металлов, таких как K (калий), Na (натрий), Ca (кальций), Al (алюминий), Mg (магний) называются легкими цветными сплавами;

 на основе цветных металлов, таких как Ni (никель)i, Cu (медь), Pb (свинец), Zn (цинк), Sn (олово) называются тяжѐлыми цветными сплавами;

 на основе тугоплавких металлов, таких как W(вольфрам), Ti (титан), Mо (молибден), V (ванадий), Nb (ниобий), Zr (цирконий), и т.д. называются тугоплавкими сплавами.

В зависимости от количества основных компонентов, входящих в состав сплава, различают сплавы двойные (бинарные) и сложные (тройные, четверные и т. д.).

Примеси сплавов

Помимо основных компонентов в состав сплавов входят примеси:

 случайные (попадают в сплав во время его приготовления);

 специальные (вводятся в сплав в виде добавок для придания ему необходимых эксплуатационных свойств).

Введение в сплав специальных добавок называется легированием, а сама добавка – лигатурой. Составляющими лигатуры могут быть как отдельные элементы (легирующие элементы), так и сплавы этих элементов.

Помимо этого различают примеси вредные (S, P, O2, H2, N2), ухудшающие свойства материалов, и полезные, улучшающие их свойства - (легирующие элементы).

Структура сплавов

По структуре сплавы разделяют на твердые растворы, механические смеси и химические соединения.

а) Если атомы входящих в состав сплава компонентов имеют незначительные различия в размерах и строении электронной оболочки, то они как правило образуют общую кристаллическую решетку. Такая структура называется твердым раствором.

б) Механическая смесь получается, когда компоненты сплава не могут образовать общую решетку и каждый из них кристаллизуется самостоятельно.

в) При химическом взаимодействии компонентов сплава получается новое вещество, свойства которого резко отличаются от свойств исходных компонентов; такой сплав называют химическим соединением.

В составах сплавов могут сочетаться все три рассмотренных вида строения.

Классификация сталей и чугунов

Классификация и маркировка сталей

Сталями называются сплавы железа (Fe) с углеродом (С ≤ 2,14 %), а также другими элементами.

Классификация сталей

Стали, классифицируют по следующим признакам.

1. Химический состав

В зависимости от химического состава различают стали углеродистые и легированные.

Углеродистые стали подразделяют на:

 малоуглеродистыми, содержание углерода С < 0,25 %;

 среднеуглеродистыми, содержание углерода 0,25 ≤ С ≤ 0,60 %

 высокоуглеродистыми, содержание углерода С > 0,60 %

Легированные стали подразделяют на:

 низколегированные, суммарное содержание легирующих элементов до 2,5 %

 среднелегированные, суммарное содержание легирующих элементов от 2,5 до 10 %;

 высоколегированные, суммарное содержание легирующих элементов свыше 10 %.

2. Назначение

По назначению различают стали:

а) Конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий деталей машин и приборов).

б) Инструментальные, предназначенные для изготовления режущего, мерительного, штампового и прочего инструментов. Эти стали содержат более 0,65 % углерода.

в) Специальные стали с особыми свойствами:

 с особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками (электротехническая сталь)

 с особыми химическими свойствами, например, коррозионностойкие, жаростойкие или жаропрочные стали.

Легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначают русскими буквами (таблица 1):

Классификация и маркировка чугунов

Чугунами называются сплавы железа (Fe) с углеродом (С > 2,14%), а также другими элементами.

Классификация чугунов

Чугуны классифицируют по следующим признакам.

1. Степень графитизации

Углерод в чугуне может находится в связанном состоянии в виде карбида, называемого цементитом (Fe3C), а также в частично или полностью свободном состоянии в виде графита. Состояние углерода в чугуне его прочностные свойства. 26

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

 серый чугун - углерод находится в частично или полностью свободном состоянии в виде графитовых включений

 белый чугун – весь углерод находится в виде цементита Fe3C;

2. Структура металлической матрицы (основы)

В зависимости от структуры металлической матрицы различают:

 чугуны на ферритной основе (ферритные чугуны);

 чугуны на феррито-перлитной основе (феррито-перлитные чугуны);

 чугуны на перлитной основе (перлитные чугуны).

Структура металлической матрицы зависит от скорости охлаждения изделия. По повышению скорости охлаждения и, соответственно образованию структурных составляющих металлической матрицы, чугуны можно расположить в следующей последовательности: ферритные, феррито-перлитные, перлитные. При самых высоких скоростях охлаждения образуется белый чугун (структура – ледебурит).

3. Форма графитовых включений

Графитовые включения имеют следующую форму:

 пластинчатый графит (рис.1, а);

 хлопьевидный графит (рис.1, б);

 шаровидный (глобулярный) графит (рис.1, в);

 вермикулярный графит (рис.1, г)

Графитовые включения являются концентраторами напряжений. Чем острее концентратор напряжений, тем при меньших нагрузках происходит разрушение изделия. Поэтому форма графитовых включений определяет прочность чугуна. Пластины графита обладают острыми краями по сравнению с другими формами графитовых включений. В связи с этим, наименьшей прочностью обладают чугуны с пластинчатой формой

графитовых включений, а наибольшей – с шаровидной (глобулярной). Чугуны с хлопьевидным и вермикулярным графитом занимают промежуточное положение.

Классификация цветных металлов и сплавов

Алюминий и его сплавы

Медь и еѐ сплавы

Титановые сплавы Титановые сплавы разделяются на литейные и деформируемые. Наиболее известны литейные сплавы ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ9Л

Металлургия – область науки или отрасль промышленности, охватывающая различные процессы получения металлов из руд и других материалов, а также процессы, способствующие улучшению свойств металлов и сплавов.

Железная руда

Fe обладает высоким сродством к кислороду и поэтому в природе встречается в виде окислов (Fe2O3 и Fe3O4), входящих в состав минералов; помимо окислов Fe в состав минералов входит пустая порода (Al2O3, SiO2, MnO, CaO).

Механическая смесь окислов железа и пустой породы называется железной рудой.

В зависимости от содержания добываемого элемента в руде все руды делятся на богатые (добываемого элемента более 45%) и бедные (добываемого элемента от 30% до 45%). Месторождения с содержанием добываемого элемента менее 30% не разрабатываются.

Обогащение руды

Обогащение руды применяется для удаления пустой породы с целью повышения концентрации железосодержащих элементов:

1. Промывка руды водой (руду подвергают действию струи воды ,которая уносит часть легкой пустой породы).

2. Гравитационная осадка (руду помещают на дно вибрирующего сита и подвергают воздействию струи воды; тяжелые составляющие руды остаются на сите, легкие пустая порода уносятся водой).

3. Магнитная сепарация (измельчѐнную руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы и отделяющего их от пустой породы). Можно обогащать только руды, содержащие магнитные материалы.

В результате обогащения получается концентрат с содержанием Fe около 60%.