Метали та металеві вироби

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Луганський Національний Аграрний Університет

Кафедра Матеріалознавства

Тема: МЕТАЛИ ТА МЕТАЛЕВІ ВИРОБИ

Виконав:

студент 633 гр.

Комаров Роман

Перевірив:

Божевільний Погостнов

Луганськ 2008



Лекція 6. МЕТАЛИ ТА МЕТАЛЕВІ ВИРОБИ

6.1 Загальні відомості про метали і сплави

Метали - кристалічні речовини, що характеризуються високими електро-і теплопровідністю, ковкість, здатністю добре відображати електромагнітні хвилі та іншими специфічними властивостями. Властивості металів обумовлені їх будовою.

У техніці зазвичай застосовують не чисті метали, а сплави.

Сплави - ​​це системи, що складаються з декількох металів або металів і неметалів. У будівництві застосовують сплави заліза з вуглецем (сталь, чавун), міді та олова (бронза) і міді та цинку (латунь) і ін

Застосовувані в будівництві метали ділять на дві групи: чорні і кольорові. До чорних металів належать залізо й сплави на його основі (чавун і сталь). Сталь - сплав заліза з вуглецем (до 2,14%) та іншими елементами. За хімічним складом розрізняють, сталі вуглецеві та леговані, а за призначенням - конструкційні, інструментальні і спеціальні. Чавун - сплав заліза з вуглецем (більше 2,14%), деякою кількістю марганцю (до 2%), кремнію (до 5%), а іноді й інших елементів. Залежно від будови і складу чавун буває білий, сірий і ковкий.

Таблиця 6.1. Фізико-механічні властивості металів та їх сплавів.

Метал

Межа міцності при розтягуванні, МПа

Щільність, кг / м 3

Чавун

Вуглецева сталь

Легована сталь

Алюмінієві сплави

Титанові сплави

100 ... 600

200 ... 600

500 ... 1600

100 ... 300

до 1500

7850

7850

7850

2500 ... 3000

4500 ... 5000

До кольоровим металам відносяться всі метали і сплави на основі алюмінію, міді, цинку, титану. Метали дуже технологічні: по-перше, вироби з них можна отримувати різними індустріальними методами (прокатом, волочінням, штампуванням і т. п.), по-друге, металеві вироби і конструкції легко з'єднуються один з одним за допомогою болтів, заклепок і зварки.

Висока теплопровідність металів потребує влаштування теплової ізоляції металоконструкцій будівель. Металеві конструкції будівель необхідно спеціально захищати від дії вогню, тому що вони втрачають стійкість і деформуються. Великих збитків економіці завдає корозія металів. Метали широко застосовують в інших галузях промисловості, тому їх використання у будівництві повинно бути обгрунтовано економічно.





















6.2 Будова і властивості залізовуглецевих сплавів

Метали, як і інші речовини, можуть існувати в різних кристалічних формах. Поліморфні перетворення в металах відбуваються при зміні температури. Так, при температурі понад 723 ° С залізо переходить з α-модифікації в γ-модифікацію, при цьому змінюються фізико-механічні властивості металу. При різкому охолодженні металу високотемпературні модифікації можуть переходити в низькотемпературні. На цьому, наприклад, заснована термообробка металів (загартування, відпустка, нормалізація).

Хімічна сполука заліза з вуглецем, Fe 3 C - карбід заліза, в якому міститься 6,67% вуглецю, називають цементитом. Цементит крихкий і має високу твердість. Чим більше цементиту в сплаві, тим він більш твердий і крихкий.

У сталях і чавунах ферит, аустеніт і цементит існують у вигляді механічних сумішей. Іншими словами, сталь і чавун - полікристалічні матеріали, властивості яких залежать як від хімічного складу (кількості заліза, вуглецю та інших домішок), так і від структури (типу і розміру кристалів). Наприклад, при нагріванні до температури вище 723 о С тверда і міцна вуглецева сталь, що складається з суміші фериту і цементиту, стає м'якою і міцність її падає, так як суміш фериту і цементиту переходить в аустеніт - розчин вуглецю в γ-залозі. На цьому заснована гаряча обробка (прокат, кування) вуглецевих сталей. Цим же пояснюється різке падіння міцності сталевих конструкцій при нагріванні під час пожежі.

