Содержание страницы
- 1. Группы свойств металлов
- 2. Физические свойства металлов и сплавов
- 3. Химические свойства металлов и сплавов
- 4. Механические свойства металлов и сплавов
- 5. Технологические и эксплуатационные свойства металлов и сплавов
- 6. Методы выявления дефектов без разрушения деталей
1. Группы свойств металлов
Чтобы правильно выбрать марку конструкционного материала, режимы обработки заготовок, квалифицированный рабочий должен знать основные свойства металлов (конструкционных материалов) и их сплавов.
Все свойства конструкционных материалов подразделяются на следующие группы: физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные (рис. 1).
2. Физические свойства металлов и сплавов
Физические свойства — свойства конструкционных материалов, которые определяют состояние вещества при определенных условиях (нормальной или повышенной температуре, нагревании до жидкого и охлаждении до кристаллического состояния), поведение в электрическом или магнитном поле, при пропускании электрического тока или теплоты и т. д.
К физическим свойствам относятся цвет, плотность, плавкость (температура плавления), кристаллизация (температура затвердевания), линейное и объемное расширение при нагревании, электро- и теплопроводность, теплоемкость, способность намагничиваться и др.
Физические свойства имеют различные единицы измерения, которые дают сравнительную характеристику конструкционных материалов. Знание физических свойств металлов и их сплавов дает возможность научно обосновывать выбор технологии обработки и условия эксплуатации.
Рис. 1. Классификация свойств металлов и сплавов
Физические характеристики в производственных условиях (конструирование, технология, экспериментирование и эксплуатация) являются основными показателями, определяющими конкретное применение различных конструкционных материалов во всех отраслях науки и техники.
3. Химические свойства металлов и сплавов
Общие характеристики. В материаловедении под химическими свойствами понимают характер взаимодействия атомов металлов с другими металлами или неметаллами в процессе кристаллизации (затвердевания). В зависимости от механизма взаимодействия атомов соединяемых веществ образуются различные химические структуры (сплавы).
Рассмотрим химические свойства не с точки зрения механизма взаимодействия атомов соединяемых веществ, а с точки зрения механизма активности или инертности к внешней среде, взаимодействия с этой средой свободных поверхностей деталей, механизмов, машин и различных сооружений. Благодаря взаимодействию с внешней средой на свободных поверхностях конструкционных материалов происходят изменения химического состава. Эти изменения проявляются в различных формах в зависимости от степени активности материалов. Наиболее активно химическое взаимодействие происходит с кислородом и водой (происходит окисление). При этом железо покрывается толстым коричневым слоем коррозии (ржавчины), медь — зеленым налетом, алюминий — серой пленкой, свинец быстро тускнеет и т. д. При нагревании железо и железоуглеродистые сплавы активно окисляются, превращаясь в окалину. Особенно это происходит в среде каких-нибудь газов. При активном образовании окалины при повышенной температуре уменьшается объем и масса металла. Этот процесс называется угаром металла. Из-за низкой химической стойкости некоторых конструкционных материалов (сталей, чугунов) особенно активно идет химическое изменение или разрушение и окисление поверхности деталей в таких средах, как воздух, морская вода, кислоты, щелочи и др.
Коррозия металлов. Коррозия (от лат. corrosio — разъедание) — это разрушение поверхностного слоя металлов под воздействием окружающей среды (рабочего тела). В процессе коррозии происходит потускнение поверхности, разъедание, травление и разрушение металла. Эти процессы ограничивают применение металлов.
Разрушение поверхности металла коррозией может быть вызвано несколькими причинами: искаженной формой атомно-кристаллической структуры, химической неоднородностью (ликвацией), остаточными напряжениями, окружающими физическими условиями и другими многочисленными факторами. Скорость процесса коррозии можно уменьшить или вообще приостановить, если точно определить ее природу, меняя физические условия работы деталей и механизмов или химический состав металла, его структуру.
В зависимости от рабочей среды, в которой постоянно находятся детали, механизмы и конструкции из металлов и их сплавов, процессы коррозии подразделяются:
- на газовую коррозию (в сухих газах);
- атмосферную коррозию (в условиях открытой атмосферы, влажного естественного воздуха);
- коррозию в жидких растворах (воде, электролитах, неэлектролитах, нефти и нефтепродуктах);
- почвенную коррозию.
Коррозионные разрушения металлов и сплавов бывают следующих видов (рис. 2):
- общая, или сплошная, коррозия поверхности металлов;
- язвенная коррозия;
- структурно-избирательная коррозия;
- межкристаллитная (интеркристаллитная) коррозия;
- местная коррозия;
- коррозия под напряжением;
- щелевая коррозия;
- биокоррозия.
Рис. 2. Виды коррозионных разрушений металлов и сплавов: а — сплошная равномерная коррозия; б — сплошная неравномерная коррозия; в — язвенная коррозия; г — подповерхностная коррозия; д — избирательная коррозия; е — межкристаллитная коррозия
Все виды коррозии, изображенные на рис. 2, характерны тем, что в конструкциях происходит постепенное разрушение поверхности металла. В одних случаях это скрытое коррозионное разрушение, в других открытое. В зависимости от структуры сплава, химической прочности зерен и правильной или искаженной атомной кристаллической решетки, а также неоднородности по химическому составу (ликвации) кислород избирательно взаимодействует с металлом. Практика показывает, что структуры твердых растворов (аустенит) и химических соединений (карбид) обладают более высокой коррозионной стойкостью, чем структура механических смесей и структура твердого раствора феррита. Особенно опасными являются подповерхностная, язвенная и межкристаллитная коррозия. Эти виды коррозии разрушают металл, что может привести к поломке деталей (конструкций).
По механизму воздействия на металл коррозия подразделяется на химическую и электрохимическую.
Химическая коррозия происходит под воздействием на поверхность металлов и сплавов сухого воздуха, газов, жидкостей, не взаимодействующих с электрическим током, различных нефтепродуктов и расплавленных солей. В результате воздействия перечисленных факторов поверхность металла покрывается тонкой оксидной пленкой. У некоторых металлов оксидная пленка плотная и прочная и при нормальных условиях препятствует дальнейшему распространению коррозии. Такие защитные оксидные пленки называются природными.
Под действием высоких температур оксидная пленка теряет защитные свойства, металл угорает и мелкие детали могут полностью разрушиться. Так как химическая коррозия проникает по границам зерен на большую глубину и разъедает эти зерна, изменяя кристаллографическую структуру металла, то с течением времени оксидная пленка увеличивается, трескается и отслаивается. Стальные и чугунные детали покрываются ржавчиной. Ежегодно толщина ее увеличивается. Стальные детали под воздействием сухой атмосферы со временем полностью могут разрушиться.
У таких металлов, как алюминий, свинец, никель, хром и др., в обычных атмосферных условиях оксидная пленка тонкая, плотная и прочная, и атомы кислорода не могут через пленку диффундировать. Такими свойствами обладает железо как основной составной элемент в сталях и чугунах. Эти сплавы первоначально имеют плотную оксидную пленку, но с низкой прочностью, поэтому она быстро растрескивается под действием механических колебаний, смены температур, нагрева и охлаждения и отслаивается. В связи с этим стали и чугуны активно коррозируют в любых условиях. Следствием этого является большая естественная убыль различных стальных конструкций и сооружений, станков, машин и механизмов. Для их восстановления требуются миллионы тонн вновь выплавленных конструкционных материалов — сталей и чугунов.
Электрохимическая коррозия — это образование множества мельчайших гальванических элементов (пар) под действием тока, при котором происходят движение электронов металла в электролит и разрушение этого металла.
Сущность электрохимической коррозии металлов заключается в том, что она протекает в различных жидкостях, проводящих электрический ток. В обычных условиях вода впитывает из атмосферы различные соли с образованием слабых электролитов. Между металлом и электролитами образуется электрическая пара (гальванический элемент). Под ее воздействием происходит медленное постоянное разрушение (коррозия) металла. При этом атомы, находящиеся в узлах кристаллических решеток металла (конструкций и сооружений), вступая в контакт с жидким раствором (электролитом), переходят в этот раствор, образуя коррозию. Электрохимической коррозии подвергаются все металлические конструкции, сооружения, машины, находящиеся под открытым небом, так как они постоянно взаимодействуют с влагой (водой), а также металлы, находящиеся в почве (трубопроводы, опоры линий электропередачи, мосты и т. д).
Методы защиты металлов от коррозии. В практике разработаны различные эффективные методы защиты металлов от коррозии, которые широко применяются в различных отраслях промышленности и строительстве.
Неметаллические покрытия являются наилучшей временной защитой изделий машиностроения от коррозии. Как правило, в этом случае применяют густые консервационные материалы: защитные масла и смазки. Защитные смазки для изделий в машиностроении применяют для транспортировки и хранения, а также для консервации.
Использование защитных смазок сводится к временной изоляции металла от коррозионной среды. Защитить металлические поверхности изделий от коррозии маслами и смазками полностью не удается. В процессе транспортировки и временного хранения изделия обертывают в промасленную или пропарафинированную бумагу для изоляции от влажного воздуха, атмосферных осадков и т. д.
Для повышения антикоррозионной защиты металлических поверхностей изделий в масла и смазки вводят ингибиторы, которые подавляют, нейтрализуют или временно замедляют процесс коррозии. Применение смазок и масел предохраняет металлические поверхности машинной техники, используемой сезонно (машины сельскохозяйственного назначения, военная и аварийная техника), и запасных частей к ней. Для защиты металлических поверхностей применяют смазку ГОИ-54, вазелин, кремний органический, вазелин технический, органический и др.
Лакокрасочные покрытия и фенолформальдегидные смолы изолируют металл от контакта с рабочей средой, увеличивают электрическое сопротивление, защищая металл от химического и электрохимического воздействия. Эти покрытия должны обладать большой механической прочностью, газо- и водонепроницаемостью. Лакокрасочными покрытиями предохраняют от коррозии почти все сооружения, эксплуатируемые в атмосфере, а также станки, трубопроводы, батареи отопления и т. д. Различные трубопроводы, контактирующие с агрессивной средой, покрывают смолами. В отдельных случаях используют покрытия пластмассами.
Металлические покрытия также защищают металлы от коррозии. Одним из способов получения многослойных антикоррозионных покрытий является плакирование. Этот вид покрытий заключается в прокатке листов (труб), лент и других изделий с металлами, устойчивыми к коррозии. В качестве металлов, предохраняющих от коррозии, применяют медь, алюминий, хром и тонкие листы коррозионно-стойкой стали. Получаемый в процессе проката тонкий наружный слой металла (с одной или двух сторон) устойчив к химической и электрохимической коррозии.
Другой способ получения многослойного металлического покрытия — лужение (окунание в жидкий расплавленный металл) медью, оловом, цинком и др.
В практике широко применяется производство листов, ленты, проволоки и другой продукции в виде луженых, хромированных, оцинкованных, алитированных и других видов проката, а также производство труб, покрытых цинком, алюминием, кремнием и другими металлами (сталь— медь, сталь— латунь, сталь— бронза, сталь— никель и др.). К этому типу покрытий относится также металлизация поверхности стальных деталей и заготовок методом напыления расплавленного антикоррозионного металла с помощью пистолета или электрической дуги (плазменное покрытие).
К разновидностям многослойных металлических покрытий относятся также гальванические покрытия. При гальванических покрытиях изделия основного металла, соединенного с отрицательным потенциалом, опускают в электролит, содержащий соли коррозионно-стойкого металла (медь, цинк, хром, никель и др.) или пластины из чистого металла. Эти пластины (или электролиты) заряжаются положительным потенциалом. Под действием разности потенциалов в электролит (пластины металла) выпадают электроны, которые оседают на основном (покрываемом) металле, предохраняя его от коррозии. Достоинством гальванических покрытий является равномерное образование на поверхности деталей коррозионно-стойкого металла — металла покрытия. Этим методом производят меднение, хромирование, цинкование, никелирование, серебрение, золочение и др.
К разновидности металлических антикоррозионных покрытий относятся также диффузионные покрытия — насыщение защищаемых поверхностей на небольшую глубину коррозионно-стойкими металлами: хромом, алюминием, серой и другими элементами. Этот метод получил название химико-термической обработки (ХТО).
Легирование — один из наиболее эффективных методов получения коррозионно-стойких конструкционных материалов. При легировании в конструкционные материалы в процессе плавки добавляются коррозионно-стойкие металлы и неметаллы. Легирующие элементы, составляющие сплав, образуют на поверхностях конструкционных материалов прочные и плотные оксидные пленки, предохраняющие металлы от коррозии, или образуют с железом структуру аустенита, который обладает высокой стойкостью к коррозии. В практике в качестве коррозионно-стойких конструкционных материалов выпускают хромистые, хромоникелевые, хромоникелевые с титаном и другие легированные стали и сплавы.
Химические покрытия нашли широкое применение в машиностроении. Сущность химических покрытий заключается в образовании на поверхности деталей пленки, состоящей из металла детали и присадочного материала.
В машиностроении применяются следующие виды химических покрытий: воронение, оксидирование и фосфатирование.
Воронение заключается в нагреве детали до температуры 270 … 290 °С и протирании ее минеральным маслом. Разновидностью воронения является нагрев деталей до температуры 450 … 550 °С и неоднократное опускание их в минеральное масло. После каждого съема детали тщательно насухо протирают.
В процессе воронения на поверхности деталей образуется пленка, состоящая из солей железа темно-синего или черного цвета. В связи с тем что пленка солей железа, образуемая при воронении, плотная и прочная, она не пропускает атомы кислорода и воды, предохраняя поверхность деталей от коррозионного разрушения.
Оксидирование заключается в кипячении деталей в водном растворе селитры, едкого натра или пероксида марганца. На поверхности деталей, также как и при воронении, образуется прочная, плотная пленка синего или черного цвета, из магнитного оксида железа (Fе3O4), предохраняющая детали от коррозии.
Фосфатирование заключается в обработке деталей в смеси фосфорной кислоты и железистых и марганцевых солей. При этом на поверхности деталей образуется пленка, состоящая из фосфата железа и фосфата марганца. Пленка не растворяется в воде, не пропускает кислород, механически прочная и надежно защищает детали от коррозии. Цвет детали — черный.
Протекторная защита — это наиболее эффективный метод защиты сооружений из стали и чугуна (мосты, нефтепроводы, газопроводы, теплосистемы и другие объекты, имеющие важное народно-хозяйственное значение), для которых применение перечисленных методов защиты от коррозии невозможно из-за их высокой стоимости или больших габаритных размеров этих сооружений. Сущность этого метода заключается в том, что металлическая конструкция (котел) подключается в сеть постоянного тока (батарея) к отрицательному потенциалу — катоду. Рядом с металлическим сооружением на глубину промерзания в водоносные слои помещается пластина активного металла (цинк, свинец, магний и др.). Эта пластина соединяется с положительным потенциалом — анодом. Под действием ЭДС электроны катода (пластины, соединенной с отрицательным потенциалом) переходят к аноду. Пластины, разрушаясь, предохраняют основной металл от разрушения.
Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» разработал и предложил большую серию протекторных сплавов и конструкций протекторов, которые успешно применяются в судостроении, нефтедобывающей, нефтяной, газовой промышленности, машиностроении и коммунальном хозяйстве.
В настоящее время Богословский алюминиевый завод (Свердловская область) освоил выпуск алюминиевых сплавов, которые предназначены для производства протекторов широкого диапазона (марки АП-1, АП-2, АП-3 и др.). Из этих сплавов выпускают протекторы различных типов и конструкций: П-КОА-10, П-КОА-3 (одинарные), П-ККА-13, П-ПОА-10 (конечные), П-КЛА-15 (линейные). Выпуск протекторов различных конструкций и назначений предусматривают ГОСТ 26251—84* и ТУ 48-0102-113/0—90.
