Federalna agencija za obrazovanje
Državna obrazovna ustanova visokog stručnog obrazovanja Uralsko državno ekonomsko sveučilište
Zavod za inženjerske discipline
"Svojstva građevinski materijali»
Izvršitelj:
Student 1. godine dopisnog fakulteta
specijalnost "EPP"
Dobrinkina L.V.
Ekaterinburg 2009
Pojam konstrukcijskih materijala
Klasifikacija svojstava konstrukcijskih materijala
Procesi proizvodnje čelika
Staklokristalni materijali (keramika)
Lijevano željezo. Klasifikacija lijevanog željeza
Grafitizacija lijevanog željeza
Klasifikacija sivog lijeva
Označavanje od lijevanog željeza
Bibliografija
GRAĐEVINSKI MATERIJALI
Konstrukcijski materijali su materijali od kojih su izrađeni dijelovi konstrukcija (strojevi i konstrukcije) koji mogu podnijeti silna opterećenja. Definirajući parametri konstrukcijskih materijala su mehanička svojstva, koja ih razlikuju od ostalih tehničkih materijala(optičke, izolacijske, mazive, boje i lakove, dekorativne, abrazivne itd.). Glavni kriteriji kvalitete konstrukcijskih materijala uključuju parametre otpornosti na vanjska opterećenja: čvrstoću, žilavost, pouzdanost, vijek trajanja itd.
Konstrukcijske materijale dijelimo: prema prirodi materijala - na metalne, nemetalne i kompozitne materijale koji objedinjuju pozitivna svojstva oba materijala; prema tehnološkom dizajnu - deformirani (valjani, otkivci, štancani, ekstrudirani profili itd.), lijevani, sinterirani, kalupljeni, lijepljeni, zavareni (taljenjem, eksplozijom, difuzijskim spajanjem itd.); prema uvjetima rada - za one koji rade na niske temperature, otporan na toplinu, koroziju, kamenac, habanje, gorivo, ulje itd.; prema kriterijima čvrstoće - za materijale niske i srednje čvrstoće s velika ponuda duktilnost, visoka čvrstoća s umjerenom granicom duktilnosti.
Razvoj tehnologije postavlja nove, veće zahtjeve pred postojeće konstrukcijske materijale i potiče stvaranje novih materijala. Kako bi se smanjila težina konstrukcija zrakoplov Na primjer, koriste se višeslojne strukture koje kombiniraju lakoću, krutost i snagu. Vanjsko ojačanje metalnih zatvorenih volumena (kugle, cilindri, cilindri) staklenim vlaknima može značajno smanjiti njihovu težinu u usporedbi s metalnim konstrukcijama. Mnoga područja tehnologije zahtijevaju konstrukcijske materijale koji kombiniraju strukturnu čvrstoću s visokim električnim, toplinskim zaštitnim, optičkim i drugim svojstvima.
Gotovo svi elementi periodnog sustava našli su svoju primjenu u sastavu konstrukcijskih materijala, a smanjuje se učinkovitost metoda ojačavanja koje su već postale klasične za metalne legure kombinacijom posebno odabranog legiranja, kvalitetnog taljenja i pravilne toplinske obrade; izgledi za povećanje svojstava konstrukcijskih materijala povezani su sa sintezom materijala od elemenata s ograničenjima svojstava.
Klasifikacija svojstava konstrukcijskih materijala
1. Mehanička svojstva karakteriziran sposobnošću materijala da se odupre deformaciji i kolapsu pod utjecajem vanjskih utjecajnih čimbenika.
· Snaga (sposobnost materijala da se odupre razaranju i plastično deformira pod utjecajem vanjskih sila);
· Tvrdoća (sposobnost materijala da se odupru deformacijama u površinskom sloju pod lokalnim utjecajem, kontaktom i silom);
· Elastičnost (sposobnost materijala da povrati svoj oblik i veličinu pod utjecajem vanjskih sila bez razaranja);
· Viskoznost (sposobnost materijala da apsorbira mehaničku energiju i istovremeno doživi značajnu plastičnu deformaciju prije sloma);
· Krhkost (sposobnost materijala da se uruši pod utjecajem vanjskih sila, neposredno nakon elastične deformacije).
2. Fizička svojstva karakterizirati površinu materijala u toplinskim, gravitacijskim, elektromagnetskim i radioaktivnim poljima.
· Svjetlo (sposobnost materijala da reflektira svjetlosne zrake s određenom valnom duljinom svjetlosti);
· Gustoća (masa po jedinici volumena tvari);
· Temperatura taljenja;
· Električna provodljivost (sposobnost materijala da dobro provodi i bez gubitaka struja);
· Toplinska vodljivost (sposobnost materijala za prijenos Termalna energija iz jače grijanog prostora u manje grijani);
· Toplinski kapacitet (sposobnost materijala da apsorbira određenu količinu topline);
· Magnetski (sposobnost materijala da se dobro magnetizira);
· Volumetrijski i linearni koeficijent rastezanja.
3. Tehnološka svojstva karakteriziran sposobnošću materijala da se podvrgne različitim vrstama tople i hladne obrade.
· Svojstva ljevaonice;
· Duktilnost (važno kod obrade pritiskom);
· Zavarljivost (ovo je pokazatelj koliko materijal može pokazati zavarene spojeve);
· Obrada rezanjem;
· Stvrdljivost;
· Prokaljivost.
4. Izvedbena svojstva karakteriziraju sposobnost materijala da na temelju mehaničkih, fizikalnih i kemijskih svojstava osiguraju pouzdan i trajan rad proizvoda u određenim uvjetima i načinu rada.
5. Kemijski Svojstva karakteriziraju sposobnost materijala da stupi u kemijsku interakciju s drugim tvarima.
· Topljivost (sposobnost materijala da s jednom ili više tvari tvori homogene sustave koji se nazivaju otopine);
· Otpornost na toplinu (sposobnost materijala da se odupre kemijskom razaranju površine pod utjecajem zraka ili druge oksidirajuće atmosfere kada visoke temperature Oh);
· Otpornost na koroziju (sposobnost metalnih materijala da se odupru razaranju kao rezultat kemijskog ili elektrokemijskog djelovanja na njihove površine vanjskog agresivnog okruženja (slično svojstvo za nemetalne materijale - kemijska otpornost ));
· Oksidacija (sposobnost materijala da doniraju elektrone, odnosno da oksidiraju tijekom kemijske interakcije s okoliš ili druga stvar).
ŽELJEZO
čelik (poljski) željezo , od njega. Stahl ) - deformabilna (kovka) legura željeza s ugljikom (i drugim elementima), čiji sadržaj ugljika ne prelazi 2,14%, ali ne manji od 0,02%. Ugljik daje željeznim legurama čvrstoću i tvrdoću, smanjujući duktilnost i žilavost.
U drevnim ruskim pisanim izvorima čelik se nazivao posebnim izrazima: "Ocel", "Kharolug" i "Uklad".
Čelik je najvažniji konstrukcijski materijal za strojarstvo, transport, građevinarstvo i druge sektore nacionalnog gospodarstva.
Čelici se dijele na konstrukcijske i instrumentalne.
Prema kemijskom sastavu čelici se dijele na ugljične i legirane; uključujući sadržaj ugljika - niskougljični, srednji i visoki ugljik; Prema sadržaju legirajućih elemenata, legirani čelici se dijele na niskolegirane, srednjelegirane i visokolegirane.
Čelici, ovisno o načinu proizvodnje, sadrže različite količine nemetalnih uključaka. Sadržaj nečistoća je osnova za razvrstavanje čelika po kvaliteti: obične kvalitete, kvalitetno, kvalitetno i posebno kvalitetno.
Struktura čelika je klasificirana kao austenitna, feritna, martenzitna, bainitna ili perlitna. Ako u strukturi prevladavaju dvije ili više faza, čelik se dijeli na dvofazni i višefazni.
Proizvodnja čelika u kisikovim konvertorima
Proces pretvarača kisika je jedna od vrsta pretvorbe tekućeg lijevanog željeza u čelik bez potrošnje goriva pročišćavanjem lijevanog željeza u pretvaraču tehnički čistim kisikom koji se dovodi kroz tuyere, koji se uvodi u metal odozgo. Količina zraka potrebna za obradu 1 tone lijevanog željeza je 350 kubnih metara.
Po prvi put, proces pretvarača kisika u industrijsko mjerilo izvedena je u Austriji 1952. - 1953. godine. u tvornicama u gradovima Linz i Donawitz (u inozemstvu se ovaj proces po prvim slovima gradova nazivao LD, kod nas - kisikov pretvarač).
Trenutno su u pogonu pretvarači kapaciteta od 20 do 450 tona, s trajanjem taljenja od 30 - 50 minuta.
Pretvarač kisika(sl. 1) je posuda 1 kruškoliki od čeličnog lima, iznutra obložen glavnom opekom 2. Radni položaj pretvarača je okomit. Kisik se u njega dovodi pod tlakom od 0,8...1 MPa pomoću koplja hlađenog vodom 3, uveden u pretvarač kroz vrat 4 a nalazi se iznad razine tekući metal na udaljenosti od 0,3...0,8 m.
Pretvarači se proizvode s kapacitetom od 100...350 tona tekućeg lijevanog željeza. Ukupna potrošnja tehničkog kisika za proizvodnju 1 tone čelika je 50...60 m 3 .
Materijali koji se koriste za proizvodnju čelika u konverteru kisika su tekuće sirovo željezo i čelični otpad. Za punjenje troske u pretvarač se dodaju željezna rudača i vapno, a za njeno ukapljivanje dodaju se boksit i fluorit.
Prije početka rada, pretvarač se okreće na osovinama 5 oko horizontalne osi i pomoću stroja za punjenje opterećuje do 30 % metalni otpad, zatim se ulijeva tekuće lijevano željezo na temperaturi od 1250...1400 °C, pretvarač se vraća u prvobitni okomiti položaj, uvodi se koplje za kisik, dovodi kisik i dodaju se materijali koji stvaraju trosku.
Prikazana je promjena metala tijekom taljenja (na slici 2). Tijekom puhanja dolazi do oksidacije ugljika i drugih nečistoća i izravno s kisikom mlazom i sa željeznim oksidom FeO. Pritom nastaje aktivna troska s potrebnim sadržajem CaO, čime se uklanjaju sumpor i fosfor uz stvaranje stabilnih spojeva P2O5-3CaO i CaS u troski.
U trenutku kada sadržaj ugljika dosegne zadanu vrijednost za vrstu čelika koji se tali, prekida se dovod kisika, pretvarač se okreće i prvo se izlijeva čelik, a zatim troska.
