Металлы

ТЕМА 5.

Металлы.

     Промышленный потенциал  любой державы в значительной мере определяется объемом производства металлов. Исключительно важное значение  металлов  в  современной технике и строительстве объясняется их ценными свойствами:  высокой прочностью,  пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью,  хорошими ли-

тейными 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.

5.1. Классификация металлов.

     ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ - это сплавы железа с углеродом. К ним относятся: сталь,  содержащая углерода до 2 %, и чугун, содержащий углерода от 2% до 6,67%.

     ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ:

Рекомендуемые материалы

      - легкие  ( Al, Mg, Be );

      - тяжелые ( Cu, Ni, Zn, Cr, Pb, Sn );

      - редкие  ( Ti, W, Mo, Zr );

      - благородные ( Au, Pt, Ag );

5.2. Строение металлов.

     Все металлы  имеют  кристаллическое  строение.   Наиболее распространенные кристаллические   решетки   металлов:  объемно-центрированный и гранецентрированный куб,гексогональная.

     Физико-механические свойства чистых металлов определяются природой атомов,  образующих  их  кристаллическую  решетку,  и структурой самого металла.

     На микро- и макроструктуру металлов существенное  влияние оказывают условия  их  затвердевания  и  дальнейшего  охлаждения.При охлаждении расплава металла до  температуры  несколько ниже температуры  плавления в жидкости возникают отдельные высокодисперсные кристаллические  образования,  так   называемые

центры  кристаллизации или зародыши. При дальнейшем охлаждении происходит рост кристаллов путем отложения новых кристаллических групп вокруг возникших зародышей.

     В условиях несвободной кристаллизации кристаллы получаются неправильной формы и называются  кристаллитами или зернами. Чем мельче зерна,  тем прочнее и пластичнее  металл.  Величина зерна зависит  от числа зародышей и от линейной скорости кристаллизации: чем больше число зародышей и меньше линейная  скорость кристаллизации, тем мельче кристаллы.

     Оба эти параметра зависят от скорости охлаждения и степени переохлаждения расплава чистого металла.  Чем выше скорость охлаждения, тем глубже и степень переохлаждения,  что вызывает возрастание числа зародышей и,  как следствие, образование более мелких кристаллов.

     Температура перехода металла из жидкого состояния в твердое называется первичной температурой кристаллизации t  Температура перехода в твердом состоянии из  одной  кристаллической модификации в другую ( явление аллотропии ) называется вторичной температурой кристаллизации или критической t  .

             Рис. 5.1. Кривая охлаждения расплава.

     На кривых охлаждения (рис. 5.1) эти температуры отмечены горизонтальными участками, так как процесс кристаллизации идет с выделением тепла,  поэтому в момент аллотропных превращений и первичной кристаллизации понижение температуры  в  системе  не происходит.

5.3. 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.  Большинство сплавов на основе железа имеют температуру плавления ниже, чем составляющие его компоненты.

.    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.

     При испытании металлов на растяжение различают предел упругости, предел текучести,  предел прочности. Основным расчетным показателем для металлических конструкций является  предел текучести.

Рис. 5.2. Диаграмма растяжения металлов.

     σ_р = N_р /F_о - предел пропорциональности, то наибольшее напряжение, при котором  деформация  растет пропорционально нагрузке.

     σ_s = N_s /F_s - предел текучести,  то  наименьшее  напряжение,

при котором деформация растет без заметного увеличения нагруз-

ки.

     σ_в = N_в /F_о - предел прочности, то напряжение, которое соот-

ветствует максимальной нагрузке, предшествующей разрушению об-

разца.

     σ_к = N_к /F_о - истинный предел прочности,  то напряжение, при

котором произошло разрушение образца при концентрации напряже-

ния в одной точке.

     F_о - первоначальное сечение образца,мм² .

     σ - напряжение,кгс/мм² (Н/м² ),    1кгс/мм²  = 10 МПа.

     l_о - длина образца первоначальная, мм.

     l_r - длина образца после разрушения, мм.

     ∆ - абсолютное удлинение образца, равное  ∆ = l_к – l_о  , мм.

     Е  - относительное удлинение образца, равное  Е = ∆ /l_о .

     Испытание на изгиб  проводится для листового металла толщиной не более 30 мм на прессе для определения его способности принимать заданный по размерам и форме изгиб.  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. Испытание на удар производят  на  специальных  маятниковых  копрах, применяя  стандартные  образцы  с надрезом.  Удельная  ударная вязкость

                                а_у = А_р /F,                      (5.1.)

где  А - работа, затраченная на разрушение образца, Дж/м²;

     F - площадь поперечного сечения образца в месте надреза,м².

     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. Он начинается сразу после возникновения мгновенной деформации. Под действием длительно приложенной нагрузки может развиться  значительная  деформация металлической конструкции, а иногда и ее разрушение. Таким образом, ползучесть лимитирует длительность  эксплуатации  конструкций, работающих под постоянной нагрузкой, особенно в условиях повышенных температур.

     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.

