Мировое производство в 2018г

Материаловедение
Литература:
Гуляев А.П.
Лахтин Ю.М.
Арзамасов Б.Н.
Сорокин В.К «Основы материаловедения и конструкционные материалы»
Воскобойников «Общая металлургия»

Состав железной руды
Красный железняк Fe2O3
Магнитный железняк Fe3O4
Бурый железняк Fe2O3*nH2O
Шпатовый железняк Fe2O4
Пустая порода : SiO2 ;Al2O3; CaCO3 MgCO3;
Вредные примеси P2O5; FeS ;
Полезные примеси Cr2O3;Mn2O3;TiO2

Классификация материалов:
Металлические
Неметаллические
Композиционные

Рудное производство.
Подготовка руды
Недра земли
Горнорудное предприятие
Добыча руды
Руда
Первичное дробление
Обогатительная фабрика
Дробление руды на дробилках
Измельчение в мельницах
Грохочение по размерам частиц
Мелкое измельчение в мельницах
Классификация по размерам частиц
Обогащение
Концентрат
Фабрика окускования
Окускование концентрата
Агломерация Производство окатышей
Агломерат Окатыши
Исходный продукт доменного производства

Основы доменного производства.
Производство чугуна

Производство чугуна

Схема мартеновской печи:
1,2,10,11-регенераторы, 3,9-канал для газа, 4,8-канал для воздуха,
5-окна, 6-под, 7-пространство, 12,14-клапаны, 13-труба

Схема кислородного конвертера

Схема рабочего пространства дуговой электропечи:
1 – куполообразный свод; 2 – стенки; 3 – желоб; 4 – сталевыпускное отверстие; 5 – электрическая дуга; 6 – сферический под; 7 – рабочее окно; 8 – заслонка; 9 – электроды

Схема индукционной печи:
1 – каркас; 2 – подовая плита; 3 – водоохлаждаемый индуктор; 4 – изоляционный слой; 5 – тигель; 6 – абсоцементная плита; 7 – сливной носок; 8 – воротник; 9 – гибкий токоподвод; 10 – опорные брусья

Схема установки ЭШП
1-электрод, 2-расправленный шлак, 3-ванна, 4-изложница, 5-полученный слиток, 6- поддон

Схема вакуумной дуговой печи
1–источник питания; 2–рабочая камера; 3–электродержатель; 4–механизм подачи электрода; 5–к вакуумным насосам; 6–электрод; 7–жидкий металл; 8–слиток; 9–кристаллизатор; 10–шток для подъема поддона; 11–поддон.

Схема плазменной дуги.

Схема сталеразливочного ковша

Строение стального слитка

Рис. 3.7. Схема стального слитка

Прокатное производство.Сортамент прокатного производства
Круг 5-250 мм
Катанка - прутки 5-9 мм
Квадрат
Шестигранник
Листовая сталь : Толстолистовая сталь(толщина от 4-16мм, шириной 600-3800мм, толщиной 4-50мм получается прокаткой из слябов, >50мм - из слитков)

Схема изготовления проката

Стандартизация прокатных изделий

Сплавы железа с углеродом
Сталь-сплав железа с углеродом, С от 0,02 до 2,14% Чугун- сплав железа с углеродом ,С от 2,14 до 6,67%

Характеристики компонентов
Железо
Плотность7,68
Температура плавления1539
Кр решетка: ОЦК до 911 выше1392
ГЦК при температурах 911-1392
Ниже768 магнитно

Углерод
С-неметалл
Плотность-2,5
Температура плавления-3500
Углерод полиморфен-алмаз,графит,фуллерен
Атомная решетка- гексагональная слоистая

Решетка алмаза . Структура графита

Фуллерен

Углеродные структуры

Кристаллическая решетка аустенита.

Кристаллическая .
структура карбида железа Fe3C

Диаграмма состояния Fe—С. Чугуны со свободным графитом

Таблица 3 Характерные точки диаграммы Fe-C

Структурные диаграммы чугунов

Виды чугунов со свободным графитом:
СЧ20-серый (чпг)ГОСТ1412
ВЧ45-высокопрочный (чшг)ГОСТ7293
КЧ30-6-ковкий(чхг)ГОСТ1215

Влияние углерода на свойства сталей

Термическая обработка

Критические точки
А1 – линия РSК
А3 – линия GS
Аm – линия ES
c – при нагреве – Ас3
r – при охлаждении –Аr3