Da bi se smanjio sadržaj kisika, čelik se na izlasku iz konvertora deoksidira, odnosno u njega se uvode elementi s većim afinitetom prema kisiku (Si, Mn, A1) od željeza. U interakciji sa željeznim oksidom FeO stvaraju netopljive okside MnO, SiO2, Al2O3, koji se pretvaraju u trosku.
Produktivnost pretvarača kisika kapaciteta 300 tona doseže 400...500 t/h, dok produktivnost otvorenog ložišta i električnih peći ne prelazi 80 t/h. Zbog visoke produktivnosti i niske potrošnje metala, kisikova konvertorska metoda postaje glavna metoda proizvodnje čelika.
Sl. 1 Krug pretvarača kisika
sl.2 Shema promjena u metalu tijekom taljenja
Proces ima vodeću ulogu među postojeće metode masovna proizvodnja čelika. Takav uspjeh metode pretvarača kisika leži u mogućnosti prerade lijevanog željeza gotovo bilo kojeg sastava, koristeći otpadni metal od 10 do 30%, mogućnost taljenja širokog spektra čelika, uključujući i legirane, s visokom produktivnošću, niskom konstrukcijom troškove, veliku fleksibilnost i kvalitetu proizvoda u kratkom vremenskom razdoblju.
Konverterskom metodom proizvodnje, zbog činjenice da se oksidacija fosfora i sumpora odvija istovremeno, moguće je zaustaviti proces na određenom sadržaju ugljika i dobiti prilično širok raspon ugljičnih čelika s niskim sadržajem sumpora i fosfora.
Proces pretvarača kisika s gornjim puhanjem.
Pretvarač je kruškolikog oblika s koncentričnim vratom. Ovo osigurava bolje uvjete za uvođenje kisikove cijevi u šupljinu pretvarača, uklanjanje plinova, izlijevanje lijevanog željeza i punjenje otpadnih materijala i materijala koji stvaraju trosku. Kućište pretvarača izrađeno je od zavarenih čeličnih limova debljine od 20 do 100 mm. Na središnjem dijelu pretvarača pričvršćeni su nosači i spojeni na nagibni uređaj. Mehanizam rotacije pretvarača sastoji se od sustava zupčanika koji povezuje osovine s pogonom. Pretvarač se može okretati oko horizontalne osi za 360° brzinom od 0,01 do 2 okretaja u minuti. Za teške pretvarače kapaciteta 200 tona ili više koristi se dvosmjerni pogon, na primjer, četiri motora, po dva za svaku osovinu
Riža. 3. Pretvarač nosivosti 300 tona s dvosmjernim pogonom mehanizma za okretanje
U dijelu kacige pretvarača nalazi se otvor za ispuštanje čelika. Probijanje čelika kroz otvor za slavinu eliminira mogućnost ulaska troske u metal. Ulaz je zatvoren vatrostalnom glinom pomiješanom s vodom.
Napredak procesa. Proces proizvodnje čelika u konvertoru kisika sastoji se od sljedećih glavnih razdoblja: utovar metalnog otpada, lijevanje lijevanog željeza, pročišćavanje kisikom, utovar sredstava za stvaranje troske, ispuštanje čelika i troske.
Utovar konvertera počinje utovarom čeličnog otpada. Otpad se utovaruje u nagnuti pretvarač kroz vrat pomoću strojeva za utovar s ladicama. Zatim se pomoću slavina za izlijevanje ulije tekuće lijevano željezo, pretvarač se postavi u okomiti položaj, umetne koplje i uključi dovod kisika čistoće najmanje 99,5% O 2 . Istovremeno s početkom upuhivanja ukrcava se prva porcija troske i željezne rude (40 - 60% ukupne količine). Ostatak sipkih materijala dovodi se u pretvarač tijekom procesa pročišćavanja u jednom ili više obroka, najčešće 5 - 7 minuta nakon početka pročišćavanja.
Na proces rafiniranja značajno utječe položaj tuyera (udaljenost od kraja tuyera do površine kupelji) i tlak dovedenog kisika. Obično se visina tuyere održava unutar 1,0 - 3,0 m, tlak kisika 0,9 - 1,4 MPa. Pravilno organiziran način puhanja osigurava dobru cirkulaciju metala i njegovo miješanje s troskom. Potonji, zauzvrat, pomaže povećati brzinu oksidacije C, Si, Mn i P sadržanih u lijevanom željezu.
Stvaranje troske važno je u tehnologiji procesa kisikovog konvertora. Stvaranje troske uvelike određuje uklanjanje fosfora, sumpora i drugih nečistoća te utječe na kvalitetu proizvedenog čelika, iskorištenje i kvalitetu obloge. Glavna svrha ove faze taljenja je brzo stvaranje troske s potrebnim svojstvima (bazičnost, fluidnost itd.). Poteškoće u izvođenju ovog zadatka povezane su s velikom brzinom procesa (trajanje pročišćavanja je 14 - 24 minute). Stvaranje troske tražene bazičnosti i zadanih svojstava ovisi o brzini otapanja vapna u troski. Na brzinu otapanja vapna u troski utječu čimbenici kao što su sastav troske, njezina oksidacija, uvjeti vlaženja površine vapna troskom, miješanje kupelji, temperaturni uvjeti, sastav lijevanog željeza itd. Rano formiranje glavna troska je olakšana prisutnošću primarne reakcijske zone (površina kontakta struje kisika s metalom) s temperaturom do 2500 o. U ovoj zoni vapno je istovremeno izloženo visokim temperaturama i troski s visokim sadržajem željeznih oksida. Količina vapna koja se unosi u taljenje određuje se računski i ovisi o sastavu lijevanog željeza i sadržaju SiO 2 rude, boksita, vapna i dr. Ukupni utrošak vapna je 5 - 8% mase taljenja, utrošak boksita je 0,5 - 2,0%, kalup za taljenje je 0 ,15 - 1,0%. Baznost konačne troske mora biti najmanje 2,5.
Oksidacija svih nečistoća od lijevanog željeza počinje od samog početka puhanja. Pritom se silicij i mangan najintenzivnije oksidiraju na početku puhanja. To se objašnjava visokim afinitetom ovih elemenata prema kisiku pri relativno niskim temperaturama (1450 - 1500 o C ili manje).
Oksidacija ugljika u kisik-konverterskom procesu važna je jer utječe na temperaturu taljenja, proces stvaranja troske i pročišćavanje metala od fosfora, sumpora, plinova i nemetalnih uključaka.
Karakteristična značajka proizvodnje pretvarača kisika je neravnomjernost oksidacije ugljika u cijelom volumenu kupelji i tijekom pročišćavanja.
Od prvih minuta pročišćavanja, istovremeno s oksidacijom ugljika, počinje proces defosforizacije - uklanjanje fosfora. Najintenzivnije uklanjanje fosfora događa se u prvoj polovici procesa puhanja pri relativno niskoj temperaturi metala i visokom sadržaju (FeO) u troski; bazičnost troske i njezina količina brzo raste. Proces pretvaranja kisika omogućuje dobivanje< 0,02 % Р в готовой стали.
Uvjeti za uklanjanje sumpora tijekom procesa pretvarača kisika ne mogu se smatrati tako povoljnim kao za uklanjanje fosfora. Razlog je što troska sadrži značajnu količinu (FeO) i visoka bazičnost troske (> 2,5) se postiže tek u drugoj polovici upuhivanja. Stupanj desulfurizacije tijekom procesa kisik-konvertor je u rasponu od 30 - 50%, a sadržaj sumpora u gotovom čeliku je 0,02 - 0,04%.
Nakon postizanja zadanog udjela ugljika, puhala se isključuju, tuyer se podiže, pretvarač se naginje i metal se kroz otvor za slavinu (kako bi se smanjilo miješanje metala i troske) ulijeva u lonac.
Dobiveni metal sadrži visok sadržaj kisika, tako da je završna operacija taljenja dezoksidacija metala, koja se provodi u loncu za lijevanje čelika. U tu svrhu, istovremeno s ispuštanjem čelika, dezoksidansi i dodaci za legiranje ulaze u livački lonac kroz poseban rotirajući žlijeb.
Troska iz konvertora se kroz grlo ulijeva u lonac za trosku postavljen na nosač troske ispod konvertora.
Tijek procesa pretvarača kisika određuje se prema temperaturni uvjeti a regulira se promjenom količine pjeskarenja i uvođenjem rashladnih sredstava u konverter – staro željezo, željezna ruda, vapnenac. Temperatura metala nakon ispuštanja iz pretvarača je oko 1600 o C.
Tijekom pročišćavanja lijevanog željeza u pretvaraču se stvara značajna količina otpadnih plinova. Za iskorištavanje topline ispušnih plinova i njihovo čišćenje od prašine, iza svakog pretvarača opremljeni su kotao otpadne topline i jedinica za pročišćavanje plinova.
Proces pretvarača kontrolira se pomoću modernih moćna računala, u koji se unose podaci o izvornim materijalima (sastav i količina lijevanog željeza, otpada, vapna), kao i procesni pokazatelji (količina i sastav kisika, otpadni plinovi, temperatura i dr.).
Proces pretvarača kisika s donjim puhanjem.
Sredinom 60-ih, pokusi ubrizgavanja struje kisika okružene slojem ugljikovodika pokazali su mogućnost prolaska kroz dno bez uništavanja vatrostalnog materijala. Trenutačno u svijetu radi nekoliko desetaka konvertera s donjim puhanjem punjenja do 250 tona.Svaka deseta tona konvertorskog čelika istopljena u svijetu dolazi iz ovog procesa.
Glavna razlika između konvertera s donjim puhanjem i konvertera s gornjim puhanjem je u tome što imaju manji specifični volumen, tj. volumen po toni upuhanog lijevanog željeza. U dnu se ugrađuje od 7 do 21 tuyera, ovisno o kapacitetu pretvarača. Položaj tuyeres u dnu može biti različit. Obično se nalaze u jednoj polovici dna tako da su, kada je pretvarač nagnut, iznad razine tekućeg metala. Prije postavljanja pretvarača u okomiti položaj, otpjehavanje se pokreće kroz tuyere.
U uvjetima donjeg puhanja poboljšavaju se uvjeti za miješanje kupke, povećava se površina nukleacije metala i oslobađanje mjehurića CO. Stoga je stopa dekarbonizacije tijekom donjeg puhanja veća u usporedbi s gornjim puhanjem. Dobivanje metala s udjelom ugljika manjim od 0,05% nije teško.
