ЛуганскийНациональный Аграрный Университет
КафедраМатериаловедения
Тема: МЕТАЛЛЫ ИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ
Выполнил:
студент 633 гр.
Комаров Роман
Проверил:
Сумасшедший Погостнов
Луганск 2008
Лекция6. МЕТАЛЛЫ И МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ
6.1 Общие сведения о металлах и сплавах
Металлы –кристаллические вещества, характеризующиеся высокими электро- и теплопроводностью,ковкостью, способностью хорошо отражать электромагнитные волны и другимиспецифическими свойствами. Свойства металлов обусловлены их строением.
В технике обычноприменяют не чистые металлы, а сплавы.
Сплавы – это системы,состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. В строительствеприменяют сплавы железа с углеродом (сталь, чугун), меди и олова (бронза) имеди и цинка (латунь) и др.
Применяемые встроительстве металлы делят на две группы: черные и цветные. К черным металламотносятся железо и сплавы на его основе (чугун и сталь). Сталь – сплав железа суглеродом (до 2,14 %) и другими элементами. По химическому составу различают,стали углеродистые и легированные, а по назначению – конструкционные,инструментальные и специальные. Чугун – сплав железа с углеродом (более 2,14%), некоторым количеством марганца (до 2 %), кремния (до 5 %), а иногда идругих элементов. В зависимости от строения и состава чугун бывает белый, серыйи ковкий.
Таблица 6.1.Физико-механические свойства металлов и их сплавов.Металл Предел прочности при растяжении, МПа
Плотность, кг/м3
Чугун
Углеродистая сталь
Легированная сталь
Алюминиевые сплавы
Титановые сплавы
100…600
200…600
500…1600
100…300
до 1500
7850
7850
7850
2500…3000
4500…5000
К цветным металламотносятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана. Металлыочень технологичны: во-первых, изделия из них можно получать различнымииндустриальными методами (прокатом, волочением, штамповкой и т. п.), во-вторых,металлические изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с помощьюболтов, заклепок и сварки.
Высокаятеплопроводность металлов требует устройства тепловой изоляцииметаллоконструкций зданий. Металлические конструкции зданий необходимоспециально защищать от действия огня, т.к. они теряют устойчивость идеформируются. Большой ущерб экономике наносит коррозия металлов. Металлышироко применяют в других отраслях промышленности, поэтому их использование встроительстве должно быть обосновано экономически.
/>
6.2Строение и свойства железоуглеродистых сплавов
Металлы, как и другиевещества, могут существовать в различных кристаллических формах. Полиморфныепревращения в металлах происходят при изменении температуры. Так, притемпературе свыше 723°С железо переходит из α-модификации вγ-модификацию, при этом изменяются физико-механические свойства металла.При резком охлаждении металла высокотемпературные модификации могут переходитьв низкотемпературные. На этом, например, основана термообработка металлов(закалка, отпуск, нормализация).
Химическое соединениежелеза с углеродом, Fe3C– карбид железа, в котором содержится 6,67 % углерода, называют цементитом.Цементит хрупок и имеет высокую твердость. Чем больше цементита в сплаве, темон более твердый и хрупкий.
В сталях и чугунахферрит, аустенит и цементит существуют в виде механических смесей. Инымисловами, сталь и чугун – поликристаллические материалы, свойства которыхзависят как от химического состава (количества железа, углерода и другихпримесей), так и от структуры (типа и размера кристаллов). Например, принагревании до температуры выше 723оС твердая и прочная углеродистаясталь, состоящая из смеси феррита и цементита, становится мягкой и прочность еепадает, так как смесь феррита и цементита переходит в аустенит – растворуглерода в γ-железе. На этом основана горячая обработка (прокат, ковка)углеродистых сталей. Этим же объясняется резкое падение прочности стальныхконструкций при нагреве во время пожара.
