книги из ГПНТБ / Технология металлов и конструкционные материалы учебное пособие

Раздел первый

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ. ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Металлами называются кристаллические вещества, об­ ладающие прочностью, пластичностью (ковкостью), электропроводностью, теплопроводностью и блеском. Металлы, применяемые в технике, содержат большее или меньшее количество примесей, которые во многих случаях вводят специально. Поэтому технические ме­ таллы представляют собой сплавы. Наибольшее приме­ нение имеют сплавы сталь и чугун, т. е. черные металлы. Сталью называется сплав на основе железа, содержа­ щий менее 2% углерода, а чугуном — более 2%.

Кроме того, в их состав входят кремний, марганец, сера, фосфор и другие элементы. Значительно меньше объем производства таких металлов, как медь, алюми­

под воздействием внешних сил не разрушаться. 'В зави­ симости от направления внешних сил различают проч­ ность при растяэвении, сжатии, изгибе.

Твердость характеризует сопротивление металла проникновению в него другого тела. Под воздействием

сил исчезают, и пластические, или остаточные, которые после прекращения действия сил остаются в металле.

Все эти свойства присущи металлу, подвергающему­ ся воздействию постепенно приложенных или медленно возрастающих сил, и характеризуют статические свой-

ll

ства. Однако металл может подвергаться воздействию быстро возрастающих, мгновенно приложенных удар­ ных сил, т. е. динамических нагрузок.

Вязкость характеризует способность металла под ударными нагрузками пластически деформироваться, не

определенной прочностью и упругостью и вместе с тем пластичностью и вязкостью, а инструмент — твердостью

(растягивается), причем до определенного предела де­ формируется упруго.

1 См. лабораторную работу № 1.

12

Условное напряжение, при котором остаточные де­ формации впервые достигают некоторой малой величи­ ны, называется пределом упругости-.

ские деформации. Затем наступает момент, когда мате­ риал пластически деформируется без дальнейшего уве­ личения нагрузки, т. е. наблюдается текучесть материа­ ла. Минимальное напряжение, при котором начинается текучесть, называется пределом текучести-.

<3i -» — МН/м2 (кгс/мм2),

Р0

где Рт— минимальная нагрузка, при которой появля­ ется текучесть материала.

Материал течет некоторое время, затем снова обре­ тает сопротивление деформации. Дальнейшая деформа­ ция металла будет происходить по мере увеличения на­ грузки. В начале испытания деформация практически происходит по всей длине образца. Когда нагрузка при испытании образца достигает максимального значения Рв, деформация сосредоточивается на участке, близком

*О

называется пределом прочности при растяжении.

Результаты испытания изображены на кривой диа­ граммы растяжения (рис. 2), на которой по оси ординат отложены нагрузки Р, а по оси абсцисс — абсолютное удлинение А/.

Если обозначить длину образца до испытания через /о, а. после испытания (после разрыва) — через («, то по

I

Обозначим поперечное сечение образца до испыта­ ния через F0, а после испытания (в месте разрыва) —

через FKм2. Тогда относительное сужение равно

=^ 100%.

Упругость металла характеризуется показателем Ступ, прочность — сгт и ав, а пластичность б и яр.

Рис. 3. Испытание па ударную вязкость:

а — схема испытания; б — эскиз образца; в — схема установки образца

Испытание на ударную вязкость проводят следую­ щим образом. Образец 2 с надрезом устанавливают на опоры маятникового копра (рис. 3,а). 'Маятник 1 под­ нимают на высоту Я; затем он свободно опускается и ударяет по образцу в месте, 'противоположном надрезу. В результате образец разрушается, а маятник после разрушения поднимается на высоту /г. Таким образом, на разрушение образца затрачивается работа

А = Р (Я—Л)’МДж/(кгс• м),

14

Разрушение металла после многократного воздейст­ вия нагрузок, меняющих свою величину и направление, определяется характеристикой, называемой усталостью, а свойство металла сопротивляться разрушению от ус­

тейных сплавов — на базе 20 млн. циклов. Если металл выдержал указанное число циклов без разрушения, то он выдержит такое же напряжение и при значительно большем числе перемен нагрузок.

Предел выносливости сталей примерно равен поло­ вине предела прочности при растяжении, а для цветных металлов он значительно ниже. Предел выносливости в сильной степени зависит от размеров образца, концент­ раторов напряжений (например, галтель, выточки на образце и т. д.), степени чистоты его поверхности и влияния коррозии.