6.3 Технологія виготовлення чавуну і сталі

Основний спосіб виробництва чорних металів - отримання чавуну і подальша його переробка в сталь. Для одержання сталі, використовують металобрухт і залізну руду. Чавун одержують в доменних печах високотемпературної (до 1900 ˚ С) обробкою суміші залізної руди, твердого палива (коксу) і флюсу. Флюс (зазвичай вапняк СаСО 3) необхідний для переведення порожньої породи (що складається в основному з SiO 2 і Al 2 O 3), що міститься в руді і золи від спалювання палива в розплавлене стан. Ці компоненти, сплавляючись один з одним, утворюють доменний шлак, який представляє собою суміш силікатів і алюмінатів кальцію.

Будинок енна я піч - споруда з корисним об'ємом печі - 2000 ... 3000м 3, добовою продуктивністю - 5000 ... 7000 т. У піч (рис. 7.1) через пристрій 3 завантажують шихту, а знизу через фурми 7 подають повітря. У міру просування шихти вниз її температура піднімається. Горіння палива відбувається у верхній частині печі поблизу фурм по реакції:

С + О 2 = СО 2 + q

СО 2 + С = 2СО - q

Відновлення заліза починається в верхніх горизонтах печі при 200 ... 400 о С і закінчується при 1000 ... 1100 о С по реакціях:

3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2

Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2

FeO + CO = Fe + CO 2

Відразу ж після відновлення заліза утворюються карбід заліза (цементит).

2 Fe + 2 CO = Fe 3 C + CO 2

При температурі вище 900 о С відбувається швидке коксування заліза. При 1147 о С починається утворення рідкого чавуну розплавлення порожньої породи і флюсів з утворенням шлаків, більш легких ніж чавун. Розплавлений чавун 9 стікає вниз печі, а розплав шлаку 2, як більш легкий, знаходиться зверху чавуну. Чавун і шлак періодично випускають через льотки 1 і 8 в ківш. На кожну тонну чавуну виходить близько 0,6 т вогненно-рідкого шлаку.

Чавун надходить до розливних машин для відливання в «чушки» для переробки в сталь, а шлаки з печі направляють на грануляцію або у відвал.

У доменних печах виплавляють переробні та ливарні, а також спеціальні чавуни, звані феросплавами. Переробні чавуни застосовують для одержання сталі, ливарні - для різних виливків. Спеціальні (сплави заліза з марганцем - феромарганець, з кремнієм - феросиліцій і ін) застосовують при отриманні стали як раскислители або легуючі добавки.

Сталь - железоуглеродістиє сплав з вмістом вуглецю до 2,14%. Сталь виробляють з переробного чавуну.

При переробці чавуну в сталь окисленням, в сплаві зменшують вміст вуглецю і марганцю, кремнію, фосфору, сірки, які вигоряють або переходять в шлак. Сталь отримують в конвертерах, мартенах і електропечах.

Конвертерний спосіб. Сталь отримують шляхом продувки повітря через чавун. Розрізняють кислий і осн ó вний способи отримання сталі.

Кислий бесемерівський полягає в тому, що в конвертер, що знаходиться в похилому положенні заливають чавун, переводять його у вертикальне положення і починають продувати повітрям. При цьому протікають реакції окислення. Спочатку кисень реагує з залізом:

2 Fe + O 2 = 2 FeO

Далі закис заліза «віддає» свій кисень кремнію, марганцю і вуглецю, «які мають» великим хімічною спорідненістю до нього.

2FeO + Si = 2Fe + SiO 2

FeO + Mn = Fe + MnO

FeO + C = Fe + CO

При окисленні виділяється велика кількість тепла. Температура в конвертері досягає 1600 ... 1650 о С Після того як вигорять Si, Mn, C, знову починає окислюватися Fe до FeO, тому продувку повітрям припиняють. У сталі залишаються частина закису заліза FeO, погіршує механічні властивості сталі. Тому отримання стали закінчують розкисленням, тобто відновленням FeO до Fe. Як розкислювачів застосовують феромарганець, феросиліцій, алюміній і ін

Раскислители відновлюють залізо по реакціях аналогічним вище. Утворюються оксиди MnO та SiO 2 переходять в шлак. Чавун повинен містити мінімальну кількість сірки, S і фосфору, P (0,06 ... 0,07%), а кремнію, Si = 0,9 ... 2,0%.

Бесемерівський спосіб характеризується великою продуктивністю і зниженою собівартістю стали, але вона при низьких температурах стає крихкою, тобто для відповідальних конструкцій не годиться. Більш поширений основний спосіб, при цьому отримують якісну сталь із чавуну будь-якого хімічного складу.