5.4. 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 ),

которые содержат 30...70 % железа, пустую породу из различных природных химических соединений ( SiO₂, Al₂O₃ и др.), и вредные

примеси ( сера, фосфор).

     Флюсы -  известняк  СаСО₃  или доломит СаСО₃*МgСО₃, если в пустой породе содержится большое количество кислотных  оксидов, кварц, кварцит,  песчаник,  если в пустой породе имеется повышенное содержание основных оксидов. Флюсы вводятся для понижения температуры плавления пустой породы, для ошлаковывания золы топлива и удаления вредных примесей.

     Кокс в доменном процессе выполняет роль топлива и восстановителя железа.  При его горении выделяется большое количество тепла

С + О₂  = СО₂ + 402 192 Дж.

     При последующем продвижении в домне снизу вверх СО встречается с кусками  раскаленного  кокса и  восстанавливается его углеродом по реакции

С + СО₂ = 2СО - 157 920 Дж.

Максимальная температура доменного  процесса составляет 1900 С.

Восстановление железа в домне идет по схеме

Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe

с образованием  губчатого железа. В поры губчатого железа проникает углерод,  и железо  науглероживается  (до 3,5...4 %) по реакции

3Fе + 2СО = Fе₃С + СО₂ .

     Далее науглероженный металл  расплавляется  и  стекает  в горн доменной печи, при этом происходит его дальнейшее насыщение углеродом за счет соприкосновения с раскаленным коксом.

     При доменной плавке восстанавливаются также и другие элементы, находящиеся в руде, по следующим реакциям:

SiO₂ + 2C = Si + 2CO;

MnO + C  = Mn +  CO;

Р₂О₅ + 5С = 2Р + 5СО.

     Эти элементы,  а также часть серы в виде FеS, переходят в чугун.

     Продукты доменного производства: чугун, накапливающийся в нижней части  горна,  огненно-жидкие шлаки,  как более легкие, собирающиеся поверх чугуна, и доменный газ, выходящий из верхней части домны.

     ДОМЕННЫЙ ГАЗ - топливо длянужд металлургической  промышленности.

     ДОМЕННЫЕ ШЛАКИ - ценное сырье в промышленности стройматериалов; их используют для производства шлаковой ваты, шлаковой пемзы, шлакопортландцемента,  заполнителей для легких бетонов, шлакоситаллов и т.п.

     ЧУГУН - литейный, передельный и ферросплавы.

     Передельный  чугун  составляет  80...90 %  всей  выплавки, цвет его  белый, так как весь углерод  связан с железом в Fе С, идет на переделку в сталь. Из белого чугуна, кроме того, получают ковкий чугун путем длительного отжига при высоких  температурах, что вызывает частичный распад карбида железа.  Ковкий

чугун более прочен и пластичен, легче обрабатывается.

     Литейный чугун  серый (СЧ) за счет  свободного  углерода, который в виде графитовых пластин перерезает металлическую основу  чугуна; применяется для конструкций,  работающих на сжатие, для санитарно-технических  и  архитектурно-художественных изделий, плит для пола и др.

     Модифицированный серый  чугун (МСЧ) имеет  более  высокие механические свойства  за  счет шаровидной раздробленной формы графита; применяется для отливок ответственных деталей.

Механические свойства чугунов.

     Вид чугуна     Предел прочности        Предел прочности

                    на растяжение. ПМа     на сжатие, МПа

         СЧ            120...280             280..   .480

         МСЧ           280...480             380...   600

     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 %.

Применяют их для раскисления и легирования стали.

5.5. С Т А Л Ь .

     Сталь получают из  передельного  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

             2Fe + O₂ = 2FeO       и далее

FeO + C = CO + Fe.

     Так как  излишнее содержание закиси железа вызывает хрупкость стали, производят раскисление жидкого металла путем ввода ферросплавов по следующей схеме

FeO + Mn → MnO + Fe ;

2FeO + Si → SiO₂ + Fe ;

3FeO + 2Al → Al₂O₃ + 3Fe.

Образовавшиеся оксиды удаляются вместе со шлаком.

     В зависимости от степени раскисления различают спокойную, полуспокойную и кипящую сталь.  Спокойная сталь (сп),в которой нет закиси железа,  наиболее качественная и  дорогая.  Кипящая сталь (кп), в которой  процесс  раскисления прошел не до конца, и в ней  имеются  пузырьки  газа  СО, при разливке в изложницы " кипит".  Она дешевле спокойной  стали, но  качество ее  ниже,

хотя она  сваривается и  удовлетворительно  обрабатывается, но при температуре  -10 С она  становится  хрупкой. Полуспокойная сталь (пс) по своим свойствам занимает промежуточное положение между двумя первыми.

     Современные способы   производства  стали:  конверторный, мартеновский и электроплавильный.

     При  конверторном  Бессемеровском  способе  жидкий  чугун заливают в  конвертор  и продувают горячим воздухом,  при этом выгорают и удаляются со шлаком С,  Мn,  Si, а S и Р остаются в стали. При  Томасовском  конверторном  процессе перед заливкой чугуна в конвертор подают свежеобожженную  известь.  При  этом образующиеся основные шлаки удерживают вредные примеси (S и Р).

