- •Глава 1. Материаловедение. Структура материалов. 12
- •Глава 2. Стали. 54
- •Глава 3. Чугуны. 110
- •Глава 4. Цветные и редкие металлы и сплавы. 136
- •Глава 5. Сплавы с особыми физическими свойствами. 181
- •Глава 6. Полимеры. 201
- •Глава 7. Керамика. 243
- •Глава 8. Стекло. 265
- •Глава 9. Композиционные материалы. 296
- •Глава 10. Древесные материалы. 316
- •Глава 11. Строительные материалы. 355
- •Глава 12. Наноматериалы. 379
- •Предисловие.
- •Теоретические материалы. Глава 1. Материаловедение. Структура материалов.
- •1.1. Материаловедение, основные понятия.
- •1.2. Количество материалов.
- •1.3. Классификация материалов по назначению.
- •1.4. Агрегатные состояния вещества.
- •1.5. Кристаллическая структура веществ.
- •1.6. Дефекты в кристаллической структуре веществ.
- •1.7. Уровни структуры материалов.
- •1.8. Физико-химический анализ. Диаграммы состояния.
- •1.9. Сплавы, твёрдые растворы.
- •1.10. Химические соединения.
- •1.11. Зернистая структура поликристаллических материалов.
- •1.12. Основные механические свойства материалов.
- •Резюме.
- •Вопросы для самопроверки.
- •Глава 2. Стали.
- •2.1. Полиморфизм и свойства железа.
- •2.2. Диаграмма состояния системы Fe – Fe3c.
- •2.3. Сравнение основных свойств сталей и чугунов.
- •2.4. Превращения сталей в твёрдом состоянии.
- •2.5. Стали. Классификация сталей.
- •2.6. Термическая обработка и фазовые превращения в сталях.
- •2.7. Превращения в стали при равновесном нагреве и охлаждении.
- •2.8. Диаграмма изотермических превращений аустенита. Мартенситное превращение.
- •2.9. Основные виды термической обработки стали.
- •2.9.1. Отжиг.
- •2.9.2. Нормализация.
- •2.9.3. Закалка.
- •2.9.4. Отпуск стали.
- •2.10. Углеродистые стали.
- •2.11. Влияние постоянных примесей на углеродистые стали.
- •2.12. Легирующие элементы. Легированные стали, их маркировка.
- •2.13. Жаропрочные и жаростойкие стали.
- •2.14. Коррозионно-стойкие стали.
- •Вопросы для самопроверки.
- •Глава 3. Чугуны.
- •3.1. Чугуны, химические и фазовые составы.
- •3.2. Преимущества чугунов.
- •3.3. Виды чугунов доменного производства.
- •3.4. Классификация и маркировка чугунов.
- •3.5. Модифицирование чугунов.
- •3.6. Белый чугун.
- •3.7. Серый чугун.
- •3.8. Высокопрочный чугун.
- •3.9. Ковкий чугун.
- •3.10. Легированные чугуны.
- •3.11. Другие виды чугунов.
- •Резюме.
- •Вопросы для самопроверки.
- •Глава 4. Цветные и редкие металлы и сплавы.
- •4.1. Классификация цветных и редких металлов.
- •4.2. Лёгкие металлы.
- •4.3. Магний и его сплавы.
- •4.4. Применение магния и магниевых сплавов.
- •4.5. Алюминий и его сплавы.
- •4.6. Маркировка алюминиевых сплавов.
- •4.7. Классификация алюминиевых сплавов.
- •4.8. Области применения алюминиевых сплавов.
- •4.9. Титан.
- •4.10. Области применения титана.
- •4.11. Медь и медные сплавы.
- •4.12. Латуни.
- •4.13. Бронзы.
- •4.14. Марки и области применения бронз.
- •4.15. Сплавы меди мельхиор, нейзильбер, куниаль.
- •4.16. Свинец и цинк.
- •4.17. Никель и кобальт.
- •4.18. Олово.
- •4.19. Ртуть.
- •Резюме.
