Металлические материалы и изделия

Положительные свойства металлов
высокая прочность
пластичность
высокая тепло- и электропроводность
хорошие литейные свойства
способность работать при низких и высоких температурах
свариваемость

Недостатки
большинство из них имеют высокую плотность
сильно корродируют под действием различных газов и влаги.

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

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ:
- легкие ( на основе алюминия)
- тяжелые (медь, латунь, олово)
- редкие (вольфрам, бронза, титан)
- благородные (платина, серебро, золото)

Строение металлов
Все металлы имеют кристаллическое строение.
Физико-механические свойства чистых металлов определяются природой атомов, образующих их кристаллическую решетку, и структурой самого металла

Свойства металлов
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА:
цвет,
плотность,
температура плавления,
электро- и теплопроводность,
коэффициент температурного расширения

Цвет большинство металлов имеют серебристо-белый, серебристо-серый с характерным металлическим блеском.
Плотность большинства тяжелых металлов превышает 7000кг/м, а плотность легких составляет не более 3000кг/м .
Температура плавления металлов строго определенная, однако меняется при добавке к нему других металлов.
Все металлы хорошо проводят тепло и электричество.
При нагревании металлы увеличиваются в размерах, что характеризуется коэффициентами объемного и линейного расширения

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
прочность,
твердость,
ударная вязкость,
ползучесть.

ПРОЧНОСТЬ - способность металла сопротивляться возникающим внутренним напряжениям под действием внешних сил, вызывающих растяжение, сжатие, изгиб, кручение.
Для большинства металлов универсальным испытанием на прочность является растяжение, но для серого чугуна - на сжатие и изгиб.

Испытание на изгиб проводится для листового металла толщиной не более 30 мм. При этом на поверхности изгибаемого образца не должны появляться трещины, надрывы, расслоение или излом.

Испытанием на удар определяют хрупкость металла или его способность работать в условиях динамических нагрузок. Чем пластичнее металл, тем лучше он переносит ударные нагрузки

УСТАЛОСТЬ определяется у металлов, работающих в условиях повторно-переменных растягивающих, изгибающих, крутящих, ударных и других нагрузок

ПОЛЗУЧЕСТЬ металлов - это процесс увеличения деформации во времени при постоянном напряжении

ТВЕРДОСТЬ металла определяется противодействием вдавливанию в его поверхность твердого стального шарика ( метод Бринелля, НВ ), алмазного конуса ( метод Роквелла, HR ), алмазной призмы ( метод Виккерса, HV ).
Чем выше твердость, тем меньше будет величина отпечатка на поверхности металла.
Числа твердости ( НВ, НR, HV ) вычисляются по эмпирическим формулам, которые приводятся в справочной литературе

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
-пластичность, определяющая ковку, прокатку, волочение;
-резанье и сварка, определяющие способность металла подвергаться сварке и резанью;
-способность подвергаться термической и химико-термической обработке с целью улучшения механических свойств металлических изделий

ЧУГУНЫ
Производство чугуна - первичный процесс получения черных металлов из природного сырья.
Сырье для производства чугуна:
железные руды,
флюсы и
кокс.
Наиболее часто используемые железные руды:
магнитный железняк ( Fе3О4 ),
красный железняк ( Fе2О3 ),
бурый железняк ( 2Fе2О3*3Н2О ),
шпатовый железняк ( FеСО3 ),

Флюсы - известняк СаСО3 или доломит СаСО3*МgСО3.
Кокс в доменном процессе выполняет роль топлива и восстановителя железа. При его горении выделяется большое количество тепла
Продукты доменного производства: чугун, огненно-жидкие шлаки и доменный газ

ДОМЕННЫЙ ГАЗ - топливо для нужд металлургической промышленности.
ДОМЕННЫЕ ШЛАКИ - ценное сырье в промышленности стройматериалов; их используют для производства шлаковой ваты, шлаковой пемзы, шлако-портландцемента, заполнителей для легких бетонов, шлакоситаллов и т.п

Изделия из чугуна

Маркировка чугуна
Ч – легированный чугун со специальными свойствами,
ВЧ – чугун с графитом шаровидным для отливок (цифры после символов «ВЧ» говорят о временном сопротивлении разрыву в кгс/мм),
АЧК – чугун антифрикционный ковкий,
АЧВ – чугун антифрикционный высокопрочный,
АЧ – чугун антифрикционный,

СЧ – чугун с графитом пластинчатым (цифры после символов «СЧ» говорят о величине временного сопротивления разрыву),
ПВК3, ПВК2, ПВК1 – чугун предельный высококачественный,
ПФ3, ПФ2, ПФ1 – чугун предельный фосфористый,
ПЛ1, ПЛ2 – чугун предельный для отливок,
П2, П1 – чугун предельный

С Т А Л Ь
Сталь получают из предельного чугуна, содержащего до 4 % углерода, 1% марганца, до 1,3 % кремния, десятые доли процента серы и фосфора.