     Процесс конверторной варки стали  очень  экономичен,  так как не  требует дополнительного подвода тепла (необходимая для нагрева стали теплота выделяется в результате химических реакций окисления  углерода  и примесей чугуна),а время варки составляет 20...30 мин,  однако невозможно получить сталь точного

химического состава.

     Кислородно-конверторный способ производства стали -  наиболее перспективный. В нем дополнительно используется продувка кислородом, что позволяет довести качество конверторных сталей до уровня сталей, выплавляемых в мартенах и электропечах.

   При мартеновском способе варки стали различают:

     скрап-процесс, при котором сырьем служит смесь чушкового чугуна и скрапа (стального лома);

     рудный процесс,  при котором  используют в качестве шихты смесь жидкого чугуна, железной руды и отходов металлургической промышленности;

     скрапно-рудный процесс, при котором шихта состоит из руды, жидкого чугуна и скрапа в равных соотношениях.

     Варка в мартеновских печах продолжается 4...8  часов  при использовании топлива с  систематическим отбором проб стали на химический анализ.  Мартеновские стали получают точного  химического состава, качество их выше конверторных.

     Наиболее совершенным способом производства стали является электроплавильный способ. В электрических печах получают высококачественные и легированные стали.  Однако производство  это достаточно дорогое.

5.6. Влияние нормальных примесей  на механические

свойства стали

     В состав сталей в силу условий их получения всегда входят так называемые нормальные примеси - Si, Mn, S, P, O₂.

     Содержание кремния до 0,35 % и марганца до 0,9 % на прочность стали не влияет.

     Фосфор - вредная примесь,  допустимое содержание  его  не более 0,055 %,  так как он способствует росту зерен, что уменьшает пластичность и увеличивает хрупкость металла.

     Сера - вредная примесь, допустимое содержание ее не более 0,055 %.  В стали сера находится в виде сернистого железа FeS, которое образует на зернах металла хрупкие оболочки.  При нагревании стали до красного каления оболочки частично расплавляются, вызывая красноломкость стали. Такая сталь непригодна для прокатки, ковки, сварки.

     Кислород -  вредная  примесь,  в металле находится в виде закиси железа FеО, которая образует легкоплавкие оболочки вокруг зерен стали. Кислород обуславливает красноломкость и хладноломкость (резкое повышение хрупкости стали при отрицательных температурах),понижение пластичности и ухудшение свариваемости стали. При содержании О₂  >  0,03  %  происходит хладноломкость стали, при содержании О₂  >  0,1 % - красноломкость.

5.7. Классификация сталей

     По химическому составу стали делятся на

                                  углеродистые и

                                  легированные.

     Углеродистые стали классифицируют:

     - по степени раскисления  на  кп, пс и сп ;

     - по применению на

        конструкционные, содержащие углерода С < 0,65%,

        инструментальные, содержащие углерода С = 0,65...1,5%;

     - по качеству на

        обыкновенного качества,

        качественные,

        высококачественные;

     - в зависимости от гарантируемых характеристик на

        группу А, поставляемую по механическим свойствам,

        группу Б, поставляемую по химическому составу,

        подгруппу В, поставляемую по  механическим  свойствам  и химическому составу.

    Стали каждой группы делятся на марки.

    Марка стали - это класс стали по прочности,  устанавливаемый по пределу текучести, пределу прочности и величине относительной деформации.

     Сталь группы А имеет марки Ст0,  Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, Ст7.

     Сталь группы Б имеет те же  марки,  что и сталь группы  А, но перед маркой ставится буква Б (БСт0, БСт1 и т.д.).

     Сталь группы В имеет марки ВСт2, ВСт3, ВСт4 и ВСт5.

     По мере увеличения номера стали повышается содержание углерода, а также  прочность, твердость  и  износоустойчивость, но понижаются пластичность и ударная вязкость,  ухудшается свариваемость.

Маркировка углеродистых сталей.

1) Углеродистая сталь обыкновенного качества. В ее маркировке указаны способ выплавки, марка стали и степень раскисления.

   Например:  КСт3кп - конверторная сталь марки 3,  кипящая,

                   МСт2пс - мартеновская сталь марки 2, спокойная.

     2) Углеродистая конструкционная качественная сталь.  В ее маркировке указано  среднее  содержание углерода в сотых долях процента  от 08 до 80  и степень раскисления. Например:

       08КП -  кипящая  сталь  с  содержанием  углерода 0,08%,

       10ПС - полуспокойная сталь с содержанием углерода 0,1%.

     Поставляется она  по  химическому  составу и механическим свойствам и выплавляется в кислородных конверторах и мартенах.

     3) Углеродистая инструментальная качественная сталь. В ее маркировке  цифры обозначают среднее содержание углерода в десятых долях процента от 7 до 13.  Например У7 - инструментальная качественная сталь с содержанием углерода 0,7 %.

