Тег «железо»

Первый сплав

Первый сплав (кривая 2) начинает кристаллизоваться при 300° С с выделением избыточных кристаллов свинца. Оставшаяся часть сплава бедна свинцом, значит, концентрация сурьмы в ней возрастает, и. когда она достигает 13%, при 246° С происходит окончательная кристаллизация (см. горизонтальный участок кривой). Второй сплав (кривая 3) кристаллизуется аналогично первому, но точка начала кристаллизации у него ниже, а кончается кристаллизация также при 246° С, Рис. 8. Диаграмма состояния сплавов свинец—сурьма когда концентрация сурьмы достигает 13%. Третий сплав (кривая 4) кристаллизуется полностью при одной температуре (246° С) с одновременным выпадением кристаллов свинца и сурьмы. Четвертый сплав (кривая 5) начинает кристаллизоваться при 400° С с выделением избыточных кристаллов сурьмы В жидком сплаве сурьмы становится все меньше, и, когда ее содержание снизится до 13%, при 246° С произойдет окончательная кристаллизация, Все точки начала и конца кристаллизации свинца, сурьмы и указанных четырех сплавов перенесем на основную диаграмму. Соединив все точки начала кристаллизации, получают линию ЛЕВ. Эта линия называется ликвидусом. Все сплавы, лежащие выше ликвидуса, находятся в жидком состоянии. Линия МЕМ называется солидусом. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. В интервале между лик- видусом и солидусом имеются две фазы: жидкий сплав (ж. с.) и кристаллы одного из компонентов. В области МАЕ — жидкий сплав и кристаллы свинца, а в области ЕВЫ — жидкий сплав и кристаллы сурьмы. Сплав, содержащий 13% сурьмы, кристаллизующийся при одной температуре, называется эвтектическим. Он имеет самую низкую температуру кристаллизации и отличается равномерной структурой. Сплавы, содержащие менее 13% сурьмы, лежащие влево от эвтектики, называются доэвтектическими, а более 13% сурьмы — заэвтектическими. Структуры эвтектического, доэвтектического и заэвтектического сплавов сильно различаются между собой. Эвтектика — структура с равномерно распределенными компонентами. В доэвтектических сплавах наряду с эвтектикой имеются кристаллы свинца, в заэвтектических — наряду с эвтектикой кристаллы сурьмы Различие структур определяет различие свойств, сп:;авов. Для определения состояния сплава при любой температуре и нахождения точек кристаллизации с помощью диаграммы нужно из точки концентрации данного сплава восставить перпендикуляр до пересечения с линиями ликвидуса и солидуса. Точки пересечения перпендикуляра укажут начало и конец кристаллизации. Практическое применение диаграммы свинец— сурьма находят, например, при выборе подшипникового сплава. Пользуясь этой диаграммой, установили, что наиболее пригодными для подшипниковых сплавов являются заэвтектические сплавы, состоящие из мягкой эвтектики и твердых вкраплений сурьмы Мягкая основа несколько изнашивается, а твердые кристаллы сурьмы сохраняются, и поэтому в микроуглублениях мягкой основы хорошо удерживается смазка Наиболее подходящими сплавами для подшипников из всех заэвтектических оказались сплавы с содержанием 15—20% 5Ь, так как температуры кристаллизации (плавления) этих сплавов (340—360° С) соответствуют температурам, при которых происходит заливка подшипников. Диаграмма 2-го рода соответствует сплавам, у которых компоненты ив жидком и в твердом состоянии образуют раствор. К ним относятся сплавы медь—никель, железо—никель и др. Диаграмма состояния сплавов медь—никель приведена на рис. 9. Кривая / относится к чистой меди, точка кристаллизации которой 1083° С, а кривая 5 — к никелю, точка кристаллизации которого 1452° С. Кривая 2 характеризует кристаллизацию 20%-ного сплава никеля (или 80%-ного сплава меди). Началу кристаллизации этого сплава соответствует точка а, когда кристаллизуется Рис. 9. Диаграмма состояния сплавов медь—никель решетка меди, в которой имеется 20% никеля. В точке Ъ кристаллизация заканчивается. Аналогично кристаллизуется 40%-ный (кривая 3) и 80%-ный (кривая 4) сплавы никеля, однако точки начала (ш и аг) и конца и Ы) кристаллизации у первого сплава ниже, чем у второго. Перенеся все точки начала и конца кристаллизации меди и никеля и указанных выше сплавов на основную диаграмму (рис. 9 справа) и соединив эти точки, получим линию ликвидуса АаВ и линию солидуса АЬВ. Выше линии АаВ сплавы меди с никелем находятся в жидком состоянии, а ниже линии АЬВ — в твердом. В зоне между АаВ и АЬВ имеются две фазы: жидкий сплав и кристаллы твердого раствора
никеля в меди. Диаграмма 2-го рода отличается от диаграммы 1-го рода тем, что здесь образуется одна кристаллическая решетка, а значит, нет и эвтектического сплава, как это наблюдается у сплавов, образующих механическую смесь. Диаграмма 3-го рода, соответствующая сплавам, которые в результате затвердевания образуют химические соединения, в данном учебнике не рассматривается. В некоторых сплавах могут одновременно находиться механическая смесь, твердый раствор и химическое соединение. Примером служат железоуглеродистые сплавы — сталь и чугун, подробно рассматриваемые в главе 3.