- •Вопросы для самопроверки.
- •Глава 5. Сплавы с особыми физическими свойствами.
- •5.1. Металлические проводниковые материалы.
- •5.2. Электромеханические свойства меди и алюминия.
- •5.3. Перспективы развития проводниковых материалов.
- •5.4. Полупроводниковые материалы.
- •5.5. Магнитные материалы.
- •5.6. Тугоплавкие металлы и сплавы.
- •5.7. Сверхпроводящие материалы.
- •5.8. Сплавы с эффектом памяти формы.
- •Резюме.
- •Вопросы для самопроверки.
- •Глава 6. Полимеры.
- •6.1. Общие сведения.
- •6.2. Классификация полимеров.
- •6.2.1. Классификация по происхождению.
- •6.2.2. Классификация по структурным признакам.
- •6.3. Общие свойства полимеров.
- •6.3.1. Физические свойства.
- •6.3.2. Механические свойства.
- •6.3.3. Теплофизические свойства.
- •6.3.4. Химические свойства.
- •6.3.5. Электрические свойства.
- •6.3.6. Технологические свойства.
- •6.3.7. Старение полимеров.
- •6.3.8. Радиационная стойкость полимеров. Абляция.
- •6.4. Пластические массы.
- •6.5. Виды пластических масс.
- •6.5.1. Полиэтилен.
- •6.5.2. Полипропилен.
- •6.5.3. Поливинилхлорид.
- •6.5.4. Полистирол.
- •6.5.5. Фторопласты.
- •6.5.6. Полиимид.
- •6.5.7. Полиакрилаты.
- •6.5.8. Фенолформальдегидные смолы (ффс).
- •6.5.9. Эпоксидные смолы.
- •6.5.10. Поликарбонатые полимеры.
- •6.6. Каучук, природный каучук.
- •6.7. Синтетические каучуки.
- •6.8. Резины.
- •6.9. Синтетические эмали, лаки, компаунды.
- •6.10. Полимерные клеи.
- •6.11. Полимеры в медицине.
- •6.12. Биологически разлагаемые пластики на основе природных полимеров.
- •6.13. Неорганический полимер - асбест.
- •Резюме.
- •Вопросы для самоконтроля.
- •Глава 7. Керамика.
- •7.1. Понятие керамики.
- •7.2. Керамика как альтернативный материал.
- •7.3. Состав керамики.
- •7.3.1. Глинистые породы.
- •7.3.2. Свойства глин.
- •7.3.3. Керамика на основе технических оксидов.
- •7.3.4. Керамика на основе бескислородного технического сырья.
- •7.4. Структура керамики.
- •7.5. Свойства керамики.
- •7.6. Керамика на основе глинистого сырья.
- •7.6.1. Фарфор.
- •7.6.2. Фаянс.
- •7.6.3. Гжель.
- •7.6.4.Огнеупорная керамика на основе глин.
- •7.7. Виды технической керамики.
- •7.7.1. Масштабы производства высокотехнологичной керамики.
- •7.7.2. Керамические, пьезокерамические материалы.
- •7.7.3. Керамические материалы с химическими функциями.
- •7.7.4. Керамические материалы для ядерной энергетики.
- •7.7.5. Конструкционная керамика.
- •7.8. Характеристики некоторых керамик.
- •7.8.1. Высокоглиноземистая керамика.
- •7.8.2. Керамика из нитрида и карбида кремния.
- •7.8.3. Другие виды технической керамики.
- •Резюме.
- •Вопросы для самопроверки.
- •Глава 8. Стекло.
- •8.1. История стекла.
- •8.2. Отличительные особенности стекла как материала.
- •8.3. Структура веществ в стеклообразном состоянии.
- •8.3.1. Кристаллическое и стеклообразное состояния.
- •8.3.2. Кристаллохимическое описание строения стекол.
- •8.3.3. Кварцевое стекло.
- •8.3.4. Бинарные щелочно-силикатные стекла.
- •8.3.5. Фосфатные стекла.
- •8.3.6. Микронеоднородное строение стекол.