Основний спосіб (Томасівський, англ., 1878г.). Томас запропонував одержувати сталь з чавунів, багатих фосфором (Р), шляхом продування повітрям у конвертерах, для цього в конвертер перед заливкою рідкого чавуну завантажують негашене вапно в кількості 10 ... 12% від маси чавуну. Отримання сталі закінчується її розкисленням. Передільний томасовський чавун повинен містити 1,6 ... 2,0% Р і не більше 0,5% Si, оскільки утворений оксид кремнію (SiO 2) вступає в хімічну взаємодію з СаО і зменшує кислотність шлаків. Сталь, отримана, за цим способом має ті ж вади.

Мартенівський спосіб. 1864г. Мартен, побудував регенератавную піч, в якій отримують сталь за основним і кислого способів. В якості палива застосовують колошникового (доменний) або генераторний газ.

Отримання сталі в електропечах - електрометалургійний спосіб. Джерело тепла електродуги, що утворює між вугільними електродами і металевою шихтою. Процес включає два періоди. У першому - відбувається окислення Mn, Si, С, Р за рахунок кисню руди. До складу шихти вводять також вапно, тому утворені сильноосновними шлаки утримують весь фосфор.

У другому періоді відбувається розкислення сталі і очищення її від неметалевих включень і сірки. Для остаточного розкислення сталі, в піч вводять феросиліцій та алюміній. При отриманні легованих сталей в цей період в розплавлений метал вводять легуючі добавки, сталь отримують заданого хімічного складу. Виплавлену сталь розливають на злитки або переробляють в заготовки методом безперервного розливання.

Виготовлення сталевих виробів. Сталеві зливки - напівфабрикат, з якого отримують необхідні вироби. В основному застосовують обробку сталі тиском: метал під дією прикладеної сили деформується, зберігаючи придбану форму. Для полегшення обробки сталь часто попередньо нагрівають. Розрізняють такі види обробки металу тиском: прокатка, пресування, волочіння, кування, штампування. Найбільш поширений метод обробки - прокатка. При прокатці сталевий злиток пропускають між обертовими валками прокатного стану, в результаті чого заготівля обжимається, витягується і набуває задану форму. Прокочують сталь в холодному стані. Сортамент стали гарячого прокату - сталь кругла, квадратна, смугова, Уголковая равнобокая і неравнобокими, швелери, двотаврові балки, шпунтові палі, труби, арматурна сталь гладка і періодичного профілю та ін При волочіння заготівля послідовно протягується через отвори (фільєри) розміром менше перетину заготовки , внаслідок чого заготівля обжимається й витягується. При волочіння в сталі з'являється так званий наклеп, який підвищує її твердість. Волочіння стали зазвичай роблять у холодному стані, і одержують вироби заданих профілів з ​​чистою і гладкою поверхнею. Способом волочіння виготовляють дріт, труби малого діаметра, а також прутки круглого, квадратного і шестикутного перетину. Кування - обробка розпеченій стали повторюваними ударами молота для додання заготівлі заданої форми. Куванням виготовляють різноманітні сталеві деталі (болти, анкери, скоби і т. д.). Штампування - різновид кування, при якій сталь, розтягуючись під ударами молота, заповнює форму штампа. Штампування може бути гарячою і холодною. Цим способом можна одержувати вироби дуже точних розмірів.

Пресування являє собою процес видавлювання що знаходиться в контейнері стали через вихідний отвір матриці. Вихідним матеріалом для пресування служить лиття або прокатні заготовки. Цим способом можна одержувати профілі різного перетину, в тому числі прутки, труби невеликого діаметру і різноманітні фасонні профілі.

Холодне профілізація - процес деформування листовий або круглої сталі на прокатних станах. З листової сталі отримують гнуті профілі з різною конфігурацією в поперечнику, а з круглих стрижнів на верстатах холодного профілювання шляхом сплющивания - зміцнену холодносплющенную арматуру.

6.4 Вуглецеві та леговані сталі

Металеві конструкції, арматуру для залізобетону, труби, кріпильні деталі та інші будівельні вироби виготовляють, як правило, з конструкційних вуглецевих сталей. Конструкційні леговані сталі, використовують тільки для особливо відповідальних металевих конструкцій і арматури для попередньо напруженого залізобетону.