С увеличением размеров образца величина предела выносливости понижается. Надо всегда помнить, что испытание на усталость, проводимое на образцах, не дает полного представления о прочности деталей ма­ шин. Действительное представление о пределе вынос­ ливости в условиях эксплуатации можно получить при испытании деталей. В последнее время определение предела выносливости производят при испытаниях де­ талей или образцов, по форме и размерам приближаю­

15

Износостойкость — это сопротивление металла изно­ су, т. е. уменьшению размеров при трении. Это свойст­ во имеет большое значение для деталей, работающих на износ (шеек.коленчатого вала, кулачков распреде­ лительного валика, пальцев поршня и др.).

Механические свойства металлов и сплавов, приме­ няемых в машиностроении, приведены в табл. 1.

§2. Физические, химические

итехнологические свойства

К физическим свойствам металлов относятся плотность,

теплопроводность, электропроводность, способность притягиваться магнитом, намагничиваться, размагни­ чиваться и др.

Т а б л и ц а 1

Механические свойства металлов и сплавов

Физические свойства металлов наряду с механиче­ скими играют важную роль при выборе металлов для определенных целей. Детали из алюминия и алюминие­ вых сплавов, обладая малой плотностью, получили ши­ рокое распространение в авиации, автомобилестроении, тракторостроении и других областях машино- и прибо­ ростроения.

Медь и алюминий широко используются как токо­ проводящие материалы; кроме того, медь и ее сплавы применяются как теплопроводящие материалы. Сталь для постоянных магнитов обладает способностью на­ магничиваться и не размагничиваться, а трансформа­ торная сталь, наоборот, размагничивается быстро.

16

Г л а в а II

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

§3. Металлургические процессы

иогнеупорные материалы

процесс получения металла путем обработки руд боль­ шой массой растворителей (мокрый способ). Выщела­ чиванием химические соединения, богатые металлом, переводят в раствор с последующим получением кон­ центратов. Гидрометаллургия в некоторых случаях при­

процесс получения металлов главным образом плавкой руды. Источником тепла служат топливо, электроэнер­ гия и экзотермические реакции в жидком расплаве. Пирометаллургическим способом перерабатывают основ­ ное количество встречающихся в земной коре руд.

Металлургическая технология по существу сводит­ ся к созданию таких условий (температура, давление, концентрации реагирующих веществ), при которых фи­

ным образом к тому, что скорость химической реакции при различных процессах прямо пропорциональна кон­ центрации действующих масс, т. е. если в какой-либо среде идут химические процессы, например соединение с кислородом, то интенсивнее окисляться будут те эле­ менты, содержание которых в среде наибольшее.

Все химические и физико-химические процессы (на­

18

.процессов изменяется таким образом, что эффект про­ изведенного извне воздействия .уменьшится. Так, при нагревании пойдут реакции с .поглощением тепла (эн­ дотермические), способствующие понижению темпера­ туры, а при охлаждении, наоборот,—реакции с выде­ лением тепла (экзотермические), способствующие по­ вышению температуры. Следовательно, путем нагрева или охлаждения можно влиять на ход реакций в ме­ таллургических процессах в желаемом направлении.

При пирометаллургическом процессе важную роль играет газовая атмосфера, определяющая направление и ход процесса. Если в атмосфере имеется свободный кислород, то он соединяется с металлом, углеродом и другими веществами, т. е. окисляет их. Поэтому такая атмосфера называется окислительной. Если в атмосфе­ ре содержится преимущественно свободная окись угле­ рода СО, то она, реагируя с окислами расплава, отни­ мает у них кислород, т. е. восстанавливает металл. По­ этому атмосфера, в которой имеется окись углерода СО, называется восстановительной.

Огнеупорные материалы. Материалы, которые при высоких температурах (выше 1580°С) обладают проч­ ностью, не размягчаются, не плавятся и не разрушают­ ся, называются огнеупорными. Огнеупорные материалы подразделяются на естественные и искусственные.

К числу естественных огнеупорных материалов от­ носятся песчаники, кварцевый песок, сланцы, асбест, хромистый железняк и др. Они находят применение в металлургии в естественном виде. Недостатком естест­ венных огнеупорных материалов является неоднород­ ность как по химическому составу, так и по физическо­ му состоянию. В важнейших отраслях промышленно­ сти, таких как металлургическая, химическая, широко используются искусственные огнеупорные материалы в виде всевозможных изделий. Например, огнеупорный

19