Uvjeti za uklanjanje sumpora s donjim puhanjem su povoljniji nego s gornjim puhanjem. To je također zbog manje oksidacije troske i povećanja kontaktne površine plina i metala. Potonja okolnost olakšava uklanjanje dijela sumpora u plinsku fazu u obliku SO 2 .
Prednosti procesa s donjim puhanjem su povećanje iskorištenja iskoristivog metala za 1 - 2%, smanjenje trajanja puhanja, brže taljenje otpada, manja visina zgrade radionice i dr. Ovo je posebno interesa, prije svega za moguću zamjenu otvorenih peći bez radikalne rekonstrukcije objekata otvorenog ložišta.
Konvertorski postupak s kombiniranim upuhivanjem.
Pažljiva analiza prednosti i nedostataka metoda taljenja čelika u konvertorima s gornjim i donjim puhanjem dovela je do stvaranja procesa u kojem se metal upuhuje odozgo kisikom, a odozdo kisikom u zaštitnom omotaču ili argonom (dušikom) . Korištenje konvertora s kombiniranim puhanjem, u usporedbi s puhanjem samo odozgo, omogućuje povećanje iskorištenja metala, povećanje udjela otpada, smanjenje potrošnje ferolegura, smanjenje potrošnje kisika i poboljšanje kvalitete čelika smanjenjem sadržaj plina pri propuhivanju inertnim plinom na kraju operacije.
Staklokristalni materijali (keramika)
SITALI (stakleno-kristalni materijali), anorganski materijali, dobiven usmjerenom kristalizacijom raznih stakala tijekom njihove toplinske obrade. Sastoji se od jedne ili više kristalnih faza. U staklokeramici su fino dispergirani kristali (do 2000 nm) ravnomjerno raspoređeni u staklenoj matrici. Količina kristalne faze u staklokeramici može biti 20-95% (volumenski). Promjenom sastava stakla, vrste inicijatora kristalizacije (katalizatora) i načina toplinske obrade dobivaju se staklokeramike različitih kristalnih faza i zadanih svojstava (tablica 1.). Sitali su prvi put napravljeni 50-ih godina. XX. stoljeće Materijali slični staklokeramici u inozemstvu se nazivaju piroceram, devitroceram i staklokeramika.
Sitali imaju visoku čvrstoću, tvrdoću, otpornost na habanje, malu toplinsku ekspanziju, kemijsku i toplinsku stabilnost, nepropusnost za plinove i vlagu. Prema namjeni mogu se podijeliti na tehničke i građevinske. Tehnička staklokeramika proizvodi se na bazi sustava: Li 2 O--Al 2 O 3 -SiO 2, MO-Al 2 O 3 -SiO 2, Li 2 O-MO-Al 2 O 3 -SiO 2, gdje M-Mg, Ca, Zn, Ba, Sr, itd.; MgO-Al203-Si02-K2O-F; MO-B2O3-Al2O3 (gdje je M-Ca, Sr, Pb, Zn); PbO-ZnO-B 2 O 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 itd. Prema glavnom svojstvu i namjeni dijele se na visokočvrste, radioprozirne, kemijski otporne, prozirne, otporne na toplinu, otporne na habanje i kemijski otporni, fotositali, tinjac-sitali, biositali, sital-cementi, sital-emajli, staklokeramika sa specifičnim električnim svojstvima.
Velika snaga Staklokeramika se proizvodi uglavnom od stakla sustava MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 (kordijeritni sastavi) i Na 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 (nefelinski sastavi). Za prve, inicijator kristalizacije je TiO 2; Zavoj je za njih 240-350 MPa. Sitali nefelinskih sastava nakon ojačanja obradom ionskom izmjenom u rastaljenim K solima imaju zavoj od 1370 MPa. Područja primjene staklokeramike visoke čvrstoće su raketna i zrakoplovna konstrukcija (oklopi antena), radioelektronika.
Optički proziran, otporan na toplinu i radio-prozirnost, kemijski otporan staklokeramika se proizvodi na bazi stakla sustava Li 2 O - A1 2 O 3 - SiO 2 (spodumen-eukriptit sastavi); inicijator kristalizacije -TiO 2. Kod optički prozirne staklokeramike veličina kristala ne prelazi poluvalnu duljinu vidljive svjetlosti. Sitali koji sadrže eukriptit (Li 2 O·Al 2 O 3 ·2SiO 2) ili spodumen (Li 2 O · Al 2 O 4 ·4SiO 2) kao glavne kristalne faze također imaju temperaturni koeficijent. ekspanzije blizu nule, a ponekad čak i negativne, do -5·10 -6 K -1. Područja primjene: svemirska i laserska tehnika, astrooptika. Uvođenje aktivatora luminescencije i posebnih aditiva u sastav takve staklene keramike omogućuje njihovu upotrebu u solarnim baterijama.
Otporan na trošenje i kemijski otporan staklena keramika proizvodi se na bazi stakla CaO-MgO-SiO 2 (piroksenske kompozicije); inicijatori kristalizacije - fluorid ili krom oksid. Odlikuje ih visoka otpornost na trošenje (abrazija 0,001 g/cm 2 ) i otpornost u različitim kemijskim okruženjima. Koristi se u tekstilnoj, kemijskoj, automobilskoj industriji, opremi za bušenje i rudarstvo.
Štandovi za fotografije obično se dobiva na bazi stakla sustava Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 sa svjetlosno osjetljivim dodacima (spojevi Au, Ag, Cu), koji pod utjecajem UV zračenja i daljnjom toplinskom obradom stakla doprinose do njegove selektivne kristalizacije. Koriste se u mikroelektronici, raketnoj i svemirskoj tehnici, optici, tiskarstvu kao fotoosjetljivi materijali (npr. za izradu optičkih tiskane ploče, kao svjetlosni filteri).
Kristali tinjca dobivaju se na bazi stakala sustava MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 -K 2 O-F (sastavci fluoroflogopit, fluor-rihterit, fluoramfibol). Kombinirajte visoke mehaničke i električne. svojstva s dobrim mehaničkim svojstvima. obradivost - mogu se rezati, bušiti, glodati, brusiti. Koriste se u strojogradnji za izradu dijelova podložnih trenju i habanju, a također i kao materijal za dijelove složenih konfiguracija.
Difsitally Obično se dobivaju na bazi stakla sustava CaO - MgO - SiO 2 - P 2 O 5 (sastav apatit-volastonit). Visoka mehanička čvrstoća i biološka kompatibilnost s tjelesnim tkivima omogućuju njihovu upotrebu u medicini za zubne i koštane proteze.
Smješteni cementi , dobiveni na bazi stakla sustava PbO-ZnO-B 2 O 3 - SiO 2, imaju vrlo nizak koeficijent toplinskog širenja (4-10) · 10 -6 K -1; koristi se za lemljenje staklenih dijelova slikovnih i katodnih cijevi u boji, brtvljenje poluvodičkih uređaja, u proizvodnji indikatora s tekućim kristalima i u mikroelektronici. Također je obećavajuće koristiti takve staklene keramike kao staklokristalne prevlake (staklene emajle) nanesene na površinu različitih metala (W, Mo, Nb, Ta, njihove legure, različite vrstečelika) kako bi ih zaštitili od korozije, oksidacije i trošenja na normalnim i povišenim temperaturama. Odlikuje ih povećana toplinska i toplinska otpornost, otpornost na abraziju, visoka mehanička i električna čvrstoća. Koriste se kao premazi za dijelove dizelskih motora, plinskih turbinskih jedinica, nuklearnih reaktora, zrakoplovnih instrumenata i električnih grijaćih elemenata.
Sitali s posebnim električnim svojstvima dobivaju se na bazi stakala sustava BaO-Al 2 O 3 -SiO 2 -TiO 2 i Nb 2 O 5 -CoO-Na 2 O--SiO 2 . Karakterizira ih visoka dielektrična konstanta (e 240-1370) i nizak koeficijent dielektričnog gubitka (1,5-3,2). Koriste se za izradu niskofrekventnih kondenzatora velikog kapaciteta, piezoelemenata i dr. Razvijene su poluvodičke, feromagnetske, feroelektrične i feroelektrične baterije. razne kombinacije električna svojstva. Sitali na bazi stakla sustava MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 imaju vrlo nizak tg d (3 10 -4 pri 25 °C i 10 4 MHz), sitali na bazi Pb metaniobata imaju visoku dielektričnu konstantu (e 1000 -2000). Na bazi B 2 O 3 -BaO-Fe 2 O 3 stakla dobiveno je staklo s jedno- i višedomenskom strukturom veličine domene od ~ 500 nm.
U skupinu građevne staklokeramike spadaju troska, zlato, petrositali, dobivena korištenjem troske iz crne i obojene metalurgije, pepela, stijene. Ovisno o kemijski sastav korišteni otpad, koji određuje vrstu dominantne kristalne faze, dijeli se na volastonit, piroksen (inicijatori kristalizacije - Cr, Ti, Fe oksidi, fluoridi), melilit (sustav CaO-MgO-2Al 2 O 3 -SiO 2, kristalizacija inicijator - Cr oksid), piroksen-augit i hedenbergit (CaO - MgO - Fe 2 O 3 - Al 2 p 3 - SiO 2 sustav), forsterit (CaO-MgO-SiO 2 sustav) i egirin (Na 2 O - Fe 2 O 3 -SiO 2) C. Imaju visoke karakteristike čvrstoće (s savijanje 100-180 MPa), visoku mikrotvrdoću (8500-9000 MPa), relativno nisku abraziju (0,05 g/cm 2), visoka postojanost kemijati. i pojam, utjecaji. Koriste se u građevinarstvu, rudarstvu, kemijskoj i drugim industrijama.
Sitali i proizvodi od njih dobivaju se uglavnom tehnologijom stakla i keramike, ponekad i kemijska metoda. Najčešća je takozvana staklena tehnologija, koja uključuje topljenje stakla iz šarže. oblikovanje proizvoda (prešanje, valjanje, centrifugalno lijevanje) i toplinska obrada. Posljednji stupanj osigurava kristalizaciju stakla zbog uvođenja posebnih inicijatora-katalitičkih dodataka u staklenu masu - oksida Ti, Cr, Ni, Fe, fluorida, sulfida, metala platinske skupine, kao i zbog sklonosti stakla do segregacije, koja potiče stvaranje međupovršine i približava kemijski sastav mikroregijama sastavu budućih kristala. Toplinska obrada obično se provodi u dvostupanjskom načinu rada; temperatura prve faze leži u području temperature omekšavanja stakla i odgovara maksimalnoj brzini nukleacije centara kristalizacije; na temperaturi druge faze izdvajaju se kristali vodeće faze, što određuje osnovna svojstva stakla. keramika.