Рис. 3. Протекторная защита металлических конструкций и сооружений: 1 — защищаемая металлическая конструкция (катод); 2 — пластина активно коррозирующего металла (анод); 3 — источник ЭДС (батарея постоянного тока)
Протекторы характеризуются следующими параметрами: срок службы от 1 до 50 лет; зона защитного действия от 1 до 300 м2. Срок службы зависит от массы протектора. На основании проведенных исследований электрохимических характеристик алюминиевых протекторов в пластовых и подтоварных водах для нефтегазовых устройств разработана система протекторной защиты от коррозии на срок службы не менее 10 лет при диаметре трубопроводов не менее 320 мм (система ПАКР). Эта система предназначена для протекторной защиты внутренних поверхностей резервуаров внутренних систем от электрохимической коррозии при любом уровне жидкой фазы.
Система состоит из протяженного гальванического анода — протектора, составленного из отдельных стержней, соединенных между собой электросваркой. Анод (протектор) размещается на днище резервуара. При уровне воды более 2 м стержни размещаются вертикально. Скорость анодного растворения не более 4 кг анодов в год. Срок службы не менее 5 лет. Степень защиты не менее 95 %.
Схема протекторной защиты металлов от коррозии представлена на рис. 3.
Контроль коррозионных разрушений. С целью определения объема коррозионных разрушений изделий из металла проводят различные испытания:
- лабораторные — в искусственных условиях;
- в природных условиях — в почве, атмосфере, пресных водоемах и море;
- эксплуатационные — в естественных условиях работы сооружений, машин, трубопроводов и т. д.;
- ускоренные — имитация естественных условий работы при условии ускорения во времени.
Оценку коррозионных разрушений осуществляют определением потери массы металла или по толщине разрушенного металла.
| Таблица 1. Группы коррозионной стойкости металлов по десятибалльной шкале | |||
| Группа | Характеристика | Скорость коррозии металла, мм/год | Балл |
| 1 | Совершенно стойкие | Менее 0,001
Более 0,001 до 0,005 |
1
2 |
| 2 | Весьма стойкие | » 0,005 » 0,01
» 0,01 » 0,05 |
3
4 |
| 3 | Стойкие | » 0,05 » 0,01
» 0,1 » 0,5 |
5
6 |
| 4 | Пониженно-стойкие | » 0,5 » 1,0
» 1,0 » 5,0 |
7
8 |
| 5 | Малостойкие | » 5,0 » 10,0 | 9 |
| 6 | Нестойкие | Более 10,0 | 10 |
Примечание. При скорости коррозии металлов от 0,5 мм/год и выше оценка коррозионной стойкости производится по группам, а ниже 0,5 мм/год — по баллам стойкости.
По коррозионной стойкости металлы классифицируют в соответствии с действующими стандартами по десятибалльной шкале и группам стойкости (табл. 1).
Оценка коррозии по десятибалльной шкале не допускается в случаях коррозионного растрескивания и межкристаллитной коррозии изделий.
Кроме того, по коррозионной стойкости металлы подразделяются на активно коррозирующие в атмосферных условиях и воде, медленно коррозирующие в атмосферных условиях и воде, коррозионно-стойкие в атмосферных условиях и воде, а также особую группу конструкционных материалов составляют сплавы, работающие в активных средах (кислотах, щелочах, газовой среде) и при высоких температурах.
4. Механические свойства металлов и сплавов
Механические свойства — это группа свойств, которые характеризуют способность конструкционных материалов выдерживать (или не выдерживать) различные механические нагрузки: прочность, пластичность, упругость, твердость и ударную вязкость. Под воздействием механических нагрузок детали машин и механизмы могут разрушаться (или не разрушаться) в зависимости от механических характеристик.
Для определения механических характеристик конструкционные материалы подвергают следующим видам механических испытаний: испытание на растяжение, сжатие, кручение, изгиб, усталость, динамические испытания (на удар), испытание при повторно-переменных нагрузках.
Напряжения и виды деформаций, возникающие в деталях машин и механизмах в процессе их работы. Напряжение — это отношение нагрузки к площади поперечного сечения детали, воспринимающей эту нагрузку (нагрузка измеряется в ньютонах (Н) или килограмм-силах (кгс), а площадь поперечного сечения деталей в квадратных метрах (м2)).
Деформация — это изменение формы и размеров (или разрушение) деталей под действием нагрузок. В зависимости от направления действия механических нагрузок различают следующие виды деформации деталей и механизмов:
- деформация сжатия, которую испытывают шобот и баба кузнечного молота, пресса, пуансон и матрица, а также заготовки в процессе ковки, штамповки и прессования (рис. 4, а);
- деформация растяжения, которую испытывает трос подъемного крана (рис. 4, б );
- деформация кручения, которую испытывают шпиндель сверлильного и токарного станков, ходовые винты, валы и др. (рис. 4, в);
- деформация сдвига или среза, которую можно наблюдать при механической обработке деталей на металлорежущих станках, зубчатых зацеплениях, шпонках, шпильках, штифтах, образующих неподвижные соединения (посадки) деталей и механизмов и т. д. (рис. 4, г);
- деформация изгиба, характерная для стрелы подъемномостового крана, пролетов различных мостов и т. д. (рис. 4, д).
В зависимости от физико-механической природы конструкционных материалов различают упругие и пластические деформации. При упругих деформациях форма и размеры деталей после снятия нагрузки возвращаются в исходное состояние. При пластических деформациях происходит изменение размеров и формы деталей после прекращения нагрузки (остаточная деформация).
Рис. 4. Виды деформации деталей машин и механизмов, возникающих в процессе работы: а — сжатие; б — растяжение; в — кручение; г — сдвиг (срез); д — изгиб; Р, Р1, Р2 — нагрузки
При одинаковых нагрузках и сечениях детали машин, изготовленные из различных конструкционных материалов, деформируются по-разному. Например, стальной трос диаметром 10 мм разрушается при нагрузке 5 т, алюминиевая проволока этого же диаметра разрушается при нагрузке 1 т.
Прочность конструкционных материалов. Показателем работоспособности троса (подъема груза) является прочность конструкционного материала.
Прочность — это способность конструкционных материалов выдерживать (или не выдерживать) различные механические нагрузки не разрушаясь (или разрушаясь). Например, трос подъемного крана, изготовленный из стали, поднимает и перемещает груз определенной массы в пределах установленной для данной марки стали прочности. Железнодорожный мост рассчитан на строго заданную грузоподъемность. Прочность определяется пределом прочности при растяжении (временным сопротивлением), который характеризует напряжения или деформации, соответствующие максимальным (до разрушения образца) значениям нагрузки.
Предел прочности σв, МПа/м2, определяется по формуле
где Pmax — наибольшая нагрузка, МПа (кгс/мм2); F0 — площадь поперечного сечения образца (детали) до растяжения, м2. Эта величина также называется временным сопротивлением разрыву.
Пластичность конструкционных материалов. Пластичность — это способность конструкционных материалов изменять свою форму и размеры под действием нагрузки и сохранять остаточную деформацию после снятия нагрузки. Пластичность — свойство, обратное упругости. Пластичность характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.
Относительное удлинение δ, %, показывает, на сколько увеличилась длина образца в процессе растяжения, и определяется по формуле
где l0 — длина образца до растяжения, мм; l1 — длина образца после растяжения, мм.
Относительное сужение Ψ, %, показывает, на сколько процентов уменьшится площадь поперечного сечения образца после растяжения, и определяется по формуле
где F0 — площадь поперечного сечения образца до растяжения, мм2; F1 — площадь поперечного сечения образца после растяжения, мм2.
Величина пластичности зависит от физико-механических свойств конструкционных материалов, их хрупкости. Хрупкие материалы при растяжении или других видах деформаций разрушаются без удлинения (изгиба), внезапно (например, серые чугуны), поэтому хрупкость является отрицательным свойством материалов.
Свойство пластичности широко используется в производстве деталей из конструкционных материалов методом деформирования (прокатки, волочения, ковки, штамповки, слесарных операций и др.). При этом металл в горячем состоянии деформированию подвергается значительно легче, чем в холодном состоянии. При деформировании в холодном состоянии заготовки получают наклеп (упрочнение). Повышается твердость, прочность, ударная вязкость. Устраняется хрупкость, уменьшается пластичность. При горячем деформировании конструкционные материалы повышают механические свойства: твердость, пластичность, прочность и ударную вязкость; устраняется хрупкость. При деформировании как в холодном, так и в горячем состоянии пластическая деформация происходит по следующим физическим законам:
- наименьшего сопротивления металла;
- постоянства объема;
- расширения металла при нагревании и сужения его при охлаждении;
- поверхностного трения.
Эти важные технологические законы учитываются при выборе технологических режимов горячего и холодного деформирования. В практике конструкционные материалы должны обладать высокой прочностью, некоторой пластичностью. Отсутствие пластичности приводит к внезапному разрушению деталей. Примеры пределов прочности, относительного удлинения и сужения некоторых материалов приведены в табл. 2.
| Таблица 2. Пределы прочности и пластичности некоторых конструкционных материалов | |||
| Марка (группа)
конструкционного материала |
Предел прочности σв,
МПа (кгс/мм2) |
Относительное
удлинение δ, % |
Относительное
сужение Ψ, % |
| Сталь низкоуглеродистая (марок 08 — 10) | 330 … 350
(33 … 35) |
31 … 33 | 55 … 60 |
| Сталь высокоуглеродистая (марок 75 — 85) | 1 100 … 1 150
(110 … 115) |
8 … 9 | 30 |
| Медь чистая (марка М1к) | 220 … 240
(22 … 24) |
45 … 50 | 75 |
| Латунь (марка Л80) | 320
(32) |
52 | 70 |
| Чугун серый (марка СЧ30) | 300
(30) |
— | — |
Твердость конструкционных материалов. Твердость — это способность конструкционных материалов противостоять проникающим нагрузкам. Свойство твердости проявляется при обработке материалов резанием, в подшипниках качения и скольжения, зубчатых зацеплениях и различных трущихся деталях и механизмах. Чем выше твердость деталей и инструмента, тем выше износостойкость и надежность работы механизмов и стойкость режущих инструментов. В зависимости от твердости обрабатываемого материала выбираются режимы обработки заготовок резанием. Твердость режущего инструмента обусловливает их стойкость (время работы от заточки до заточки). Конструкционные материалы в сыром состоянии имеют низкую твердость. Для повышения износостойкости деталей и инструмента их подвергают различным видам термической или химико-термической обработки, в процессе которой твердость повышается в 2 — 3 раза. В металловедении определение твердости конструкционных материалов основано на вдавливании в испытуемый образец какого-либо наконечника (индентора) под нагрузкой. В практике определения твердости металлов широкое применение нашли методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, микротвердости, упругой отдачи, ударного отпечатка и метод царапания (резания).
Определение твердости металлов и сплавов по методу Бринелля проводится на шариковых твердомерах типа ТШ (рис. 5). Определение твердости конструкционных материалов в сыром состоянии (до закалки) по методу Бринелля предусматривает ГОСТ 9012—59*. Твердость по Бринеллю обозначается буквами НВ и числовым индексом, полученным в результате испытания. Например, 150 НВ.
Определение твердости конструкционных материалов вдавливанием в образцы алмазного конуса (шкалы А и С) или стального закаленного шарика (шкала В) под определенной нагрузкой (предварительной и основной) называется методом Роквелла (ГОСТ 9013—59*). Твердость по методу Роквелла определяется на приборах типа ТК (с электрическим приводом) и ТВ (с ручным приводом). На рис. 6 представлен твердомер типа ТК. Твердость, измеренная по методу Роквелла, обозначается символами НRC, НRА или НRВ (А, В, С — соответствующие шкалы, зависящие от величины нагрузки) и цифрами (значения твердости). Нагрузка выбирается в зависимости от толщины и условий твердости испытуемых деталей. Так, стальные закаленные детали толщиной не менее 1 мм испытываются при предварительной нагрузке 100 Н (10 кгс) и основной нагрузке 1 400 Н (140 кгс). Общая нагрузка при этом составит 1 500 Н, или 150 кгс.
Методом Виккерса (ГОСТ 2999—75*) определяют твердость химико-термически обработанных, а также тонких закаленных деталей путем вдавливания четырехгранной алмазной пирамиды под нагрузкой 9,807 … 980 Н (1 … 100 кгс). Твердость по Виккерсу обозначается буквами НV и определяется по формуле
Рис. 5. Твердомер Бринелля: а — общий вид прибора; б — схема испытания; в — измерение диаметра отпечатка с помощью микрометрической лупы; 1 — образец; 2 — шарик; 3 — лунка; 4 — шкала лупы; P — нагрузка на шарик; D — диаметр шарика; d — диаметр лунки; t — толщина образца
где d — среднее арифметическое значение длин двух диагоналей отпечатка после снятия груза, мм; α — угол между противоположными гранями пирамиды, равный 136 °С.
На рис. 7 приведен твердомер типа ТВ для определения твердости по методу Виккерса. При измерении твердости по методу Виккерса основными параметрами являются нагрузка P = 294,2 Н (30 кгс) и время выдержки 10 … 15 с.
В этом случае твердость по Виккерсу обозначается индексом НV и числом твердости (например, 350 НV). При других условиях нагрузка и время выдержки даются после символа твердости (например, запись 200 НV 10 — 25 означает, что твердость образца по Виккерсу составляет 200 единиц при нагрузке 100,07 Н (10 кгс) и времени выдержки 25 с.
Рис. 6. Твердомер Роквелла: а — общий вид прибора; б — шкала прибора
Рис. 7. Твердомер Виккерса: а — общий вид прибора; б — схема испытания; P — нагрузка, действующая на пирамиду; d — диагональ отпечатка
Числовое значение твердости по Бринеллю и Виккерсу в пределах 100 … 450 единиц приблизительно совпадает с истинной твердостью конструкционных материалов.
В других случаях общего точного перевода чисел твердости по Виккерсу в числа твердости по другим методам или в прочность при растяжении не существует.
Выпускаются также универсальные приборы нового поколения для определения твердости одновременно по методу Виккерса и Бринелля — приборы мод. 2137ТУ, ХПО-250 и др.
Ударная вязкость. Способность конструкционных материалов сопротивляться ударным нагрузкам называется ударной вязкостью (ударной прочностью). В процессе работы большинство деталей машин и механизмов испытывают ударные нагрузки, которые также называются динамическими нагрузками. Для определения условий работы конструкционных материалов при тех или иных динамических нагрузках существует метод испытания материалов на ударный изгиб при различных температурах (ГОСТ 9454—78*). Ударная вязкость (прочность) определяется на специальном приборе, называемом маятниковым копром (рис. 8).
Рис. 8. Маятниковый копер: а — общий вид прибора; б — U-образный концентратор напряжения; в — V-образный концентратор напряжения; 1 — испытуемая деталь; a — угол подъема маятника; b — угол отклонения маятника после разрушения образца
Для определения ударной вязкости материалов изготавливают специальные образцы с концентраторами напряжений, которые испытывают на маятниковых копрах. Образцы изготавливают с U-, V-, T-образными концентраторами. Образцы устанавливают на опоры маятникового копра посредине концентраторов напряжений. Далее разрушают образец. В результате разрушения определяют полную работу K, затраченную на разрушение образца при ударе (работа удара), или ударную вязкость КС.