6.3Технология изготовления чугуна и стали
Основной способпроизводства черных металлов – получение чугуна и последующая его переработка всталь. Для получения стали, используют металлолом и железную руду. Чугунполучают в доменных печах высокотемпературной (до 1900˚С) обработкой смесижелезной руды, твердого топлива (кокса) и флюса. Флюс (обычно известняк СаСО3)необходим для перевода пустой породы (состоящей в основном из SiO2и Al2O3),содержащейся в руде и золы от сжигания топлива в расплавленное состояние. Этикомпоненты, сплавляясь друг с другом, образуют доменный шлак, которыйпредставляет собой смесь силикатов и алюминатов кальция.
Доменнаяпечь – сооружение с полезным объемом печи – 2000...3000м3, суточнойпроизводительностью – 5000…7000 т. В печь (рис. 7.1) через устройство 3загружают шихту, а снизу через фурмы 7 подают воздух. По мере продвижения шихтывниз ее температура поднимается. Горение топлива происходит в верхней частигорна вблизи фурм по реакции:
С + О2 = СО2+q
СО2 + С =2СО — q
Восстановление железаначинается в самых верхних горизонтах печи при 200…400оС изаканчивается при 1000…1100оС по реакциям:
3Fe2O3+ CO = 2Fe3O4 + CO2↑
Fe3O4+ CO = 3FeO + CO2
FeO+ CO = Fe+ CO2
Сразу же послевосстановления железа образуются карбид железа (цементит).
2Fe+ 2CO = Fe3C+ CO2
При температуре выше900оС происходит быстрое науглероживание железа. При 1147оСначинается образование жидкого чугуна расплавление пустой породы и флюсов собразованием шлаков, более легких чем чугун. Расплавленный чугун 9 стекает внизпечи, а расплав шлака 2, как более легкий, находится сверху чугуна. Чугун ишлак периодически выпускают через летки 1 и 8 в ковш. На каждую тонну чугунаполучается около 0,6 т огненно-жидкого шлака.
Чугун поступает кразливочным машинам для отливки в «чушки» для переработки в сталь, а шлаки изпечи направляют на грануляцию или в отвал.
В доменных печахвыплавляют передельные и литейные, а также специальные чугуны, называемыеферросплавами. Передельные чугуны применяют для получения стали, литейные – дляразличных отливок. Специальные (сплавы железа с марганцем – ферромарганец, скремнием – ферросилиций и др.) применяют при получении стали как раскислителиили легирующие добавки.
Сталь –железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2,14%. Сталь производят изпередельного чугуна.
При переработке чугунав сталь окислением, в сплаве уменьшают содержание углерода и марганца, кремния,фосфора, серы, которые выгорают или переходят в шлак. Сталь получают вконвертерах, мартенах и электропечах.
Конвертерный способ.Сталь получают путем продувки воздуха через чугун. Различают кислый и оснóвныйспособы получения стали.
Кислый бессемеровскийзаключается в том, что в конвертер, находящийся в наклонном положении заливаютчугун, переводят его в вертикальное положение и начинают продувать воздухом.При этом протекают реакции окисления. Вначале кислород реагирует с железом:
2Fe+ O2= 2FeO
Далее закись железа«отдает» свой кислород кремнию, марганцу и углероду, «обладающим» большимхимическим сродством к нему.
2FeO+ Si = 2Fe + SiO2
FeO+ Mn = Fe + MnO
FeO+ C = Fe+ CO
При окислениивыделяется большое количество тепла. Температура в конвертере достигает1600…1650оС После того как выгорят Si,Mn, C,снова начинает окисляться Feдо FeO, поэтому продувку воздухомпрекращают. В стали остаются часть закиси железа FeO,ухудшающей механические свойства стали. Поэтому получение стали заканчиваютраскислением, т.е. восстановлением FeOдо Fe. В качестве раскислителейприменяют ферромарганец, ферросилиций, алюминий и др.
Раскислителивосстанавливают железо по реакциям аналогичным выше. Образующиеся оксиды MnOи SiO2переходят в шлак. Чугун должен содержать минимальное количество серы, Sи фосфора, P (0,06…0,07%), акремния, Si=0,9…2,0%.
Бессемеровский способхарактеризуется большой производительностью и пониженной себестоимостью стали,но она при низких температурах становится хрупкой, т.е. для ответственныхконструкций не годится. Более распространен основный способ, при этом получаюткачественную сталь из чугуна любого химического состава.