Prema keramičkoj (praškastoj) tehnologiji proizvodnje staklokeramike, granulat se najprije dobiva iz rastaljenog stakla, koje se usitnjava i suši, nakon čega mu se dodaje termoplastično vezivo i iz dobivene mase se prešanjem ili lijevanjem u kliznom obliku oblikuju proizvodi. Zatim se sinteriraju na visokoj temperaturi uz istovremenu kristalizaciju. U usporedbi s keramikom sličnog sastava, sinter staklokeramiku karakteriziraju niže temperature pečenja i produženi interval sinteriranja. Praškasta tehnologija omogućuje proizvodnju toplinski otpornih proizvoda složenih konfiguracija i malih dimenzija od staklokeramike.
Kemijskim postupkom staklokeramika se proizvodi uglavnom sol-gel tehnologijom koja se temelji na niskotemperaturnoj sintezi (kroz reakcije hidrolize i kondenzacije) organometalnih spojeva elemenata koji čine staklo na temperaturi nižoj od tališta stakla. stakleni naboj. Ova metoda omogućuje dobivanje staklokeramike na temelju sastava koji nisu skloni stvaranju stakla i osigurava proizvodnju stakla visoke čistoće i ujednačenosti, što dramatično poboljšava svojstva staklokeramike sintetizirane na njihovoj osnovi.
LIJEVANO ŽELJEZO
Lijevano željezo - to su legure željeza i ugljika koje sadrže više od 2% ugljika i skrućuju se u eutektik. Za razliku od čelika, lijevano željezo ima nisku duktilnost. Međutim, zbog svojih visokih svojstava lijevanja, dovoljne čvrstoće i relativne jeftinosti, lijevano željezo je pronašlo široka primjena u strojarstvu.
Lijevano željezo se tali u visokim pećima, kupolnim pećima i električnim pećima. Lijevano željezo taljeno u visokim pećima je sirovo željezo, specijalno lijevano željezo (ferolegure) i lijevano željezo. Za naknadno taljenje čelika i lijevanog željeza koriste se cjevovodi i posebni lijevaci. Lijevano željezo se tali u kupolnim pećima i električnim pećima. Oko 20% ukupnog proizvedenog lijevanog željeza koristi se za izradu odljevaka.
Lijevačka i mehanička svojstva lijevanog željeza ovise o tome koliko je njegov sastav blizak eutektičkom. Da bi se to procijenilo, koriste se dva pokazatelja:
Stupanj eutektičnosti S E je omjer koncentracije ugljika C u lijevanom željezu i njegove koncentracije u eutektiku, uzimajući u obzir utjecaj silicija i fosfora:
gdje je 4,26 koncentracija ugljika u eutektici željezno-grafitnog sustava (vidi sliku 7.1), Si i P su sadržaj ovih elemenata u lijevanom željezu,%.
Ekvivalent ugljika definirano kao:
C eq = C + 0,3 (Si + P)
Lijevano željezo dijelimo na: hipoeutektičan (S uh< 1, C эв < 4,2–4,3), eutektik (S e 1, S jed. 4.2–4.3) i hipereutektičan (S e > 1, C eV > 4,2–4,3).
Lijevano željezo se tijekom kristalizacije i daljnjeg hlađenja može ponašati različito (slika 1): ili u skladu s metastabilnim dijagramom stanja Fe-Fe 3 C (bijeli ljevovi u kojima je ugljik prisutan u obliku Fe 3 C), ili u skladu s sa stabilnim Fe-C dijagramom (sivi lijevi u kojima je ugljik prisutan u obliku grafita).
U prikazanim dijagramima (slika 1), osim zajedničkih linija AC, AE, GS, ostale linije se ne podudaraju. U sustavu Fe-C, grafitni eutektik (austenit-grafit) sadrži 4,26% C i nastaje pri 1153 °C. Duž linije E " S " u temperaturnom rasponu 1,153–738 ° C oslobađa se sekundarni grafit. Eutektoidna transformacija događa se na 738 ° C uz stvaranje eutektoida (ferit + grafit). Upotreba dijagrama Fe-C i Fe-Fe 3 C ne razlikuje se bitno jedna od druge.
Vjerojatnost stvaranja cementita iz tekuće faze mnogo je veća od grafita. Svaki proces određen je termodinamičkim i kinetičkim uvjetima. Pokretačka snaga procesa grafitizacije je želja sustava da smanji zalihu slobodna energija. Cementit je termodinamički manje stabilna faza od grafita. Međutim, razlika između temperatura formiranja cementita i grafita je mala, a uz relativno blago prehlađenje, doći će do kristalizacije cementita, a ne grafita.
Grafit nastaje samo pri malim brzinama hlađenja u uskom temperaturnom području, kada je stupanj prehlađenja tekuće faze nizak. S ubrzanim hlađenjem i kada se tekuće lijevano željezo prehladi ispod 1147 °C, nastaje cementit.
Grafitizacija je proces taloženja grafita tijekom kristalizacije ili hlađenja lijevanog željeza. Grafit može nastati i iz tekuće faze tijekom kristalizacije i iz krute faze. Prema Fe-C dijagramu ispod linije C " D " primarni grafit se formira duž linije E " C " F " - eutektički grafit, duž linije E " S " - sekundarni grafit i duž P linije " S " DO " - eutektoidni grafit.
Grafitizacija lijevanog željeza i njezina potpunost ovise o brzini hlađenja, kemijskom sastavu i prisutnosti centara grafitizacije.
Utjecaj brzine hlađenja je zbog činjenice da se grafitizacija lijevanog željeza odvija vrlo sporo i uključuje nekoliko faza:
· stvaranje centara grafitizacije u tekućoj fazi ili austenitu;
· difuzija ugljikovih atoma do centara grafitizacije;
· povećano oslobađanje grafita.
Tijekom grafitizacije cementita dodaju se stupnjevi preliminarne razgradnje Fe 3 C i otapanja ugljika u austenitu. Što se lijevano željezo sporije hladi, to je veći razvoj procesa grafitizacije.
Ovisno o stupnju grafitizacije razlikuju se lijevano željezo bijela , siva I pola .
Bijelo lijevano željezo - dobivaju se ubrzanim hlađenjem i prehlađenjem tekućeg lijevanog željeza ispod 1,147 °C, kada će zbog strukturnih i kinetičkih osobina nastati metastabilna Fe 3 C faza, a ne grafit. Bijeli lijev, koji sadrži vezani ugljik u obliku Fe 3 C, odlikuje se visokom tvrdoćom, krtošću i vrlo se teško obrađuje. Stoga se ne koriste kao konstrukcijski materijal, već se koriste za proizvodnju temperanog lijevanog željeza grafitizirajućim žarenjem.
Sivi lijev - nastaju samo pri malim brzinama hlađenja u uskom temperaturnom području, kada je stupanj prehlađenja tekuće faze nizak. Pod tim uvjetima, sav ili većina ugljika je grafitizirana u obliku ljuspičastog grafita, a sadržaj ugljika u obliku cementita nije veći od 0,8%. Sivi lijev ima dobra tehnološka svojstva i svojstva čvrstoće, što određuje njegovu široku upotrebu kao konstrukcijskog materijala.
Polu lijevana željeza - zauzimaju srednji položaj između bijelog i sivog lijeva, au njima je glavna količina ugljika (više od 0,8%) u obliku Fe 3 C. Lijevano željezo ima strukturu perlita, ledeburita i lamelarnog grafita.
Industrijska lijevana željeza sadrže 2,0–4,5 % C, 1,0–3,5 % Si, 0,5–1,0 % Mn, do 03 % P i do 0,2 % S. Najjači pozitivan učinak na grafitizaciju ima silicij. Promjenom udjela silicija moguće je dobiti lijevano željezo različite strukture i svojstava. Dijagram strukture(slika 2) približno označava granice strukturnih područja ovisno o sadržaju silicija i ugljika pri sadržaju od 0,5% Mn i zadanoj brzini hlađenja (za debljinu stijenke odljevka od 50 mm).
Mangan inhibira grafitizaciju, povećavajući osjetljivost lijevanog željeza na izbjeljivač. Sumpor je štetna nečistoća. Njegov učinak izbjeljivanja je 5-6 puta veći od učinka mangana. Osim toga, sumpor smanjuje fluidnost, potiče stvaranje plinskih mjehurića, povećava skupljanje i sklonost pucanju. Fosfor ne utječe na grafitizaciju i korisna je nečistoća, povećavajući fluidnost sivog lijeva zbog stvaranja fosfidnog eutektika niskog taljenja (950–980) ° C.
Riža. 2. Strukturni dijagram: 1 - bijelo lijevano željezo; 2 - pola lijevanog željeza; 3, 4, 5 - sivi lijev na perlitnoj, feritno-perlitnoj i feritnoj bazi, respektivno
Tako je podešavanjem kemijskog sastava i brzine hlađenja moguće dobiti željenu strukturu lijevanog željeza u odljevcima.
Klasifikacija sivog lijeva
Sivi lijev može se smatrati strukturom koja se sastoji od metalne baze s uključcima grafita. Svojstva lijevanog željeza ovise o svojstvima metalne baze i prirodi grafitnih inkluzija.
Metalna baza može biti: perlit, kada je 0,8% C u obliku cementita, a ostatak ugljika u obliku grafita; ferit-perlit, kada je količina ugljika u obliku cementita manja od 0,8% C; feritni, kada je ugljik praktički u obliku grafita.
Ovisno o obliku grafitnih uključaka, sivi lijevi se dijele na:
· lijevano željezo s lamelarnim grafitom;
· lijevano željezo s grafitnim listićima (kovak lijev);
· lijevano željezo s nodularnim grafitom (lijevano željezo visoke čvrstoće);
· lijevano željezo s vermikularnim grafitom.
Na slici 3 prikazana je generalizirana klasifikacija lijevanog željeza prema strukturi metalne baze i obliku grafita.
Mikrostruktura lijevanog željeza prikazana je na sl. 7.4.
Riža. 3. Klasifikacija lijevanog željeza prema strukturi metalne baze i obliku grafitnih inkluzija
Riža. 4. Razni oblici grafit u lijevanom željezu: a) grafit u obliku ljuskica; b) pahuljičasti grafit; c) sferni grafit; d) vermikularni grafit. × 200
U usporedbi s metalnom bazom, grafit ima nisku čvrstoću. Stoga se grafitne inkluzije mogu smatrati diskontinuitetima (šupljinama) u metalnoj osnovi, a lijevano željezo se može smatrati čelikom prožetim grafitnim inkluzijama, koje slabe njegovu metalnu bazu. Istodobno, prisutnost grafita također određuje niz prednosti lijevanog željeza: dobra fluidnost i nisko skupljanje; dobra obradivost (grafit čini čips krhkim); visoka svojstva prigušenja; antifrikcijska svojstva itd.