     4) Углеродистая инструментальная высококачественная сталь маркируются  так  же,  только добавляется  буква  А.  Например: У7А, У8А и т.д.

     В строительстве инструментальная сталь применяется с обязательной термической обработкой.

5.8. Состав и свойства  железоуглеродистых сплавов

     1) Аллотропные  превращения чистого  железа. Железо имеет четыре аллотропные формы: α -Fe, β -Fe, γ -Fe и δ -Fe.  Практическое значение имеют только  α -Fe и  γ -Fe, так как  β -Fe и  δ –Fe отличаются от  α -Fe только  величиной  межатомного  расстояния в кристаллической  решетке   объемно-центрированного  куба,  а для  β -Fe характерно еще отсутствие магнитных свойств.

     Аллотропные превращения железа видны на его кривой охлаждения (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Кривая охлаждения железа.

     Свойства γ -Fe и α -Fe значительно отличаются. γ -Fe не магнитно, хорошо растворяет углерод и образует с ним твердый раствор переменного состава - аустенит.

     α -Fe обладает магнитными свойствами, в 100 раз хуже растворяет углерод, образуя  с ним твердый раствор - феррит.

     2) Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

     АУСТЕНИТ - твердый  раствор углерода в  γ -Fe. Атомы углерода внедряются в кристаллическую решетку  γ -Fe, причем  насыщение может быть различным в зависимости от температуры,  максимальное содержание  углерода  2,14  %.  Область сущесвования аустенита 1392...723 С,  твердость его НВ = 170...200, магнитными свойствами не обладает.

     ФЕРРИТ - твердый раствор углерода в α -Fe переменного состава, максимальное содержание углерода 0,02 %, область существования с 910˚С.  Феррит мягкий, пластичный, сильно магнитный, хорошо проводит тепло и электричество, при отсутствии примесей не корродирует. Твердость феррита НВ = 60...80.

     ЦЕМЕНТИТ -  карбид железа (Fe₃C),  химическое соединение, содержащее 6,67 %  углерода.  Имеет металлический блеск, слабо магнитен, плохо проводит электрический ток и тепло, очень твердый (НВ = 800) и хрупкий, неустойчив, распадается при термической обработке.

     ПЕРЛИТ - механическая смесь феррита и цементита, эвтектоид, образующаяся  при  723˚С и содержании  углерода  0,83 % в результате распада аустенита. Твердость перлита НВ = 160...260.

5.9. Упрочение стали

     Упрочение стали достигается термической обработкой, которая заключается в нагреве стали до  определенной  температуры, выдержке при  этой  температуре  и охлаждении по определенному режиму.

     1) Структура стали в зависимости от режима охлаждения.

     Сталь  при разных  режимах  охлаждения  может  приобрести структуру мартенсита, троостита, сорбита или перлита.

     МАРТЕНСИТ образуется при резком охлаждении стали и представляет  собой  пересыщенный раствор углерода в  α - Fe с искаженной кристаллической решеткой.  Это объясняется тем, что при резком охлаждении происходит только частичный распад аустенита, заключающийся в перестройке кристаллической решетки из  гране-

центрированной в объемно- центрированную, однако углерод выделиться не успевает.  Мартенсит наиболее неустойчивая и, в то же время, наиболее твердая и хрупкая структура стали

     ТРООСТИТ образуется при менее быстром  охлаждении  стали, распад аустенита  происходит полнее,  и структура стали представляет собой высокодисперсную смесь феррита и цементита.  Углерод, выделяющийся из решетки  α -Fe, образует цементит Fe₃C с величиной зерна 10^-10 ...10^-9 м.

     СОРБИТ образуется   при   средних  скоростях  охлаждения. Структура стали представляет собой уже  грубодисперсную  смесь феррита и цементита (диаметр зерен цементита 10^-8 ..10^-7 м).

     ПЕРЛИТ образуется при очень медленном  охлаждении  в  результате полного распада аустенита.  Перлит - это  равновесная структура стали,  представляющая собой грубодисперсную смесь феррита и цементита (диаметр зерна цементита 10^-6м).

     При переходе от мартенсита к перлиту происходит  уменьшение твердости и хрупкости, повышение прочности и пластичности.

     2) Виды термической обработки стали.

     ЗАКАЛКА - нагрев стали до состояния аустенита, выдержка и быстрое охлаждение.  При охлаждении в холодной воде получается мартенсит,  в горячей  воде - троостит, в  расплавленном свинце - сорбит. Цель - понижение хрупкости и повышение  прочности стали.

     ОТПУСК -  нагрев  стали  до  600˚С,  выдержка и охлаждение. Цель - понижение внутренних напряжений закаленной на  мартенсит стали, снижение ее твердости и хрупкости.

     ОТЖИГ - нагрев стали до состояния аустенита,  выдержка  и охлаждение вместе  с печью.  Структура металла становится мелкокристаллическая, возрастает пластичность.  Цель -  понижение твердости стали для повышения обрабатываемости режущим инструментом.

     НОРМАЛИЗАЦИЯ -  нагрев стали до состояния аустенита,  выдержка и охлаждение на воздухе. Цель - получение стали с высокой пластичностью и ударной вязкостью при повышенной прочности.

     ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА - горячая или теплая деформация изделия  нагретого  до  состояния  аустенита с последующим регламентированным охлаждением. Цель - получение закаленной на мартенсит стали  с мелкодисперсной структурой повышенной плотности, которая обуславливает высокие механические свойства металла.

     Степень достижения цели термической обработки определяется температурой нагрева, временем выдержки при этой температуре и режимом охлаждения.

3) Химико-термическая обработка стали.

     Химико-термическая обработка стали проводится с целью упрочения ее поверхностных слоев (повышения твердости,  износостойкости и т.п.). Она заключается в изменении химического состава стали на поверхности изделия и последующей термообработке.

     ЦЕМЕНТАЦИЯ -  поверхностное  насыщение   малоуглеродистой стали углеродом с целью получения твердой поверхности и вязкой сердцевины.

     АЗОТИРОВАНИЕ -  поверхностное  насыщение  стали  азотом с целью получения очень высокой твердости, повышенной коррозионной стойкости.

     ЦИАНИРОВАНИЕ - одновременное насыщение поверхности металла азотом и углеродом для повышения износоустойчивости и усталостной прочности.

     ДИФФУЗИОННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ  - процесс поверхностного насыщения стали алюминием (алитирование),  хромом  (хромирование), кремнием (силицирование),  бором  (борирование) и другими элементами. Цель - резкое повышение жаростойкости, износоустойчивости, коррозионной стойкости стали.

5.10. Применение углеродистых сталей

     В строительстве сталь используют для изготовления несущих конструкций, армирования железобетона, устройства кровли, форм железобетонных изделий  и  т.д.  Правильный  выбор марки стали обеспечивает экономичный  расход  металла  и  успешную  работу конструкции.

     Для изготовления несущих  сварных и клепаных  конструкций рекомендуются стали  обыкновенного качества группы В следующих марок:  ВМСт3кп, ВМСт3пс, ВМСт3сп и ВКСт3кп, ВКСт3пс, ВКСт3сп.

     Для конструкций,  не  имеющих  сварных соединений,  и для сварных конструкций, воспринимающих лишь статические  нагрузки, рекомендуются стали следующих марок: ВМСт4кп, ВМСт4пс, ВМСт4сп и ВМСт5кп,  ВМСт5сп,  ВМСт5пс и кислородно-конверторные  стали тех же марок.

     Для изготовления арматуры используются углеродистые стали марок Ст3 и Ст5 мартеновские и конверторные.

     Для изготовления болтов и шурупов применяется ст4 и ст5.

     Для изготовления осей,  валов и других деталей машин применяется ст6.

5.11. Легированные стали

     Легированные  стали - это стали, в состав которых  специально вводят один или несколько легирующих элементов для улучшения их физико-механических свойств.

     Легирующие элементы  делятся на две группы:  группу никеля, расширяющую область существования  γ -Fe  -  это Ni, Co, Mn, и группу хрома, сужающую область существования  γ -Fe  - это Cr, Al, Zn, Si, W, Ti, Mo.

     При большом  содержании никеля легированный аустенит сохраняется в сталях до комнатных температур.  При большом содержании хрома сталь состоит только из легированного феррита, а  γ -Fe вообще не образуется.

Классификация легированных сталей.

     По структуре легированные стали делятся на классы.

     ПЕРЛИТНЫЙ КЛАСС - стали при охлаждении на воздухе  приобретают  структуру, близкую к  равновесной. Это  строительные и машиностроительные стали.

     АУСТЕНИТНЫЙ КЛАСС - стали при охлаждении на воздухе  приобретают аустенитную структуру. Это жаропрочные,  жаростойкие, кислотоупорные и нержавеющие стали.

     ФЕРРИТНЫЙ КЛАСС - стали сохраняют ферритную структуру при любой скорости охлаждения.  Они не воспринимают  закалку.  Это жаропрочные, жаростойкие и специальные магнитные стали.

     КАРБИДНЫЙ КЛАСС - стали  сохраняют  твердость  и  режущую способность при повышенных температурах.

     По назначению легированные стали делятся на

        - конструкционные (строительные и машиностроительные),

        - инструментальные (изготовление режущего инструмента),

        - стали с особыми физико-механическими свойствами.

     По содержанию легирующих элементов стали делятся на

        - низколегированные (легирующих элементов до 2,5%),

        - среднелегированные (легирующих элементов 2,5...10%),

        - высоколегированные (легирующих элементов более 10%).

Маркировка легированных сталей.

     Марка легированных  сталей  содержит информацию о среднем содержании входящих в нее легирующих элементах в  процентах  и среднее содержание углерода в сотых долях  процента.  Например марка легированной стали  35ХН3М  означает, что сталь содержит 0,35%  углерода,  по  1%  хрома (Х)  и  молибдена (М) и 3% никеля (Н).

    Обозначение легирующих элементов:  Г - марганец, С - кремний, Д - медь,  Х - хром,  Н - никель,  Ц - циркон, Т - титан, Ю - алюминий и т.д.

