Классификация и свойства металлов

Размещено на http://allbest.ru/

Реферат

на тему: Металлы

Предмет: Архитектурно-дизайнерское материаловедение

Содержание

Общие данные

Классификация металлов

Свойства металлов

Чугуны

Сталь

Цветные металлы и сплавы

Коррозия металлов

Производство металлических изделий

Сварка металлов

Газовая резка металлов

МЕТАЛЛЫ

Исключительно важное значение металлов в современной технике и строительстве объясняется их ценными свойствами:

- высокой прочностью,

- пластичностью,

- высокой тепло- и электропроводностью,

- хорошими литейными свойствами,

-способностью работать при низких и высоких температурах,

-свариваемостью.

Однако большинство из них имеют высокую плотность и сильно коррозируют под действием различных газов и влаги.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ - это сплавы железа с углеродом.

К ним относятся:

Сталь, содержащая углерода до 2 %,

чугун, содержащий углерода от 2% до 6,67%

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ:

- легкие ( на основе алюминия)

- тяжелые (медь, латунь, олово)

- редкие (вольфрам, бронза, титан)

- благородные (платина, серебро, золото)

Строение металлов

Все металлы имеют кристаллическое строение.

Физико-механические свойства чистых металлов определяются природой атомов, образующих их кристаллическую решетку, и структурой самого металла.

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА: цвет, плотность, температура плавления, электро- и теплопроводность, коэффициент температурного расширения.

Цвет большинство металлов имеют серебристо-белый, серебристо-серый с характерным металлическим блеском.

Плотность большинства тяжелых металлов превышает 7000кг/м³, а плотность легких составляет не более 3000кг/м³ .

Температура плавления металлов строго определенная, однако меняется при добавке к нему других металлов.

Все металлы хорошо проводят тепло и электричество.

При нагревании металлы увеличиваются в размерах, что характеризуется коэффициентами объемного и линейного расширения.

Это необходимо учитывать при их эксплуатации.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА: прочность, твердость, ударная вязкость, ползучесть.

ПРОЧНОСТЬ - способность металла сопротивляться возникающим внутренним напряжениям под действием внешних сил, вызывающих растяжение, сжатие, изгиб, кручение.

Для большинства металлов универсальным испытанием на прочность является растяжение, но для серого чугуна - на сжатие и изгиб.

Испытание на изгиб проводится для листового металла толщиной не более 30 мм. При этом на поверхности изгибаемого образца не должны появляться трещины, надрывы, расслоение или излом.

Испытанием на удар определяют хрупкость металла или его способность работать в условиях динамических нагрузок. Чем пластичнее металл, тем лучше он переносит ударные нагрузки.

УСТАЛОСТЬ определяется у металлов, работающих в условиях повторно-переменных растягивающих, изгибающих, крутящих, ударных и других нагрузок.

ПОЛЗУЧЕСТЬ металлов - это процесс увеличения деформации во времени при постоянном напряжении.

ТВЕРДОСТЬ металла определяется противодействием вдавливанию в его поверхность твердого стального шарика ( метод Бринелля, НВ ), алмазного конуса ( метод Роквелла, HR ), алмазной призмы ( метод Виккерса, HV ). Чем выше твердость, тем меньше будет величина отпечатка на поверхности металла.

Числа твердости ( НВ, НR, HV ) вычисляются по эмпирическим формулам, которые приводятся в справочной литературе.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА - это

-пластичность, определяющая ковку, прокатку, волочение;

-резанье и сварка, определяющие способность металла подвергаться сварке и резанью;

-способность подвергаться термической и химико-термической обработке с целью улучшения механических свойств металлических изделий.

ЧУГУНЫ

цветной металл чугун коррозия

Производство чугуна - первичный процесс получения черных металлов из природного сырья.

Сырье для производства чугуна: железные руды, флюсы и кокс.

Наиболее часто используемые железные руды:

магнитный железняк ( Fе3О4 ),

красный железняк ( Fе2О3 ),

бурый железняк ( 2Fе2О3*3Н2О ),

шпатовый железняк ( FеСО3 ),

Флюсы - известняк СаСО3 или доломит СаСО3*МgСО3.