Prilikom razvrstavanja, lijevano željezo s posebnim svojstvima izdvaja se u zasebnu skupinu. Ovi lijevi su u pravilu legirani i dijele se prema namjeni na sljedeće vrste: otporan na trenje, otporan na habanje, otporan na toplinu, otporan na koroziju, otporan na toplinu.
Označavanje lijevanog željeza
Prema oznakama usvojenim u SSSR-u, oznake lijevanog željeza visoke peći sadrže slova i brojke. Slova označavaju glavnu namjenu lijevanog željeza: P - pretvorba za kisik-konverter i proizvodnju na otvorenom i L - ljevaonica za ljevaonice željeza. Ljevačko koksno željezo označava se LC, za razliku od lijevanog željeza taljenog drvenim ugljenom (LD). Kako se broj u oznaci marke povećava, sadržaj silicija se smanjuje (na primjer, lijevano željezo LK5 sadrži manje silicija od lijevanog željeza LK4). Svaka klasa lijevanog željeza, ovisno o sadržaju Mn, P, S, podijeljena je na odgovarajuće skupine, klase i kategorije.
Ocjene ljevaoničke proizvodnje lijevanog željeza u pravilu su označene slovima koji pokazuju glavnu prirodu ili svrhu lijevanog željeza: MF - siva Ch., HF - visoke čvrstoće, KCh - kovna; za antifrikcijsko lijevano željezo, slovo A je naznačeno na početku marke (ASCh, AVCh, AKCH). Brojevi u oznakama razreda nelegiranog lijevanog željeza označavaju njegova mehanička svojstva. Za sivi lijev dati su propisani pokazatelji vlačne i savojne čvrstoće (in kgf/mm 2), na primjer SCh21-40, SCh 15, SCh 20, SCh 35.
Za nodularni i nodularni lijev brojevi određuju vlačnu čvrstoću (in kgf/mm 2) i relativno produljenje (u%), na primjer VC60-2. Označavanje razreda legiranog lijevanog željeza sastoji se od slova koja označavaju koji su legirajući elementi uključeni u lijevano željezo i brojeva odmah iza svakog slova koji karakteriziraju prosječni sadržaj danog legirajućeg elementa; kada je sadržaj legirajućeg elementa manji od 1,0%, brojevi se ne stavljaju iza odgovarajućeg slova. Simbol kemijski elementi isto kao i za označavanje čelika. Primjer označavanja legiranog lijevanog željeza: ChN19KhZ – lijevano željezo koje sadrži ~19% Ni i ~3% Cr. Ako je sferni oblik grafita reguliran u legiranom lijevanom željezu, na kraju razreda dodaje se slovo Š (ČN19HZŠ).
Bibliografija
1. Sokolov R. S. “Kemijska tehnologija”, 2003;
2. McMillan P.W. „Staklokeramika“, 1967.;
3. Pavluškin N.M. “Osnove staklokeramičke tehnologije”, 1970.;
4. Girshovich N.G. “Lijevanje željeza”, 1949.;
5. Drits M.E., Moskalev M.A. “Tehnologija konstrukcijskih materijala i znanost o materijalima”, 1990.;
6. Za pripremu ovog rada korišteni su materijali sa stranica:
http://www.orbeta.ru/stati/chugunyi.html
http://ru.wikipedia.org
Novi trikovi telefonskih prevaranata na koje svatko može nasjesti
Građevinski materijali
GRAĐEVINSKI MATERIJALI- glavne vrste materijala od kojih se izrađuju strojevi, oprema, instrumenti, građevni okviri, mostovi i druge konstrukcije i koji podnose glavna opterećenja sila tijekom svog rada.Konstrukcijski materijali klasificirani su prema širokom rasponu karakteristika: prema primjenjivosti - u strojarstvu, u građevinarstvu; po prirodi formacije - metalni, nemetalni, kompozitni; prema reakciji na vanjske utjecaje - zapaljive, otporne na koroziju, otporne na toplinu, otporne na hladnoću; prema svojstvima koja pokazuju različitim metodama obrade - duktilne, vatrostalne, zavarljive, sklone pucanju, kaljive itd.; po proizvodnim metodama - legure, prešane, valjane, tkane, lijevane, filmovi.
Važni pokazatelji konstrukcijskih materijala su njihova svojstva čvrstoće - otpornost na pritisak, napetost, čvrstoća na savijanje, otpornost na vibracijska opterećenja, kao i niz posebnih svojstava koja se uzimaju u obzir pri projektiranju strojeva, opreme i građevinskih konstrukcija. Među njima su lakoća s određenim svojstvima čvrstoće, otpornost na habanje, električna i toplinska vodljivost, sposobnost prolaska plinova itd.
Pri izboru konstrukcijskih materijala u procesu projektiranja proizvoda koriste se njihovi tehničko-ekonomski parametri - cijena, stupanj iskorištenja i intenzitet rada u različitim uvjetima obrada itd. B modernim uvjetima, kada je zadatak radikalnog poboljšanja tehničke razine i kvalitete proizvoda, osobito strojeva i opreme, sveobuhvatna ušteda materijalnih resursa, uvođenje tehnologija za uštedu resursa, smanjenje težine konstrukcija uz povećanje njihove pouzdanosti, zahtjevi za pokazateljima kvalitete strukturnih materijali su se naglo povećali i postali složeniji stavljen je u prvi plan.
Na primjer, potrebni su konstrukcijski materijali koji su lagani, a istovremeno otporni na toplinu, zadržavaju čvrstoću i na visokim i na niskim temperaturama, da su plastični i mogu izdržati udarna opterećenja, itd. Takvi zahtjevi doveli su do pojave niza novih strukturni materijali. Obećavajuće su legure na bazi aluminija, titana i posebno magnezija.
Uz sve veće zahtjeve za svojstvima čvrstoće, kao i za održavanje tih svojstava u raznim ekstremnim uvjetima, povezan je novi smjer dobivanja konstrukcijskih materijala, naime, njihova sinteza iz elemenata koji imaju granične vrijednosti svojstava - izuzetno čvrsti, vatrostalni, termostabilni, itd. Takvi materijali čine novu klasu kompozitnih strukturnih materijala. Koriste razna vlakna, niti, žice, nitaste kristale, granule, raspršene visokotvrde i vatrostalne spojeve, okside, karbide koji čine ili armaturu ili punilo kompozitnog konstrukcijskog materijala.
Takvi građevinski materijali mogu premašiti sve poznate u određenim pokazateljima. početni materijali. Nova svojstva čvrstoće konstrukcijskih materijala dobivaju se posebnom obradom metala i toplinskim raspršivanjem metalni prahovi i tako dalje.
Znanstveno-tehnološki napredak u strojarstvu i graditeljstvu zahtijeva daljnje poboljšanje kvalitete svih vrsta konstrukcijskih materijala i razvoj tehnologije njihove obrade. XXVII kongres CPSU-a istaknuo je potrebu poboljšanja strukture i kvalitete strukturnih materijala, na temelju zadataka stvaranja nove, progresivne tehnologije i provedbe pravaca štednje resursa u gospodarskom razvoju.
Predviđen je ubrzani razvoj proizvodnje ekonomične vrste proizvoda od metala, sintetičkih i drugih naprednih materijala, proširenje asortimana proizvoda, poboljšanje tehničko-ekonomskih te povećanje čvrstoće i antikorozivnih svojstava konstrukcijskih materijala. Rješavanje ovog problema posebno je važno u vezi sa sve većim utjecajem konstrukcijskih materijala na ubrzanje znanstvenog i tehnološkog napretka.
To su materijali od kojih su izrađeni konstrukcijski dijelovi (strojevi i konstrukcije) koji podnose silna opterećenja i otporni su na habanje.
Dugo vremena u svom razvoju ljudsko društvo je za svoje praktične potrebe koristilo ograničen raspon materijala: drvo, kamen, prirodna vlakna, pečena glina, staklo, željezo itd. Industrijska revolucija 18. stoljeća. i daljnji razvoj tehnologije, posebice stvaranje parnih strojeva i motora s unutarnjim izgaranjem, električni strojevi i automobile, komplicirao zahtjeve za materijale njihovih dijelova, njihovu čvrstoću, otpornost na temperaturu itd. U to su vrijeme glavni strukturni materijali bili legure na bazi željeza (vidi Željezo, čelik, lijevano željezo), bakra (bronca, mjed) , olovo i kositar.
Pri projektiranju zrakoplova od konstrukcijskih materijala zahtijevala se visoka specifična čvrstoća; Drvena plastika (šperploča), niskolegirani čelici, legure aluminija i magnezija naširoko se koriste. Daljnji razvoj zrakoplovne tehnologije doveo je do stvaranja novih toplinski otpornih legura na bazi nikla i kobalta, titana, aluminija i magnezija pogodnih za dugotrajan rad na visokim temperaturama.
S razvojem tehnologije, zahtjevi za konstrukcijske materijale postaju sve složeniji. Dakle, brodogradnja zahtijeva čelike i legure koji su lako zavarljivi i otporni na koroziju, a kemijsko inženjerstvo zahtijeva visoku i dugotrajnu otpornost u agresivnim sredinama. Nuklearna energija koristi strukturne materijale koji, ako su jaki, moraju zadovoljiti još jedan zahtjev - mali presjek hvatanja neutrona.
postoji veliki iznos razni građevinski materijali. Po svojoj prirodi dijele se na metalne, nemetalne i kompozitne.
Metalni konstrukcijski materijali uključuju većinu vrsta čelika. Čelik se proizvodi u konvertorima, otvorenim ložištima i električne pećnice, kao i metodama elektroslag taljenja (vidi Lijevanje), evakuacije itd. Lijevano željezo se naširoko koristi u strojarstvu za proizvodnju okvira, radilica, zupčanika, cilindara motora s unutarnjim izgaranjem itd.
Legure nikla i kobalta zadržavaju čvrstoću na 1000-1100° C i tale se u vakuumsko-lučnim, plazma i pećima s elektronskim snopom (vidi Plasmatron, plazma tehnologija, Tehnologija snopa elektrona). Ove se legure koriste u zrakoplovnim i raketnim motorima, parnim turbinama itd. Aluminijske legure koriste se za izradu tijela zrakoplova, helikoptera, raketa i brodova. Magnezijeve legure koriste se u konstrukcijama zrakoplova, u automobilskoj industriji, tekstilnoj i tiskarskoj industriji itd. Legure titana, koje karakteriziraju posebno visoka specifična čvrstoća i otpornost na koroziju, koriste se u zrakoplovstvu, kemijska industrija, medicina itd. Legure na bazi bakra, cinka, molibdena, cirkonija, kroma i berilija također su našle primjenu u raznim granama tehnike.