Сущность процесса сталеварения заключается в окислении излишнего содержания углерода и примесей, содержащихся в чугуне, кислородом воздуха и кислородом руды. Этому процессу способствует образующаяся в начале плавки закись железа. Так как излишнее содержание закиси железа вызывает хрупкость стали, производят раскисление жидкого металла путем ввода ферросплавов. Образовавшиеся оксиды удаляются вместе со шлаком.

Окисление излишнего углерода и примесей кисл
ородом воздуха
и руды
Окисление излишнего углерода и примесей кислородом воздуха и руды
Закись железа
Раскисление
жидкого металла путем ввода ферросплавов

В зависимости от степени раскисления различают
спокойную, полуспокойную и кипящую сталь.
-Спокойная сталь (сп), в которой нет закиси железа, наиболее качественная и дорогая.
-Кипящая сталь (кп), в которой процесс раскисления прошел не до конца, и в ней имеются пузырьки газа СО. Она дешевле спокойной стали, но качество ее ниже, сваривается и обрабатывается, но при температуре -10 С она становится хрупкой.
-Полуспокойная сталь (пс) по своим свойствам занимает промежуточное положение между двумя первыми.

Способы производства стали

Способы производства стали
конверторный,
мартеновский ,
электроплавильный

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

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

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

Влияние нормальных примесей на механические
свойства стали
В состав сталей в силу условий их получения всегда входят так называемые нормальные примеси - Si, Mn, S, P, O2.
Содержание кремния до 0,35 % и марганца до 0,9 % на прочность стали не влияет.
Фосфор - вредная примесь, допустимое содержание его не более 0,055 %, при большем содержании уменьшает пластичность и увеличивает хрупкость металла.
Сера - вредная примесь, допустимое содержание ее не более 0,055 %. При большем содержании сталь непригодна для прокатки, ковки, сварки.
Кислород - вредная примесь, в металле находится в виде закиси железа FеО. При содержании О2 > 0,03 % происходит хладноломкость стали (резкое повышение хрупкости стали при отрицательных температурах), при содержании О2 > 0,1 % - красноломкость.

Классификация сталей
По химическому составу стали делятся на
углеродистые и
легированные.
Углеродистые стали классифицируют:
- по степени раскисления на: кп, пс и сп ;
- по применению на: конструкционные, содержащие углерода С < 0,65%,
инструментальные, содержащие углерода С = 0,65...1,5%;
- по качеству на: обыкновенного качества, качественные, высококачественные;
- в зависимости от гарантируемых характеристик на:
группу А, поставляемую по механическим свойствам,
группу Б, поставляемую по химическому составу,
подгруппу В, поставляемую по механическим свойствам и химическому составу.

Стали каждой группы делятся на марки.
Марка стали - это класс стали по прочности, устанавливаемый по пределу текучести, пределу прочности и величине относительной деформации.
Сталь группы А имеет марки Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, Ст7.
Сталь группы Б имеет те же марки, что и сталь группы А, но перед маркой ставится буква Б (БСт0, БСт1 и т.д.).
Сталь группы В имеет марки ВСт2, ВСт3, ВСт4 и ВСт5.
По мере увеличения номера стали повышается содержание углерода, а также прочность, твердость и износоустойчивость, но понижаются пластичность и ударная вязкость, ухудшается свариваемость.

Маркировка углеродистых сталей.
1) Углеродистая сталь обыкновенного качества.
В ее маркировке указаны способ выплавки, марка стали и степень раскисления.
Например: КСт3кп - конверторная сталь марки 3, кипящая,
МСт2пс - мартеновская сталь марки 2, спокойная.
2) Углеродистая конструкционная качественная сталь.
В ее маркировке указано среднее содержание углерода в сотых долях процента от 08 до 80 и степень раскисления.
Например: 08КП - кипящая сталь с содержанием углерода 0,08%,
10ПС - полуспокойная сталь с содержанием углерода 0,1%.
3) Углеродистая инструментальная качественная сталь.
В ее маркировке цифры обозначают среднее содержание углерода в десятых долях процента от 7 до 13.
Например: У7 - инструментальная качественная сталь с содержанием углерода 0,7 %.
4) Углеродистая инструментальная высококачественная сталь маркируются так же, только добавляется буква А.
Например: У7А, У8А и т.д.
В строительстве инструментальная сталь применяется с обязательной термической обработкой.