Таким образом, под ударной вязкостью понимают работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора. Ударную вязкость обозначают КСU, КСV или КСТ в зависимости от вида концентратора (U-образный концентратор с радиусом 1 мм; V-образный концентратор с радиусом 0,25 мм; Т — трещина усталости, образованная в основании надреза). Ударная вязкость KC, Дж/м2 (кгс · м/см2), вычисляется по формуле
КС = K/S0,
где К — работа удара, Дж/м2 (кгс · м/см2); S0 — начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, м2 (см2).
| Таблица 3. Ударная вязкость некоторых конструкционных материалов | |||
| Марка стали | Ударная вязкость KCU,
Дж/см2, при 20 °С |
Марка стали | Ударная вязкость KCU,
Дж/см2, при 20 °С |
| Ст2кп | 24 … 64 | 15 | 120 |
| Ст5сп | 71 | 45 | 76 … 80 |
| Ст08 | 235 | 15Х | 111 … 156 |
Примечание. Ударная вязкость образцов приведена в нормализованном состоянии.
При определении ударной вязкости, отличной от нормальной температуры, указывают цифровой индекс, соответствующий температуре испытания. Например, КСU 20 означает, что испытание проведено при температуре 20 °С.
Примеры ударной вязкости некоторых конструкционных материалов приведены в табл. 3.
Испытание конструкционных материалов на усталость. Процесс накопления напряжений в деталях и механизмах при знакопеременных нагрузках, приводящих к разрушению, называется усталостью. Свойство конструкционных материалов, обратное усталости, называется выносливостью. В целях определения усталости (выносливости) детали и механизмы подвергают лабораторным испытаниям, которые регламентируются ГОСТ 25.502—79. Для определения усталости разработана методика, по которой испытанию подвергают 15 образцов конструкционного материала. Каждый образец подвергают нагрузке до полного разрушения или определенного числа циклов (знакопеременных нагрузок). При испытании определяют предел выносливости и по соответствующим параметрам (нагрузкам) определяют гарантийный срок службы (число циклов), время работы деталей машин и механизмов. В процессе эксплуатации на эти детали и механизмы даются соответствующие рекомендации.
5. Технологические и эксплуатационные свойства металлов и сплавов
Технологические свойства. Технологические свойства — это группа свойств, которые определяют способность конструкционных материалов подвергаться различным видам обработки в холодном и горячем состоянии. В основе этих свойств лежат физико-механические особенности конструкционных материалов, которые и определяют технологичность заготовок в процессе изготовления различных деталей и инструмента. К технологическим свойствам относятся обрабатываемость резанием, деформируемость (ковкость, штампуемость, способность к загибу, перегибу, отбортовке, получению двойного кровельного замка и т. д.), свариваемость, литейные свойства, паяемость, упрочняемость и др. Технологические свойства характеризуют поведение материалов в процессе изготовления из них деталей.
Свариваемость — способность конструкционных материалов образовывать прочные, неразъемные соединения путем местного расплавления соединяемых деталей и их последующего охлаждения. Вид сварки зависит от источника нагрева. Сварка бывает газовая, дуговая, электроконтактная, ультразвуковая, электрошлаковая, кузнечная и др.
Деформируемость — это способность заготовок воспринимать пластическую деформацию в процессе технологических операций: гибки, ковки, штамповки, волочения, проката и прессования без нарушения ее целостности. Деформируемость зависит от химического состава, механических свойств, скорости деформации, а также температуры и величины деформации при каждой операции. Оценка деформируемости при различных видах операций давлением проводится методом технологических проб, испытаний.
Технологические испытания не дают числовых данных по качеству деформированности конструкционных материалов.
Литейные свойства — это способность конструкционных материалов образовывать качественные отливки без трещин, коробления, усадочных раковин и т. д. К ним относятся жидкотекучесть, усадка и ликвация.
Жидкотекучесть — это способность конструкционного материала в жидком состоянии заполнять полости, узкие и тонкие места литейной формы и давать четкое объемное изображение очертаний отливок. Жидкотекучесть зависит от химического состава сплава, температуры заливки, вязкости и поверхностного натяжения. На жидкотекучесть влияет также качество полости формы, шероховатость ее стенок, их теплопроводность и характер атмосферы в самой форме. Например, жидкотекучесть металла в песчаных сухих формах значительно выше, чем в сырых и металлических формах.
Усадка — это свойство конструкционных материалов уменьшаться в объемных и линейных размерах при затвердевании отливок. Величина усадки выражается в процентах. Усадка зависит от химического состава конструкционных материалов и температуры их заливки. При повышении температуры сплава усадка отливки увеличивается. Усадка различных конструкционных материалов колеблется в пределах 1 … 2 %. Например, литейный серый чугун имеет величину усадки 1 %, сталь — 2 %, сплавы цветных металлов — 1,5 %. Усадка сопровождается образованием в отливках усадочных раковин и рыхлости. Для компенсации усадки, предотвращения усадочных раковин и рыхлости литейную форму конструируют таким образом, чтобы ее полость постоянно подпитывалась жидким металлом, т. е. делают дополнительные устройства — прибыли.
Ликвация — неоднородность по химическому составу в отливках, образуемая в процессе кристаллизации сплава. Химическая неоднородность наблюдается как в отдельных частях отливки (зональная ликвация), так и внутри отдельных зерен (внутрикристаллическая ликвация).
Внутрикристаллическая ликвация устраняется путем термической обработки, а зональная — механическим перемешиванием жидкого металла в процессе его заливки в форму. Большое влияние на ликвацию оказывает также скорость охлаждения отливки. При быстром равномерном охлаждении отливки ликвация не наблюдается. Кроме того, практикуют охлаждение жидкого металла и его затвердевание по направлению прибыли. Разнородность по химическому составу в этом случае образуется в прибыли. Таким образом, прибыль является универсальным устройством, которое предотвращает явный брак в отливках, образуемый усадкой, короблением и ликвацией.
Паяемость — это способность конструкционных материалов образовывать прочные и герметичные соединения путем паяния. В необходимых случаях (например, в радиотехнике и электротехнике) спаянные соединения должны обладать определенными физическими свойствами: электропроводностью, индуктивностью и т. д.
Упрочняемость — это способность конструкционных материалов улучшать механические свойства в процессе термической и химико-термической обработки. К упрочняемости относятся закаливаемость, прокаливаемость и незакаливаемость.
Закаливаемость — это способность конструкционных материалов воспринимать закалку. Этой способностью обладают все углеродистые и легированные стали с массовой долей углерода свыше 0,3 %, а также чугуны, сплавы цветных металлов, латуни, бронзы, силумины и др.
Рис. 9. Глубина прокаливаемости стали в зависимости от ее химического состава: а — углеродистые стали (низкая прокаливаемость); б — хромоникелевые стали (средняя прокаливаемость); в — легированные стали (высокая прокаливаемость); г — хромоникелевые стали с повышенным содержанием хрома (повышенная прокаливаемость)
Прокаливаемость — это способность конструкционных материалов воспринимать закалку на определенную глубину. Прокаливаемость характеризуется глубиной закалки, которая определяется на стандартных образцах по ГОСТ 5657—69. Испытанию подвергают цилиндрические образцы диаметром 25 мм, длиной 120 мм с заплечиками. Их закаливают с торца и через определенные размерные интервалы по методу Роквелла замеряют твердость. Прокаливаемость зависит от химического состава конструкционного материала, температуры нагрева и способа охлаждения. Например, углерод в конструкционных сталях, начиная от массовой доли 0,3 % и выше, способствует увеличению прокаливаемости. Хром, кремний и марганец также способствуют увеличению прокаливаемости легированных сталей. Высокую прокаливаемость имеют углеродистые инструментальные стали с массовой долей углерода 0,7 … 1,3 %.
Примеры прокаливаемости стали в зависимости от их химического состава представлены на рис. 9 (заштрихованные элементы показывают глубину прокаливаемости).
Незакаливаемость — способность конструкционных материалов в процессе термической обработки не воспринимать закалку (например, углеродистые и другие стали с массовой долей углерода менее 0,3 %). Свойство незакаливаемости отдельных конструкционных материалов широко используется при сварке. Чем выше незакаливаемость металла соединяемых деталей и электродов, тем выше качество сварного соединения. Если отдельные стали обладают устойчивым свойством незакаливаемости, то как бы их ни нагревали и ни охлаждали, детали из этих сталей закалку вообще не воспринимают.
Эксплуатационные свойства. Эксплуатационные, или служебные, свойства — это группа свойств, которые определяют долговечность и надежность работы изделий в процессе их эксплуатации. К ним относятся износостойкость, циклическая вязкость, жаропрочность, хладностойкость, антифрикционность, прирабатываемость и др. Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы машин и механизмов. В основу эксплуатационных свойств положены физико-механические и химические свойства конструкционных материалов. Физико-химическая природа этих материалов определяет надежность и долговечность работы деталей и механизмов.
Износостойкость — способность конструкционных материалов сопротивляться абразивному изнашиванию трущихся поверхностей деталей и инструмента во время работы. Например, передняя поверхность режущих инструментов, по которой сходит стружка, при механической обработке (точении, сверлении, фрезеровании и т. д.) постоянно подвергается высокому трению, вследствие чего происходит изнашивание этой поверхности и режущей кромки резца.
Режущие элементы затупляются. Чем выше износостойкость материала резца, тем выше стойкость режущего инструмента, т. е. непосредственное машинное время работы данным инструментом. Требования высокой износостойкости предъявляются ко всем трущимся поверхностям деталей, инструменту и механизмам в процессе работы.
Поверхности зацепления зубчатых передач, фрикционных муфт, кулачковых механизмов, зеркало цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. д., как правило, должны иметь высокую износостойкость. Высокая износостойкость деталей, инструмента и механизмов достигается путем термической и химико-термической обработки.
Циклическая вязкость — это способность конструкционных материалов выдерживать динамические знакопеременные нагрузки не разрушаясь. Примером высокой циклической вязкости могут служить рессоры автомобиля, торсионы и пружины. Эти детали работают при высоких динамических нагрузках в сложных условиях и длительное время не разрушаются.
Постоянные толчки на стыках рельсов, неровностях автодорог и неравномерное движение поездов деформируют рессоры и пружины в прямом и обратном направлениях. Благодаря высокой циклической вязкости рессоры и пружины длительное время не разрушаются, что определяет их надежность.
Разновидностью циклической вязкости являются демпферные свойства некоторых конструкционных материалов.
Демпфирование — способность гасить, рассеивать колебания и направленные нагрузки. Особенно высокими демпферными свойствами обладают серые литейные и ковкие чугуны, благодаря чему они широко применяются в производстве высоконагруженных деталей машин и конструкций (станины станков, кронштейны, кожухи и т. д.).
Жаропрочность — способность конструкционных материалов выдерживать высокие механические нагрузки в процессе работы при температурах, начиная от 0,3 температуры плавления и выше. Жаропрочность зависит от тугоплавкости химических компонентов конструкционных материалов. Многие детали современных двигателей, турбин, металлургических печей и силовых установок при высоких температурах несут большие нагрузки. При этом в конструкционных материалах ослабевают межатомные связи, уменьшаются упругость, твердость, вязкость, и детали постепенно разрушаются. Углеродистые стали практически не имеют жаропрочности. С добавлением в них алюминия, магния и титана в небольших объемах жаропрочность повышается до 300 … 600 °С. С добавлением в сплав никеля и кобальта жаропрочность повышается до 700 … 1 000 °С.
Жаростойкость (окалиностойкость) — это способность металлов и сплавов противостоять образованию коррозии под действием температуры в среде воздуха, газа и пара. В практике принята эксплуатационная жаростойкость — стойкость при длительной работе деталей и конструкций при температуре 600 … 650 °С. Углеродистые стали и чугуны имеют низкую жаростойкость. Легированные стали, чугуны, сплавы, содержащие хром, никель, титан, вольфрам и ванадий, имеют жаростойкость 800 … 1 000 °С и выше. Жаростойкость определяют глубиной коррозии (окалиной). Кроме того, стандартом устанавливается продолжительность работы деталей и конструкций в газовой среде (воздухе) при повышенной температуре. Жаростойкость металлов и сплавов определяют по специальной методике согласно ГОСТ 6130—71.
Хладностойкость — свойство конструкционных материалов сохранять вязкость при отрицательных температурах от 0 до 269 °С. Воздействию низких температур подвергаются газо- и нефтепроводы, мосты, рельсы и другие сооружения, эксплуатируемые в северных районах, где температура может достигать 60 °С; летательные аппараты, работающие при температурах от 0 до 183 °С; детали, узлы и механизмы холодильной и криогенной техники, эксплуатируемые в условиях температур до 269 °С.
Хладноломкость — это свойство материала хрупко разрушаться при пониженных температурах и терять вязкость. Понижение температуры приводит к хрупкому разрушению конструкционных материалов. Высокой хладноломкостью обладают углеродистые конструкционные стали и чугуны. Алюминий, титан и их сплавы, никелевые стали обладают более высокой хладностойкостью. Для деталей и конструкций, работающих при отрицательных температурах, с целью уменьшения хладноломкости и получения высокой хладностойкости применяют специальные легированные стали и новые материалы — композиты.
Антифрикционность — способность конструкционных материалов образовывать низкое трение соприкасающихся (трущихся) поверхностей деталей в процессе их работы. Низкий коэффициент трения и высокое скольжение обеспечивают антифрикционность конструкционных материалов. В практике выпускаются специальные материалы, которые идут на изготовление узлов трения. Эти материалы называются антифрикционными. Они широко применяются для изготовления подшипников скольжения в современных машинах, механизмах и приборах. Антифрикционные материалы обладают устойчивостью к вибрации, бесшумностью в работе и прирабатываемостью. В качестве антифрикционных материалов широкое применение нашли чугуны, бронзы и баббиты. В целях устранения нагрева при трении и увеличения антифрикционности в механизмах используются смазывающие материалы.
Фрикционность — способность конструкционных материалов к образованию высокого трения соприкасающихся поверхностей деталей в процессе их работы. Фрикционность используется в тормозных устройствах и механизмах и для передачи крутящего момента (фрикционные муфты, диски сцепления, тормозные барабаны и системы и т. д.).
Материалы, предназначенные для изготовления тормозных устройств, должны обладать высоким коэффициентом трения, минимальным износом, теплостойкостью, прирабатываемостью и высокой прочностью. В качестве фрикционных материалов применяются многокомпонентные металлические и неметаллические пластины, диски и накладки, спеченные или спрессованные с асбестом, графитом, металлической стружкой или проволокой.
Прирабатываемость — способность конструкционных материалов пластически деформироваться в процессе работы в узлах трения, увеличивать площадь контакта, снижать давление и температуру на трущихся поверхностях в узлах трения и сохранять граничную смазку.
Хорошая прирабатываемость обеспечивает надежную работу подшипников скольжения и качения при работе в паре с сырым или закаленным валом и других трущихся деталей и механизмов, повышая их долговечность. С целью обеспечения надежности и долговечности работы машин и механизмов после их изготовления проводится обкатка на холостом ходу. А после сдачи станка в эксплуатацию в первый период (рекомендуют для машин) осуществляют работу на малых оборотах или скоростях. В этих случаях происходит плавная прирабатываемость всех узлов и агрегатов машин, станков и механизмов.
Эксплуатационные свойства в технике еще получили название триботехнические характеристики.
6. Методы выявления дефектов без разрушения деталей
В современной практике широко применяется безобразцовый (внелабораторный) контроль качества не только соединяемых деталей (изделий), но и отдельных полуфабрикатов, конструкций и сооружений. В практике этот метод известен как неразрушающий (без разрушения деталей) контроль качества деталей, изделий и конструкций, который широко применяется в условиях производства и эксплуатации различных систем.