Nemetalni konstrukcijski materijali uključuju plastiku, termoplastične polimere, keramiku, vatrostalne materijale itd. Plastika na bazi termoreaktivnih, epoksidnih, fenolnih smola i fluoroplasta, ojačana (ojačana) staklenim, kvarcnim, azbestnim i drugim vlaknima, koristi se u strukturama zrakoplova , projektili, energetski i transportni automobili Termoplastični polimerni materijali - polistireni, poliamidi, fluoroplastika - koriste se u dijelovima električne i radio opreme itd.
Dijelovi koji rade na visokim temperaturama izrađeni su od keramičkih materijala. Gume na bazi različitih guma, ojačane kordnim tkaninama, koriste se za proizvodnju guma ili monolitnih kotača za zrakoplove i automobile.
Moderna tehnologija nastavlja postavljati nove zahtjeve na konstrukcijske materijale. Na primjer, za smanjenje težine zrakoplova koriste se višeslojne strukture koje su istovremeno lagane, izdržljive i krute. Mnoga područja tehnologije zahtijevaju materijale koji kombiniraju strukturnu čvrstoću s visokim električnim, toplinskim izolacijskim, optičkim i drugim svojstvima.
Gotovo svi elementi periodnog sustava našli su primjenu u konstrukcijskim materijalima. Učinkovitost klasičnih metalnih legura postiže se kombinacijom specijalnog legiranja, visokokvalitetnog taljenja i toplinske obrade.
U budućnosti će jedan od načina dobivanja učinkovitih konstrukcijskih materijala biti njihova raširena sinteza iz elemenata koji imaju ograničavajuća svojstva, tj. izuzetno jaki, izuzetno vatrostalni, toplinski stabilni itd. Takvi materijali nazivaju se kompoziti. U njihovoj izradi koriste se elementi visoke čvrstoće (vlakna, niti, vlakna, vatrostalni spojevi itd., koji čine armaturu ili punilo), vezani matricom od izdržljivog i plastičnog materijala (metalne legure ili polimerni materijali). Kompozitni materijali mogu biti 50-100% jači od čelika ili aluminijske legure i osigurati uštedu težine konstrukcije od 20-50%. Stoga se sada posebna pažnja posvećuje proizvodnji konstrukcijskih materijala i poboljšanju njihove kvalitete.
Opći zahtjevi za konstrukcijske materijale
Konstrukcijski materijali su materijali namijenjeni za izradu dijelova strojeva, instrumenata i inženjerskih konstrukcija koji su izloženi mehaničkim opterećenjima. Izrađeni strojevi i instrumenti odlikuju se velikom raznolikošću oblika, veličina i uvjeta rada. Rade pod statičkim, cikličkim i udarnim opterećenjima, pri niskim i visokim temperaturama, u dodiru s različitim medijima. Ovi čimbenici određuju zahtjeve za konstrukcijske materijale, od kojih su glavni operativni, tehnološki i ekonomski.
Operativni zahtjevi od iznimne su važnosti. Kako bi se osigurala funkcionalnost pojedinih strojeva i uređaja, konstrukcijski materijal mora imati visoku konstrukcijsku čvrstoću.
Čvrstoća konstrukcije je kompleks mehaničkih svojstava koji osiguravaju pouzdan i dugotrajan rad materijala u radnim uvjetima.
U nastavku se raspravlja o mehaničkim svojstvima koja određuju čvrstoću konstrukcije i izboru konstrukcijskog materijala. Tražene karakteristike mehaničkih svojstava materijala za određeni proizvod ovise ne samo o faktorima sile, već io utjecaju radne okoline i temperature na nju.
Okolina - tekuća, plinovita, ionizirana, zračenje, u kojoj materijal djeluje, ima značajan i pretežno loš utjecaj na njegova mehanička svojstva, smanjujući učinkovitost dijelova. Konkretno, radna okolina može uzrokovati oštećenje površine zbog korozijskog pucanja, oksidacije i stvaranja kamenca te promjene kemijskog sastava površinskog sloja kao rezultat zasićenja nepoželjnim elementima. Osim toga, moguće je bubrenje i lokalna destrukcija materijala kao posljedica ionizacije i izloženosti zračenju. Kako bi izdržao radnu okolinu, materijal mora imati ne samo mehanička, već i određena fizikalna i kemijska svojstva: otpornost na elektrokemijsku koroziju, otpornost na toplinu, otpornost na zračenje, otpornost na vlagu, sposobnost rada u uvjetima vakuuma itd.
U nekim slučajevima također je važno zahtijevati određena magnetska, električna, toplinska svojstva i visoku dimenzionalnu stabilnost dijelova (osobito visokopreciznih dijelova instrumenata).
Tehnološki zahtjevi imaju za cilj osigurati najmanji intenzitet rada u proizvodnji dijelova i konstrukcija. Mogućnost obrade materijala karakteriziraju mogući načini njegove obrade. Ocjenjuje se obradivošću, tlakom, zavarljivošću, livljivošću, kao i prokaljivošću, sklonošću deformaciji i savijanju tijekom toplinske obrade. Obradljivost materijala je važna, jer o tome ovisi produktivnost i kvaliteta izrade dijelova.
Ekonomski zahtjevi svode se na osiguravanje niske cijene i dostupnosti materijala. Čelici i legure trebaju, ako je moguće, sadržavati minimalnu količinu legirajućih elemenata. Korištenje materijala koji sadrže legirajuće elemente mora biti opravdano povećanjem radnih svojstava dijelova. Ekonomski zahtjevi, kao i oni tehnološki, dobivaju posebnu važnost s opsegom masovne proizvodnje.
Dakle, visokokvalitetni konstrukcijski materijal mora zadovoljiti niz zahtjeva.
Čvrstoća konstrukcijskih materijala i kriteriji za njezinu ocjenu
Čvrstoća konstrukcije je kompleksna karakteristika koja uključuje kombinaciju kriterija čvrstoće, pouzdanosti i trajnosti.
Kriteriji čvrstoće Materijal se odabire ovisno o njegovim radnim uvjetima. Kriteriji čvrstoće pri statičkim opterećenjima su privremeni otpor ili granica tečenja, koji karakteriziraju otpornost materijala na plastičnu deformaciju. Budući da je tijekom rada većine dijelova plastična deformacija neprihvatljiva, njihova se nosivost obično određuje granicom tečenja. Za približnu procjenu statičke čvrstoće koristi se tvrdoća NV.
Većina dijelova stroja doživljava dugotrajna ciklička opterećenja. Kriterij njihove snage je granica izdržljivosti. Na temelju odabranih kriterija čvrstoće izračunavaju se dopuštena pogonska naprezanja. Štoviše, što je veća čvrstoća materijala, veća su dopuštena radna naprezanja i time manje veličine i puno dijelova. Međutim, povećanje razine čvrstoće materijala i, kao posljedica toga, radnih naprezanja prati povećanje elastičnih deformacija.
Da bi se ograničila elastična deformacija, materijal mora imati visok modul elastičnosti (ili smicanja), što je kriterij njegove krutosti. Kriteriji krutosti, a ne čvrstoće, određuju dimenzije ležajeva alatnih strojeva, kućišta mjenjača i drugih dijelova koji su potrebni za održavanje točnih dimenzija i oblika.
Moguć je i suprotan zahtjev. Za opruge, membrane i druge osjetljive elastične elemente uređaja, naprotiv, važno je osigurati velika elastična kretanja. Za materijale koji se koriste u zrakoplovnoj i raketnoj tehnici važna je učinkovitost mase materijala.
Stoga se kao kriterij čvrstoće konstrukcije biraju ona svojstva koja najpotpunije odražavaju čvrstoću u radnim uvjetima.
Pouzdanost- svojstvo materijala da se odupire krtom lomu. Krhki lom uzrokuje iznenadni kvar dijelova u radnim uvjetima. Smatra se najopasnijim zbog protoka velikom brzinom pri naponima ispod projektiranih vrijednosti, kao i mogućih hitnih posljedica.
Kako bi se spriječio krti lom, konstrukcijski materijali moraju imati dovoljnu duktilnost i otpornost na udar. Međutim, ovi parametri pouzdanosti, određeni na malim laboratorijskim uzorcima bez uzimanja u obzir uvjeta rada određenog dijela, dovoljno su indikativni samo za meke materijale niske čvrstoće. Također je potrebno uzeti u obzir činjenicu da u radnim uvjetima postoje čimbenici koji dodatno smanjuju njihovu duktilnost i žilavost te povećavaju rizik od krhkog loma. Takvi čimbenici uključuju koncentratore naprezanja (zareze), niže temperature, dinamička opterećenja i povećanje veličine dijelova.
Kako bi se izbjegli iznenadni kvarovi u radnim uvjetima, potrebno je uzeti u obzir otpornost materijala na pukotine. Otpornost na pukotine je skupina parametara pouzdanosti koji karakteriziraju sposobnost materijala da spriječi razvoj pukotina.
Kvantitativna procjena otpornosti na pukotine temelji se na linearnoj mehanici loma. Sukladno tome, žarišta razaranja materijala visoke čvrstoće su male pukotine operativnog ili tehnološkog podrijetla. Pukotine su oštri koncentratori naprezanja, lokalna (lokalna) naprezanja, na čijem vrhu mogu biti višestruko veća od prosječnog proračunskog naprezanja.
Izdržljivost- svojstvo materijala da se odupre razvoju postupnog uništenja, osiguravajući operativnost dijelova za određeno vrijeme. Uzroci gubitka svojstava su različiti: razvoj procesa zamora, trošenja, puzanja, korozije, radijacijskog bubrenja itd. Ovi procesi uzrokuju postupno nakupljanje ireverzibilnih oštećenja u materijalu i njegovo uništenje. Osigurati trajnost materijala znači smanjiti brzinu njegovog razaranja na potrebne vrijednosti.
Za većinu dijelova stroja, trajnost je određena otpornošću materijala na lom uslijed zamora (ciklička trajnost) ili otpornošću na trošenje. Stoga ovi razlozi gubitka materijalnih svojstava zahtijevaju detaljno razmatranje.
Ciklička trajnost karakterizira izvedbu materijala u uvjetima ponovljenih ciklusa naprezanja. Ciklus napona - skup promjena napona između njegove dvije granične vrijednosti σ max i σ min tijekom razdoblja T.
