Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Краткая характеристика важнейших металлических материалов

Три модификации железа

Металлическое железо проявляет некоторые очень интересные свойства, не присущие или лишь в малой степени присущие другим металлам. При кристаллизации оно образует кубическую решетку, причем в зависимости от температуры встречаются три модификации различных пространственных решеток ( 27). При комнатной температуре можно обнаружить кубическую объемноцентрированную модификацию-ферромагнитное а-железо или феррит. При нагревании до точки Кюри (769 °С) железо становится парамагнитным, но при этом структура решетки не меняется. При 911 °С оно переходит в кубическую гранецентрированную модификацию, которая называется у-железом или аустенитом. Аустенит по сравнению с ферритом много лучше растворяет углерод и устойчив до 1392 °С. При этой температуре возникает третья модификация -кубически объемноцентрированное 8-железо. С дальнейшим повышением температуры при 1536 °С достигается точка плавления. Благодаря тому, что железо обладает тремя аллотропными модификациями и что существующие в различных температурных областях типы кристаллических решеток имеют существенно отличные друг от друга способности к растворению углерода и других компонентов сплавов, оказалось возможным получать на его основе чугун и различные стали. В то время как чистое железо применяется для технических целей   в   весьма   ограниченном   объеме, сплавы его нашли очень широкое применение, особенно производные железа и углерода.

Сплавы железа с углеродом

Для характеристики термодинамического равновесия в системе железо-углерод весьма важна диаграмма равновесия, которая указывает, какие фазы и структурные составляющие существуют в различных температурных интервалах и при различном содержании углерода ( 28). Она объективно отражает поведение их лишь при медленном нагреве или охлаждении. Здесь мы найдем три формы углерода: растворенную в расплаве и в смешанных кристаллах (а-железо или феррит, у-железо или аустенит и 5-железо), связанную с железом (Fe3C или цементит) и элементарную - в виде графита. На диаграмме можно вьщелить стабильную и метастабильную области. В метастабильной (сплошная линия) все возникающие структуры образуются из смешанных кристаллов и Fe3C, а графит отсутствует. В стабильной области (штриховая линия), наоборот, не наблюдается Fe3C, а все образовавшиеся структуры состоят из смешанных кристаллов и графита. Материалы, полученные из железа и углерода, делятся на сталь  и чугун

Граница между чугуном и сталью пролегает при содержании углерода около 2%. Сталь и чугун кроме основного элемента железа и углерода постоянно содержат и другие элементы, часто являющиеся побочными продуктами технологического процесса производства данного материала. Чаще всего это марганец, кремний, фосфор и сера. При легировании стали намеренно добавляются только те элементы, которые улучшают ее свойства. Фосфор и сера, сопровождающие сталь и чугун, значительно ухудшают их свойства, поэтому при производстве стали и чугуна особенно важно уменьшить их содержание.

Конструкционные, инструментальные и коррозионностойкие стали

Самой, так сказать, «весомой» группой сталей являются конструкционные. Около 75% мирового производства приходится на обычные конструкционные стали. Это нелегированные, изредка микролегированные стали, которые после вальцевания без какой-либо термообработки применяются для таких объектов, как мосты, корпуса судов, стальные конструкции для жилищного и промышленного строительства, а также для машиностроения. На  29 показаны некоторые из их механических свойств. С возрастанием содержания углерода в материале растет доля перлита и уменьшается доля феррита. Это приводит к росту пределов прочности, текучести и твердости, в то время как критическое сужение и удлинение, а также ударная вязкость уменьшаются. Обычные конструкционные стали имеют предел прочности порядка 300-700 МПа и должны без какой-либо предварительной обработки хорошо свариваться, что становится затруднительным при повышении содержания углерода.

Если нагрузки, вызванные внешней механической силой, сопровождаются повышенными или пониженными температурами, то в этих случаях используются термически обработанные, эксплуатационные, тепло- и холодостойкие стали. Жаропрочные стали необходимы, например, в энергетическом машиностроении, где элементы машин подвергаются одновременному воздействию внешних механических сил и высоких температур. Холодостойкие стали нашли свое применение в районах с холодным климатом, а также в технике низких температур.

Еще одну большую группу образуют инструментальные стали. К ним относятся нелегированная инструментальная сталь, стали холодной и горячей прокатки и быстрорежущая сталь. Само название их говорит о том, что из них производят инструменты, способные сопротивляться воздействию механических сил, ударов, высоких температур и т.п. В понятие инструмента вложен в данном случае очень широкий смысл. Это пилы, напильники, бритвенные лезвия, токарные резцы, штамповочное оборудование, камне- и деревообделочные устройства и даже кузнечное, прессовальное и вальцевальное оборудование.

