Файл: Слободяник И.Я. Строительные материалы и изделия учебник.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 160
Скачиваний: 1
одного и того же металла, кристаллизующегося в различных температурных условиях, кристаллическая решетка может быть различной — кубической, объемно-центрированной, кубической гранецентрированной и др.
Некоторые металлы при нагревании в твердом состоянии спо собны изменять свою кристаллическую решетку и ее параметры. Это изменение называют аллотропическим. Наибольшее практиче ское значение имеет температурная аллотропия железа. Так, до 910° С железо имеет кубическую объемно-центрированную решет ку и называется a-Fe (альфа-железо), от910 до 1400° С — кубичес кую гранецентрированную решетку и называется j -Fe (гамма-же лезо), от 1400 до 1539° С, т. е. до точки плавления — кубическую объемно-центрированную решетку и носит название ô-Fe (дельта железо).
Свойства металлов, применяемых в строительстве, определя ются в основном механическими и технологическими характери стиками.
Для строительства представляют наибольший интерес сплавы металлов, особенно железа с углеродом и другими элементами (марганцем, никелем, хромом, титаном, кремнием и др.). Такие сплавы составляют группу черных металлов и носят название чугун
исталь. Большое значение в строительстве имеет также алюминий
иего сплавы.
Механические свойства металлов характеризуются пределом прочности при растяжении, пределом текучести, относительным удлинением, твердостью, ударной вязкостью; технологические свой ства — жидкотекучестью, свариваемостью, ковкостью, электропро водностью, магнитностью и др.
Предел прочности при растяжении —напряжение в момент раз рушения образца, испытываемого на разрыв.
Предел текучести — минимальное напряжение, при котором образец деформируется без увеличения нагрузки.
Относительное удлинение — отношение приращения длины об разца после деформации растяжения к его первоначальной длине.
Максимальное напряжение, при котором сохраняется прямая пропорциональность между удлинением образца и приложенной нагрузкой, называют пределом пропорциональности.
Напряжение, соответствующее появлению первых признаков пластической деформации, остающейся после нагрузки образца, называют пределом упругости.
Металлы испытывают на растяжение с помощью разрывных машин, оборудованных приспособлением для записи кривой зави симости между нагрузкой и удлинением образца. Такая кривая называется диаграммой растяжения.
У одних металлов на диаграмме растяжения фиксируется площадка текучести, указывающая на способность металла под вергаться пластическим деформациям при постоянном напряжении, у других такая площадка отсутствует, что указывает «а непрерыв ный рост деформации с возрастанием нагрузки.
На рис. 26 приведена диаграмма растяжения сталей с различ
ным содержанием углерода и образцы после испытания их на разрыв.
Твердость металла (НВ) является косвенным показателем его прочности. Твердость металла определяют: вдавливанием стально го шарика в поверхность металла (метод Бринеля); вдавливани ем алмазного конуса или стального шарика с определением твер дости по глубине отпечатка (метод Роквелла) и др.
В конструкциях и деталях металл под воздействием многократ ных повторно-переменных нагрузок может разрушаться при напря жении значительно меньшем, чем предел прочности. Это явление называют усталостью металла. Испытывают металл на усталость аппаратами, переменно изгибающими образцы в противоположные стороны, скручивающими их.
В металле, работающем длительное время при повышенной температуре, происходят пластические деформации, постепенно увеличивающиеся даже при небольших нагрузках. Это явление на зывают ползучестью металла.
Рис. 26. Диаграмма растяжения сталей с различным содержанием угле' рода.
Свойства стали определяют также технологическими пробами изучением химического состава. Технологическими пробами назы вают испытания, при которых металл деформируется под воздей ствием внешних сил, действующих на него при обработке или в условиях службы в сооружениях (изгиб в холодном и нагретом состояниях, выдавливание, закаливаемость, свариваемость, осадка в холодном состоянии).
Способность расплавленного металла хорошо заполнять литей ные формы называется жидкотекучестью. Сокращение объема рас плавленного металла при застывании и охлаждении называют
усадкой.
Способность металла под воздействием внешних сил деформи роваться без разрушения и сохранять остаточную деформацию называют пластичностью.
Наибольшей электропроводностью обладают медь и алюминий. Некоторые сплавы имеют высокое электросопротивление и исполь зуются для превращения электрической энергии в тепловую (ни хром).
Некоторые металлы (железо, кобальт, никель) обладают маг нитными свойствами и носят название ферромагнитных. При нагре ве до определенной температуры эти металлы теряют магнитные свойства (например, железо — при 768° С, кобальт — при 1100° С, никель — при 350° С).
Коэффициент линейного расширения у различных металлов раз личен. Наибольшие значения коэффициента расширения имеют цинк, свинец, кадмий, магний, алюминий, хром, олово; наименьшие значения — молибден, вольфрам, железо и др.