Procesi postupnog nakupljanja oštećenja u materijalu pod utjecajem cikličkih opterećenja, koji dovode do promjene njegovih svojstava, stvaranja pukotina, njihovog razvoja i uništenja, nazivaju se zamor, a svojstvo otpornosti na zamor naziva se izdržljivost.
Otpornost na habanje- svojstvo materijala da se odupre trošenju pod određenim uvjetima trenja. Trošenje je proces postupnog razaranja površinskih slojeva materijala odvajanjem njegovih čestica pod utjecajem sila trenja. Rezultat istrošenosti naziva se istrošenost. Određuje se promjenom veličine, smanjenjem volumena ili mase. Otpornost materijala na habanje procjenjuje se recipročnom brzinom trošenja.
Klasifikacija konstrukcijskih materijala
Popis konstrukcijskih materijala koji se koriste u strojarstvu i izradi instrumenata je velik, a mogu se klasificirati prema različitim kriterijima. Većina njih, poput čelika, lijevanog željeza, legura na bazi bakra i lakih metala, univerzalni su. Imaju brojne prednosti i koriste se u različitim dijelovima i izvedbama.
Uz univerzalne, koriste se konstrukcijski materijali za određenu funkcionalnu namjenu: otporni na toplinu, materijali s visokim elastičnim svojstvima, otporni na habanje, otporni na koroziju i toplinu.
Klasifikacija dodatno dijeli konstrukcijske materijale prema svojstvima koja određuju izbor materijala za određene konstrukcijske dijelove. Svaka skupina materijala procjenjuje se odgovarajućim kriterijima kako bi se osigurala operativnost u radu. Univerzalni materijali razmatraju se u nekoliko skupina ako je mogućnost njihove uporabe određena različitim kriterijima. U skladu s odabranim načelom klasifikacije, svi konstrukcijski materijali podijeljeni su u sljedeće skupine:
1. Materijali koji osiguravaju krutost, statičku i cikličku čvrstoću
2. Materijali s posebnim tehnološkim svojstvima
3. Materijali otporni na habanje
4. Materijali s visokim elastičnim svojstvima
5. Materijali niske gustoće
6. Materijali visoke specifične čvrstoće
7. Materijali otporni na temperaturu i radnu okolinu
Čelici koji osiguravaju krutost, statičku i cikličku čvrstoću
Dijelovi strojeva i uređaja koji prenose opterećenja moraju imati dovoljnu krutost i čvrstoću da ograniče elastične i plastične deformacije, a pritom jamče pouzdanost i trajnost. Od raznih materijala, ove zahtjeve najbolje ispunjavaju legure na bazi željeza - lijevano željezo i posebno čelik. Čelici imaju visok modul elastičnosti naslijeđen od željeza, a time i visoku krutost, odmah iza bora, volframa, molibdena, berilija, koji se zbog visoke cijene koriste samo u posebnim slučajevima. Visoka krutost i dostupnost određuju široku upotrebu čelika za proizvodnju građevinskih metalnih konstrukcija, dijelova tijela, vodećih vijaka strojeva, osovina i mnogih drugih dijelova strojeva.
Visoka krutost čelika kombinirana je s dovoljnom statičkom i cikličkom čvrstoćom, čija se vrijednost može podešavati u širokom rasponu promjenom koncentracije ugljika, legirajućih elemenata i toplinske i kemijsko-toplinske tehnologije obrade.
Legure na bazi bakra, aluminija, magnezija, titana, kao i plastike koje se koriste u tehnologiji su inferiorne čeliku u pogledu krutosti, čvrstoće ili pouzdanosti. Osim kompleksa ovih svojstava važnih za izvedbu dijelova, čelik može imati i niz drugih vrijednih svojstava koja ga čine univerzalnim materijalom. Odgovarajućom tehnologijom legiranja i toplinske obrade čelik postaje otporan na habanje, odnosno otporan na koroziju, odnosno otporan na toplinu i toplinu, a također dobiva posebna magnetska, toplinska ili elastična svojstva. Čelik ima i dobra tehnološka svojstva. Štoviše, relativno je jeftin. Zahvaljujući ovim prednostima, čelik je glavni metalni materijal u industriji.
Podjela konstrukcijskih čelika
Čelici se dijele prema kemijskom sastavu, kakvoći, stupnju deoksidacije, strukturi i čvrstoći.
Prema kemijskom Sastav čelika dijeli se na ugljik i legure. Na temelju koncentracije ugljika obje se dijele na niskougljične (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,7% С) и высокоуглеродистые (>0,7% C). Legirani čelici, ovisno o unesenim elementima, dijele se na krom, mangan, krom-nikal, krom-silicij-mangan i mnoge druge. Prema broju unesenih elemenata dijele se na niskolegirane, srednje i visokolegirane. U niskolegiranim čelicima količina legiranih elemenata ne prelazi 5%, u srednje legiranim čelicima sadrži od 5 do 10%, u visokolegiranim čelicima - više od 10%.
Po kvalitetičelici se dijele na čelik obične kvalitete, čelik visoke kvalitete, čelik visoke kvalitete i čelik ekstra visoke kvalitete.
Kvaliteta čelika shvaća se kao skup svojstava određenih metalurškim procesom njegove proizvodnje. Ujednačenost kemijskog sastava, strukture i svojstava čelika, kao i njegova obradivost, uvelike ovise o sadržaju plinova (kisik, vodik, dušik) i štetnih nečistoća - sumpora i fosfora. Plinovi su skrivene nečistoće koje je teško kvantificirati, stoga standardi za sadržaj štetnih nečistoća služe kao glavni pokazatelji za odvajanje čelika po kvaliteti. Čelici obične kvalitete sadrže do 0,055% S i 0,045% P, čelici visoke kvalitete - ne više od 0,04% S i 0,035% P, čelici visoke kvalitete - ne više od 0,025% S i 0,025% P, posebno visokokvalitetni čelici - ne više od 0,015% S i 0,025% P .
Prema stupnju deoksidacije i naravi skrućivanja čelik se razvrstava u mirni, polumirni i kipući. Deoksidacija je proces uklanjanja kisika iz tekućeg metala, koji se provodi kako bi se spriječio krti lom čelika tijekom vruće deformacije.
Blagi čelici deoksidiraju se manganom, silicijem i aluminijem. Sadrže malo kisika i tiho se stvrdnjavaju bez razvijanja plina. Kipući čelici deoksidiraju se samo manganom. Prije lijevanja sadrže povećanu količinu kisika, koji se nakon skrućivanja, djelomično u interakciji s ugljikom, uklanja u obliku CO. Oslobađanje mjehurića CO daje dojam vrenja čelika, otkud mu i ime. Kipući slali su jeftini, proizvode se s niskim ugljikom i praktički bez silicija (Si< 0,07%), но с повышенным количеством газообразных примесей.
Polumirni čelici, u smislu stupnja dezoksidacije, zauzimaju srednji položaj između mirnih i kipućih čelika.
Pri razvrstavanju čelika po strukturi uzeti u obzir značajke njegove strukture u žarenom i normaliziranom stanju. Na temelju njihove strukture u žarenom (ravnotežnom) stanju, konstrukcijski čelici se dijele u četiri klase: 1) hipoeutektoidni, koji imaju višak ferita u strukturi; 2) eutektoid, čija se struktura sastoji od perlita; 3) austenitni; 4) feritni. Ugljični čelici mogu biti prve dvije klase, legirane - svih klasa.
Utjecaj ugljika i trajnih nečistoća na svojstva čelika
Čelik je složena legura željeza i ugljika. Osim željeza i ugljika - glavnih komponenti, kao i mogućih legirajućih elemenata, čelik sadrži određenu količinu stalnih i slučajnih nečistoća koje utječu na njegova svojstva.
Ugljik, čija koncentracija u konstrukcijskim čelicima doseže 0,8%, ima odlučujući utjecaj na njihova svojstva. Stupanj njegovog utjecaja ovisi o strukturnom stanju čelika i njegovoj toplinskoj obradi.
Nakon žarenja, ugljični konstrukcijski čelici imaju feritno-perlitnu strukturu, koja se sastoji od dvije faze - ferita i cementita. Količina cementita, koji je vrlo tvrd i krt, raste proporcionalno koncentraciji ugljika. S tim u vezi, s povećanjem udjela ugljika, čvrstoća i tvrdoća se povećavaju, ali se rastegljivost i žilavost čelika smanjuju.
Utjecaj ugljika još je značajniji kada je čelična konstrukcija neravnotežna. Nakon kaljenja za martenzit, vlačna čvrstoća legiranih čelika brzo raste kako se povećava sadržaj ugljika i doseže maksimum pri 0,4% C. Pri višim koncentracijama ugljika postaje nestabilan zbog krhkog loma čelika, o čemu svjedoče niske vrijednosti snaga udarca. Pri niskom popuštanju mehanička svojstva u potpunosti su određena koncentracijom ugljika u čvrstoj otopini.
Ugljik također mijenja tehnološka svojstva čelika. Povećanjem njegovog sadržaja smanjuje se sposobnost deformiranja čelika u vrućem, a osobito hladnom stanju, a zavarljivost postaje teža.
Trajne nečistoće u čeliku: mangan, silicij, sumpor, fosfor, kao i plinovi: kisik, dušik, vodik.
Mangan- korisna primjesa; uvodi se u čelik radi deoksidacije i ostaje u njemu u količini od 0,3-0,8%. Mangan smanjuje štetno djelovanje kisika i sumpora.
Silicij- korisna primjesa; unosi se u čelik kao aktivni deoksidizator i ostaje u njemu u količini do 0,4%, pružajući učinak jačanja.
Sumpor- štetne nečistoće koje uzrokuju crvenu lomljivost čelika - lomljivost tijekom obrade toplim pritiskom. U čeliku se nalazi u obliku sulfida. Crvena lomljivost povezana je s prisutnošću sulfida, koji sa željezom tvore eutektik, karakteriziran niskim talištem (988 ° C) i smješten duž granica zrna. Tijekom vruće deformacije, granice zrna se tope i čelik se krhko lomi. Čelik je zaštićen od crvene krtosti manganom, koji veže sumpor u sulfide, sprječavajući nastanak eutektika niskog tališta. Uklanjanjem crvene krtosti, sulfidi, kao i drugi nemetalni uključci (oksidi, nitridi, itd.), služe kao koncentratori naprezanja i smanjuju duktilnost i žilavost čelika. Sadržaj sumpora u čeliku je strogo ograničen. Pozitivan učinak sumpora očituje se samo u poboljšanoj obradivosti.