Применение углеродистых сталей
- изготовление несущих конструкций,
- армирование железобетона,
- устройства кровли,
- формы железобетонных изделий.
Правильный выбор марки стали обеспечивает экономичный расход металла
и успешную работу конструкции.
Для изготовления несущих сварных и клепаных конструкций рекомендуются стали
обыкновенного качества группы В следующих марок: ВМСт3кп, ВМСт3пс, ВМСт3сп
и ВКСт3кп, ВКСт3пс, ВКСт3сп.
Для конструкций, не имеющих сварных соединений, и для сварных конструкций, воспринимающих лишь статические нагрузки, рекомендуются стали следующих марок: ВМСт4кп, ВМСт4пс, ВМСт4сп и ВМСт5кп, ВМСт5сп, ВМСт5пс и кислородно-конверторные стали тех же марок.
Для изготовления арматуры используются углеродистые стали марок Ст3 и Ст5 мартеновские и конверторные.
Для изготовления болтов и шурупов применяется ст4 и ст5.
Для изготовления осей, валов и других деталей машин применяется ст6.

Легированные стали
Легированные стали - это стали, в состав которых специально вводят один или несколько легирующих элементов для улучшения их физико-механических свойств.
Классификация легированных сталей.
По структуре легированные стали делятся на классы.
ПЕРЛИТНЫЙ КЛАСС - стали при охлаждении на воздухе приобретают структуру, близкую к равновесной.
Это строительные и машиностроительные стали
АУСТЕНИТНЫЙ КЛАСС - стали при охлаждении на воздухе приобретают аустенитную структуру.
Это жаропрочные, жаростойкие, кислотоупорные и нержавеющие стали.
ФЕРРИТНЫЙ КЛАСС - стали сохраняют ферритную структуру при любой скорости охлаждения. Они не воспринимают закалку.
Это жаропрочные, жаростойкие и специальные магнитные стали.
КАРБИДНЫЙ КЛАСС - стали сохраняют твердость и режущую способность при повышенных температурах.

По назначению легированные стали делятся на
- конструкционные (строительные и машиностроительные), - инструментальные (изготовление режущего инструмента),
- стали с особыми физико-механическими свойствами.
По содержанию легирующих элементов стали делятся на
- низколегированные (легирующих элементов до 2,5%),
- среднелегированные (легирующих элементов 2,5...10%),
- высоколегированные (легирующих элементов более 10%).

Применение легированных сталей.
НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
Для сварных и клепаных несущих конструкций .
Для обычной арматурной проволоки.
Для предварительно напряженной арматуры .
ЖАРОСТОЙКИЕ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
длительное время выдерживают действие высоких температур без образования на них окалины.
Однако они не должны испытывать при этом механических нагрузок.
ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ
имеют высокую окалиностойкость и сохраняют, свои механические свойства при высоких температурах. Это обычно высоколегированные хромо-никелевые стали.

Цветные металлы и сплавы
АЛЮМИНИЙ - В строительстве широко применяются сплавы алюминия с легирующими добавками: прокатка профилей, листов, трехслойные навесные панели с заполнением пенопластом. Вводя газообразователь, получают высокоэффективный материал пеноалюминий.
СИЛУМИНЫ - сплавы алюминия с кремнием, обладающие высокой прочностью, характеризуются высокими литьевыми качествами.
ДЮРАЛЮМИНЫ - сложные сплавы алюминия с медью, кремнием, марганцем, магнием и др. применяют для конструкций большепролетных сооружений, в сборно-разборных конструкциях, в сейсмическом строительстве, в конструкциях, работающих в агрессивных средах. Используется он в виде проката - уголков, швеллеров, двутавров, труб круглого и прямоугольного сечения.
ТИТАН обладает высокой коррозионной стойкостью. На его основе создаются легкие и прочные конструкции, способные работать при повышенных температурах.
МЕДЬ - металл красноватого цвета, отличающийся высокой теплопроводностью и стойкостью против атмосферной коррозии.
Латунь - сплав меди и цинка, бронза - сплав меди и олова. Оба эти сплава прочны, их широко применяют для изготовления кранов и вентилей.
Баббиты - сплавы меди, свинца и олова, применяются для изготовления подшипников.
ЦИНК - применяется для кровельных покрытий, карнизов, водосточных труб.
СВИНЕЦ - применяется для особых видов изоляции, для футеровки химических аппаратов.