Температура плавления металлов находится в пределах от 232 (для олова) до 3390° С (для вольфрама). Температура плавления может резко изменяться при вводе в металл новых элементов. Так, чистое железо плавится при температуре 1539° С, а сплав с содер жанием 4,3% углерода (чугун) — при температуре около 1130° С.
Состояние системы железоуглеродистых сплавов. Сталь при на гревании и охлаждении имеет ряд критических точек, зависящих от содержания углерода и температуры. Сплавы, содержащие не более 2% углерода, называют сталями, а более 2 % — чугунами.
Сталь, содержащая 1% углерода, при температуре 1500° С на ходится в жидком состоянии, при температуре 1470° С начинает кристаллизоваться. Кристаллизация заканчивается при температу ре 1320° С. При температуре 840 и 723° С сплав претерпевает прев ращения уже в твердом состоянии.
При остывании железоуглеродистые стали проходят такие структурные фазы:
цементит — может образоваться при содержании углерода мень ше 6,67%; при медленном охлаждении цементит разлагается на феррит и графит; цементит обладает большой твердостью и хруп костью;
феррит — твердый раствор углерода в альфа-железе; феррит обладает малой прочностью и твердостью и высокой пластичностью;
ПО
Рис. 27. Микроструктура железоуглеродистых сталей:
а — феррита; б — перлита; в — феррнта-перлнта.
перлит, содержащий 0,8% углерода,— эвтектоид, являющийся механической смесью мелких кристаллитов феррита и цементита; перлит — наиболее прочная структурносоставляющая сталей;
аустенит— представляет собой твердый раствор углерода в гамма-железе, немагнитен, обладает большой вязкостью, химиче ской стойкостью;
ледебурит, содержащий 4,3% углерода,— эвтектика, образую щаяся в результате первичной кристаллизации сплава и состоящая из механической смеси кристаллов первичного аустенита и цементита. Ледебурит при температуре ниже 723° С состоит из цементита и перлита.
На рис. 27 приведены микроструктура некоторых железоуглеро дистых сплавов.
§ 28. Сведения по технологии производства чугуна
Исходным сырьем для получения чугуна являются железные руды, металлический лом и флюсы.
Железная руда — порода, содержащая различные количества железа в виде химических соединений с кислородом, серой и дру гими веществами.
Чаще всего чугун получают из магнитного железняка РезСЛ, со держащего до 72% железа, и красного железняка 2Fe20 3-3H20, содержащего до 70% железа в виде Fe20 3.
Кроме того, чугун получают также из руд, содержащих, помимо железа, легирующие примеси — хром, никель, титан, марганец и др.
К руде в процессе плавки для понижения температуры плавле ния пустой породы с целью отделения ее от металла прибавляют флюсы или плавни.
Флюсы бывают основными и кислыми. В качестве флюсующих материалов, образующих сплав с кремнеземом и глиноземом, слу жат породы, содержащие СаС03 и MgC03. Если пустой породой в руде является известняк, флюсом служат кремнеземистые поро
ды (кислый флюс). Введенные |
в шихту доменной |
печи флюсы, |
образуя с пустой породой руды |
сплав, отделяются |
от металла в |
|
|
ш |
|
|
|
|
|
виде шлаков. В среднем выход |
||||||||
|
|
|
|
|
шлаков |
|
составляет |
60—80% |
от |
||||
|
|
|
|
|
выплавленного чугуна. |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
При |
производстве чугуна топ |
|||||||
|
|
|
|
|
ливом |
служат |
в основном |
кокс, |
|||||
|
|
|
|
|
термоантрацит, |
природный |
газ. |
||||||
|
|
|
|
|
Чугун представляет |
собой сплав |
|||||||
|
|
|
|
|
железа |
с углеродом |
(более 2%). |
||||||
|
|
|
|
|
В чугун входят полезные (Si, Mn) |
||||||||
|
|
|
|
|
и вредные (P, S) примеси. Вы |
||||||||
|
|
|
|
|
плавляют чугун в доменных печах, |
||||||||
|
|
|
|
|
представляющих собой вертикаль |
||||||||
|
|
|
|
|
ную металлическую шахту, футе |
||||||||
|
|
|
|
|
рованную |
внутри |
огнеупорным |
||||||
|
|
|
|
|
кирпичом с |
высоким |
содержани |
||||||
|
|
|
|
|
ем глинозема. |
печь |
(рис. |
|
28) |
||||
|
|
|
|
|
Доменная |
|
|||||||
|
|
|
|
|
состоит |
|
из |
колошника, шахты, |
|||||
|
|
|
|
|
распара, горна с подом. Внизу |
||||||||
|
|
|
|
|
горна имеется летка для выпуска |
||||||||
|
|
|
|
|
чугуна, |
над |
пей — отверстие |
для |
|||||
|
|
