Вся библиотека >>>

Содержание раздела >>>

 

Наука и технологии

 Материалы будущего


Издательство «Химия» 1985 г.

 

Материалы для народного хозяйства

Металлические материалы

 

 

Краткая характеристика важнейших металлических материалов

 

Три модификации железа

Металлическое железо проявляет некоторые очень интересные свойства, не присущие или лишь в малой степени присущие другим металлам. При кристаллизации оно образует кубическую решетку, причем в зависимости от температуры встречаются три модификации различных пространственных решеток ( 27). При комнатной температуре можно обнаружить кубическую объемноцентрированную модификацию-ферромагнитное а-железо или феррит. При нагревании до точки Кюри (769 °С) железо становится парамагнитным, но при этом структура решетки не меняется. При 911 °С оно переходит в кубическую гранецентрированную модификацию, которая называется у-железом или аустенитом. Аустенит по сравнению с ферритом много лучше растворяет углерод и устойчив до 1392 °С. При этой температуре возникает третья модификация -кубически объемноцентрированное 8-железо. С дальнейшим повышением температуры при 1536 °С достигается точка плавления. Благодаря тому, что железо обладает тремя аллотропными модификациями и что существующие в различных температурных областях типы кристаллических решеток имеют существенно отличные друг от друга способности к растворению углерода и других компонентов сплавов, оказалось возможным получать на его основе чугун и различные стали. В то время как чистое железо применяется для технических целей   в   весьма   ограниченном   объеме, сплавы его нашли очень широкое применение, особенно производные железа и углерода.

 

Сплавы железа с углеродом

Для характеристики термодинамического равновесия в системе железо-углерод весьма важна диаграмма равновесия, которая указывает, какие фазы и структурные составляющие существуют в различных температурных интервалах и при различном содержании углерода ( 28). Она объективно отражает поведение их лишь при медленном нагреве или охлаждении. Здесь мы найдем три формы углерода: растворенную в расплаве и в смешанных кристаллах (а-железо или феррит, у-железо или аустенит и 5-железо), связанную с железом (Fe3C или цементит) и элементарную - в виде графита. На диаграмме можно вьщелить стабильную и метастабильную области. В метастабильной (сплошная линия) все возникающие структуры образуются из смешанных кристаллов и Fe3C, а графит отсутствует. В стабильной области (штриховая линия), наоборот, не наблюдается Fe3C, а все образовавшиеся структуры состоят из смешанных кристаллов и графита. Материалы, полученные из железа и углерода, делятся на сталь  и чугун

Граница между чугуном и сталью пролегает при содержании углерода около 2%. Сталь и чугун кроме основного элемента железа и углерода постоянно содержат и другие элементы, часто являющиеся побочными продуктами технологического процесса производства данного материала. Чаще всего это марганец, кремний, фосфор и сера. При легировании стали намеренно добавляются только те элементы, которые улучшают ее свойства. Фосфор и сера, сопровождающие сталь и чугун, значительно ухудшают их свойства, поэтому при производстве стали и чугуна особенно важно уменьшить их содержание.

 

 

Конструкционные, инструментальные и коррозионностойкие стали

Самой, так сказать, «весомой» группой сталей являются конструкционные. Около 75% мирового производства приходится на обычные конструкционные стали. Это нелегированные, изредка микролегированные стали, которые после вальцевания без какой-либо термообработки применяются для таких объектов, как мосты, корпуса судов, стальные конструкции для жилищного и промышленного строительства, а также для машиностроения. На  29 показаны некоторые из их механических свойств. С возрастанием содержания углерода в материале растет доля перлита и уменьшается доля феррита. Это приводит к росту пределов прочности, текучести и твердости, в то время как критическое сужение и удлинение, а также ударная вязкость уменьшаются. Обычные конструкционные стали имеют предел прочности порядка 300-700 МПа и должны без какой-либо предварительной обработки хорошо свариваться, что становится затруднительным при повышении содержания углерода.

Если нагрузки, вызванные внешней механической силой, сопровождаются повышенными или пониженными температурами, то в этих случаях используются термически обработанные, эксплуатационные, тепло- и холодостойкие стали. Жаропрочные стали необходимы, например, в энергетическом машиностроении, где элементы машин подвергаются одновременному воздействию внешних механических сил и высоких температур. Холодостойкие стали нашли свое применение в районах с холодным климатом, а также в технике низких температур.

Еще одну большую группу образуют инструментальные стали. К ним относятся нелегированная инструментальная сталь, стали холодной и горячей прокатки и быстрорежущая сталь. Само название их говорит о том, что из них производят инструменты, способные сопротивляться воздействию механических сил, ударов, высоких температур и т.п. В понятие инструмента вложен в данном случае очень широкий смысл. Это пилы, напильники, бритвенные лезвия, токарные резцы, штамповочное оборудование, камне- и деревообделочные устройства и даже кузнечное, прессовальное и вальцевальное оборудование.