Процесс образования аустенита

Температура нагревов при различных видах
термической обработки: а — отжиг I рода; 1 — диффузионный отжиг;
2 — рекристаллизационный отжиг; 3 — отжиг для снятия напряжений;
4 — нормализация; б — отжиг II рода; 5 — полный отжиг;
6 — неполный отжиг; 7 — циклический отжиг

Наложение на диаграмму изотермического распада аустенита кривых охлаждения

Структура мартенсита

Изменение механических
свойств углеродистой стали в зависимости
от содержания в ней углерода
1— в закаленном состоянии;
2 — отожженном состоянии

Остаточные напряжения

Различные способы термической обработки (а);
V1— изотермический отжиг; V2 — нормализация; VKp — критическая
скорость охлаждения; V3 — закалка в одной среде; V4 закалка в двух
средах; V5 — ступенчатая закалка; V6 — изотермическая закалка; У7 —
частичная закалка;

Схема ступенчатой закалки эвтектоиднои стали, содержащей 0,8% С (б), и изотермической закалки легированной стали (в)

Влияние легирующих элементов на изотермический распад аустенита

Внутренние напряжения

Влияние легирующих элементов на изотермический распад аустенита

Схема микроструктуры быстрорежущей стали в литом состоянии (а) и после ковки и отжига (б).

Листовая сталь для холодной штамповки
ГОСТ4041
08Ю,08ЮА,08пс, 10 , 10ЮА
Группы прочности К250( 250)260, 270
Категории вытяжки Н, ВГ,СВ
Структура- феррит+изолированные участки перлита

Схема диаграмм состояний железо – легирующий элемент

Структурная диаграмма хромистых сталей в равновес-
ном состоянии (после отжига)

Стали повышенной обрабатываемости резанием
ГОСТ1414
S 0,08-0,3
P до0,06
С до 0,35
А20 С-0,20
А12 С0,12
А40Г
А35Е

Стали общего назначения(обыкновенного качества)
ГОСТ 380
Ст 0, Ст1,Ст2кп,Ст3пс
S ≤ 0,055
P ≤ 0,045

Качественные стали
S ≤ 0,04
P ≤ 0,035
ГОСТ1050
Сталь05,08,15,40,…
08кп,10пс

Легированные стали.Маркировка.
Н-никель, М- молибден, К- кобальт,Х-хром
В - вольфрам,Т- титан, А(в середине марки) – азот, С-кремний, Г- марганец, Д- медь, Ф – ванадий, Б – ниобий,
Ю - алюминий
С – перед буквами,
Конструкционные стали-40Х , 20Х13
Инструментальные стали 9ХС, ХВГ

Цементуемые стали
Предел прочности,
Предел
текучести,
Ударная
вязкость,
мДж/м

Высокопрочные конструкционные стали
σв ≥ 1500МПа
30ХГСН2А
30Х2ГСН2ВМ
40ХН2СМА
03Н18К9М5Т σв ≥ 2000МПа(со стареющим мартенситом)

Улучшаемые стали

Шарикоподшипниковые стали
ШХ4 С-1,0 хром-0,4;
ШХ9 С-1,0 хром-0,9;
ШХ15 С-1,0 хром-1,5;
20Х2Н4А (с цементацией глубиной до3,5 мм)
95Х18 С-1,0 хром-18
ГОСТ 801

Рессорно-пружинные стали
65, 65Г, 60С2А, 65С2ВА, 50ХФА
ГОСТ 14959
Структура- з. перлит
Т.О.:
Закалка + ср. отпуск HRC42-48
структура-троостит

Аустенитная сталь высокой износостойкости
(сталь Гадфильда)
110Г13Л (1,1% углерода и 13% марганца)

Стали для режущего инструмента должны иметь следующие свойства:
1.Высокую твердость (НRС 60…65) и износостойкость для сохранения формы и размеров режущих кромок при резании.
2.Высокую прочность для предотвращения выкрашивания и поломок инструмента.
3.Удовлетворительную вязкость для предупреждения поломок при вибрациях и ударах.

Углеродистые стали У10, У11, У12 (число показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента) используются для изготовления инструментов, работающих с небольшими скоростями (метчики, развертки, плашки и др.). Из легированных сталей преимущественно применяются хромистые стали и стали с дополнительными добавками марганца и других элементов (Х, ХГ, 9ХС, ХВГ и др.). Они используются для изготовления фасонного инструмента (сверла, фрезы, протяжки и др.).
Окончательная термическая обработка инструмента состоит из закалки и низкого отпуска.