К сталям для особых условий эксплуатации относятся коррозионностойкая и износоустойчивая, а также стали со специфическими физическими свойствами.

В хозяйстве ГДР ежегодно расходуется около 6 млн. т стали. Предел прочности этих сталей в зависимости от марки составляет от 330 до 1500 МПа. В дальнейшем ожидается рост его до 3000 МПа.

Чугун облагораживается

Как видно из приведенной выше схемы чугун бывает с пластинчатым и сферическим графитом, а также ковкий и белый.

У графитсодержащего чугуна при кристаллизации выделяются кристаллы графита, которые в одном случае имеют форму пластин, а в другом сфер. Предел прочности чугуна с пластинчатым графитом (раньше он назывался серым чугуном) невелик и составляет 150-400 МПа, что обусловлено высокой концентрацией внутренних напряжений. Чугун со сферическим графитом появился позднее. Благодаря сферической форме кристаллов графита, резко снижающей внутренние напряжения в них, для этих чугунов характерен более высокий предел прочности (400-1200 МПа) и лучшие пластичность и вязкость, то есть их свойства приближаются к свойствам стали.

В отличие от вышеназванных марок, ковкий и белый чугуны после застывания их расплава при комнатной температуре не содержат кристаллов графита. Путем длительной термообработки при высоких температурах (около 1000 °С)- так называемого обжига -достигается графитирование ковкого железа в твердом состоянии. Этот обжиг проводят либо в нейтральной, либо в окисляющей атмосфере, причем в последнем случае одновременно с графитацией протекает и обезуглероживание материала. Если в полученном материале содержатся кристаллы графита, то он называется черным ковким чугуном. Белый ковкий чугун обезуглерожен, он не содержит более кристаллов графита. Предел прочности ковкого чугуна составляет 300-700 МПа; помимо того, он также обладает достаточно высокими пластичностью и вязкостью. Белый чугун-материал с очень высоким сопротивлением износу. Он очень тверд и хрупок и после застывания и охлаждения до комнатной температуры применяется без   всякой   дополнительной   обработки.

В народном хозяйстве ГДР ежегодно используется в общей сложности около 1 млн. т различных видов чугуна. Из чугуна изготовляют, например, блоки моторов, станины, зубчатые передачи, основания станков и другие элементы машин, которые все можно получать из чугунных заготовок, используя формующее оборудование.

Как в мире, так и в ГДР пока больше всего производится чугуна с пластинчатым графитом. В соответствии с тенденциями мирового развития в ГДР все более интенсивно растет производство чугуна со сферическим графитом и очень перспективного ковкого чугуна, поскольку эти материалы, по свойствам напоминающие сталь, приносят очень большой экономический эффект при их внедрении в производство вместо стали.

Алюминий, магний, медь - представители цветных металлов

Из всех легких металлов наиболее важным в технике является алюминий. Тонкая, но крайне плотная и твердая пленка окислов надежно защищает его поверхность от коррозии.   Чистый  или  слаболегированный алюминий обладает очень высокой электропроводимостью и, в связи с этим, нашел широчайшее применение в качестве материала для проводников в электротехнике. Из-за низкого предела прочности (около 70-100 МПа) чистый алюминий неприменим как конструкционный материал. Однако, если к нему при плавке добавить некоторые элементы, то после определенных  I операций и последующей термообработки I можно получить до 500 МПа. В качестве I конструкционных материалов применяются сплавы алюминия с медью, с кремнием I и с магнием, которые незаменимы при сооружении легких высотных конструкций.

Ввиду своей малой плотности магний является основой для производства легчайших конструкционных материалов. Важнейшими компонентами его сплавов часто бывают алюминий, цинк, кремний и цирконий. По механическим свойствам мате- 1 риалы из магния близки к сплавам алюминия. Но если материалы из алюминия очень легко формуются, формование магниевых материалов связано с очень серьезными трудностями, так что их получают в виде слитков. Материалы из магния сильно подвержены коррозии, поэтому при их переработке необходимы особые технологические условия и меры, повышающие коррозионную защиту.

Медь отличается высокой электропроводимостью, и ее предпочитают применять в качестве проводников в электротехнике. Предел       прочности       чистой       меди (200-250 МПа) недостаточен для ее использования в машиностроении. Сплавы меди с цинком (латунь), оловом (бронза), никелем, алюминием, марганцем и другими элементами    обладают    более    высокой прочностью.