К сталям для особых условий эксплуатации относятся коррозионностойкая и износоустойчивая, а также стали со специфическими физическими свойствами.

В хозяйстве ГДР ежегодно расходуется около 6 млн. т стали. Предел прочности этих сталей в зависимости от марки составляет от 330 до 1500 МПа. В дальнейшем ожидается рост его до 3000 МПа.

Чугун облагораживается

Как видно из приведенной выше схемы чугун бывает с пластинчатым и сферическим графитом, а также ковкий и белый.

У графитсодержащего чугуна при кристаллизации выделяются кристаллы графита, которые в одном случае имеют форму пластин, а в другом сфер. Предел прочности чугуна с пластинчатым графитом (раньше он назывался серым чугуном) невелик и составляет 150-400 МПа, что обусловлено высокой концентрацией внутренних напряжений. Чугун со сферическим графитом появился позднее. Благодаря сферической форме кристаллов графита, резко снижающей внутренние напряжения в них, для этих чугунов характерен более высокий предел прочности (400-1200 МПа) и лучшие пластичность и вязкость, то есть их свойства приближаются к свойствам стали.

В отличие от вышеназванных марок, ковкий и белый чугуны после застывания их расплава при комнатной температуре не содержат кристаллов графита. Путем длительной термообработки при высоких температурах (около 1000 °С)- так называемого обжига -достигается графитирование ковкого железа в твердом состоянии. Этот обжиг проводят либо в нейтральной, либо в окисляющей атмосфере, причем в последнем случае одновременно с графитацией протекает и обезуглероживание материала. Если в полученном материале содержатся кристаллы графита, то он называется черным ковким чугуном. Белый ковкий чугун обезуглерожен, он не содержит более кристаллов графита. Предел прочности ковкого чугуна составляет 300-700 МПа; помимо того, он также обладает достаточно высокими пластичностью и вязкостью. Белый чугун-материал с очень высоким сопротивлением износу. Он очень тверд и хрупок и после застывания и охлаждения до комнатной температуры применяется без   всякой   дополнительной   обработки.

В народном хозяйстве ГДР ежегодно используется в общей сложности около 1 млн. т различных видов чугуна. Из чугуна изготовляют, например, блоки моторов, станины, зубчатые передачи, основания станков и другие элементы машин, которые все можно получать из чугунных заготовок, используя формующее оборудование.

Как в мире, так и в ГДР пока больше всего производится чугуна с пластинчатым графитом. В соответствии с тенденциями мирового развития в ГДР все более интенсивно растет производство чугуна со сферическим графитом и очень перспективного ковкого чугуна, поскольку эти материалы, по свойствам напоминающие сталь, приносят очень большой экономический эффект при их внедрении в производство вместо стали.

 

Алюминий, магний, медь - представители цветных металлов

Из всех легких металлов наиболее важным в технике является алюминий. Тонкая, но крайне плотная и твердая пленка окислов надежно защищает его поверхность от коррозии.   Чистый  или  слаболегированный алюминий обладает очень высокой электропроводимостью и, в связи с этим, нашел широчайшее применение в качестве материала для проводников в электротехнике. Из-за низкого предела прочности (около 70-100 МПа) чистый алюминий неприменим как конструкционный материал. Однако, если к нему при плавке добавить некоторые элементы, то после определенных  I операций и последующей термообработки I можно получить до 500 МПа. В качестве I конструкционных материалов применяются сплавы алюминия с медью, с кремнием I и с магнием, которые незаменимы при сооружении легких высотных конструкций.

Ввиду своей малой плотности магний является основой для производства легчайших конструкционных материалов. Важнейшими компонентами его сплавов часто бывают алюминий, цинк, кремний и цирконий. По механическим свойствам мате- 1 риалы из магния близки к сплавам алюминия. Но если материалы из алюминия очень легко формуются, формование магниевых материалов связано с очень серьезными трудностями, так что их получают в виде слитков. Материалы из магния сильно подвержены коррозии, поэтому при их переработке необходимы особые технологические условия и меры, повышающие коррозионную защиту.

Медь отличается высокой электропроводимостью, и ее предпочитают применять в качестве проводников в электротехнике. Предел       прочности       чистой       меди (200-250 МПа) недостаточен для ее использования в машиностроении. Сплавы меди с цинком (латунь), оловом (бронза), никелем, алюминием, марганцем и другими элементами    обладают    более    высокой прочностью.

    

 «Материалы будущего»             Следующая страница >>>

 

Смотрите также:  "Очерки истории науки и техники"  Альманах Эврика 84  Альманах Эврика 90  Тайны двадцатого века  Знак Вопроса (Знание)  Чудеса и Приключения