- •8.4. Классификация стекол по составу.
- •8.5. Свойства стекол.
- •8.6. Виды стёкол.
- •Резюме.
- •Вопросы для самопроверки.
- •Глава 9. Композиционные материалы.
- •9.1. Строение и признаки композиционных материалов.
- •9.2. Классификация.
- •9.3. Физико-химические основы создания композиционных материалов.
- •9.4. Области применения композиционных материалов.
- •9.5. Виды композиционных материалов.
- •9.5.1. Композиционные материалы с металлической матрицей.
- •9.5.2. Волокнистые композиционные материалы.
- •9.5.3. Дисперсионно-упрочненные композиционные материалы.
- •9.5.4. Композиционные материалы с неметаллической матрицей.
- •9.5.5. Углепласты.
- •9.5.6. Бороволокниты.
- •9.5.7. Органоволокниты.
- •9.6. Получение композиционных материалов на металлической основе, армированных волокнами
- •9.7. Основные методы получения композиционных материалов.
- •Резюме.
- •Вопросы для самопроверки.
- •Глава 10. Древесные материалы.
- •10.1. Древесина как материал.
- •10.2. Лиственные и хвойные породы.
- •10.3. Части дерева.
- •10.4. Макроскопическое строение дерева.
- •10.5. Химический состав древесины и её микроскопическое строение.
- •10.6. Физические свойства.
- •10.7. Механические свойства.
- •10.8. Пороки древесины.
- •10.9. Виды хвойных пород.
- •10.10. Виды лиственных пород.
- •10.11. Пиломатериалы и продукты переработки древесины.
- •10.12. Виды изделий из дерева.
- •10.13. Модифицированная древесина.
- •10.14. Термически обработанная древесина (термодревесина).
- •10.15. Области применения древесины.
- •10.16. Скрипка.
- •Резюме.
- •Вопросы для самоконтроля.
- •Глава 11. Строительные материалы.
- •11.1. Виды строительных материалов.
- •11.2. Цемент, портландцемент.
- •11.3. Цементные растворы.
- •11.4. Бетон. Классификация бетонов.
- •11.5. Компоненты бетона.
- •11.6. Марка, класс и прочность бетона.
- •11.7. Лёгкие бетоны.
- •11.8. Тяжелые бетоны.
- •11.9. Кирпич строительный.
- •11.9.1. Размеры кирпича.
- •11.9.2. Пустотность кирпича.
- •11.9.3. Марка кирпича.
- •11.9.4. Морозостойкость кирпича.
- •11.9.5. Строительные кирпичи.
- •11.10. Добавки наноразмерных частиц в бетоны.
- •Резюме.
- •Вопросы для самопроверки.
- •Глава 12. Наноматериалы.
- •12.1. Терминология наноразмерных объектов.
- •12.2. Физические причины специфики наноматериалов
- •12.3. Классификация наноматериалов.
- •12.4. Фуллерены, фуллериты.
- •12.5. Углеродные нанотрубки.
- •12.6. Графен.
- •12.7. Размерность процессоров.
- •12.8. Фториды редкоземельных элементов.
- •Резюме.
- •Вопросы для самопроверки.
- •Заключение.
- •Тесты для самоконтроля. Глава 1. Материаловедение. Структура материалов.
- •Глава 2. Стали.
- •Глава 3. Чугуны.
- •Глава 4. Цветные и редкие металлы и сплавы.
- •Глава 5. Сплавы с особыми физическими свойствами.
- •Глава 6. Полимерные материалы.
- •Глава 7. Керамика.
- •Глава 8. Стекло.
- •Глава 9. Композиционные материалы.
- •Глава 10. Древесные материалы.
- •Глава 11. Строительные материалы.
- •Глава 12. Наноструктурированные материалы.
- •Ключи к тестам для самоконтроля.
- •Задания для курсовой работы.
- •Вопросы для подготовки к экзамену.
- •Глоссарий.
- •Список источников информации. Основная литература
2.11. Влияние постоянных примесей на углеродистые стали.