Быстрорежущие стали
1 углерода 5,5…18% вольфрама, 3…4%хрома, 1…5% ванадия и 0,5…5,5% молибдена
Теплостойкость 600-650ºС
Исходная структура-з.перлит

Стали нормальной производительности (умеренной теплостойкости) Р6М5, Р12
.Стали повышенной производительности (высокой теплостойкости) Р14Ф4, Р9К5, Р9К10, Р18К5Ф2
Порошковые Р6М5К5 МП, Р6М5Ф3 МП
Безвольфрамовые 11М5Ф

Сверхтвердые материалы.
№ п/пНаименование материалаМикротвердость HV, МПа1Природные алмазы981002Синтетические алмазы99290…981003Кубический нитрид бора BN68670…784804Вюрцитный (гексагональный) нитрид бора BN49050…784805Композиционные материалы≤49050

Твердые сплавы состоят из карбидов вольфрама, титана и тантала (WC, TiC, TaC) с небольшими добавками кобальта
1.Вольфрамовые марок ВК2, ВК3М, ВК6, ВК8, ВК20, ВК30 с разным содержанием кобальта (в сплаве ВК2 – 2% Со и т.д.) для обработки хрупких материалов (чугун, стекло и др.).
2.Титановольфрамовые Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В с разным содержанием кобальта и карбидов титана (например, в сплаве Т15К6-15%TiC, 6%Со, WC – ост.) для обработки вязких материалов (сталей и др.).
3.Титанотанталовольфрамовые ТТ7К12 (4%TiС, 3%ТаС, 12%Со – ост.) для тяжелого чернового точения стальных поковок, штамповок, отливок.

В соответствии с международной классификацией ИСО твердые порошковые инструментальные сплавы для обработки резанием разделяются на три группы:
Р – при обработке дают «сливную» стружку ( например, Т15К6);
К – при обработке дают дробленую стружку (например, ВК6);
М – универсальные для обработки сталей и чугунов (например, ТТ8К6, ВК6-ОМ).

Схема нагрева лазером для поверхностной закалки:
а — схема расположения зон термического воздействия(D — диаметр зоны лазерного воздействия, S — шаг обработки,
х — толщина упрочненного слоя); б — схема строения зоны упрочнения;
1 — зона плавления; 2 — зона термического влияния; 3 — зона неполной
закалки; 4 — исходная структура; в — схема упрочнения плоской
поверхности непрерывными лазерами с периодическим смещением детали
с шагом Sn; г — обработка цилиндрической детали с постоянной осевой
подачей Sn

Сравнительные характеристики некоторых быстрорежущих сталей даны в табл. 13.
Марка сталиТвердость HRC,МПаt,CР6М564…663150…3550620Порошковая:Р6К5 МП68…693000…330063095Х6М3Ф3Т663100…350062011М5ФЮ65…674000630

.Зависимость твердости закаленной стали 11М5Ф от температуры отпуска (закалка от температуры 1020С): а – « вторичная» твердость.

Коррозия

Коррозионностойкие стали
Хрома≥12%
20Х13,…40Х13
12Х18Н10,12Х17Г9АН4
08Х18Н10Т
06Х15Н5Д2Т
13Х15Н4АМ3

Жаропрочные и жаростойкие стали
08Х18Н10Т (600ºС)-аустенитный
ХН38ВТ (800ºС) -аустенит
06Х14Н6Д2МБТ (400ºС)-мартенсит
10Х11Н23Т3МР- аустенит+ интерметаллиды
37Х12Н8МФБ -аустенит+ карбиды

Алюминий и его сплавы
Чистый А999,А95,А0,А5,А7
Деф не упроч то АМг2(1520)АМц(1400)
Дюралюмины Д16(1160), Д19(1920)
Высокопрочные В95(1950),1933
Ковочные АК4-1(1441),АК6(1360),АК8
Алюминий-литиевые 1420
Литейные
силумин АЛ2(АК12),АЛ9(АК7ч),
ВысокопрочныеВАЛ10(АМ4,5Кд),АЛ19(АМ5)

Схема распада пересыщенного твердого раствора дюралюмина при нагреве

Ниобиевые сплавы

Силумин

Силумин без натрия (а)и с натрием(б)

Медь и ее сплавы
Чистая медь М0(пр<0,1),М1(пр0,1,М3(пр0,3)
Латунь Cu+Zn
Деформируемые Л63,Л86,ЛС59-1
Литейные ЛЦ40,ЛЦ23А6Ж3Мц2
Бронза Cu+Sn,Al,Cd,Fe и др
БрО19,БрА5
БрОФ4-0,25
БрА10Ж4Н4