Теги: , , , , , , , ,

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ 0 ПРОИЗВОДСТВЕ ЧУГУНА. ДОМЕННЫЙ ПРОЦЕСС. ПРОДУКТЫ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

Чугун получают из железной руды с помощью топлива и флюсов. Железная руда — это горная порода, содержащая железо в количестве, выгодном для переработки. Железо в рудах находится в виде окислов (РегОз, РезСЬ и др.). В составе руды имеется пустая порода (глина, песок), иногда фосфор. Топливом при производстве чугуна служит кокс и природный газ. Флюс — известняк применяется для перевода в шлак пустой породы, вредных примесей, а также для удаления золы и серы из кокса. Перед плавкой железную руду освобождают частично от ных частей: колошника, шах- ства ДОМенной печи ты, распара, заплечиков и горна. В колошник / подаются сырые материалы: руда, кокс, флюсы. В шахте // происходит высушивание руд и восстановление железа. В распаре /// начинается плавление металла и образование шлака. .В заплечиках IV образуется чугун и шлак. Важнейшая часть доменной печи — горн V. В горне находятся фурмы / — устройства для вдувания в печь горячего воздуха, который попадает из воздухопровода 2. В нижней части горна расположены летки 3 для выпуска шлака и летки 4 для выпуска чугуна. На крупных доменных печах имеется три или четыре летки для выпуска чугуна, этим достигается