Основный способ(Томасовский, англ., 1878г.). Томас предложил получать сталь из чугунов,богатых фосфором (Р), путем продувки воздухом в конвертерах, для этого вконвертер перед заливкой жидкого чугуна загружают негашеную известь в количестве10…12% от массы чугуна. Получение стали заканчивается ее раскислением.Передельный томасовский чугун должен содержать 1,6…2,0% Р и не более 0,5% Si,так как образующийся оксид кремния (SiO2)вступает в химическое взаимодействие с СаО и уменьшает кислотность шлаков.Сталь, полученная, по этому способу обладает теми же недостатками.
Мартеновский способ.1864г. Мартен, построил регенератавную печь, в которой получают сталь по основномуи кислому способам. В качестве топлива применяют колошниковый (доменный) илигенераторный газ.
Получение стали вэлектропечах – электрометаллургический способ. Источник тепла электродуга,образующая между угольными электродами и металлической шихтой. Процесс включаетдва периода. В первом – происходит окисление Mn,Si, С, Р за счет кислорода руды. Всостав шихты вводят также известь, поэтому образующиеся сильноосновные шлакиудерживают весь фосфор.
Во втором периодепроисходит раскисление стали и очищение ее от неметаллических включений и серы.Для окончательного раскисления стали, в печь вводят ферросилиций и алюминий.При получении легированных сталей в этот период в расплавленный металл вводятлегирующие добавки, сталь получают заданного химического состава. Выплавленнуюсталь разливают на слитки или перерабатывают в заготовки методом непрерывнойразливки.
Изготовление стальныхизделий. Стальные слитки – полуфабрикат, из которого получаютнеобходимые изделия. В основном применяют обработку стали давлением: металл поддействием приложенной силы деформируется, сохраняя приобретенную форму. Дляоблегчения обработки сталь часто предварительно нагревают. Различают следующиевиды обработки металла давлением: прокатка, прессование, волочение, ковка,штамповка. Наиболее распространенный метод обработки – прокатка. При прокаткестальной слиток пропускают между вращающимися валками прокатного стана, врезультате чего заготовка обжимается, вытягивается и приобретает заданнуюформу. Прокатывают сталь в холодном состоянии. Сортамент стали горячего проката– сталь круглая, квадратная, полосовая, уголковая равнобокая и неравнобокая,швеллеры, двутавровые балки, шпунтовые сваи, трубы, арматурная сталь гладкая ипериодического профиля и др. При волочении заготовка последовательнопротягивается через отверстия (фильеры) размером меньше сечения заготовки,вследствие чего заготовка обжимается и вытягивается. При волочении в сталипоявляется так называемый наклеп, который повышает ее твердость. Волочениестали обычно производят в холодном состоянии, и получают изделия заданныхпрофилей с чистой и гладкой поверхностью. Способом волочения изготовляютпроволоку, трубы малого диаметра, а также прутки круглого, квадратного ишестиугольного сечения. Ковка – обработка раскаленной стали повторяющимисяударами молота для придания заготовке заданной формы. Ковкой изготовляютразнообразные стальные детали (болты, анкеры, скобы и т. д.). Штамповка –разновидность ковки, при которой сталь, растягиваясь под ударами молота,заполняет форму штампа. Штамповка может быть горячей и холодной. Этим способомможно получать изделия очень точных размеров.
Прессованиепредставляет собой процесс выдавливания находящейся в контейнере стали черезвыходное отверстие матрицы. Исходным материалом для прессования служит литьеили прокатные заготовки. Этим способом можно получать профили различногосечения, в том числе прутки, трубы небольшого диаметра и разнообразные фасонныепрофили.
Холодное профилирование– процесс деформирования листовой или круглой стали на прокатных станах. Излистовой стали получают гнутые профили с различной конфигурацией в поперечнике,а из круглых стержней на станках холодного профилирования путем сплющивания –упрочненную холодносплющенную арматуру.
6.4Углеродистые и легированные стали
Металлическиеконструкции, арматуру для железобетона, трубы, крепежные детали и другиестроительные изделия изготовляют, как правило, из конструкционных углеродистыхсталей. Конструкционные легированные стали, используют только для особоответственных металлических конструкций и арматуры для предварительно напряженногожелезобетона.