Залежно від змісту вуглецю стали діляться на низько-(до 0,25% вуглецю), середньо-(0,25 ... 0,6%) і високовуглецеві (> 0,6%). Зі збільшенням змісту вуглецю зменшується пластичність і підвищується твердість, сталі; міцність її також зростає, але при змісті вуглецю більше 1% знову знижується. Підвищення міцності і твердості сталі, пояснюється збільшенням вмісту в сталі твердого компонента - цементиту.

Вуглецеві сталі за призначенням поділяють на сталі загального призначення та інструментальні. Вуглецеві сталі загального призначення підрозділяють на три групи: А, Б та В. Стали групи А виготовляють марок Ст0, Ст1 і т. д. до ст6 і поставляють споживачеві з гарантованими механічними властивостями. Чим більше номер стали, тим більше в ній міститься вуглецю: в сталі Ст3 - 0,14 ... 0,22% вуглецю в сталі Ст5 - 0,28 ... 0,37%.

Зі сталі марок Ст1 і Ст2 з високою пластичністю, виготовляють заклепки, труби, резервуари і т. п.; зі сталей Ст3 і Ст5 - гарячекатаний листовий і фасонний прокат, з якої виконують конструкції і більшість видів арматури для залізобетону. Ці сталі добре зварюються й обробляються. Стали групи Б (БСт0, БСт1, БСт3 і т. д.) постачають з гарантованим хімічним складом; стали групи В - з гарантованим хімічним складом і механічними властивостями. Завдяки визначеності хімічного складу сталі груп Б та В можна піддавати термічній обробці.

Леговані стали крім компонентів, що входять до вуглецеві сталі, містять легуючі елементи, що підвищують якість сталі з особливими властивостями. Кожен елемент робить свій вплив на сталь. Марганець (Г) підвищує міцність, зносостійкість сталі і опір ударним навантаженням без зниження її пластичності. Кремній (С) підвищує пружні властивості. Нікель (Н) і хром (Х) покращують механічні властивості, підвищують жаростійкість і корозійну стійкість. Молібден покращує механічні властивості стали.

Леговані сталі за призначенням ділять на конструкційні, інструментальні і сталі зі спеціальними властивостями (нержавіючі, жаростійкі та ін.) Для будівельних цілей застосовують в основному конструкційні сталі.

Конструкційні низьколеговані сталі, містять не більше 0.6% вуглецю. Загальний вміст легуючих елементів не перевищує 5%. Низьколеговані сталі, мають найкращі механічними властивостями після термічної обробки.

При маркуванні легованих сталей перші дві цифри показують вміст вуглецю в сотих частках відсотка, наступні за ним літери - умовне позначення легуючих елементів. Якщо кількість легуючого елемента становить 2% і більше, то після букви ставлять ще цифру, що вказує цю кількість. Наприклад, марка стали 25ХГ2С показує, що в ній міститься 0,25% вуглецю, близько 1% хрому, 2% марганцю і близько 1% кремнію. При маркуванні високоякісних легованих сталей (з низьким вмістом сірки та фосфору) в кінці ставиться літера А.

У будівництві застосовують леговані сталі марок 10ХСНД, 15ХСНД для відповідальних металевих конструкцій (ферм, балок); 35ХС; 25Г2С, 25ХГ2СА, 30ХГСА і 35ХГСА - для арматури попередньо напруженого бетону.

Міцність на розтяг таких сталей в 2 ... 3 рази вище, ніж звичайних вуглецевих сталей Ст3 і Ст5. Так, у сталі 30ХГСА межа міцності при розтягуванні не менше 1100 МПа, а у сталі 35ХГСА - не менше 1600 МПа (у сталі Ст5 - 500 ... 600 МПа). Такі високі показники дозволяють отримувати з легованих сталей більш легкі конструкції при збереженні необхідної несучої здатності. Це знижує витрату металу. Зміни фізико-механічних властивостей сталі можна добитися шляхом спрямованої термічної обробки. Змінюючи режим нагріву, можна фіксувати ту чи іншу структуру сталі. Загартування полягає в нагріві стали до 800 ... 1000 ° і швидкому охолодженні у воді або в маслі. При загартуванні утворюється мартенситова структура сталі з високою твердістю і міцністю, а також зниженою пластичністю і ударна в'язкість.

Нормалізація - нагрівання сталі з подальшим охолодженням на повітрі. При цьому утворюється однорідна дрібнозерниста структура сталі з високою пластичністю і ударною в'язкістю).

