Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный институт

имени Г.В. Плеханова (технический университет)

Кафедра металлургии цветных металлов

Технология конструкционных материалов

Руководство к выполнению лабораторных работ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2011

УДК 620.22, 669.017, 621.78

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ: Руководство к выполнению лабораторных работ / Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). Сост.: А.Я. Бодуэн, Г.В. Коновалов, А.В. Цыбизов. СПб, 2011, С.50.

Руководство к выполнению лабораторных работ предназначены для студентов обучающихся по специальностям: 150100 – «Металлургия цветных металлов», 130405 – «Обогащение полезных ископаемых», 280202 – «Инженерная защита окружающей среды», 130603 – «Оборудование нефтегазопереработки».

Научный редактор проф. В.М. Сизяков

Введение

Целью и задачей дисциплины является ознакомление студентов с основами производства металлов и конструкционных материалов, применяемых в современной технике, дать основы знаний о взаимосвязи между составом, строением и свойствами различных сплавов и материалов, о методах направленного воздействия на структуру и свойства материалов для придания им заданных свойств.

Общие требования к выполнению лабораторных работ и составу отчета

1. Отчет оформляется индивидуально или один на бригаду (по указанию преподавателя) на листах формата А4.

2. Титульный лист содержит наименование кафедры, лабораторной работы, ФИО и учебную группу студентов, выполнивших работу, а также должность и ФИО преподавателя, под руководством которого выполнялась работа.

3. Отчет должен включать:

- цель работы;

- краткие теоретические положения, на которых базируется выполнение данной работы;

- краткое описание методики работы и используемого оборудования и приборов (лабораторных установок);

- задание на проведение экспериментальных исследований;

- расчетные и экспериментальные данные, результаты их обработки, оформленные в виде протоколов, графиков и аналитических зависимостей;

- выводы по работе.

Работа 1. Исследование жаростойкости сталей

Задание

1. Исследовать сопротивляемость газовой коррозии образцов сталей различных марок.

2. Определить удельный прирост или удельную потерю массы образца.

3. Определить среднюю скорость прироста или среднюю скорость потери массы образца.

4. Результаты оформить в виде таблицы.

5. Написать отчет в соответствии с пунктами задания и сделать необходимые выводы.

Цель работы

Исследовать влияние температуры и состава, различных образцов стали на сопротивляемость газовой коррозии.

Приборы, материалы и инструмент

Муфельная печь, аналитические весы, штангенциркуль, образцы стали, алундовый тигель.

Основные теоретические положения

Большинство металлических материалов при работе в области вы­соких температур, взаимодействуя с окружающей газовой средой, под­вергается интенсивному разрушению, чаще всего вследствие образова­ния на их поверхности окалины.

Разрушение поверхностных слоев металла при высоких температу­рах в газовых средах получило название газовой коррозии.

Жаростойкость (окалиностойкость) характеризует сопротивление металла окислению при высоких температурах.

Жаростойкость стали в значительной степени определяется свой­ствами окисной пленки, образующейся на поверхности металла в на­чальной стадии окисления.

Так, сплошная прочная и однородная пленка окислов, затрудняя диффузию атомов кислорода к металлу, препятствует дальнейшему раз­витию газовой коррозии.

Установлено, что сплошная защитная пленка возникает на поверх­ности стальной детали только в том случае, если объем окисла окажет­ся больше объема металла, израсходованного на его образование.

Следовательно, непременным условием образования сплошной плен­ки является , где - молекулярный вес окисла; D - плотность металла; W - атомный вес металла; d - пло­тность окисной пленки.

В случае 1 сплошность пленки окислов не может быть обеспечена.

Защитные свойства пленки окислов определяются также прочностью самой пленки, равно как и прочностью ее контакта с металлом. Если пленка легко растрескивается и отслаивается от металла, открывая доступ кислороду к поверхности детали, то процесс газовой коррозии может протекать весьма интенсивно.

Известно, что в области температур, лежащих ниже 500^оС, железо и углеродистые стали окисляются слабо. При температурах сыше свыше 570°С железо с кислородом может образовывать три окисла: FeO, Fe₂O_3, Fe₃O_3, причем в окалине содержится больше всего закиси железа FeO, которая практически не препятствует диффузии кислорода к основному металлу. Окислы железа Fe₂O₃ и Fe₃O₄ , присутствую­щие в окалине, хотя и обладают несколько лучшими защитными свойст­вами, чем FeO, однако существенного влияния на окалиностойкость углеродистой стали не оказывают. В связи с этим при температурах, превышающих 600^oC, углеродистая сталь подвергается интенсивной газовой коррозии.

Для повышения жаростойкости в состав конструкционной стали вводят легирующие элементы, которые имеют большее химическое срод­ство к кислороду, чем железо, и поэтому образуют на поверхности деталей, работающих в области высоких температур, надежные защит­ные пленки окислов. К числу таких элементов относятся кремний, хром и алюминий.

Добавка в сталь алюминия увеличивает ее жаростойкость, а при содержании алюминия более 8,0% признаков газовой коррозии пра­ктически не обнаруживается при нагреве металла до 1200^oС.

Кремний подобно алюминию способствует повышению окалиностойкости стали. Однако стали, легированные алюминием (свыше 5%) или кремнием (более 4,0%), очень хрупки и с трудом обрабатываются дав­лением, поэтому основным легирующим элементом современных жаростойких сталей является хром. Количество хрома в стали определяет­ся главным образом температурой, при которой должны работать сталь­ные детали.

Дополнительное легирование хромистой стали небольшим количе­ством алюминия и кремния (до 4,0%) позволяет повысить ее жаростой­кость.

Сопротивление металлов газовой коррозии может быть увеличено также путем нанесения на детали специальных защитных покрытий, при­менением (например, при термообработке) защитных или контролируе­мых атмосфер и т.д.