Fosfor- štetna nečistoća. Otapa se u feritu, ojačava ga, ali uzrokuje hladnu krhkost - smanjenje viskoznosti kako se temperatura smanjuje. Snažan krhki učinak fosfora izražava se u povećanju praga hladnokrtosti. Svakih 0,01% P povećava prag hladnokrtosti za 25 °C. Što više ugljika sadrži, veća je krtost čelika uzrokovana fosforom.
Fosfor je izrazito nepoželjna nečistoća u konstrukcijskim čelicima. Međutim modernim metodama taljenje i pretaljivanje ne osiguravaju njegovo potpuno uklanjanje. Glavni način smanjenja je poboljšanje kvalitete punjenja.
Kisik, dušik i vodik- štetne skrivene nečistoće. Njihov se utjecaj najjače očituje u smanjenju duktilnosti i povećanju osjetljivosti čelika na krti lom. Kisik i dušik otapaju se u feritu u neznatnim količinama i zagađuju čelik nemetalnim uključcima (oksidi, nitridi). Uključci kisika uzrokuju crvenilo i hladnu lomljivost te smanjuju čvrstoću. Povećani sadržaj dušika uzrokuje starenje soja.
Vodik je u čvrstoj otopini ili se nakuplja u porama i na dislokacijama. Krhkost uzrokovana vodikom očituje se oštrije, što je veća čvrstoća materijala i manja njegova topljivost u kristalnoj rešetki.
Slučajne nečistoće- elementi koji ulaze u čelik iz sekundarnih sirovina ili ruda iz pojedinih ležišta. Antimon, kositar i niz drugih obojenih metala dospijevaju u čelik iz otpada. Čelik taljen iz uralskih ruda sadrži bakar, a iz kerčkih ruda - arsen. Nasumične nečistoće u većini slučajeva negativno utječu na žilavost i duktilnost čelika.
Dijagram stanja legura željezo-ugljik
Među dijagramima stanja metalnih legura najviše veliki značaj ima dijagram stanja sustava željezo-ugljik. To se objašnjava činjenicom da se u tehnologiji najviše koriste legure željeza i ugljika.
Postoje dva dijagrama stanja legura željezo-ugljik: metastabilni, karakteriziraju transformacije u sustavu željezo-željezni karbid (cementit), i stabilni, karakteriziraju transformacije u sustavu željezo-grafit.
Da je sustav željezo-grafit stabilniji od sustava željezo-cementit govori podatak da se cementit zagrijavanjem na visoke temperature raspada na željezo i grafit, odnosno prelazi u stabilnije stanje.
GRAĐEVINSKI MATERIJALI, materijali namijenjeni za izradu konstrukcija (dijelova strojeva ili mehanizama, instrumenata, konstrukcija, vozila i dr.) koje mogu podnijeti mehanička opterećenja. Konstrukcijski materijali (za razliku od drugih tehničkih materijala - optičkih, izolacijskih, mazivih, boja i lakova, dekorativnih, abrazivnih itd.) moraju imati visoku strukturnu čvrstoću, osiguravajući njihovu pouzdanost i dug rad u radnim uvjetima. Glavni kriteriji kvalitete konstrukcijskih materijala uključuju parametre otpornosti na vanjska (statička, ciklička i udarna) opterećenja - čvrstoću, specifičnu čvrstoću (osobito za konstrukcijske materijale koji se koriste u zrakoplovima i raketama), otpornost na toplinu, izdržljivost i žilavost na lom (otpornost materijala na pucanje). ). U nekim slučajevima važne karakteristike konstrukcijskih materijala su i otpornost na habanje, otpornost na toplinu i koroziju, zavarljivost, kaljivost itd. Na mehanička svojstva konstrukcijskih materijala utječe (uglavnom negativno) radna okolina, uzrokujući oštećenje površine uslijed korozijskog pucanja ili promjena kemijskog sastava površinskog sloja kao rezultat zasićenja nepoželjnim elementima (na primjer, vodik, koji uzrokuje krtost metalnih struktura). Konstrukcijski materijali koriste se u širokom temperaturnom rasponu - od -269 do 2500 °C; Kako bi se osigurala učinkovitost na visokim temperaturama, materijal mora imati otpornost na toplinu, a na niskim temperaturama otpornost na hladnoću. Kvaliteta izrade dijelova ovisi o obradivosti konstrukcijskih materijala (njihova obradivost rezanjem, pritiskom, sposobnost lijevanja itd.).
Konstrukcijski materijali se dijele: prema prirodi materijala - na metalne, nemetalne i kompozitne materijale, prema tehnološkoj izvedbi - na deformirane (valjane, otkivke, štancane, ekstrudirane profile i dr.), lijevane, sinterovane, prešane, lijepljeni, zavareni (taljenjem, eksplozijom, difuzijskim spajanjem itd.); prema uvjetima rada - za one koji rade na niskim temperaturama, otporni na toplinu, koroziju, kamenac, habanje, gorivo, ulje itd.; prema kriterijima čvrstoće - za materijale niske i srednje čvrstoće s velikom granicom duktilnosti i materijale visoke čvrstoće s umjerenom granicom duktilnosti.
Najčešće korišteni metalni konstrukcijski materijali su konstrukcijski čelik i lijevano željezo. Konstrukcijski čelici karakteriziraju širok raspon vlačne čvrstoće - 200-3000 MPa; koristi se u građevinarstvu, auto, zrakoplovima, traktorima, brodogradnji itd. Vlačna čvrstoća lijevanog željeza, ovisno o legiranju, kreće se od 110 MPa (chugal) do 1350 MPa (lijevano željezo legirano s magnezijem). Lijevano željezo naširoko se koristi u strojarstvu za proizvodnju okvira, radilica, zupčanika, cilindara motora s unutarnjim izgaranjem, dijelova koji rade na temperaturama do 1200 ° C u oksidirajućem okruženju itd. Legure na bazi obojenih metala također su široko rasprostranjene. koristi u raznim područjima tehnike. Legure nikla i legure kobalta zadržavaju čvrstoću i otpornost na toplinu do 1000-1100 ° C, intermetalne legure na bazi spoja Ni 3 Al - do 1200 ° C; koristi se u zrakoplovnim i raketnim motorima, parnim i plinskim turbinama, uređajima koji rade u agresivnim okruženjima itd. Aluminijske legure znatno su superiornije od čelika u specifičnoj krutosti, vlačna čvrstoća kovanih legura je do 750 MPa, a za lijevane legure - do 550 MPa; koriste se za izradu trupova zrakoplova, helikoptera, projektila, brodova itd. Magnezijeve legure karakterizira niska gustoća (4 puta manja od čelika) i imaju vlačnu čvrstoću do 400 MPa i više; koriste se uglavnom u obliku lijevani dijelovi u konstrukcijama zrakoplova, u automobilskoj industriji, u tiskarskoj industriji, itd. Legure titana (vlačna čvrstoća do 1600 MPa ili više) superiornije su od legura čelika i aluminija u specifičnoj čvrstoći, otpornosti na koroziju i krutosti; koriste se za izradu kompresora zrakoplovnih motora, uređaja za rafiniranje nafte i kemijsku industriju itd. Legure cirkonija, uz male poprečni presjek apsorpcija toplinskih neutrona, imaju čvrstoću, duktilnost i otpornost na koroziju u agresivnim sredinama; koriste se u nuklearnoj energetici za konstrukcijske elemente jezgre reaktora nuklearnih elektrana. Povećanje svojstava izvedbe metalnih konstrukcijskih materijala proizvedenih tradicionalnim metodama povezano je s uporabom legiranih i nanokristalnih metalnih prahova.
Nemetalni konstrukcijski materijali uključuju polimerne materijale, keramiku, vatrostalne materijale, staklo, gumu i drvo. Termoplasti (polistiren, polimetil metakrilat, poliamidi, fluoroplasti), kao i duroplasti, koriste se u dijelovima električne i radio opreme, jedinicama trenja koje rade u različitim okruženjima, uključujući kemijski aktivna: goriva, ulja itd. Stakla (silikatna, kvarcni, organski ) i tripleksi na njihovoj osnovi koriste se za ostakljivanje brodova, zrakoplova i projektila; Dijelovi koji rade na visokim temperaturama izrađeni su od keramičkih materijala. Vatrostalni materijali se prvenstveno koriste u crnoj i obojenoj metalurgiji za izradu vatrostalnih obloga u jedinicama koje rade na visokim temperaturama (preko 900 °C). Gume na bazi različitih guma, ojačane kordnim tkaninama, koriste se za izradu guma ili monolitnih kotača zrakoplova i automobila, kao i raznih pokretnih i fiksnih brtvila. Drvo se koristi kao pragovi, potpora za industriju ugljena i rudarstvo, za proizvodnju građevinskih konstrukcija, kuća itd.
Kompozitni konstrukcijski materijali su 50-100% bolji od čelika ili aluminijskih legura u specifičnoj čvrstoći i specifičnom modulu elastičnosti i omogućuju 20-50% smanjenje težine konstrukcija. Kompozitni konstrukcijski materijali (plastika ojačana ugljičnim vlaknima, organoplastika, organotekstoliti, aluminijska stakloplastika itd.) imaju široku primjenu u konstrukcijama zrakoplova, raketa, energetike, transporta itd.
Proizvodnja novih konstrukcijskih materijala s poboljšanim (u usporedbi s tradicionalnim konstrukcijskim materijalima) svojstvima povezana je sa sintezom materijala submikroskopske strukture od elemenata koji imaju ograničavajuća svojstva (iznimno čvrsti, vatrostalni, toplinski stabilni), kao i s korištenjem posebne metode proizvodnja (značajno povećanje čvrstoće i trajnosti materijala). Na primjer, za metalne konstrukcijske materijale, usmjerena kristalizacija čelika i legura koristi se za proizvodnju lijevanih dijelova sa stupastom strukturom zrna, monokristalnih dijelova od legura nikla s određenom kristalografskom orijentacijom u odnosu na radna naprezanja (lopatice plinske turbine); Za nemetalne konstrukcijske materijale koriste se metode za usmjeravanje linearnih makromolekula polimernih materijala, njihovu modifikaciju nanočesticama (fulereni, nanocijevi, nanovlakna) i stvaranje polimernih nanokompozita.
Lit.: Strojarstvo: Enciklopedija. M., 2001. T. 2/3: Obojeni metali i legure. Kompozitni metalni materijali / Ed.-comp. I. N. Fridlyander; Bolton W. Konstrukcijski materijali: metali, legure, polimeri, keramika, kompoziti. 2. izd. M., 2007. (monografija).