Этот метод используют для определения внешних и внутренних дефектов без разрушения деталей, к которым относятся узлы и изделия в крупногабаритных машинах, соединенных между собой различными видами сварки, паянием, болтовыми и резьбовыми соединениями, клепкой. Кроме того, безобразцовому контролю подвергают отливки, прокат, поковку и штамповку. Широкое применение нашел безобразцовый контроль различных трубопроводов (газо-, нефте-, водопроводов и трубопроводов) для других рабочих тел, как химически активных, так и нейтральных (пассивных).
С помощью этого метода определяется химический состав различных металлов и сплавов, из которых изготовлены изделия, несоответствие которого стандарту может приводить к дефектам в процессе эксплуатации.
По ГОСТ 15467—79* возможные дефекты в деталях, изделиях и конструкциях из конструкционных материалов подразделяются на следующие виды: явные, скрытые, критические, значительные и малозначительные.
Большинство дефектов можно обнаружить неразрушающим методом контроля. Неразрушающие методы контроля по сравнению с образцовым контролем качества изделий имеют большие преимущества и более эффективны. Эти методы позволяют экономить конструкционные материалы, быстро и качественно определять дефекты. По ГОСТ 18353—79 физические неразрушающие методы контроля качества изделий и конструкций подразделяются на следующие виды: акустический, вихревой, магнитный, оптический, проникающими веществами, радиоволновой, радиографический, тепловой и электрический. Кроме того, каждый из перечисленных видов контроля подразделяется с учетом взаимодействия изучаемого объекта с физическими полями, воздействующими на эти объекты, их параметрами, а также способами получения информации.
Неразрушающие методы контроля качества деталей и обнаружения в них дефектов проводятся по следующей технологической схеме: помещение исследуемого объекта в контролируемую среду; выявление с помощью приборов дефектов (состава материала, внешних параметров, погрешности форм и размеров и т. д.); преобразование полученных параметров в показатели, удобные для расшифровки и расшифровка полученных данных.
Методы неразрушающего контроля подразделяются на следующие виды:
- внешний контроль;
- контроль технологических режимов;
- физический (инструментальный) контроль.
Внешний контроль — это визуальный осмотр изделия (детали), сварного или иного соединения. Внешний контроль иногда проводят с помощью лупы или специального микроскопа. По внешнему осмотру определяют, прежде всего, качество отливки, поковки, проката, сварки и т. д. В изделиях, полученных прокатом, ковкой и литьем, при внешнем осмотре выявляются следующие дефекты: расслоение, вырыв, свищи, флокены, инородные металлические и неметаллические включения, кованые трещины, отпечатки литейной формы, дефекты и искажения поверхности и формы прокатанных, кованых и литых изделий, чешуйчатость, рябизна, остатки окалины, заусенцы и другие дефекты, понижающие качество изделий в целом и ухудшающие их эксплуатационные свойства.
При внешнем осмотре отливок обнаруживаются следующие дефекты: узорчатая поверхность, пригар, шероховатость поверхности (следы материалов земляной литьевой формы), вскипы, образованные кипением заливаемого в форму металла, недоливы, ужимы, усадочные раковины, трещины, газовые раковины, несоответствующие форме, размерам, и несоосность. Дефекты, обнаруженные внешним осмотром, могут быть как устранимыми, так и неустранимыми (брак).
В сварных соединениях, например в различных трубопроводах (нефтегазовая, химическая промышленность, жилищно-коммунальное хозяйство и другие отрасли), внешний контроль является особенно важным. Невооруженным глазом или с помощью лупы проводят внешний осмотр сварного шва, выявляя типичные дефекты при сварке: перекос соединяемых деталей со смещением кромок, неравномерный (ослабленный или чрезмерно усиленный) шов, непровар, трещины, ноздреватость, кратеры и др. Часть этих дефектов связана с нарушением технологии сварки, часть — с низкой квалификацией сварщика, а часть — с качеством металла свариваемых деталей и их внутренними дефектами.
Контроль технологических режимов — это контроль соблюдения всех режимов производства полуфабрикатов (литья, проката, волочения, ковки, сварки, паяния, винтового и клепаного соединений и др.). В каждом производстве есть свои особенности технологических процессов, за которыми следят по приборам или проводят автоматический контроль или внешнее наблюдение. В случае нарушения технологии для предотвращения дефектов (брака) дается определенная команда или делаются соответствующие выводы. Контроль технологических режимов обеспечивает получение качественных деталей, изделий и конструкций из различных материалов. При сварке важным параметром является выбор электрода и величины сварочного тока, а также проведение отжига сварного шва и околошовной зоны, при литье — температура заливки сплава, конструкции литейной формы и технологические операции, проводимые после охлаждения отливок (отжиг, нормализация, механическая обработка).
Физические (инструментальные) методы контроля основаны на применении переносных электронно-вычислительных (или шкальных) приборов. Например, переносным прибором МЭИ-Т7 можно определить механические свойства сварного шва, крупногабаритного проката, отливок, емкостей без вырезки образцов, т. е. без разрушения.
Физические методы контроля позволяют определить как наружные, так и внутренние дефекты деталей, узлов, изделий и сооружений.
Каждый из физических методов имеет свои особенности и разновидности. Например, радиационный метод контроля имеет три разновидности:
- радиографический — позволяет выявлять и документально фиксировать дефекты;
- радиоскопический — позволяет выявлять дефекты и наблюдать за ними на экране монитора (прибора);
- радиометрический — основан на проникновении γ-излучений в исследуемый узел. В случае внутренних дефектов приборы фиксируют и дают показания на соответствующей шкале прибора.
Акустический метод контроля основан на звуковых или ультразвуковых колебаниях контролируемых участков. Этот метод также имеет несколько разновидностей.
Для контроля качества сварных соединений применяют также метод «красок», с помощью которого выявляют дефекты, не обнаруженные при внешнем осмотре.
Контроль паяных и сварных соединений на плотность (герметичность) проверяют методом смачивания керосином или методом статического гидравлического или пневматического (воздухом) давления (опрессовка). При опрессовке давление создается в 1,5 — 2 раза выше рабочего давления трубопроводов. Применяется также метод течеискания (истечения) рабочих тел в трубопроводах.
Наиболее широкое применение нашел метод ультразвуковой дефектоскопии, которым определяются внутренние дефекты сварных соединений как в основном металле, так и в металле шва, а также толщина коррозионного повреждения в трубопроводах различного назначения и ответственных металлоконструкциях. Это обычно малогабаритные приборы, работающие как от сети переменного тока, так и от аккумуляторной батареи (мод. 26М6, 26DLРLVS, 25I27DL и др.).
Цифровые толщиномеры, ультразвуковые дефектоскопы могут быть как многорежимные с 40 и более блоками памяти, с дисплеем для проверки формы волны и внутренним коллектором данных на несколько тысяч контрольных точек, так и простые двухступенчатые низко- и высокотемпературные (до 500 °С). Это различные модели приборов, выпускаемые фирмой Panametrics (США).
В ряде случаев находят применение видеокамеры с автоматической подачей (движением), которые фиксируют и передают информацию о внутренних повреждениях (трещины, сколы, коррозия, инородные тела и др.) на видеомагнитофон.
С помощью корреляционного акустического течеискателя мод. LC-2100 методом корреляции акустических колебаний, производимых утечкой рабочей жидкости (нефть, нефтепродукты, вода и другие жидкости), наиболее эффективно определяется местоположение дефектов в трубопроводе.
Портативный течеискатель, имеющий малые габаритные размеры, позволяет в полевых условиях определять дефекты труб, производить распечатку информации на портативном принтере с сохранением данных измерений, а также их обработку на компьютере.
В практику дефектоскопии вошли передвижные аварийно-диагностические лаборатории (на колесах) для различных трубопроводов. Это техника нового поколения, применяемая для диагностирования и дефектоскопии трубопроводов различного назначения. Передвижные лаборатории дают возможность стабильного обеспечения нефтепродуктами, водой, теплом, а также в кратчайшие сроки позволяют устранять в сетях аварии. Оборудование немецкой фирмы Seba dunatroniks и других фирм монтируют на шасси отечественных автомобилей ЗИЛ-33102, УАЗ-3303, ГАЗ-6611 и др. Благодаря систематической дефектоскопии и диагностике состояния около 150 000 км трубопроводов в Российской Федерации работают в безаварийном режиме, стабильно обеспечивая промышленные предприятия и коммунальное хозяйство газом, теплом, водой.
Физические методы контроля с помощью ультразвуковых дефектоскопов, измерительных технологий, ультразвуковых толщиномеров и течеискателей, смонтированных на передвижных лабораториях, дают большой экономический эффект в различных отраслях экономики.
Синонимы к словосочетанию «свойства металла»
Прямых синонимов не найдено.
Связанные слова и выражения
- свойства металла, механические свойства, свойства материалов, магнитные свойства, химические свойства, физические свойства, свойства вещества, оптические свойства, изменять свои свойства
- свойства металла, твёрдый металл, разные металлы, прочность металла, различные металлы
- обработка давлением
- температура плавления
- коррозионная стойкость
- коэффициент теплового расширения
- высокая твёрдость
- оксид алюминия
- удельное сопротивление
- карбид кремния
- шахтная печь
- в расплавленном состоянии
- состав сплава
- содержание углерода
- ударная вязкость
- минеральный вид
- рост кристаллов
- металлическая связь
- шероховатость поверхности
- сварные швы
- электронная теория
- модуль упругости
- источник теплоты
- в зону дуги
- диэлектрическая проницаемость
- плавиковая кислота
- переходить в тепло
Делаем Карту слов лучше вместе
Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать
Карту слов. Я отлично
умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!
Спасибо! Я стал чуточку лучше понимать мир эмоций.
Вопрос: киноа — это что-то нейтральное, положительное или отрицательное?
Связанные слова (по тематикам)
- Люди: металлург, химик, литейщик, индивидуум, кузнец
- Места: сталь, залежь, самоцвет, плавильня, месторождение
- Предметы: минерал, сульфид, оксид, окисел, кремний
- Действия: нагревание, осаждение, полимеризация, трансмутация, кристаллизация
- Абстрактные понятия: электропроводность, элемент, растворимость, микроструктура, валентность
Ассоциации к слову «свойство»
Ассоциации к слову «металл»
Предложения со словосочетанием «свойства металла»
- Чем выше температура металла в момент окончания деформирования, тем крупнее зерно и тем хуже механические свойства металла.
- К технологическим свойствам металла относят ковкость, усадку, свариваемость и закаливаемость.
- – Многие костоправы используют в практике целебные свойства металлов.
- (все предложения)
Сочетаемость слова «металл»
- драгоценные металлы
расплавленный металл
тяжёлые металлы - металл доспехов
металл корпуса
металл шва - кусок металла
скрежет металла
груда металла - металл остынет
металл раскалился
металл плавился - коснуться холодного металла
превратиться в груду металла
плавить металл - (полная таблица сочетаемости)
Какими бывают «свойства металла»
Значение слова «свойство»
-
СВО́ЙСТВО, -а, ср. 1. Качество, признак, составляющие отличительную особенность кого-, чего-л. Свойства характера. Свойства глинистых почв. Химические свойства воды.
СВОЙСТВО́, -а́, ср. Родство не по крови, а по браку (отношения между супругом и кровными родственниками другого супруга, а также между родственниками супругов). (Малый академический словарь, МАС)
Все значения слова СВОЙСТВО
Значение слова «металл»
-
МЕТА́ЛЛ, -а, м. 1. Химически простое вещество (или сплав), обладающее особым блеском, ковкостью, хорошей теплопроводностью и электропроводностью. Черные металлы. Цветные металлы. Резьба по металлу. (Малый академический словарь, МАС)
Все значения слова МЕТАЛЛ
Отправить комментарий
Дополнительно
Смотрите также
СВО́ЙСТВО, -а, ср. 1. Качество, признак, составляющие отличительную особенность кого-, чего-л. Свойства характера. Свойства глинистых почв. Химические свойства воды.
СВОЙСТВО́, -а́, ср. Родство не по крови, а по браку (отношения между супругом и кровными родственниками другого супруга, а также между родственниками супругов).
Все значения слова «свойство»
МЕТА́ЛЛ, -а, м. 1. Химически простое вещество (или сплав), обладающее особым блеском, ковкостью, хорошей теплопроводностью и электропроводностью. Черные металлы. Цветные металлы. Резьба по металлу.
Все значения слова «металл»
-
Чем выше температура металла в момент окончания деформирования, тем крупнее зерно и тем хуже механические свойства металла.
-
К технологическим свойствам металла относят ковкость, усадку, свариваемость и закаливаемость.
-
– Многие костоправы используют в практике целебные свойства металлов.
- (все предложения)
- гибкость
- качество
- уникальность
- предмет
- характер
- (ещё ассоциации…)
- железо
- проволока
- металлическая
- железа
- чеканка
- (ещё ассоциации…)
- целебные свойства
- свойства объекта
- ряд свойств
- обладать свойствами
- (полная таблица сочетаемости…)
- драгоценные металлы
- металл доспехов
- кусок металла
- металл остынет
- коснуться холодного металла
- (полная таблица сочетаемости…)
- механические
- физические
- магнитные
- (ещё…)
- Разбор по составу слова «свойство»
- Разбор по составу слова «металл»
- Как правильно пишется слово «свойство»
- Как правильно пишется слово «металл»
Металлы. Их разновидности и свойства
Металлы, на сегодняшний день, являются одними из самых широко используемых материалов в мире. Металлами называют соединения с закономерным расположением атомов в узлах пространственной кристаллической решётки, которая обладает характерным блеском, способностью проводить тепло и электрический ток, а также отражать световые лучи. Для металлов характерны такие свойства как плотность, прочность, выносливость, свариваемость, пластичность, электропроводность, возможность создания различных сплавов.
Наличие данных свойств и характеризует, так называемое, металлическое состояние вещества. Такими свойствами обладают 75% всех элементов в периодической системе Менделеева. Неметаллы же не обладают вышеперечисленными свойствами и значительно отличаются по структуре, физическим и химическим свойствам от металлов.
Можно сказать, что металлы являются отличными проводниками электрического тока. Их свойства полностью диктует их кристаллическое строение и атомарный состав. Вследствие воздействия высокой температуры металлы частично снижают показатель своей электропроводности. В условиях же низкотемпературного режима электропроводность определенных видов металла возрастает, поэтому такие виды считаются сверхпроводниками. Дело в том, что в атомах металлов, прочно связанных в кристаллическую решетку, электроны могут легко передвигаться по всему объему, а не только на внешних слоях атома.
Сплавы — это вещества, состоящие из двух и более металлов, которые получаются с помощью плавления простых элементов. По числу компонентов сплавы делятся на двухкомпонентные (двойные), трехкомпонентные (тройные) и многокомпонентные. Компонент, который содержится в сплаве больше всего, называется основным, а компонент, вводимый в сплав для наделения ему нужных свойств – легирующим. В целом, совокупность компонентов сплава можно назвать системой. Изменяя компоненты и их пропорции, получают множество всевозможных сплавов с разнообразными физическими, механическими или химическими свойствами. Сплавы тоже располагают всеми характерными свойствами металлов, однако качественные характеристики их обычно заметно отличаются от самородков. Так, например, сплав, содержащий 40% кадмия и 60% висмута, имеет температуру плавления 144ºС, а температура плавления составляющих его компонентов – соответственно 321ºС и 271ºС, т. е. намного выше. Огромное преимущество сплавов заключается в том, что они превосходят чистые металлы по прочности, твердости, износостойкости и жаропрочности. Поэтому сплавы применяются значительно шире чистых металлов.
Классификация металлов и сплавов
Отличие металлов от сплавов заключается в различных визуальных признаках, такие как зернистость и гладкость поверхности. Также сплавы обладают теплопроводностью и электропроводностью.