Применение легированных сталей.

     НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ  обладают  по сравнению с обычной углеродистой сталью рядом преимуществ. Их предел текучести превышает на  30%  и более предел текучести обычной Ст3.Они высокопластичны, меньше склонны к хладноломкости (критические температуры перехода низколегированных сталей в хрупкое состояние

лежат ниже минус 40˚С, а у отдельных марок ниже -60˚С), хорошо сваривается. Для  их  сварки  не требуется ни предварительного разогрева, ни последующей термической обработки  для  снижения напряжений. Коррозионная  стойкость их в 1,5 раза выше,  чем у стали марки Ст3.

     Для сварных и клепаных  несущих конструкций рекомендуются низколегированные конструкционные стали марок 14Г2, 15ГС, 10Г2С, 10Г2СД и природно-легированные стали марок  10ХСНД  и  15ХСНД.

     Для обычной арматурной проволоки рекомендуется сталь  марок  25Г2С, 35ГС и д.р.

     Для  предварительно  напряженной  арматуры - сталь  марок 30ХГ2С,  20ХГСТ,  20ХГ2Ц  и д.р.

     ЖАРОСТОЙКИЕ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ длительное время выдерживают действие  высоких  температур без образования на них окалины. Легирующие  элементы  группы  хрома  образуют  тонкие окисные пленки на поверхности стали, защищая основной металл от окисления газами при повышенных температурах.  Однако  они  не

должны испытывать при этом механических нагрузок.

     ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ имеют высокую окалиностойкость и сохраняют, кроме того,  свои механические свойства при высоких температурах. Это обычно высоколегированные хромо-никелевые стали.

5.12. Цветные металлы и сплавы

     АЛЮМИНИЙ - легкий  серебристый  металл, обладающий  малой плотностью -  2700 кг/м³, малой  твердостью - НВ = 20,  низкой прочностью на  растяжение,  высокой  атмосфероустойчивостью. В строительстве широко применяются сплавы алюминия с легирующими добавками (Mn, Cu, Mg, Si, Fe), повышающими его прочность.

     Сплавы алюминия делятся на литейные (силумины) и деформируемые (дюралюмины), идущие на прокатку профилей, листов и т.д. Алюминиевые сплавы приближаются по прочности к основным маркам строительных сталей,  но легкие и имеют  высокую  коррозионную стойкость.

     СИЛУМИНЫ - сплавы алюминия с кремнием (до 14%),  обладающие высокой прочностью (предел прочности  200 МПа), твердостью НВ = 50...70, при достаточно  высокой  пластичности.  Силумины характеризуются  высокими литьевыми качествами.

     ДЮРАЛЮМИНЫ -  сложные сплавы алюминия с медью,  кремнием, марганцем, магнием и др.  Предел прочности  дюралюминов  после термической обработки составляет 400...480 МПа.

     Применение дюралюминов особенно эффективно для  конструкций большепролетных сооружений, в сборно-разборных конструкциях, в сейсмическом строительстве, в конструкциях, работающих в агрессивных средах.  Используется он в виде проката - уголков, швеллеров, двутавров, труб круглого и прямоугольного сечения.

     Из листов алюминиевых сплавов  изготавливают  трехслойные навесные панели с заполнением пенопластом. Вводя газообразователь, получают  высокоэффективный  материал  пеноалюминий   со средней плотностью 100...300 кг/м³.

     Дюралюмин, как  конструкционный  материал,  имеет  низкое значение модуля упругости, прочность его понижается при температурах выше 400˚С и повышается при отрицательных температурах, коэффициент линейного расширения  примерно в 2 раза выше чем у стали, характеризуется пониженной свариваемостью.

     ТИТАН обладает  высокой коррозионной стойкостью,  меньшей по сравнению со сталью плотностью (4500 кг/м³), высокими прочностными свойствами, повышенной теплостойкостью.

     На его основе создаются  легкие  и  прочные  конструкции, способные работать при повышенных температурах.

     МЕДЬ - металл красноватого  цвета,  отличающийся  высокой теплопроводностью и стойкостью против атмосферной коррозии. При высокой пластичности обладает невысокой прочностью.

     Сплавы на основе меди - это латунь,  бронза, баббиты.

Латунь - сплав меди и цинка,  бронза - сплав меди и  олова. Оба эти сплава  прочны,  обладают высокими антифрикционными свойствами, поэтому их широко применяют для изготовления  кранов  и вентилей.

     Баббиты - сплавы  меди, свинца и олова,  применяются  для изготовления подшипников.

     ЦИНК - применяется для кровельных покрытий, карнизов,  водосточных труб.

     СВИНЕЦ - применяется для особых видов изоляции, для  футеровки химических аппаратов.

5.13. Коррозия металлов

     Различают два  вида  коррозии - химическую и электрохимическую.

     ХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ  возникает при действии на металл при высоких температурах сухих газов,  масел,  бензина,  керосина, окислителей, кислорода воздуха.