|
|
|
выпуска шлаков. Топливо горит у |
||||||||
|
|
|
|
|
фурм, |
подающих воздух, |
нагре |
||||||
|
|
|
|
|
тый в воздухонагревателях. В на |
||||||||
|
|
|
|
|
чале |
горения |
выделяется |
|
С02, |
||||
|
|
|
|
|
который затем переходит в СО, |
||||||||
|
|
|
|
|
расходуемый частично на восста |
||||||||
|
|
|
|
|
новление железа. Выйдя из дом |
||||||||
Рис. 28. |
Доменная |
печь: |
|
ны, СО проходит газоочиститель и |
|||||||||
I — летка |
для |
шлака; |
2 — жидкий |
используется в качестве горючего |
|||||||||
шлак; 3 — жндкнЛ |
чугун; |
4 — желоб |
|||||||||||
для чугуна. |
|
|
|
газа |
для |
нужд завода и для по |
|||||||
фурмы |
через |
|
|
|
догрева |
воздуха, поступающего в |
|||||||
специальные воздухонагреватели (кауперы). |
|
|
Загружают домну шихтой (рудой, флюсом, топливом) чередую щимися слоями — колошами. В настоящее время шихта доменных печей на три четверти состоит из агломерата, а на некоторых заво дах в домны загружают офлюсованный агломерат. Применение офлюсованного агломерата вместо обычного — важное средство увеличения производительности домен и снижения удельного рас хода кокса. В процессе работы шихта внутри печи опускается вниз, а домну сверху наполняют новыми порциями шихты. Горячие газы из горна движутся по шахте вверх, нагревают сырье и удаляют из него влагу. Руда, опускаясь вниз, восстанавливается окисью угле рода и твердым углеродом до закиси железа FeO, а в дальнейшем — в железо. Железо, насыщаясь углеродом, переходит в карбид же леза, который, растворяясь в железе, понижает температуру сплава.
Одновременно с восстановлением железа восстанавливаются кремний, фосфор, марганец и другие примеси, которые частично
входят в состав чугуна. Шлак, благодаря тому, что он легче чугуна (плотность чугуна 7,8 • ІО3 кг/м3, шлаков от 2,3 • ІО3 до 3 • ІО3 кг/м3), образует слой над чугуном, предохраняющий его от окисления и охлаждения, так как он нагрет до более высокой температуры, чем металл.
Жидкий чугун выпускают в ковши, откуда его выливают в фор мы или миксеры (сборники-смесители, где сплав сохраняется неко торое время в жидком состоянии).
Полученные в печах чугуны разделяют на литейные и пере дельные. Литейные чугуны применяют для производства чугунных отливок, передельные — для производства стали.
Помимо обычных чугунов, в доменных печах выплавляют также ферросплавы. К доменным ферросплавам относят: ферросилиций, ферромарганец и др.
Для отливки изделий чугун плавят в вагранках, пламенных и электрических печах. Вагранка представляет собой печь шахтного типа, футерованную огнеупорным кирпичом. Она состоит из колош ника для -загрузки шихты, шахты, формы для дутья, горна, копильника (в некоторых типах печей). В вагранку подают чушко вый чугун, а также частично чугунный и стальной лом. Топливом служит кокс, который слоями загружают в вагранку. Чтобы часть серы не перешла в чугун, в шихту добавляют известняк, связываю щий серу в CaS.
Расплавленный при температуре 1380—1420° С жидкий чугун выпускают через летку в футерованные огнеупором литейные ков ши для разливки чугуна по формам, изготовляемым из формовоч ного песка со связками.
В последние годы применяют прогрессивные способы литья чу гуна: под давлением, центробежным способом в оболочковые фор мы. Залитый в форму чугун находится в ней до момента полного перехода в твердое состояние, вначале расширяясь, а впоследствии давая усадку около 1 %.
Отливку под давлением производят на специальных установках, состоящих из котла с расплавленным металлом, разъемных форм, механизма давления и раскрытия форм.
Центробежный способ литья основан на принципе действия центробежных сил на металл, залитый во вращающуюся форму. Таким способом можно отливать различные изделия — трубы, коль ца, втулки, сплошные и биметаллические.
Отечественными учеными и практиками разработан способ бес слитковой прокатки тонкого чугунного листа. Чугун, расплавлен ный в вагранках, прокатывают в ленту между валками с после дующим отжигом в течение 2—3 ч при температуре 980—1050° С. При этих условиях чугунный лист приобретает некоторую пластич ность, позволяющую пробивать в нем отверстия, разрезать ножни цами, загибать и др.