Наиболее широкое распространение в промышленности получили медные, титановые, бронзовые и алюминиевые сплавы. Данные элементы служат сырьем для производства различных деталей и выливания металлоконструкций.
Классифицировать образцы металлов можно и более детально, взяв во внимание их целевое применение, сферы использования и принципы работы.
Существует также классификация металлов в соответствии с ГОСТом.
Каждый из стандартов определяет требования к металлическим материалам, к их индивидуальным характеристикам и сферам использования. Данные критерии становятся основными при выборе материала для определенной цели.
Дерево классификаций металлов
Группы металлов
Все металлы можно разделить на две группы, которые не только их имеют схожесть по свойствам, но и по промышленному применению. Такими группами являются черные и цветные металлы.
Черные металлы получили свое название из-за цвета, который меняется от темно-серого практически до белого. Они обладают значительной плотностью, высокой температурой плавления и твердостью. Самым распространенным и наиболее часто применяемым в промышленности представителем черных металлов является железо.
Цветные металлы также названы благодаря цвету простых веществ. Их цвет может быть красным, желтым, белым. Цветным металлам свойственны также уникальные физические и химические свойства. Они пластичны, мягки и легкоплавки по сравнению с черными металлами.
Черные металлы
Класс черных металлов включает два подвида – сталь и чугун. Стали могут быть углеродистыми или легированными.
Различные виды черных сплавов получили значительное распространение в области изготовления металлопроката. Они обладают отличными рабочими свойствами, поэтому на рынке черные металлы всегда востребованы.
Добыча материалов происходит из железной руды, а с помощью доменной печи, где при температуре около 2000 градусов протекает процесс плавка руды, получают железо. По сути, способов выработки железа множество. Также помимо доменного процесса получения железа, существует способ прямого получения железа из предварительно измельченной железной руды с добавлением специальной глины. При этом способе железо получается в твердом виде, которое впоследствии переплавляется в мощных электрических печах.
Кроме видов металлов и их сплавов, существуют также и различные марки, разновидность которых указывается в буквенно-цифровом виде, например Ст3. Группировка марок черного металла используемая в металлопрокате, значительно облегчает поиск того или иного вида черного металла для различных сфер жизнедеятельности человека.
Любой металлопрокат по форме, размерам и предельным отклонениям должен строго соответствовать требованиям ГОСТ. К черному металлу относятся следующие виды проката: листовой, сортовый, фасонный, трубный. Как уже известно, к черным металлам относится чугун и сталь, которые, по сути, очень схожи за исключением количества содержащегося углерода.
Чугуны — сплавы содержащие углерод более 2,14 % (в некоторых чугунах до 6 %).
Стали — сплавы железа с углеродом при содержании углерода менее 2,14 %. Стали также бывают низкоуглеродистые (содержание углерода менее 0,25%), углеродистые (0,25 — 0,6 %), высокоуглеродистые (более 0,6 %). Низкоуглеродистые стали легко свариваемы и весьма пластичны, высокоуглеродистые же напротив – очень твердые, благодаря чему применяются в агрегатах режущих инструментов.
Кроме углерода в чугунах и сталях содержатся другие компоненты, такие как кремний, марганец, сера, фосфор.
Цветные металлы
Свое название данная группа металлов и сплавов получила, благодаря своим цветовым характеристикам. Например, медь – красного цвета, и ее сплавы имеют красноватый оттенок.
Сплавы получаются в результате смешивания металлов в различных пропорциях., от чего появляется новый продукт, обладающий улучшенными свойствами, чем исходный металл. Цветные металлы классифицируют последующим категориям.
Сплавы цветных металлов, в их различных и определенных пропорциях, помогают добиться тех или иных свойств, благодаря которым становится возможным их применение в массовом производстве изделий. Механические, физические и химические свойства сплавов можно менять не только при помощи изменений пропорций исходных металлов, но и путем дополнительного механического или химического воздействия на них, например, термообработкой, применения технологий старения и т.д. К механической обработке цветных металлов относится штамповка, ковка, прессование, прокатка, пайка, сварка и резка.
Тяжелым цветные металлы: свинец, медь, олово, цинк, никель, ртуть.
Легкие цветные металлы: алюминий, титан, магний, бериллий, стронций, кальций, литий, барий, калий, натрий, цезий и рубидий.
Благородные цветные металлы: платина, золото, серебро, осмий, родий, рутений, палладий.
Тугоплавкие цветные металлы: вольфрам и ванадий, молибден и тантал, хром и ниобий, цирконий и марганец.
Рассеянные цветные металлы: индий, таллий, германий, рений, селен, гафний и теллур.
Радиоактивные цветные металлы: уран, торий, радий, нептуний, актиний, америций, протактиний, плутоний, эйнштейний, калифорний, фермий, нобелий, менделевий и лоуренсий.
Многочисленную группу составляют редкоземельные металлы, такие как: тулий, эрбий, прометий, лютеций, церий, лантан, неодим, празеодим, европий, самарий, тербий, гадолиний, иттербий, гольмий, диспрозий,, иттрий и скандий.
Стоит отметить, что большая часть литых изделий, а также проволока, квадраты, шестиугольники в виде прутков и мотков, ленты и полосы, листы и фольга изготавливаются из цветных металлов. В последнее время в производстве даже начали использоваться порошки из данных металлов.
Внутреннее строение металлов
Поскольку металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое внутреннее строение, то образующие их элементарные частицы (атомы) в процессе кристаллизации из расплавленного состояния группируются в строго определенной последовательности. Эта последовательность называется кристаллической решеткой, представляющая собой воображаемый элемент объёма, который образован минимальным количеством атомов, чье многократное повторение позволяет построить весь кристалл.
Всего существует 14 различных типов кристаллических решёток. Металлы преимущественно кристаллизуются в одном из трёх типов структур: объёмноцентрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Для изображения кристаллической решётки пользуются упрощенными схемами. В объёмно-центрированной кубической решётке содержится девять атомов: восемь расположены в вершинах куба и один – в центре объёма. Такую решётку имеют молибден, вольфрам, ванадий и другие металлы.
Физико-механические свойства металлов и сплавов
Определение и классификация железа
Железо — это название химического элемента, который условно называют низкоуглеродистой сталью или чистое железо. Под чистым железом понимается тяжелый металл серебристо-белого цвета, который содержит не более 0,6% примесей, в том числе углерода ≤0,04% от общего объёма. Эталонное железо, которое может быть получено на сегодняшний день, содержит 99,999% молекул чистого железа, то есть химического элемента Fe. Техническое железо содержит 0,1…0,2% примесей. Следует также отметить, что технически чистое железо имеет невысокие физико-механические характеристики, например твёрдость. Чистого железа в природе практически не встречается, за исключением метеоритов. Это объясняется способностью железа свободно соединяться с другими элементами, особенно с кислородом.
В природе железо чаще всего встречается в составе железных руд в виде оксидов (Fe3O4; Fe2О3; 2Fe2O3*3H2O) и других соединений. После извлечения железа из руд оно содержит в своем составе определенное количество углерода и небольшое количество примесей. Соединение железа с углеродом называется – железоуглеродистый сплав. Сплавы, которые содержат углерод в количестве 0…0,02%, называются техническим железом, 0,02…2,14% – сталями, 2,14…6,67% – чугунами. Свойства железоуглеродистых сплавов, их назначение и способы обработки определяются количеством углерода. Углерод придает сплавам железа прочность и твердость, однако при этом снижает пластичность и вязкость.
Чугун
Чугун является прочным металлическим материалом, который получил свое широкое распространение практически в любой области. Прежде всего, следует рассмотреть производство чугуна. Получение чугуна заключается в восстановлении железа из оксидов железной руды. Производство чугуна ведется преимущественно в доменных печах. Чугун является первичным продуктом переработки железных руд.
Схема работы доменной печи:
1 – кокс;
2 – известняк;
3 – железная руда;
4 – поступление сырья;
5 – предохранительный клапан;
6 – выход отходящих газов;
7 – поддув горячего воздуха;
8 – чугун;
9 – шлак.
Для производства обычного доменного чугуна используют шихту, которая состоит из железной руды, флюса, окатышей и топлива. В состав железной руды входят железосодержащие минералы и пустая порода. Пригодность железной руды для доменной плавки определяется содержанием железа, составом пустой породы и концентрацией вредных примесей. В зависимости от концентрации железосодержащих минералов железные руды бывают богатыми, которые непосредственно используют, и бедными, которые подвергают обогащению.
Для доменного чугуна в качестве железных руд используются магнитные железняки (магнетит), красные железняки (гематит), бурые железняки (гетит) и шпатовые железняки (сидерит), содержащие около 30…70% железа в виде оксидов Fe2O3 или Fe3O4. В состав пустой породы входят оксиды кремния SiO2 (кремнезём), алюминия Аl2O3 (глинозём), кальция СаО, магния МgO и другие составляющие.
Флюсы предназначены для понижения температуры плавления, обеспечения плавки руды и связывания пустой породы, неизбежно остающейся в руде после процесса рудоподготовки. По химическому составу различают основные флюсы, кислые и нейтральные. К Основным флюсам относится известняк и доломит, к кислым – кремнезём, к нейтральным – глинозём. Они сплавляются с пустой породой и золой топлива, которые вместе образуют легкоплавкий сплав, не смешивающийся с жидким чугуном.
Основным видом топлива в доменном процессе служит кокс и природный газ или пылевидный каменный уголь. Топливо при выплавке чугуна является не только источником тепла, но и принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих в процессе плавки. Оно является также и основным источником углерода.
Доменная печь, или как ее еще называют – домна, относится к разряду шахтных и работает по принципу противотока. Внутри печь выложена огнеупорным материалом (чаще всего используют для этого шамотный кирпич), сверху покрыта стальным кожухом. Современные доменные печи имеют общую высоту до 80 метров и объём рабочего пространства до 5600 м3, что соответствует 12000 т готового чугуна в сутки.
На сегодняшний день технологический процесс производства чугуна полностью автоматизирован. Шихта непрерывно подается через загрузочные конвейеры в верхнюю часть печи, а снизу через фурмы вдувается горячий воздух. В условиях доменной печи при температуре 1900°С происходит интенсивное насыщение железа углеродом, поэтому доменный чугун обычно содержит от 2,14 до 4,6% углерода, около 93% железа и небольшое содержание примесей кремния (0,5…4%), марганца (1…3%), фосфора (0,02…2,5%), серы (0,005…0,08%) и др., перешедших в чугун из пустой породы. Углерод в чугуне содержится в виде цементита или графита.
Флюсы взаимодействуют с компонентами руды, образуя при этом шлак, который состоит из вредных примесей (сера, фосфор), пустой породы, излишек марганца и некоторых цветных металлов. Доменные газы выпускаются через верхнюю часть печи. Расплавленный чугун стекает вниз, а расплавленный шлак, как более легкая смесь, находится сверху чугуна, предохраняя его от окисления. Жидкий чугун выпускается через нижнюю летку, шлаки – через верхнюю.
В доменных печах получают жидкий передельный и литейный чугуны, доменные ферросплавы, шлак и доменные газы. Чугун является основным и главным продуктом доменного производства, а шлак и доменные газы – побочными. По форме включения графита в сплаве различают:
· серый чугун с пластинчатым графитом (СЧ);
· чугун с вермикулярным (червеобразным) графитом (ЧВГ);
· высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧ);
· ковкий чугун с хлопьевидным графитом (КЧ).
В зависимости от химического состава выпускаются нелегированные и легированные чугуны. Легированные чугуны это сплавы для специального назначения, который используется приблизительно тот же комплекс легирующих элементов, что и в сталях: хром, никель, алюминий, молибден и ванадий.
Разновидности чугуна
В зависимости от химического состава и микроструктуры выпускают передельный, литейный, белый, серый, модифицированный, высокопрочный и ковкий чугуны. Разберем по отдельности каждый вид чугуна и выявим их уникальные особенности.
Передельный чугун. Данный вид чугуна содержит 4…4,5% углерода, 0,6…0,8% кремния, 0,25…1,0% марганца, до 0,07% серы и до 0,3% фосфора. В его структуре преобладает цементит, который является твердым и в то же время хрупким соединением. Передельный чугун выпускается трех типов:
· для сталеплавильного (марки П1 и П2) и литейного (ПЛ1 и ПЛ2) производства;
· фосфористый (ПФ1, ПФ2 и ПФ3);
· высококачественный (ПВК1, ПВК2 и ПВК3). На долю передельного чугуна приходится до 90% всей продукции доменных печей.
Нормативы передельного чугуна регламентируются межгосударственным стандартом ГОСТ 805-95.
Литейный чугун. Литейный чугун отличается от передельного повышенным содержанием кремния (до 3,6%) и в некоторых марках фосфора (до 1,2%). В зависимости от массовой доли кремния и назначения чугуна, изготовляют различные марки от Л1 до Л6. Также возможно изготовление чугуна с применением литейного рафинированного магния марок, благодаря чему получаются марки от ЛР1 до ЛР7. Предназначается литейный чугун для дальнейшей переплавки в чугунолитейных цехах при производстве чугунных отливок. Нормативы литейного чугуна регламентируются межгосударственным стандартом ГОСТ 4832-95.
Белый чугун. По сути белый чугун по структуре схож с серым за разницей лишь того, что для каждого вид существуют различные условия охлаждения. Белый чугун получают при быстром охлаждении расплава. По сути это передельные чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. В поперечном сечении они имеют матово-белый цвет и характерный металлический блеск. Из-за большого содержания цементита белые чугуны обладают высокой твёрдостью (450…550 НВ), износостойкостью, хрупкостью, но плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий они не используется. Применяются как передельный чугун для производства стали или для отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун.
Серый чугун. Так называются литейные чугуны с пластинчатой формой графита, в изломе имеющие серый цвет. Содержание углерода в связанном состоянии составляет не более 0,5%. Его получают при медленном охлаждении жидкого чугуна. Механические свойства серого чугуна определяются в основном количеством, формой и размерами графитных структур. По сравнению с металлической основой они имеет более низкую прочность, так как графитные соединения нарушают сплошною структуру материала, что ослабевает металлическую основу. Чем меньше графитовых включений и выше их дисперсность, тем больше прочность чугуна. В случае предварительного подогрева может хорошо свариваться, обладает хорошими литейными свойствами. Выпускается марок СЧ-10…СЧ-35.
В основу стандартизации серого чугуна положен принцип регламентирования минимально допустимого значения временного сопротивления разрыву при растяжении. Например, марка СЧ-15 указывает, что минимальное временное сопротивление при растяжении серого чугуна составляет не менее 150 МПа. В строительстве серый чугун применяют главным образом для изготовления изделий, работающих при сжатии (башмаки, тюбинги, колонны в санитарно-технических системах) и в архитектурно-художественном оформлении.
Высокопрочный чугун. Данный тип чугуна является разновидностью серого, но из-за повышенных механических свойств они состоят в особой группе. Получают при модифицировании жидкого серого чугуна магнием или церием (0,03…0,07% от массы отливки). В результате модифицирования частицы графита находятся в чугуне в виде маленьких сфер, которые исключают образование и распространение трещин. Помимо высокой прочности чугун обладает также высокой пластичностью, что делает его уникальным.
Условное обозначение марки высокопрочного чугуна включает буквы ВЧ – высокопрочный чугун и цифровое обозначение величин предела прочности при растяжении (МПа) и в ряде случаев относительного удлинения (%). Выпускается марок ВЧ-35…ВЧ-100. Например, марка ВЧ 100-2 указывает, что предел прочности при растяжении высокопрочного чугуна составляет 1000 МПа при относительном удлинении 2%.