     При 200...300˚С на стальных изделиях появляется пленка из продуктов коррозии, которая до определенной температуры выполняет роль защитной пленки.  Поэтому до 600˚С скорость  газовой коррозии очень мала, но с ростом температуры защитные действия пленки прекращаются.  Чем выше температура, тем быстрее разру-шается пленка и ускоряется коррозия.

     Однако легированные стали могут нагреваться без признаков коррозии до более высоких температур.

     Алюминий при высоких температурах покрывается тонкой  защитной пленкой.  которая сохраняется до температуры плавления.

Поэтому добавка алюминия повышает химическую стойкость стали.

     Медь защитную пленку образует на воздухе при обычных температурах. Добавка к ней алюминия и бериллия делает ее  жаростойкой, сопротивляемость меди к окислению резко повышается.

     ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ  возникает при действии на металл растворов кислот и щелочей, в результате чего на корродирующей  поверхности металла возникает множество микрогальванических элементов, вырабатывающих  электрический  ток. При этом металл отдает свои ионы электролиту, а сам постепенно разруша-ется.

     Коррозия может  быть  местной,  когда  разрушение металла идет на отдельных участках,  равномерной  -  металл  одинаково разрушается по  всей поверхности и межкристаллитной - разрушение идет уже по границам зерен.

Способы защиты металла от коррозии.

     1) Покрытие металла различными красками, лаками, эмалями, полимерными материалами.

     2) Легирование стали.

     3) Воронение - получение на поверхности металла защитного слоя, состоящего из оксидов данного металла.

     4) Покрытие металла пленкой из другого металла, менее подверженного коррозии в данных условиях.

     Металлические покрытия наносятся горячим и гальваническим методами и металлизацией. Горячий метод - изделие  погружают в ванну с  расплавленным защитным металлом,  температура плавления  которого ниже температуры плавления изделия.  Гальванический метод  -  изделие  погружают в солевой раствор в качестве катода, а осаждаемый металл служит анодом; при действии постоянного электрического  тока  на  изделии создается тонкий слой защитного покрытия.  Металлизация - покрытие поверхности изделия расплавленным металлом, распыляемым сжатым воздухом.

     5) Оксидирование - создание на поверхности металла пассивирующей пленки в кислой или щелочной среде в присутствии сильных окислителей (концентрированная азотная  кислота,  растворы марганцевой и хромовой кислоты), так называемое катодное окисление.

     6) Фосфатирование  -  получение  на изделии поверхностной пленки из нерастворимых солей железа или марганца путем погружения металла  в  горячие  растворы кислых фосфатов железа или марганца.

5.14. Производство металлических изделий

     ПРОКАТКА  -  обжатие  стального  слитка,  разогретого  до температуры 900...1250˚С,  до требуемой формы и размеров путем пропуска его через ряд валков с уменьшающимся зазором.

     Прокаткой получают балки,  рельсы,  листовую и  прутковую сталь, арматуру,  трубы. После прокатки изделия подвергают необходимой термической обработке.

     КОВКА - процесс деформации металла под действием повторяющихся уларов молота или пресса.  Ковка может быть  свободной, когда металл под ударами молота растекается свободно,  и штампованная, когда металл  под  ударами  молота  заполняет  формы штампа, а избыток его вытекает в специальную канавку и отреза-

ется.

     Штамповка позволяет  получить изделия очень точных размеров. Клепка также относится к операциям ковки.

     ВОЛОЧЕНИЕ -  протягивание  металлической  заготовки через отверстие, сечение которого  меньше  сечения  заготовки, металл обжимается, а  профиль  его строго соответствует форме отверстия. Заготовки - это предварительно прокатанный или  прессованный пруток или труба.

     Волочение проводят в холодном состоянии,  изделие получается точных профилей и с гладкой поверхностью.

     Волочением изготавливают трубки,  круглые,  квадратные  и шестигранные прутки.

5.15. Сварка металлов

     Сварку металлов классифицируют по виду используемой энергии на газовую и электрическую,  по состоянию металла  в  зоне сварки на пластическую и сварку плавлением.

Газовая сварка.

     Газовая сварка заключается в расплавлении металла в месте стыка деталей теплом,  получаемым при горении газа или жидкого топлива в смеси с кислородом.

     В качестве горючего газа  чаще  всего  применяется  смесь ацетилена и  кислорода.  Для заполнения шва используют сварную проволоку, близкую по составу металла свариваемым деталям.

     Применяют газовую  сварку  для  соединения   тонкостенных конструкций из углеродистых и легированных сталей, цветных металлов и чугуна.

     В строительстве она имеет ограниченное  применение  из-за высокой стоимости по сравнению с электросваркой.

Электрическая сварка.

     Электрическая сварка производится за счет тепла, выделяемого электрическим током; она подразделяется на

     - электрическую  сварку  сопротивлением  или   контактную сварку (стыковую, точечную и роликовую),

     - электродуговую сварку,

     - газодуговую сварку.

     ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРКА СОПРОТИВЛЕНИЕМ или контактная  сварка - это процесс соединения деталей путем нагрева их до пластического состояния с  последующим  сдавливанием, которое облегчает взаимное проникновение атомов одного металла в другой.