Кокс в доменном процессе выполняет роль топлива и восстановителя железа. При его горении выделяется большое количество тепла

Продукты доменного производства: чугун, огненно-жидкие шлаки и доменный газ.

ДОМЕННЫЙ ГАЗ - топливо для нужд металлургической промышленности.

ДОМЕННЫЕ ШЛАКИ - ценное сырье в промышленности стройматериалов; их используют для производства шлаковой ваты, шлаковой пемзы, шлако-портландцемента, заполнителей для легких бетонов, шлакоситаллов и т.п.

Разновидности чугуна в промышленности маркируют таким образом:

- Ч - легированный чугун со специальными свойствами,

- ВЧ - чугун с графитом шаровидным для отливок (цифры после символов «ВЧ» говорят о временном сопротивлении разрыву в кгс/мм),

- АЧК - чугун антифрикционный ковкий,

- АЧВ - чугун антифрикционный высокопрочный,

- АЧ - чугун антифрикционный,

- СЧ - чугун с графитом пластинчатым (цифры после символов «СЧ» говорят о величине временного сопротивления разрыву),

- ПВК3, ПВК2, ПВК1 - чугун предельный высококачественный,

- ПФ3, ПФ2, ПФ1 - чугун предельный фосфористый,

- ПЛ1, ПЛ2 - чугун предельный для отливок,

- П2, П1 - чугун предельный.

Ферросплавы - специальные чугуны, в которых содержание углерода может достигать 5 % и более.

Кроме того они содержат повышенное количество кремния и марганца:

ферросилиций - Si - 9...13 %, ферромарганец - Mn - 10...25 % или 70...75 %.

Такие ферросплавы, как феррохром или ферросилиций используют для легирования и раскисления стали.

Благодаря этому- свойства и качества металлов улучшаются: они становятся более износостойкими и устойчивыми к серьезным нагрузкам.

СТАЛЬ

Сталь получают из предельного чугуна, содержащего до 4 % углерода, 1% марганца, до 1,3 % кремния, десятые доли процента серы и фосфора.

Сущность процесса сталеварения заключается в окислении излишнего содержания углерода и примесей, содержащихся в чугуне, кислородом воздуха и кислородом руды. Этому процессу способствует образующаяся в начале плавки закись железа. Так как излишнее содержание закиси железа вызывает хрупкость стали, производят раскисление жидкого металла путем ввода ферросплавов. Образовавшиеся оксиды удаляются вместе со шлаком.

В зависимости от степени раскисления различают спокойную, полуспокойную и кипящую сталь.

-Спокойная сталь (сп), в которой нет закиси железа, наиболее качественная и дорогая.

-Кипящая сталь (кп), в которой процесс раскисления прошел не до конца, и в ней имеются пузырьки газа СО. Она дешевле спокойной стали, но качество ее ниже, сваривается и обрабатывается, но при температуре -10 С она становится хрупкой.

-Полуспокойная сталь (пс) по своим свойствам занимает промежуточное положение между двумя первыми.

Сталь углеродистая

Современные способы производства стали:

- конверторный,

- мартеновский ,

- электроплавильный.

Процесс конверторной варки стали очень экономичен, так как не требует дополнительного подвода тепла (необходимая для нагрева стали теплота выделяется в результате химических реакций окисления углерода и примесей чугуна), а время варки составляет 20...30 мин, однако невозможно получить сталь точного химического состава.

Варка в мартеновских печах продолжается 4...8 часов при использовании топлива с систематическим отбором проб стали на химический анализ. Мартеновские стали получают точного химического состава, качество их выше конверторных.

Наиболее совершенным способом производства стали является электроплавильный способ. В электрических печах получают высококачественные и легированные стали. Однако производство это достаточно дорогое.

Влияние нормальных примесей на механические свойства стали.

В состав сталей в силу условий их получения всегда входят так называемые нормальные примеси - Si(кремний), Mn(марганец), S(сера), P(фосфор), O2(кислород).

Содержание кремния до 0,35 % и марганца до 0,9 % на прочность стали не влияет.

Фосфор - вредная примесь, допустимое содержание его не более 0,055 %, при большем содержании уменьшает пластичность и увеличивает хрупкость металла.