Відпустка - повільне нагрівання сталі до 250 ... 350 ° С, витримка при цій температурі і повільне охолодження на повітрі. Відпустка проводиться для зниження рівня внутрішніх напружень та перекладу сталі в ферритно-цементітную структуру. Цей процес як би зворотний загартуванню. Основне завдання відпустки - підвищення пластичності сталі з збереженням високої міцності.

6.5 Сталевий прокат, арматура та вироби

Сталеві конструкції виконують із прокатних елементів різного профілю, трубчастих і гнутих профілів, смуговий і листової сталі. У будівництві найчастіше застосовують такі прокатні і гнуті профілі: двотаврові балки, швелери, куточки одно-та нерівнополичні, квадратні і прямокутні труби. Кожен профіль випускають декількох типорозмірів, регламентованих стандартів.

Стрижнева арматурна сталь представляє собою гарячекатані стрижні діаметром 6 ... 80 мм. У залежності від марки сталі та відповідно фізико-механічних показників стрижневу арматуру поділяють на шість класів. З підвищенням класу збільшується межа міцності і знижується відносне подовження при розриві арматурної сталі.

Арматурні стрижні класу А-I гладкі, А-II ... А-VI - періодичного профілю, що покращує їх зчеплення з бетоном. Стрижневу арматуру діаметром більше 10 мм поставляють у вигляді прутків довжиною від 6 до 18м; діаметром 6 ... 9мм - в бухтах і випрямляють в стержні на місці застосування.

Сталеву арматурний дріт виготовляють двох класів: В-I - з низьковуглецевої сталі (межа міцності 550 ... 580 МПа) і В-II - з високовуглецевої або легованої сталі (межа міцності 1300 ... 1900 МПа). Дріт отримують із сталевих прутів шляхом витяжки; при цьому вона зміцнюється в результаті зміни структури металу (явище наклепу). Дріт класу В-I призначена для армування бетону без попереднього напруження, а В-II - для попередньо напруженого армування. Якщо на дроті роблять рифлення для поліпшення зчеплення з бетоном, то в позначення додають букву р (наприклад, Вр-I або Вр-II).

З сталевого дроту виготовляють також арматурні сітки і каркаси, розкручуються пасма (трьох-, семи-і двенадцатіпроволочние) марок П-3, П-7 і П-12 і сталеві канати. Канати і пасма використовують для напруженої арматури

6.6 Корозія металів і способи захисту від неї

Корозія металів - процес руйнування металів і сплавів внаслідок хімічного або електрохімічного взаємодії із зовнішнім середовищем, в результаті якого метали окислюються і втрачають властиві їм властивості. Щорічно у світі в результаті корозії втрачається 10 ... 15%, що виплавляється.

Хімічна корозія - руйнування металів і сплавів внаслідок окислення при взаємодії з газами (О 2, S О 2 та ін) при високих температурах або з органічними рідинами - нафтопродуктами, спиртом і т. п.

Електрохімічна корозія - руйнування металів і сплавів у воді і водних розчинах. Для розвитку корозії досить, щоб метал був просто покритий найтоншим шаром адсорбованої води.

Для підвищення довговічності і збереження декоративності металоконструкції захищають від корозії. Найбільш простий спосіб, нанесення на його поверхню водонепроникних неметалевих покриттів (бітумних, масляних і емалевих фарб), покриття металів тонким шаром пластмаси або металу (оловом, цинком, хромом, нікелем та ін.) Покриття цинком використовують для захисту від корозії закладних деталей залізобетонних виробів, водопровідних труб, покрівельної жерсті. Захисний шар наносять гальванічним (електролітичним осадженням з розчину солей) або термічним методом (зануренням в розплав металу або розпиленням розплаву).

Для отримання металів, добре протистоять корозії, застосовують легування. Так, вводячи в сталь хром і нікель у кількості 12 ... 20%, отримують нержавіючі сталі, стійкі в мінеральних кислотах.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Лекція
63кб. | скачати


Схожі роботи:
Металеві конструкції
Металеві конструкції
Металеві кластери
Металеві зварювальні матеріали
Оцінка кліматичних навантажень на металеві вежі
Габаритний розрахунок пакету і металеві матеріали для пакетів магн
Габаритний розрахунок пакету і металеві матеріали для пакетів магнітострикційних перетворювачів
Метали 4
Метали 3
© Усі права захищені
написати до нас