В зависимости отсодержания углерода стали делятся на низко- (до 0,25% углерода), средне-(0,25...0,6 %) и высокоуглеродистые (>0,6 %). С увеличением содержанияуглерода уменьшается пластичность и повышается твердость, стали; прочность еетакже возрастает, но при содержании углерода более 1 % вновь снижается.Повышение прочности и твердости стали, объясняется увеличением содержания встали твердого компонента – цементита.
Углеродистые стали поназначению подразделяют на стали общего назначения и инструментальные.Углеродистые стали общего назначения подразделяют на три группы: А, Б и В.Стали группы А изготовляют марок Ст0, Ст1 и т. д. до Ст6 и поставляютпотребителю с гарантированными механическими свойствами. Чем больше номерстали, тем больше в ней содержится углерода: в стали Ст3 – 0,14...0,22 %углерода в стали Ст5 – 0,28...0,37 %.
Из стали марок Ст1 иСт2 с высокой пластичностью, изготовляют заклепки, трубы, резервуары и т. п.;из сталей Ст3 и Ст5 – горячекатаный листовой и фасонный прокат, из которойвыполняют конструкции и большинство видов арматуры для железобетона. Эти сталихорошо свариваются и обрабатываются. Стали группы Б (БСт0, БСт1, БСт3 и т. д.)поставляют с гарантированным химическим составом; стали группы В – с гарантированнымхимическим составом и механическими свойствами. Благодаря определенностихимического состава стали групп Б и В можно подвергать термической обработке.
Легированные сталипомимо компонентов, входящих в углеродистые стали, содержат легирующиеэлементы, повышающие качество стали с особыми свойствами. Каждый элементоказывает свое влияние на сталь. Марганец (Г)повышает прочность, износостойкость стали и сопротивление ударным нагрузкам безснижения ее пластичности. Кремний (С) повышает упругие свойства. Никель (Н) ихром (Х) улучшают механические свойства,повышают жаростойкость и коррозионную стойкость. Молибден улучшает механическиесвойства стали.
Легированные стали поназначению делят на конструкционные, инструментальные и стали со специальнымисвойствами (нержавеющие, жаростойкие и др.). Для строительных целей применяют восновном конструкционные стали.
Конструкционныенизколегированные стали, содержат не более 0.6 % углерода. Общее содержаниелегирующих элементов не превышает 5 %.Низколегированные стали, обладаютнаилучшими механическими свойствами после термической обработки.
При маркировкелегированных сталей первые две цифры показывают содержание углерода в сотыхдолях процента, следующие за ним буквы – условное обозначение легирующихэлементов. Если количество легирующего элемента составляет 2 % и более, топосле буквы ставят еще цифру, указывающую это количество. Например, марка стали25ХГ2С показывает, что в ней содержится 0,25 % углерода, около 1 % хрома, 2 %марганца и около 1 % кремния. При маркировке высококачественных легированныхсталей (с низким содержанием серы и фосфора) в конце ставится буква А.
В строительствеприменяют легированные стали марок 10ХСНД, 15ХСНД для ответственныхметаллических конструкций (ферм, балок); 35ХС; 25Г2С, 25ХГ2СА, 30ХГСА и 35ХГСА– для арматуры предварительно напряженного бетона.
Прочность на растяжениетаких сталей в 2...3 раза выше, чем обыкновенных углеродистых сталей Ст3 и Ст5.Так, у стали 30ХГСА предел прочности при растяжении не менее 1100 МПа, а устали 35ХГСА – не менее 1600 МПа (у стали Ст5 — 500...600 МПа). Такие высокиепоказатели позволяют получать из легированных сталей более легкие конструкциипри сохранении необходимой несущей способности. Это снижает расход металла.Изменения физико-механических свойств стали можно добиться путем направленнойтермической обработки. Меняя режим нагрева, можно фиксировать ту или инуюструктуру стали. Закалка заключается внагреве стали до 800… 1000° и быстром охлаждении в воде или в масле. Призакалке образуется мартенситовая структура стали с высокой твердостью ипрочностью, а также пониженной пластичностью и ударная вязкостью.