Диаграмма состояния медь—цинк

Классификация сверхтвердых материалов.
Наименование материала
Микротвердость HV, Мпа
Природные алмазы 981002
Синтетические алмазы 99290…981003
Кубический нитрид бора BN 68670…784804
Вюрцитный (гексагональный) нитрид бора BN49050…784805
Композиционные материалы≤49050

Твердые порошковые сплавы состоят из карбидов вольфрама, титана и тантала (WC, TiC, TaC) с небольшими добавками кобальта
1.Вольфрамовые марок ВК2, ВК3М, ВК6, ВК8, ВК20, ВК30 с разным содержанием кобальта (в сплаве ВК2 – 2% Со и т.д.) для обработки хрупких материалов (чугун, стекло и др.).
2.Титановольфрамовые Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В с разным содержанием кобальта и карбидов титана (например, в сплаве Т15К6-15%TiC, 6%Со, WC – ост.) для обработки вязких материалов (сталей и др.).
3.Титанотанталовольфрамовые ТТ7К12 (4%TiС, 3%ТаС, 12%Со – ост.) для тяжелого чернового точения стальных поковок, штамповок, отливок.

В соответствии с международной классификацией ИСО твердые порошковые инструментальные сплавы для обработки резанием разделяются на три группы:
Р – при обработке дают «сливную» стружку ( например, Т15К6);
К – при обработке дают дробленую стружку (например, ВК6);
М – универсальные для обработки сталей и чугунов (например, ТТ8К6, ВК6-ОМ).

Сравнительные характеристики некоторых быстрорежущих сталей даны в табл. 13.
Марка сталиТвердость HRC,МПаt,C
Р6М5 64…663150…3550620
Порошковая:Р6К5МП 68…693000…330063095Х6М3Ф3Т663100…3500620
11М5ФЮ 65…67 4000630

.Зависимость твердости закаленной стали 11М5Ф от температуры отпуска (закалка от температуры 1020С): а – « вторичная» твердость.

Пережог в сплаве 1160

Термическая обработка алюминиевых сплавов

Диаграмма состояния медь—цинк

Диаграмма состояний медь-алюминий

Диаграмма состояния Си—Be

Диаграмма медь-кремний

Силумин

Строение макромолекул полимерных материалов

Из истории титана
1790г- открыт В. Грегор
1825г-получен грязный,Берцелиус
1925г-получен чистыйВан Аркель и Де Бур
1940г- метод Кроля- получается губка
Пр-во 1948г-2тн, 1953-2100тн, 1966-22000тн

Чистый титан
Плотность-4,5
Т пл -1672
Сод в земле 0,6
Кр решетка ГПУ ( при Тниже 882 );ОЦК(при Т выше 882
Теплопроводность 16,76Вт/м°С;железо 83,8
σв-343 (железо 19,3)
Уд прочность 8 (железо-2,5)

Применение титановых сплавов

Технически чистый титан

Диаграмма титан-марганец

Термическая обработка титановых сплавов

Сплавы титана

Диаграммы состояния титановых сплавов

Образование структур в титановых сплавах в зависимости от скорости охлаждения и содержания легирующего элемента

Влияние легирующих элементов на температуру начала мартенситного превращения в титане

ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ МАГНИЯ

Полимеры
По характеру расположения в пространстве элементарных звеньев различают полимеры линейного (а), разветвленного (б), пространственного (в), лестничного (г) и паркетного (д) строения. В условных схемах кружками обозначены элементарные химические группы, а черточками – ковалентные связи

Магний
Атомный номер 12
Атомная масса 24,3
Плотность при 20°С, г/см3 1,74
Температура плавления, °С 651
Атомный диаметр, нм 0,32
Удельная теплопроводность при 20°С, Вт/(м.К) 1391

Сплавы магния

1. Линейные структуры, состоящие из пачек развернутых макромолекул. В структуре пластических масс пачки макромолекул обычно соединяются в крупные нитеобразные структурные образования (фибрилы) (рис. а). У каучукоподобных полимеров пачки макромолекул сливаются в более крупные полосатые структуры (рис. б).
2. Глобулярные (шарообразные) структуры пластических масс из свернутых макромолекул с повышенной гибкостью. Отдельные глобулы из нескольких макромолекул сливаются в частицы более крупного размера из десятков и сотен макромолекул. Глобулы объединяются в группы (рис. в).

Надмолекулярные структуры в полимерах

Нанокристаллические материалы