Основной продукцией черной металлургии является сталь, причем приблизительно 85% изготавливается углеродистой стали и 15% легированной. Углеродистая сталь является основным металлическим материалом российской промышленности.
Получаемая в промышленности углеродистая сталь имеет сложный химический состав (табл. 2.4.). Содержание железа в ней находится в пределах 97,0 – 99,5% в нее попадает некоторое количество элементов, связанное с технологией производства (марганец, кремний) или невозможностью полного их удаления из состава металла (сера, фосфор, кислород, азот, водород), случайные примеси (хром, никель, медь) и, кроме того, некоторые неметаллические включения.
В зависимости от способа выплавки (конверторный, мартеновский, в электропечах) стали различаются содержанием примесей.
Постоянными примесями в стали считаются такие, которые попадают в нее в процессе получения, разливки, а также из исходных материалов, топлива, футеровки печей и атмосферы.
Марганец в виде оксида МnO2 – пиролюзита – постоянно находится в железных рудах, следовательно, он присутствует в сталях и чугунах. Марганец также попадает в стали при раскислении ее ферромарганцем при выплавке, часть марганца взаимодействует с основными компонентами стали и в процессе кристаллизации переходит в ее фазовые составляющие – феррит и цементит.
Аналогично воздействует на свойства стали кремний, растворяющийся только в феррите. Кремний в виде соединения SiO2 – кремнезема – всегда имеется в железной руде (эту часть руды называют пустой породой). К раскислителям, которыми пользуются при выплавке стали, относится кремнийсодержащий материал - ферросилиций, активно вступающий с закисью железа в реакцию обмена. Поэтому присутствие небольшого количества кремния в стали также является технологически неизбежным.
К постоянным примесям в стали относятся фосфор и сера. Эти элементы оказывают существенное влияние на механические, технологические и другие свойства стали, поэтому их количество в различных марках строго регламентируется.
Сера присутствует в небольших количествах в железных рудах и металлургическом топливе и поэтому попадает в сталь во время металлургического процесса. Сера находится в стали в связанном состоянии в виде механических примесей (FeS и MnS), которые по-разному взаимодействуют с компонентами стали и соответственно влияют на ее свойства. Сульфид железа существенно снижает прочность и пластичность стали. Это отрицательно сказывается при технологической обработке стали в горячем состоянии (800 – 1200 °С) и проявляется в виде явления красноломкости. Температура плавления MnS существенно выше 1620 °C и присутствует в стали в виде мелких включений, которые не оплавляются в процессе ее обработки. Количество серы вызывает охрупчивание стали, и поэтому содержание ее жестко отслеживается. Для ответственных деталей содержание серы может быть не более 0,03 – 0,04% , а в обычных сталях допускается 0,05%.
Постоянные примеси – марганец и кремний – оказывают в какой-то степени положительное влияние на механические свойства стали, а фосфор и сера ухудшают их и являются очень вредными примесями.
При выплавке и разливке стали в нее из окружающей атмосферы попадают кислород, азот, водород и другие газы.
Кислород в кристаллической решетке железа не растворяется, поэтому в стали он присутствует в виде зерен оксидов железа FeO, Fe2O3 и оксидов других элементов. Эти неметаллические включения снижают прочностные и пластические свойства стали.
Азот в очень малых количествах способен растворяться в феррите, упрочняя и одновременно охрупчивая его. Некоторое количество азота в стали образует с железом нитриды, которые располагаются в стали в виде включений и также охрупчивают ее.
При выплавке стали в нее попадает водород, растворяется в ней и, так как он не образует с железом гидридов, выходит из нее по мере снижения температуры. Некоторое количество оставшегося водорода в стали охрупчивает ее. Этот не растворившийся водород в стали образует флокены (микроскопические трещины овальной формы, имеющие на изломе вид белых пятен). Их появление свидетельствует о внутренних разрывах в металле. Для предотвращения флокенов сталь после горячего деформирования медленно охлаждают или длительно выдерживают при 250°С.