Высокопрочные чугуны используются в различных отраслях техники, эффективно заменяя при этом сталь во многих изделиях и конструкциях. Из них изготовляют разнообразные профильные трубы, оборудования прокатных станов, кузнечно-прессовые оборудования, корпуса паровых турбин, коленчатые валы и другие детали, работающие при циклических нагрузках и в условиях сильного износа. Нормативы высокопрочного чугуна регламентируются межгосударственным стандартом ГОСТ 7293, EN 1563.
Общие сведения о сталях
Сталь — это деформируемый сплав железа с добавлением углерода и другими обязательными примесями, такие как кремний, сера, фосфор. Сталь занимает левую часть диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов (см. изображение выше).
Доля железа (Fe) в сплаве составляет около 90…98,5%, а доля углерода не превышает 2,14%. Также в состав стали входят и другие химические элементы, вводимые специально для улучшения показателей свойств или легирования. В этот состав входят такие компоненты как кремний, марганец, фосфор, сера, никель, ванадий, хром и молибден. По сравнению с чугуном сталь имеет лучшие механические свойства, что обусловлено, прежде всего, меньшей концентрацией углерода.
Производство стали и изготовление из нее изделий представляет собой сложный процесс, сочетающий химические и технологические процессы, целый перечень специализированных операций, которые используются для получения качественного металла и различных изделий из него. Исходным сырьем для производства стали являются ферросплавы, металлодобавки, флюсы, окислители, металлошихта, среди которых может быть передельный чугун или стальной лом. Чугун переделывается в сталь в мартеновых или дуговых электросталеплавильных печах.
Если сравнить содержание основных примесей в стали и чугуне, то в стали их на порядок меньше. Следовательно, целью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их выгорания и перевода в шлак и газы в процессе плавки с последующим раскислением. В результате получается сталь заданного химического состава.
Конвертерный способ производства стали, включающий несколько разновидностей, заключается в том, что залитый в плавильный агрегат жидкий чугун, нагретый до температуры 1250…1400℃, вместе с другими компонентами, включающие в себя металлоломом и шлакообразующие вещества, продувают кислородом через водоохлаждаемую фурму. Кислород воздуха окисляет примеси чугуна, в результате чего происходит повышение температуры до 1600℃ и чугун превращается в сталь. При этом образуется химически активный шлак с необходимым содержанием оксида кальция для удаления примесей. Следовательно, источником теплоты при конвертерном способе являются химические реакции окисления элементов, входящих в состав чугуна. Последними операциями плавки являются слив металла, а затем шлака.
Мартеновский процесс перевлапвки чугуна в сталь осуществляется в плазменной отражательной печи, оснащенной системой регенерации, которая направлена на использование теплоты отходящих при горении газов для подогрева воздуха и газообразного топлива. Металлическая часть шихты для ведения плавки состоит из чугуна и стального лома, доля каждого из которых, может изменяться в процентном соотношении от 0 до 100%. Сталь получается в результате окислительной плавки загруженных в печь железосодержащих материалов и сложных процессов взаимодействия между металлом, шлаком и газовой средой.
Схема получения стали из мартеновской печи:
1 — регенератор; 2 — головка печи (служит для смешивания топлива с воздухом); 3 — трубка с кислородом
4 — загрузочное окно; 5 — передняя стенка; 6 — шихта; 7 — факел; 8 — дымовая труба; 9 — желоб для выпуска
стали; 10 — задняя стенка; 11 — свод печи; 12 — подина
Выплавка стали в электропечах основана на использовании электроэнергии для нагрева металла. Электрические печи для плавки металла подразделяются на дуговые, индукционные и печи сопротивления. Источником тепла в дуговой печи является электрическая дуга, которая возникают между электродами и жидким металлом или шихтой при приложении к электродам электрического тока необходимой силы. Дуга представляет собой поток электронов, ионизированных газов и паров металла и шлака с температурой, превышающей 3000℃. В индукционных печах для выплавки стали используется тепло, выделяющееся за счет влияния электрического тока переменным магнитным полем. Проводящая электрический ток шихта подвергается воздействию переменного магнитного поля и нагревается вследствие теплового воздействия вихревых токов. Индукционные печи применяют для выплавки высоколегированных сталей и сплавов с низким содержанием углерода, а также для производства тонкостенного фасонного литья.
Выплавка стали в электропечах
Полученную в сталеплавильных агрегатах сталь выпускают в разливочный ковш, а затем либо разливают в металлические формы, либо направляют к машинам непрерывного литья стали. Незначительная часть стали идет на фасонное литье. В результате затвердевания металла получаются стальные слитки или заготовки, которые в дальнейшем подвергают обработке с помощью давления. Технология и организация разливки является весьма ответственным этапом в общем производстве стали и в значительной мере определяет её качество и количество отходов при последующем переделе стальных слитков.
Разновидности сталей
Металлургической промышленностью разных стран вырабатывается более 2 тысяч различных марок сталей и сплавов на основе железа. На долю углеродистых сталей приходится около 80% от общего объёма выплавки.
Углеродистая сталь. Эта сталь представляет собой сплав железа с углеродом, содержащим до 2% углерода и постоянных примесей: кремния – до 0,5%, марганца – до 2%, серы и фосфора – до 0,05%. По содержанию углерода различают низкоуглеродистые (с содержанием углерода до 0,25%), среднеуглеродистые (0,25…0,6%) и высокоуглеродистые (более 0,6%). Содержание углерода и примесей определяют дальнейшую структуру и свойства стали.
С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Данное изменение приводит к повышению прочности и уменьшению пластичности. Однако прочность стали повышается до содержания углерода 0,8…1,0%, а затем с повышением содержания углерода уменьшается не только прочность, но и пластичность, так как образуется грубая сетка вторичного цементита. Увеличение содержания углерода повышает также порог хладноломкости и снижает ударную вязкость, ухудшаются литейные свойства, обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Однако стали с низким содержанием углерода тоже плохо обрабатываются резанием.
В сталях всегда присутствуют примеси, подразделяющиеся на постоянные или обычные (например, кремний, марганец, сера и фосфор), скрытые (газы в виде кислорода, азота и водорода), специальные (легирующие) и случайные. Наличие примесей в стали объясняется технологической особенностью её производства и невозможностью от их полного полного удаления. Они тоже оказывают существенное влияние на качество стали.
Углеродистые конструкционные стали могут быть обыкновенного качества (по ГОСТ 380-2005) и качественными (по ГОСТ 1050-2015). Для строительных металлических конструкций применяют в основном низкоуглеродистые стали обыкновенного качества, а для важных и ответственных строительных объектов– качественные. В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается повышенное содержание примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями.
В зависимости от содержания углерода, марганца и кремния углеродистая сталь обыкновенного качества подразделяется на марки от Ст0 до Ст6. Буквы «Ст» обозначают «сталь», цифры – условный номер марки в зависимости от химического состава. При этом с увеличением номера содержание углерода в стали возрастает, но прямого количественного соответствия номера и содержания углерода нет. Буквы, которые стоят после номера стали, указывают: «Г» – на содержание марганца при его массовой доле в стали 0,8% и более и «кп», «пс» и «сп» – степень раскисления стали. Чем выше марка стали, тем больше в ней содержание углерода, выше прочность и, соответственно, ниже пластичность.
Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (05; 08; 10; 25; 40 и др.) и буквами, указывающими на степень раскисления стали. Углеродистая сталь обыкновенного качества используется для изготовления горячекатаного проката: сортового, фасонного, толстолистового и тонколистового проката, широкополосного и холоднокатанного проката, а также слитков, блюмов, слябов, сутунки, труб, лент, проволоки, метизов и других изделий.
Легированная сталь. Легированными называют стали, в которые для получения требуемых свойств вводят специальные добавки других элементов, с соблюдением массовой доли. Чаще всего легирующими добавками являются – никель, хром, молибден, вольфрам, медь и др. Добавки оказывают различное влияние, как на кристаллическое строение, так и на физико-механические характеристики стали. Легированные стали обладают также более высоким уровнем механических и технологических свойств и прежде всего прочности. С помощью легирования можно придать стали различные специальные свойства такие как — антикоррозионную, износостойкость, жаростойкость и тд. По степени легирования (суммарное содержание легирующих элементов) различают низколегированные (менее 2%), среднелегированные (от 2 до 10%) и высоколегированные (более 10%) стали.
Низколегированные конструкционные стали являются переходными между углеродистыми и легированными. Они имеют, по сравнению с углеродистой сталью, повышенную прочность, пониженную склонность к старению, хорошую свариваемость, повышенную износостойкость и коррозионную стойкость в различных средах. В зависимости от количества легирующих элементов стали могут быть трёхкомпонентные (железо + углерод + легирующий элемент), четырёхкомпонентные (железо + углерод + 2 легирующих элемента) и т. д. По наличию основных легирующих элементов сталь подразделяется на группы: хромистая, марганцевая, хромоникелевая, хромокремнистая и др.
По назначению легированные стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Легированная конструкционная сталь (ГОСТ 4543-2016) в зависимости от химического состава и свойств делятся на качественные, высококачественные (А) и особовысококачественные (Ш). По видам обработки при поставке сталь разделяют на горячекатаную, кованую, калиброванную, серебрянку.
В обозначении марок конструкционной легированной стали первые две цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента, а буквы обозначают легирующий элемент. Цифры после букв указывают на среднее содержание данного элемента в целых единицах. Отсутствие цифры означает, что содержание данного легирующего элемента менее 1,5%.
Строительная сталь. Стали, которые используются для изготовления металлических конструкций в сооружениях промышленного и гражданского строительства, пролётных строений мостов, магистральных нефте-газопроводов, армирования бетона называют строительными. Основные требования, предъявляемые к таким сталям – это высокие прочностные параметры (куда включен предел текучести и временное сопротивление разрыву при растяжении), хорошая свариваемость, значительная пластичность, надежность и долговечность. Нормируется также химический состав с указанием предельного содержания углерода, азота, алюминия, кальция, фосфора, серы и других элементов.
В основном для строительных целей применяют низколегированные и углеродистые стали обыкновенного качества. Низколегированные стали содержат до 0,2% углерода, 2…3% легирующих элементов и микродобавки. С увеличением содержания углерода повышается твердость, прочность, улучшается обработка резанием, но снижается пластичность и ухудшается свариваемость. Строительные стали повышенной прочности дополнительно содержат небольшое количество ванадия или ниобия, а также медь в количестве 0,15…0,3%. Благодаря меди повышается стойкость к атмосферной коррозии. Низколегированные строительные стали обладают высокой пластичностью и ударной вязкостью, имеют улучшенные механические свойства и пониженную температуру перехода в хрупкое состояние (от – 40℃ до – 60℃). Поставка строительных сталей с разделением по механическим свойствам в виде листов разной толщины и сортового проката.
Цветные металлы и сплавы
Общие сведения. Доля цветных (не железных) металлов в общем объёме мирового производства металлов составляет немногим более 5%. Объясняется это их небольшим содержанием в земной коре, малым содержанием в рудах, сложностью производства, а, следовательно, и высокой стоимостью. Однако, несмотря на более высокую стоимость и сложность производства, они находят достаточно широкое применение в изготовлении металлических конструкций, различных декоративных элементов, облицовочных панелей, дверей, оконных рам, кровельных материалов, труб и других изделий. И всё это благодаря их уникальным физико-химическим и механическим свойствам.
Цветные металлы обладают большой пластичностью, малой твёрдостью, имеют широкий диапазон температур плавления. Например, температура плавления алюминия 660℃, а тантала – 3015℃. Условно различают лёгкие цветные металлы (плотность до 5000 кг/м3) и тяжёлые – плотностью более 5000 кг/м3 . К лёгким металлам относят магний, алюминий, титан, бериллий, к тяжёлым – медь, свинец, олово, никель.
Из группы цветных металлов выделяют также легкоплавкие и тугоплавкие металлы. Четкой границы между тугоплавкими и легкоплавкими металлами нет. Условно считается порог в 500℃. К легкоплавким металлам относят олово, свинец, цинк, кадмий, висмут. Некоторые из них используют для приготовления припоев различных составов и назначения. К тугоплавким металлам относят хром, титан, молибден и др. Их используют главным образом в качестве легирующих добавок.
Применяют цветные металлы, как правило, в виде сплавов, так как в чистом виде они обладают недостаточной прочностью. Наибольшее распространение получили сплавы на основе меди, алюминия, титана, олова, магния и других металлов.
Алюминий. В природе алюминия в самородном виде нет. Встречается только в виде соединений. Основным сырьём для промышленного производства алюминия служат бокситы и нефелины, которые содержат до 60% оксида алюминия (глинозема). Процесс получения алюминия является довольно сложным, энергоёмким и включает: получение из бокситов вначале глинозёма, а затем восстановление из раствора глинозёма электролизом в расплавленном криолите металлического алюминия. 
Образующийся в результате электролиза жидкий алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его называют алюминием-сырцом. Он содержит в своём составе металлические и неметаллические примеси, а также газы. Поэтому алюминийсырец рафинируют. После рафинирования образуется технически чистый алюминий, называемый первичным. Расплавленный металл разливается в определенные формы и отправляется в прокатное производство. Выпускается в виде заготовок, отливок, чушек, слитков, катанки, ленты и других изделий.
В зависимости от химического состава и содержания примесей алюминий подразделяется на марки: алюминий особой чистоты А999 (99,999% Аl), высокой чистоты марок: А995 (99,995% Аl), А99 (99,99% Аl), А98 (99,98% Аl), А97 (99,97% Аl), А95 (99,95% Аl) и технической чистоты, допускающих содержание примесей 0,15…1,0% (А85, А8, А7, А6, А5, А35 и А0). Массовую долю алюминия в металле определяют по разности 100,00% и суммы массовых долей определяемых примесей, массовая доля каждой из которых равна или более: для алюминия высокой чистоты – 0,001%, технической чистоты – 0,01%. Например, марка А85 обозначает, что в металле содержится 99,85% алюминия, а в марке А0 – 99% алюминия. В качестве примесей в алюминии могут присутствовать Fe, Si, Cu, Mn, Zn и др. Примеси оказывают существенное влияние на электрические и технологические свойства алюминия, его коррозионную стойкость.
Алюминий представляет собой серебристо-белый лёгкий металл с высокой тепло- и электропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью в атмосфере и во многих агрессивных средах. По электропроводности он занимает третье место после серебра и меди. Чем чище алюминий, тем выше его электропроводность и коррозионная стойкость.
На воздухе алюминий покрывается тонкой прочной беспористой плёнкой оксида алюминия (Аl2O3) толщиной примерно 10 нм, защищающей металл от дальнейшего 32 окисления и обусловливающей его высокую коррозионную стойкость. Однако в щелочных средах и некоторых неорганических кислотах алюминий быстро разрушается.
Алюминий обладает высокой технологической пластичностью, сваривается, полируется, но относительно плохо обрабатывается резанием из-за высокой вязкости и налипания металла на инструмент. Вместе с тем он хорошо обрабатывается давлением, поэтому применяется для изготовления тонких листов, проката, в том числе и фольги различного назначения. При холодной пластической деформации (прокатка, волочение) в результате наклёпа получают твёрдый алюминий (АТ), который имеет повышенные механические характеристики (прочность, твёрдость), но при этом снижается относительное удлинение.
В чистом виде алюминий применяют для изготовления фольги, порошка, проволоки. Алюминиевую фольгу (альфоль) в строительстве применяют в качестве эффективного утеплителя (для отражения тепловых лучей) или декоративного материала, порошок – в качестве наполнителя (пигмента) в лакокрасочных составах или газообразователя при изготовлении ячеистых бетонов, проволоку – для сварки конструкций и т. д.