Теги: ,

СВЕДЕНИЯ 0 КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Кристаллизация металлов. Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при его переходе из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией. Превращения, происходящие в процессе кристаллизации, имеют важное значение, так как в значительной степени определяют свойства металла. Впервые процессы кристаллизации были изучены русским ученым Д. К. Черновым. Кри- сталлизация состоит в следующем. В жидком металле атомы непрерывно движутся. По мере понижения температуры движение замедляется, атомы сближаются и группируются в кристаллы. Эта первичная группа кристаллов получила название центров кристаллизации. Далее к этим центрам присоеди»яются вновь образующиеся кристаллы. Одновременно продолжается образование новых центров. Таким образом, кристаллиза- Рис. 2. Схема процесса кристаллизации металла ция состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров. На рис. 2 показан механизм кристаллизации. Сначала рост кристаллов не встречает препятствий (рис. 2, а), и растущие кристаллы сохраняют правильность строения кристаллической решетки. При дальнейшем движении кристаллы сталкиваются, и образовавшиеся группы имеют уже неправильную форму, но сохраняют правильность строения внутри каждого кристалла. Такие группы кристаллов называют зернами (рис.2, б, в, г и д). На рис. 2, е показаны границы зерен различных размеров, что влияет на эксплуатационные свойства металла. Крупнозернистый металл имеет низкое сопротивление удару, при обработке мешает получению требуемого класса шероховатости поверхности. Размеры зерен зависят от различных факторов: природы самого металла и условий кристаллизации. Так как процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, то кривые охлаждения (рис. 3) строятся в координатах температура — время. На кривой 1 показан идеальный процесс кристаллизации металла без переохлаждения. Сначала температура понижается равномерно — кривая идет вниз. При достижении температуры затвердевания падение температуры прекращается — на кривой образуется горизонтальный участок. Это объясняется тем, что груп- Рис. 3. Кривые охлаждения при кристаллизации: / — теоретическая кривая кристаллизации металла; 2 — кривая кристаллизации металла с переохлаждением; 3 — кривая кристаллизации неметалла ,пировка атомов идет с выделением тепла. По окончании затвердевания температура снова понижается. По закону кристаллизации чистых металлов каждый металл кристаллизуется при строго индивидуальной температуре. Практически кристаллизация протекает несколько иначе, так как часто имеет место переохлаждение, т. е. металл при температуре затвердевания остается жидким, и кристаллизация начинается при более низкой температуре. Разница между идеальной и истинной температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения. Кривая 2 соответствует процессу кристаллизации с переохлаждением. Кривая 3 характерна для кристаллизации неметаллов: нет четко выраженной температуры кристаллизации, затвердевание происходит постепенно. Степень переохлаждения является важнейшим фактором, определяющим величину зерна. При большой скорости охлаждения степень переохлаждения больше и зёрна мельче. Так, при отливке тонкостенных изделий получается мелкозернистая структура, при отливке толстостенных — крупнозернистая. Вторичная кристаллизация (аллотропия). Некоторые металлы: железо, кобальт, оково и др. — имеют в твердом состоянии две и более кристаллических решеток при неодинаковых температурах. Существование одною Рис. 4. Аллотропические превращения в железе и того же металла в разных кристаллических формах называют аллотропией, а процесс перестройки одного вида атомов кристаллической решетки в другой — аллотропическим превращением. Аллотропные формы, в которые кристаллизуется металл, обозначают буквами а, р, у, 8 и т. д. Так, при температуре 1539° С железо из жидкого состояния переходит в твердое и образуется б-железо с объемно-центрированной кубической решеткой (рис. 4); между 1390 и 910° С устойчиво у-железо немагнитное с гранецентрированной кубической решеткой, которая при дальнейшем охлаждении не перестраивается. При температуре 768° С железо из немагнитного р-железа становится магнитным а-железом. Эти модификации имеют важное практическое значение для термической обраб
отки и подробно рассматриваются в гл. 4. Методы изучения структуры металлов. Исследование структур металлов и сплавов производится методами макро- и микроанализа, рентгеновского, спектрального, термического, а также дефектоскопии (рентгеновской, магнитной, ультразвуковой). Методом макроанализа изучается макроструктура, т. е. структура, видимая невооруженным глазом или с помощью лупы, при этом выявляются крупные дефекты: трещины, усадочные раковины, газовые пузыри и т. д., а также неравномерность распределения примесей в металле, и расположение волокна в поковках, прокате и т. д. Макроструктуру определяют по изломам металла, по макрошлифам. Макрошлиф — это образец металла или сплава, одна из сторон которого отшлифована, протравлена и рассматривается при помощи лупы. Микроанализ выявляет структуру металла или сплава по микрошлифам, рассматриваемым под микроскопом при увеличении до 2000х, а в электронных микроскопах — до 25 000х. Этот важнейший анализ определяет размеры и форму зерен, структурные составляющие, микродефекты, лежащие под поверхностью, качество термической обработки. Зная микроструктуру, можно объяснить причины неудовлетворительности свойств металла, не производя их исследование. С помощью рентгеновского анализа изучают структуру кристаллов, а также дефекты, лежащие в глубине. Этот анализ позволяет обнаружить дефекты, не разрушая металла. Широко применяют для исследования структуры металла гамма-лучи, проникающие в изделие на значительно большую глубину, чем рентгеновские. Магнитным методом исследуют дефекты в магнитных металлах (стали, никеле и др.) на глубине до 2 мм (непровар в сварных швах, трещины и т. д.). Ультразвуковым методом осуществляются эффективный контроль качества изделий и заготовок любых металлов на большой глубине. Ультразвук используют для контроля качества роторов, рельсов, поковок, проката и других изделий при необходимости сохранения целостности изделий.

Теги: , , , ,

ЧЕРНЫЕ И ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ

Металлами называют химические элементы, характерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая электро- и теплопроводность, пластичность, а для многих металлов также ковкость и способность свариваться. Все металлы и их сплавы в зависимости от основного компонента делят на две большие группы: черные и цветные. К черным металлам относят железо и сплавы на его основе, содержащие углерод и другие элементы. Эти сплавы носят название чугунов и сталей. К этой же группе обычно относят ферросплавы. Вся современная индустрия базируется в основном на применении черных металлов. Из цветных металлов важное промышленное значение имеют: медь, алюминий, магний, свинец, цинк, олово, титан, никель, молибден, кобальт, вольфрам, тантал и др. Цветные металлы и сплавы отличаются ог черных металлов рядом таких физико-химических свойств, которые делают их необходимыми в технике. Например, медь и алюминий обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью и применяются в электротехнической промышленности. Олово обладает высокой коррозионной стойкостью против многих органических кислот. Олово применяют для получения белой жести, лужения пищевых котлов, а в сплавах со свинцом с добавками меди и других примесей используют как антифрикционный, или подшипниковый сплав, называемый баббитом. Современная передовая техника использует металлы, которые раньше не находили практического применения: галлий, бериллий, цирконий, индий и ряд других. Металлы в технике чаще применяются не в чистом виде, а в соединении с другими металлами и неметаллами, т. е. в виде сплавов, обладающих более ценными свойствами, чем составляющие их металлы.

Теги: , , , , , , , ,