     Контактная сварка - один из производительных видов сварки давлением. Процесс сварки можно легко механизировать и автоматизировать, поэтому ее широко применяют  в  машиностроении  и строительстве.

     СТЫКОВАЯ СВАРКА СОПРОТИВЛЕНИЕМ заключается в том, что изделие помещают в зажимы машины,  прижимают друг к другу, затем включают ток. После нагрева металла в местах контакта происходит сварка.

     СТЫКОВАЯ СВАРКА ПЛАВЛЕНИЕМ заключается в том,  что  расплавление металла  в местах контакта происходит при непрерывном сближении торцов свариваемых деталей.  После полного сближения происходит сварка при их механическом сжатии.

     Стыковую сварку используют для продольного соединения деталей арматуры, наращивание стержней, колонн и т.д.

     ТОЧЕЧНАЯ  СВАРКА  применяется   для  соединения   деталей " внахлестку"  или  в месте их пересечения;  их зажимают между двумя электродами, на которые подается ток большой силы. Сварка происходит за доли секунды.

     Применяется она для изготовления сеток и каркасов арматуры железобетона.

     РОЛИКОВАЯ СВАРКА применяется для соединения листового металла. От  точечной сварки она отличается тем,  что стержневые электроды в ней заменены вращающимися роликами, которые захватывают листы и создают непрерывный шов.

     ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА  осуществляется следующим  образом: один провод от источника тока присоединяется к свариваемой детали, второй - к электроду. При замыкании  цепи  между  концом электрода и деталью возникает электрическая дуга, в зоне которой плавятся кромки детали и электрод.

     Металл электрода заполняет зазор между деталями,  образуя сварной шов, прочность которого зависит от глубины провара.

     В зависимости  от  природы  свариваемых деталей электроды применяются графитовые, металлические, чугунные, алюминиевые и другие. Электроды покрывают специальной обмазкой,  которая повышает устойчивость горения дуги и  образует  шлаковую  защиту шва, предохраняя  расплавленный металл от окисления в процессе

сварки.

     Применяется электродуговая  сварка для сварки цветных металлов, наплавления металлов,  сварки тончайших стальных  листов, для сварки чугунов, для сварки конструкций и арматуры.

     ГАЗОДУГОВАЯ СВАРКА делится на аргоновую и  водородную.  В том и другом случае электрическая дуга возбуждается между двумя вольфрамовыми электродами; в первом случае в защитной среде аргона, во втором - водорода.

     При газодуговой сварке обеспечивается получения шва высокого качества.  Ее применяют для сварки тонкостенных конструкций из легированных и высоколегированных сталей,  окалиностойких магниевых и алюминиевых сплавов и сплавов, обладающих высокой антикоррозионной стойкостью.

     При любом виде сварки структура металла в зоне сварки меняется в зависимости от температуры и времени охлаждения.  Для получения необходимой  структуры пользуются последующей термообработкой (закалкой, отпуском, отжигом, нормализацией).

     Лучше всего свариваются малоуглеродистые стали (С < 0,2%) и стали с большим содержанием углерода (С > 0,4%), а также чугуны, предварительно подогретые для устранения трещин, возникающих рядом со сварным швом. Наличие примесей ухудшает свариваемость металла.

5.16. Газовая резка металлов

     Принцип газовой резки заключается в  нагреве  металла  до температуры воспламенения  в  среде кислорода,  сжигании его и выдувании образовавшихся оксидов струей кислорода.

     Железо-углеродистые сплавы, содержащие  углерода до 0,7 % имеют температуру горения ниже температуры плавления и  хорошо режутся. С  повышением содержания углерода температура горения приближается к температуре плавления, и сплавы плохо поддаются резке.

      Медь и алюминий газовой резке не поддаются,  так  как  у них температура горения выше температуры плавления.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

     1) Какие кристаллические решетки характерны для металлов?

     2) Как формируется структура металла при охлаждении?

     3) Какие виды деформации испытывает металл при растяжении?

     4) Что представляет собой общая классификация металлов?

     5) Какое сырье используется для производства чугунов?

     6) Какие виды чугунов вы знаете?

     7) Охарактеризуйте основные способы производства стали.

     8) Приведите  классификацию углеродистых сталей и их маркировку.

     9) Поясните  на  кривой охлаждения чистого железа его аллотропные превращения.

    10) Охарактеризуйте  основные структурные составляющие железо-углеродистых сплавов.

    11) Виды термической обработки стали.

    12) Какие углеродистые стали применяются для несущих конструкций зданий и сооружений?

"42 Рекомендуемая литература" - тут тоже много полезного для Вас.

    13) Что такое легированные стали и как они классифицируются?

    14) Какие легированные стали применяются для несущих конструкций зданий и сооружений?

    15) Какие существуют виды коррозии металлов?

    16) Как можно защитить металл от коррозии?

    17) Что такое дюралюмины и где они применяются?

    18) Какие  существуют  виды электрической сварки и где они применяются?