Общая характеристика алюминиевых сплавов
Как железо, так и алюминий в строительстве редко используются в чистом виде. Наибольшее применение находят алюминиевые сплавы. Сырьем для их получения служат как технически чистый алюминий, так и двойные сплавы алюминия с кремнием, которые содержат 10…13% Si и немного отличаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общее содержание примесей в них составляет 0,5…1,7% и называют их, как правило, силуминами. Основными легирующими компонентами алюминиевых сплавов являются Cu, Mg, Zn, Mn, Zr и реже – Cr, Li, Ni, Ti, Sc, V, Be и некоторые редкоземельные элементы.
Алюминиевые сплавы сочетают в себе, как правило, лучшие свойства чистого алюминия и повышенные прочностные и эксплуатационно-технологические характеристики легирующих добавок. Например, сплавы с магнием или цинком после термической обработки приобретают прочность, сравнимую с прочностью конструкционной стали с низким содержанием углерода. При этом такой сплав в 2,9 раза легче стали. Прочность на растяжение алюминиевых сплавов составляет 100…700 МПа, относительное удлинение – 6…22%, модуль упругости – 65500…72400 МПа. По прочности их подразделяют на малопрочные (до 300 МПа), среднепрочные (300…480 МПа) и сверхпрочные (более 480 МПа).
Недостатком алюминиевых сплавов являются сравнительно низкий модуль упругости (почти в три раза меньше, чем модуль упругости стали), высокий коэффициент линейного расширения и относительная сложность соединения элементов конструкций.
Алюминиевые сплавы классифицируют по составу, технологии получения заготовок, способности к термической обработке и основным потребительским свойствам. В зависимости от состава различают силумины (Al – Si), магналии (Al – Mg), дюралюмины (Al – Cu – Mg), авиали (Al – Mg – Si) и более сложные (многокомпонентные) с улучшенными свойствами – высокопрочные, жаропрочные, коррозионностойкие и др.
По технологическому признаку (способу изготовления) все алюминиевые сплавы делят на деформируемые (имеющие высокую пластичность в нагретом состоянии) и обрабатываемые давлением – методом горячей или холодной деформации (дюралюмины) и литейные (имеющие хорошую жидкотекучесть), применяемые для отливки изделий (силумины).
Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. Такими легирующими элементами в различных деформируемых сплавах являются медь, магний, марганец и цинк. Кроме того, в сравнительно небольших количествах вводят кремний, железо, никель и др. Наиболее распространенными литейными сплавами являются составы с кремнием или магнием (силумины или магналии).
Как деформируемые, так и литейные алюминиевые сплавы (ГОСТ 4784) подразделяют на термически не упрочняемые и термически и механически упрочняемые. Механическое упрочнение (нагартовка, наклеп) производится обжатием сплава в холодном состоянии. Термическая обработка состоит в закалке сплава нагреванием до температуры 440…510℃ и быстром охлаждении с последующим естественным (при обычных температурах) или искусственным (при t=150℃) старением.
В зависимости от назначения и требований в отношении физико-механических, технологических и других свойств их разделяют на сплавы высокой, средней и малой прочности, свариваемые, заклепочные, декоративные и другие. Они подразделяются также по системам, в которых основные легирующие элементы будут определять типичные для данной системы физические и химические свойства.
В строительстве применяются деформируемые термически упрочняемые и неупрочняемые и литейные, как термически упрочняемые, так и термически не упрочняемые алюминиевые сплавы (ТКП EN 1999-1 Еврокод 9). Однако в строительных конструкциях применяют в основном деформируемые сплавы системы алюминий-магнийкремний и другие. Деформируемые сплавы системы алюминий-магний-кремний наряду с хорошей пластичностью обладают такими свойствами, как высокая коррозионная стойкость, технологичность, способность подвергаться цветному анодированию и эмалированию и др.
Дюралюмины. Это класс сплавов системы «алюминий – медь – магний». Содержание меди составляет 2,2…4%, магния – 0,5…2,4% и в небольших количествах содержатся марганец (0,3…0,9%), кремний и железо. Однако метод изготовления дюраля заключается не только в специфическом подборе компонентов, но и в технологии его изготовления – механизме искусственного или естественного старения с помощью закалки. В результате сплав приобретает высокий уровень свойств при небольшой плотности.
Дюралюмины характеризуются сочетанием высокой прочности и пластичности, хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях. Твёрдость и прочность их примерно такая же, как и у сталей обыкновенного качества. Однако при близких значениях прочности коэффициент конструктивного качества у дюралюминов значительно выше. При этом наибольшей прочности дюралюмины достигают при содержании в составе 4% меди и 1% магния. Такие сплавы называются супердюралюмины.
Дюралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием в закалённом и состаренном состояниях и плохо в отожжённом, хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавлением из-за образования трещин. Наиболее известны сплавы Д1, Д16, Д18, Д19 и др. Например, сплав Д16 используется в строительных конструкциях средней и повышенной прочности.
Недостатком дюралюминов является их пониженная коррозионная стойкость. Для защиты от коррозии дюралюмины плакируют чистым алюминием, подвергают электрохимическому оксидированию либо естественному старению.
Силумины. Это группа литейных сплавов алюминия с кремнием (4…22%) и незначительным количеством примесей – железа, меди, магния, титана, цинка и других элементов (ГОСТ 1583). Название произошло от наличия в составе химического элемента Si. Силумины дополнительно могут быть легированы магнием, медью, никелем, титаном, что позволяет упрочнять такие сплавы термической обработкой. По сравнению с чистым алюминием обладают большей прочностью и износостойкостью, но уступают по этим показателям дюралюмину. Для силуминов характерна низкая литейная усадка, стойкость к коррозии и высокая твердость. Применяют при изготовлении строительных конструкций.
Магналии. Магналии – сплавы алюминия с магнием Mg до 10% и другими элементами (кремний, железо, медь). В зависимости от содержания магния различают деформируемые (до 7% Mg) и литейные (5…10% Mg) сплавы. Магний уменьшает плотность алюминиевого сплава, повышает прочность и коррозионную стойкость без снижения пластичности. Поэтому основным преимуществом таких сплавов является сочетание сравнительно высокой прочности, пластичности и коррозионной стойкости с хорошей свариваемостью. Магналии легко поддаются механической обработке и хорошо полируются. Применяются в качестве конструкционного и декоративного материала. Авиаль (сокращенное от «авиационный алюминий») – группа сплавов системы алюминий – магний (0,45…0,9%) – кремний (0,5…1,2%) с небольшим содержанием других элементов марганца или хрома (0.15…0,35%), меди (0,2…0,6%) и железа – не более 0,5%.
Авиали. Авиали относятся к числу сплавов со средней прочностью, но высокой технологичностью и стойкостью против атмосферной коррозии. Отличаются высокой пластичностью и свариваемостью, хорошо полируются. Для упрочнения подвергают закалке и искусственному старению. В строительстве применяются в виде профилей, труб, обшивки строительных конструкций и других изделий.
Маркировка алюминиевых сплавов
Единой системы маркировки черных и цветных металлов, в т. ч. алюминиевых сплавов в мировом сообществе не разработано. Маркировку алюминиевых сплавов в РБ и в странах СНГ определяют в основном стандарты: ГОСТы 1583 и 4784, ГОСТ Р 55375 и EN 573-1. Отличия в системах маркировки алюминиевых сплавов вызваны различием в технологиях производства, требованиях к свойствам, области применения и другим параметрам. В настоящее время осуществляется замена различных систем условных обозначений на единую систему цифровой маркировки алюминиевых сплавов. 
Что касается европейских норм, то они предусматривают раздельные системы маркировки (кодирования) для деформируемых и литейных алюминиевых сплавов, основанные на Международной системе обозначений. Деформируемые алюминиевые сплавы имеют, как правило, буквенно-цифровую систему маркировки. Обозначение последовательно составляется из букв EN, затем следует пробел, букв А (алюминий) и W (деформируемый полуфабрикат), дефис и четырех цифр, представляющих химический состав, и при необходимости за ними буквы, указывающей национальную вариацию. Например, EN AW-5154А.
Литейные сплавы тоже имеют буквенно-цифровое обозначение, которое состоит из тех же букв EN, A и далее букв, указывающих на форму полуфабриката (А, С, М) и пяти цифр, показывающих их пределы содержания элементов химического состава. Например, EN AВ-44000.
Медь. Медь (лат. сuprum – от названия острова Кипр, где в древности добывали медную руду) среди цветных металлов по объёму потребления занимает второе место после алюминия. В чистом виде в природе встречается крайне редко в виде самородков, в которых содержание меди может доходить до 99%. В промышленном масштабе производят в основном из руд, либо из отходов меди и её сплавов. Наиболее востребованными рудами для производства меди являются сульфидные – медный колчедан (CuS·FeS), халькозин (Cu2S), ковеллин (CuS) и др., содержащие до 5% меди. Технологический процесс производства меди является довольно сложным и длительным по времени (несколько суток). Он включает подготовку руды к плавке (обогащение) и получение медного концентрата с содержанием меди до 35%. Затем производят обжиг медного концентрата, плавку и получение так называемого медного штейна. Последующими технологическими операциями являются плавка штейна (сократительная) с целью повышения содержания в нем меди, конвертирование медного штейна – получение сначала белого штейна с содержанием меди до 79%, а затем черновой (сырой) меди, содержащей уже более 99% Сu. При этом примеси переходят в шлак и удаляются, а чистую медь разливают в формы. Заключительным этапом является электролитическое рафинирование отливок и получение меди необходимой чистоты.
Свойства полученной меди (ГОСТ 859) зависят от чистоты, а уровень содержания примесей определяет её марку: М00к – не менее 99,99% Сu, М0к – 99,97% Сu, М1к – 99,95% Сu, М2к – 99,93% Сu и др. В обозначении марок после буквы М (медь) указывается условный номер чистоты, а затем буквой способ и условия получения меди: к – катодная; б – бескислородная; р – раскисленная; ф – раскисленная фосфором. Вредными примесями, снижающими механические и технологические свойства меди и её сплавов, являются свинец, висмут, сера и кислород. Содержание их в меди строго ограничено: висмута – не более 0,005%, свинца – 0,05% и т. д. Все примеси, как правило, снижают и электрическую проводимость меди.
Цвет меди – красноватый (в изломе розовый), в очень тонких слоях на просвет зеленовато-голубой. Эти же цвета характерны и для многих соединений меди. Медь – единственный металл, имеющий красноватый цвет. Это и отличает её от всех других металлов. Чистая медь обладает высокой электро- и теплопроводностью, наивысшей после серебра. Поэтому медь принято считать эталоном электро- и теплопроводности по отношению к другим металлам. Характеристики этих свойств меди и сплавов с её высоким содержанием по международному стандарту на отожжённую медную проволоку (IACS) принимаются за 100%, в то время как у алюминия, магния и железа они составляют соответственно 60, 40 и 17% от свойств меди.
Медь относится к малоактивным металлам. При обычных условиях она не взаимодействует с водой, растворами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой. Однако, в других кислотах (азотной, концентрированной серной) – медь растворяется. При взаимодействии её с уксусной кислотой образуется основной ацетат меди – ядовитая ярь-медянка. Способность меди растворяться в азотной кислоте используется в промышленности для определения её наличия в сплавах. Если кислота при взаимодействии с образцом металла приобретает сине-зелёный цвет, значит в составе металла присутствует медь.
На воздухе и в сухих условиях медь не окисляется. При наличии же углекислого газа и влаги медь окисляется и покрывается тонкой плёнкой карбоната меди под названием «патины» зелёного цвета. В дальнейшем эта плёнка в определённой мере способна защищать медь от коррозии.
Медь в чистом виде обладает высокой пластичностью и отличной обрабатываемостью давлением в холодном и горячем состояниях, хорошими литейными свойствами. Температура её плавления составляет 1083℃. Она хорошо прокатывается в тонкие листы и ленту, из неё получают тонкую проволоку. При этом холодная пластическая деформация (достигающая 90% и более) увеличивает прочность, твёрдость, предел упругости меди, но снижает пластичность и электрическую проводимость. Медь хорошо паяется и сваривается. Обладает хорошим блеском и высокой полируемостью, однако блеск её довольно быстро исчезает. Недостаток меди – сравнительно невысокая прочность, плохая обрабатываемость резанием и низкая жидкотекучесть.
Технически чистую медь поставляют в виде листов или полуфабрикатов – слитков, предназначенных для дальнейшего передела прокаткой. В строительстве медь применяется в основном для изготовления водопроводных труб, кровельной черепицы и других изделий. Более 30% меди используется для производства медных сплавов.
Для легирования медных сплавов используют элементы, растворимые в меди – Zn, Sn, Al, Be, Si, Mn, Ni. В зависимости от легирующего элемента все сплавы меди подразделяются на латуни, бронзы и медноникелевые.
Латунь. Это сплавы меди с цинком и другими элементами, в которых цинк является основным легирующим элементом (ГОСТы 15527 и 17711). На практике применяют латуни двойные и специальные (легированные). Цинк повышает прочность и пластичность сплава, но до определенных пределов. Наибольшей пластичностью обладают латуни, содержащие 30% цинка, а наибольшей прочностью – 45%. Латуни имеют золотисто-жёлтый цвет и по сравнению с медью обладают большими прочностью, твёрдостью, упругостью, коррозионной стойкостью и лучшими технологическими свойствами (жидкотекучестью, обрабатываемостью литьём, давлением, резанием). Электро- и теплопроводность латуней тоже ниже, чем меди.
Бронза. Бронза является одним из древнейших металлических материалов. Она дала название целой эпохе развития человечества – бронзовому веку. В настоящее время бронзой называют медные сплавы, обычно с оловом как основным легирующим компонентом, и другими металлами кроме цинка и никеля. Цинк и никель могут вводиться в бронзы только как дополнительные легирующие элементы. При этом медноникелевые сплавы выделяют в особую группу. Следовательно, по химическому составу бронзы подразделяют на оловянные и безоловянные, а название получают по основному легирующему элементу, образующему сплав (алюминиевые, кремнистые и др.).
В целом же бронзы по сравнению с латунями обладают лучшими механическими, антифрикционными свойствами и антикоррозионной стойкостью. Структура и свойства их изменяются в зависимости от содержания легирующих элементов, скорости охлаждения сплава, разновидности и характера термической и других видов обработки. Отжиг, например, снимает напряжения, устраняет наклёп и позволяет получать сплавы однородной структуры. Закалка при температуре 700…750℃ без отпуска увеличивает пластичность сплава, а с отпуском – повышает прочность и твёрдость.
Сплавы меди, никеля и других элементов, в которых основным легирующим элементом является никель, называют медноникелевыми. Как правило, они имеют серебристо-белый цвет, несмотря на преимущественное содержание меди. Введение никеля существенно упрочняет медь, не меняя практически характеристик пластичности и ударной вязкости. При этом повышается коррозионная стойкость, технологичность, сплав приобретает особые электрические свойства. По назначению медноникелевые сплавы подразделяют на конструкционные и электротехнические. К конструкционным относятся высокопрочные и коррозионностойкие сплавы типа куниаль, нейзильбер и мельхиор, к электротехническим – копель, манганин и константан.
Металлические изделия
Определение и классификация. Металлургическая промышленность выпускает металлические изделия различной номенклатуры. Наиболее массовым видом продукции металлургических предприятий является металлический прокат – изделия, получаемые на прокатных станах путём горячей или холодной прокатки (холодное 39 формование). Выпускаются также гнутые, кованые, калиброванные и со специальной отделкой поверхности металлические изделия (ГОСТ 1435 и 1050)
Материалом для изготовления металлических изделий являются различные виды стали (от углеродистых до высоколегированных) и цветные металлы и сплавы (алюминиевые, медные и др.). По состоянию материала металлопродукцию (состоянию поставки) изготовляют изделия без термической обработки, термически обработанной, нагартованной (для калиброванной и со специальной отделкой поверхности) и подвергнутой противофлокенной обработке (выдержке при определенной температуре и последующему замедленному охлаждению).