Нормализация – нагревстали с последующим охлаждением на воздухе. При этом образуется однороднаямелкозернистая структура стали с высокойпластичностью и ударной вязкостью).
Отпуск – медленныйнагрев стали до 250...350°С, выдержка при этой температуре и медленноеохлаждение на воздухе. Отпуск производится для снижения уровня внутреннихнапряжений и перевода стали в ферритно-цементитную структуру. Этот процесс какбы обратный закалке. Основная задача отпуска – повышение пластичности стали ссохранением высокой прочности.
6.5Стальной прокат, арматура и изделия
Стальные конструкциивыполняют из прокатных элементов различного профиля, трубчатых и гнутыхпрофилей, полосовой и листовой стали. В строительстве чаще всего применяютследующие прокатные и гнутые профили: двутавровые балки, швеллеры, уголкиравно- и неравнополочные, квадратные и прямоугольные трубы. Каждый профильвыпускают нескольких типоразмеров, регламентированных стандартами.
Стержневая арматурнаясталь представляет собой горячекатаные стержни диаметром 6...80 мм. Взависимости от марки стали и соответственно физико-механических показателейстержневую арматуру делят на шесть классов. С повышением класса увеличиваетсяпредел прочности и снижается относительное удлинение при разрыве арматурнойстали.
Арматурные стержникласса А-I гладкие, А-II… А-VI– периодического профиля, что улучшает их сцепление с бетоном. Стержневуюарматуру диаметром более 10 мм поставляют в виде прутков длиной от 6 до 18м;диаметром 6...9мм – в бухтах и выпрямляют в стержни на месте применения.
Стальную арматурнуюпроволоку изготовляют двух классов: В-I– из низкоуглеродистой стали (предел прочности 550...580 МПа) и В-II – извысокоуглеродистой или легированной стали (предел прочности 1300...1900 МПа).Проволоку получают из стальных прутьев путем вытяжки; при этом она упрочняетсяв результате изменения структуры металла (явление наклепа). Проволока класса В-Iпредназначена для армирования бетона без предварительного напряжения, а В-II– для предварительно напряженного армирования. Если на проволоке делаютрифления для улучшения сцепления с бетоном, то в обозначение добавляют букву р(например, Вр-I или Вр-II).
Из стальной проволокиизготовляют также арматурные сетки и каркасы, нераскручивающиеся пряди (трех-,семи- и двенадцатипроволочные) марок П-3, П-7 и П-12 и стальные канаты. Канатыи пряди используют для напряженной арматуры
6.6Коррозия металлов и способы защиты от неё
Коррозия металлов –процесс разрушения металлов и сплавов вследствие химического илиэлектрохимического взаимодействия с внешней средой, в результате которогометаллы окисляются и теряют присущие им свойства. Ежегодно в мире в результатекоррозии теряется 10… 15 % выплавляемого металла.
Химическая коррозия –разрушение металлов и сплавов в результате окисления при взаимодействии сгазами (О2, SО2и др.) при высоких температурах или с органическими жидкостями – нефтепродуктами,спиртом и т. п.
Электрохимическаякоррозия – разрушение металлов и сплавов в воде и водных растворах. Дляразвития коррозии достаточно, чтобы металл был просто покрыт тончайшим слоемадсорбированной воды.
Для повышениядолговечности и сохранения декоративности металлоконструкции защищают откоррозии. Наиболее простой способ, нанесение на его поверхностьводонепроницаемых неметаллических покрытий (битумных, масляных и эмалевыхкрасок), покрытие металлов тонким слоем пластмассы или металла (оловом, цинком,хромом, никелем и др.). Покрытие цинком используют для защиты от коррозиизакладных деталей железобетонных изделий, водопроводных труб, кровельной жести.Защитный слой наносят гальваническим (электролитическим осаждением из растворасолей) или термическим методом (окунанием в расплав металла или распылениемрасплава).
Для получения металлов,хорошо противостоящих коррозии, применяют легирование. Так, вводя в сталь хроми никель в количестве 12...20 %, получают нержавеющие стали, стойкие в минеральныхкислотах.