Весь перечень металлического проката называется сортаментом и условно подразделяется на сортовой, толстолистовой, широкополосный универсальный, фасонный и гнутые профили (ГОСТ 535 и 19281). К сортовому относят прокат, у которого касательная в любой точке контура поперечного сечения данное сечение не пересекает. Прокат выпускается в листах, прутках, мотках, рулонах (штрипсах), полосовой и различного профиля.
Изделия сортового проката производят:
· круглого сечения диаметром от 5 до 330 мм. Прокат диаметром до 9 мм включительно выпускается в мотках, свыше 9 мм – в прутках длиной от 2 до 13 м (ГОСТ 2590);
· квадратного сечения с размерами сторон от 6 до 200 мм в мотках и прутках длиной от 2 до 13 м (ГОСТ 2590);
· шестигранного сечения диаметром вписанного круга от 8 до 103 мм в мотках и прутках длиной от 2 до 13 м (ГОСТ 2879);
· прямоугольного сечения (полоса) толщиной от 4 до 80 мм, шириной от 10 до 200 мм, длиной от 2 до 13 м и других размеров (ГОСТ 103). Кроме того, выпускают прокат:
· толстолистовой, тонколистовой и широкополосный универсальный, в т. ч. рулонный (штрипс) горячекатаный, холоднокатаный и оцинкованный шириной 500 мм и более, толщиной от 0,35 до 160 мм повышенной и обычной точности (ГОСТ 82, 19903, 19904, 16523, 9045, 14637, 14918 и 1577);
· арматуру (прокат арматурный) – изделия для армирования железобетонных конструкций (СТБ 1704, ГОСТ Р 52544);
· листы горячекатаные – просечно-вытяжной и рифленый с односторонним ромбическим, чечевичным (ГОСТ 8568) и другими видами рифления (в листах и рулонах);
· ленту стальную (холоднокатаную и горячекатаную) шириной от 20 до 220 мм и толщиной от 1,2 до 5 мм и другие изделия.
Основными качественными характеристиками таких изделий являются точность прокатки (повышенная, обычная и др.), отклонения в размерах и форме поперечного сечения и другие на соответствие стандарта.
К фасонному относят прокат, у которых касательная хотя бы в одной точке контура поперечного сечения данное сечение пересекает. Поперечное сечение таких изделий напоминает латинские буквы L (уголок), U (швеллер) и H (двутавр):
· уголки равнополочные размером от 20х20 до 250х250 мм и неравнополочные размером от 30х20 до 200х125 мм (ГОСТ 8509 и 8510);
· швеллеры высотой от 50 до 400 мм и шириной полок от 32 до 115 мм (ГОСТ 8240);
· двутавры с уклоном внутренних граней и полок высотой от 100 до 600 мм и шириной полки от 55 до 190 мм (ГОСТ 8239) и с параллельными гранями полок высотой от 100 до 1000 мм и шириной полок от 55 до 400 мм (ГОСТ 26020);
· профили специального назначения – профилированные листы (профнастил, гофролист) представляют собой стальные холодногнутые листовые профили в форме волны, прямоугольника или трапеции. Изготавливаются в стеновом и кровельном исполнении (ГОСТ 24045).
· кованые прутки квадратные и круглые (ГОСТ 1133), калиброванную холоднотянутую и холоднокатанную сталь круглого сечения (ГОСТ 7417), кованые полосы (ГОСТ 4405);
· профили гнутые различных поперечных сечений, изготовляемые на профилегибочных станах из холоднокатаного или горячекатаного проката, имеющие поперечное сечение одинаковое по всей длине (ГОСТ 14350).
Для стальных строительных конструкций используют листовую и сортовую сталь. Кроме того, применяют вторичные профили: сварные, получаемые сваркой полос или листов, и гнутые, образованные холодной гибкой полос и листов.
Из цветного металлопроката самыми востребованными в строительстве являются изделия на основе алюминия, меди и титана (ГОСТ 1535, 1628, 21488). Например, алюминиевые сплавы широко применяются для производства листов (ГОСТ 21631), плит (ГОСТ 17232), лент (ГОСТ 13726), различных профильных полуфабрикатов (ГОСТ 8617 и 24767), труб (ГОСТ 18475 и 18482), проволоки, для изготовления кровельных настилов, стеновых панелей, оконных и фонарных переплетов и других изделий (ГОСТ 4784 и 22233, ГОСТ Р 57352/EN 1090-3, СТБ EN 485, 573, 755, 12020).
Профильные полуфабрикаты включают прессованные и холодногнутые профили, листы и ленты (в рулонах), профилированные листы (гофрированные), тисненые листы. Профили могут быть сплошного и переменного сечений, пустотелые (полые) и в виде панелей. Применяют их в ограждающих и несущих конструкциях (балки, арки, фермы, рамы), для окон и дверей, солнцезащитных устройств, при ремонте и модернизации зданий. Изделия, которые изготавливает наша производственная из металлического проката компания приведены ниже:
План урока:
Строение атомов металлов
Разновидности металлов
Способы получения металлов
Электролиз
Свойства металлов
Нахождение металлов в природе
Строение атомов металлов
Решетки атомов металлов кристаллические, связанные металлической связью. Отличие металлической связи от ковалентной в том, что валентные электроны в атомах металлов притягиваются с меньшей силой к своим атомам или к своей паре атомов, и поэтому отщепление электронов от атомов происходит свободнее. И движения электронов напоминает «блуждание» между атомами.
Атомы металлов на внешнем уровне содержат от одного до четырех электронов. Этими электронами атомы металлов «делятся» с другими элементами (преимущественно с неметаллами) при взаимодействии, принимая роль восстановителей.
Рисунок строение атома кальция, для примера строения атома металла
Разновидности металлов
Щелочные металлы
Щелочные металлы представлены: литием, натрием, калием, рубидием, цезием и францием. Все эти элементы входят в Ia группу.
Вещества характеризуются прежде всего большой активностью, потому как быстро окисляются даже на воздухе. С водой происходит активная реакция, сопровождаемая нагреванием веществ. Поэтому есть свои особенности хранения этих веществ. Хранят обычно под керосином.
По физическим свойствам данный класс веществ мягкие на ощупь, серебристо-серого цвета, могут обладать блеском, но только на свежо срезанной поверхности.
Сверху вниз в периодической таблице увеличивается атомный радиус, усиливаются основные, металлические, восстановительные свойства и реакционная активность.
Рисунок. Щелочные металлы в периодической системе
Строение атома лития, как типичного представителя щелочных металлов
Химические свойства щелочных металлов
Взаимодействие с неметаллами
Щелочные металлы — сильные восстановители. Поэтому они реагируют почти со всеми неметаллами.
Взаимодействие со сложными веществами
Таблица нахождения щелочных металлов в природе
Щелочноземельные металлы
К этой категории относят: бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий. Это металлы IIa группы. Металлы легкие, мягкие и реакционно активные. Они тверже щелочных, и редко обладают блеском, только серый цвет объединяет их с щелочными металлами.
Свойства веществ данной группы в зависимости от положения в периодическую систему сходны со свойствами предыдущей группы.
Рисунок. Щелочноземельные металлы в периодической системе
Получают их так же, как и щелочные металлы, электролизом расплавов, веществ, расплавленных до жидкого состояния. Или используя алюминотермию и вытеснение их из солей другими более активными металлами.
MgCl2 → Mg + Cl2 (электролиз расплава)
CaO + Al → Al2O3 + Ca (эта реакция носит название алюминотермии–процесс получения металлов из их оксидов, где алюминий вытесняет щелочные металлы из соединений).
MgBr2 + Ca → CaBr2 + Mg
Химические свойства
Взаимодействие с неметаллами
Взаимодействие со сложными веществами
Таблица нахождения щелочноземельных металлов в природе
d- металлы
Помимо щелочных и щёлочноземельных существуют d-металлы. Класс элементов, содержащих от 1 до 10 электронов на d-подуровне, уступающие щелочным и щёлочноземельным металлам в активности.
К d-металлам относят: скандий, титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк и т.д.Отличий этих металлов в строении атома, а точнее в заполнении d-подуровня.
Железо
Железо находится в 4-м периоде, в VIII группе, в побочной подгруппе. Железо — металл средней активности, по ряду активности металлов в своих соединениях проявляет наиболее характерные степени окисления +2 и +3. Известны также соединения железа, в которых оно проявляет степень окисления +6, которые являются сильными окислителями..
Источник
Медь
Медь находится в 4-м периоде, в I группе, в побочной подгруппе. Ее наиболее устойчивые степени окисления +2 и +1. В ряду напряжений металлов медь находится после водорода, ее химическая активность не очень велика.
Источник
Цинк
Цинк находится в 4-м периоде, во II-группе, в побочной подгруппе. Цинк относится к металлам средней активности, в своих соединениях проявляет единственную степень окисления +2.
Источник
В каждом большом периоде d-элементы располагаются после двух s-элементов, которые являются щелочным и щелочноземельным металлами.
По своей значимости особо можно выделить роль этих элементов в организме человека. Микроэлементы цинка, марганца, железа, кобальта и меди очень важны для организма, наряду с биологически активными веществами, жирами, белками.
Цветной и черный металлы
Отличие цветного и черного металлов состоит в составе, структуре и свойствах. Например, черный металл подвергается влиянию магнитов, и зачастую прочнее цветных.
Черный металл — это прежде всего железо, его сплав с углеродом и добавлением иных веществ (как металлов, так и неметаллов).
Типы черных металлов
- Углеродистая сталь — железо смешано с углеродом
- Мягкая сталь — железо смешивается с относительно меньшим количеством углерода
- Нержавеющая сталь — смесь железа и хрома
- Чугун — очень высокое содержание углерода с железом
- Кованое железо — почти чистое железо
Цветные металлы — это тоже сплавы, но уже без железа, это могут быть: алюминий, магний, медь, никель, цинк, олово, свинец.
Данные подразделения металлов очень важны в жизни человечества. Но основная металлургическая промышленность использует черный металл (90% от общего объема). Важнейшие черные металлы: чугун, сталь, кованное железо.
Благодаря свойству цветного металла сопротивляться окислению, мы легко можем отличить его от черного. Черный металл ржавеет, цветной – нет. Большинству черных металлов присущи магнитные свойства. Что используют в автомобильной и технической промышленности. Черные металлы очень прочные, а цветные легкие, но менее прочные. Цветные металлы очень популярны в авиационной, консервной, электронной, электротехнической, строительной промышленностях
Благородными металлами называют те редкие металлы, не подвергающиеся окислению, коррозии и не взаимодействующие с кислотами.Также эти металлы называют драгоценными в силу редкости и большой цены.
Способы получения металлов
Основные способы получения металлов представлены в схеме ниже. Промышленным способом металлы получают электролизом растворов и расплавов.
Более подробное рассмотрение пирометаллургических способов получения металлов
Более подробное рассмотрение гидрометаллургических способов получения металлов
Электролиз
Электролизом называют процесс разложения веществ на составляющие, под действием тока. Его можно рассмотреть, как химическую реакцию.
На катоде реакции происходят различные для разных металлов. И для того, чтобы определить какая именно реакция произойдет необходимо обратиться к такому фактору, как активность металла. Эти данные мы получим из положения в электрохимическом ряду напряжений металла.
Источник
Как видно из электрохимического ряда напряжений металлов наиболее активным металлом является литий. Металлами средней активности считают элементы в ряду от алюминия до свинца. После водорода металлы малоактивные.
Электролиз расплавов
Из выше указанного стало ясно как получать малоактивные металлы в чистом виде при электролизе, а как получать активные металлы, если они не восстанавливаются на катоде при электролизе их растворов?В таких случая используют расплавы не содержащие воды.
Электролиз воды
Электролиз воды, как и в целом электролиз, это физико-химический процесс, осуществляемый с помощью электрического тока. Этот процесс позволяет очистить воду от тяжелых металлов и других примесей (примеси и металлы оседают на катоде и аноде). В результате данного процесса выделяется два газа: водород и кислород.
Электролиз воды необходим для очистки сточных вод. Сточные воды попадают в землю, в почву, и для предотвращения загрязнения окружающей среды, необходимо очищение воды.
Свойства металлов
Физические свойства металлов
Химические свойства металлов
Взаимодействие металлов с кислотами
Взаимодействие металлов с серной кислотой
Разбавленный раствор серной кислоты взаимодействует с металлами, стоящими в ряду активности до водорода по схеме:
Ме + H2SO4(разб.) ↔ соль + Н2↑
Взаимодействие металлов с азотной кислотой (HNO3)
Очень сильный окислитель. И нужно запомнить, что при взаимодействии с кислотой никогда не выделяется водород в свободном виде.
Процесс протекает следующим образом:
Продукты восстановления HNO3:
Какой из продуктов будет основным, зависит от концентрации кислоты и активности металла.
Взаимодействие металлов с разбавленной азотной кислоты
При реакции с разбавленной азотной кислотой металла продукты реакции другие, и каков будет продукт восстановления зависит от активности металла и представлен в схеме ниже.
Нахождение металлов в природе
Благородные малоактивные металлы, в свободном (самородном) состоянии встречаются в природе не часто, ввиду своей редкости.В самородном состоянии встречаются золото, серебро, платина, медь.
В малых количествах металлы находятся в морской воде (1,05%, — 0,12%), растениях, живых организмах. Играют при этом важную роль в организмах живых существ. Например, входят в состав важнейших питательных веществ, и в состав ферментов, необходимых для работы множества процессов.
Пожалуй, наиболее важное значение в организме живых существ играет железо, входя в состав крови, а точнее в составную часть гемоглобина крови – гемо. Гемоглобин — это белок крови транспортирующий кислород в нужные органы живого организма по крови. Недостаток железа вызывает анемию, заболевание характеризирующийся вялым состоянием, слабостью, снижением трудоспособности и утомляемостью и в некоторых случаях имеет летальные последствия. Определяется заболевание преимущественно анализом крови.
Таблица содержание некоторых металлов в земной коре
Урановая руда
Уран принято использовать в атомной промышленности, как топливо. Но элемент является очень активным поэтому уран в чистом виде не встречается, для его производства используют такие образования, как урановые руды. Последний содержит достаточно элемента, чтобы можно было считать добычу руды экономически выгодной.
Урановая руда Источник
Сплавы
Алюминиевые сплавы
Алюминиевые сплавы очень часто используются в отраслях промышленности. Обусловлено это тем, что сплавы алюминия отличаются большой прочностью.
Наиболее применяемые сплавы алюминия: дюралюминий, силумин.
МЕТАЛЛОТЕРМИЯ – способ восстановления металлов и соединений этих металлов.Сопровождается выделением теплоты. Этот процесс подлежит классификации по природе металла-восстановителя (алюминотермия, магниетермия, кальциетермия и др.).
Источник
Вывод
Металлы очень большая категория веществ, объединяющая в себе элементы с различными физическими и химическими свойствами. Но при этом имеющие много общего, главное из которых — это принятие роли восстановителя в реакциях, отдавая свои электроны. Так же многие металлы широко применяются человечеством в промышленности, в быту, в медицине, в фармацевтике и т.д. Исторически именно добыча железа из руд ознаменовала новый виток развития в истории человека. Поэтому сложно переоценить данную категорию веществ.
Современное человечество использует металлы в промышленности, в быту и в хозяйстве. На протяжения многих веков металл является верным спутником прогресса. Но набольшее распространение металл получил в строительстве, позволяя сделать здания прочнее, а сроки возведения в разы короче.