Сера - вредная примесь, допустимое содержание ее не более 0,055 %. При большем содержании сталь непригодна для прокатки, ковки, сварки.

Кислород - вредная примесь, в металле находится в виде закиси железа FеО. При содержании О2 > 0,03 % происходит хладноломкость стали (резкое повышение хрупкости стали при отрицательных температурах), при содержании О2 > 0,1 % - красноломкость.

Классификация сталей

По химическому составу стали делятся на

углеродистые и

легированные.

Углеродистые стали классифицируют:

- по степени раскисления на: кп, пс и сп ;

- по применению на: конструкционные, содержащие углерода С < 0,65%, инструментальные, содержащие углерода С = 0,65...1,5%;

- по качеству на: обыкновенного качества, качественные, высококачественные;

- в зависимости от гарантируемых характеристик на:

группу А, поставляемую по механическим свойствам,

группу Б, поставляемую по химическому составу

подгруппу В, поставляемую по механическим свойствам и химическому составу.

Стали каждой группы делятся на марки.

Марка стали - это класс стали по прочности, устанавливаемый по пределу текучести, пределу прочности и величине относительной деформации.

Сталь группы А имеет марки Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, Ст7.

Сталь группы Б имеет те же марки, что и сталь группы А, но перед маркой ставится буква Б (БСт0, БСт1 и т.д.).

Сталь группы В имеет марки ВСт2, ВСт3, ВСт4 и ВСт5.

По мере увеличения номера стали повышается содержание углерода, а также прочность, твердость и износоустойчивость, но понижаются пластичность и ударная вязкость, ухудшается свариваемость.

Маркировка углеродистых сталей.

1) Углеродистая сталь обыкновенного качества.

В ее маркировке указаны способ выплавки, марка стали и степень раскисления.

Например: КСт3кп - конверторная сталь марки 3, кипящая,

МСт2пс - мартеновская сталь марки 2, спокойная.

2) Углеродистая конструкционная качественная сталь.

В ее маркировке указано среднее содержание углерода в сотых долях процента от 08 до 80 и степень раскисления.

Например: 08КП - кипящая сталь с содержанием углерода 0,08%,

10ПС - полуспокойная сталь с содержанием углерода 0,1%.

3) Углеродистая инструментальная качественная сталь.

В ее маркировке цифры обозначают среднее содержание углерода в десятых долях процента от 7 до 13.

Например: У7 - инструментальная качественная сталь с содержанием углерода 0,7 %.

4) Углеродистая инструментальная высококачественная сталь маркируются так же, только добавляется буква А.

Например: У7А, У8А и т.д.

В строительстве инструментальная сталь применяется с обязательной термической обработкой.

Применение углеродистых сталей

- изготовление несущих конструкций,

- армирование железобетона,

- устройства кровли,

- формы железобетонных изделий.

Правильный выбор марки стали обеспечивает экономичный расход металла и успешную работу конструкции.

Для изготовления несущих сварных и клепаных конструкций рекомендуются стали обыкновенного качества группы В следующих марок: ВМСт3кп, ВМСт3пс, ВМСт3сп и ВКСт3кп, ВКСт3пс, ВКСт3сп.

Для конструкций, не имеющих сварных соединений, и для сварных конструкций, воспринимающих лишь статические нагрузки, рекомендуются стали следующих марок: ВМСт4кп, ВМСт4пс, ВМСт4сп и ВМСт5кп, ВМСт5сп, ВМСт5пс и кислородно-конверторные стали тех же марок.

Для изготовления арматуры используются углеродистые стали марок Ст3 и Ст5 мартеновские и конверторные.

Для изготовления болтов и шурупов применяется ст4 и ст5.

Для изготовления осей, валов и других деталей машин применяется ст6.

Легированные стали

Легированные стали - это стали, в состав которых специально вводят один или несколько легирующих элементов для улучшения их физико-механических свойств.

Классификация легированных сталей.

По структуре легированные стали делятся на классы.

ПЕРЛИТНЫЙ КЛАСС - стали при охлаждении на воздухе приобретают структуру, близкую к равновесной.

Это строительные и машиностроительные стали

АУСТЕНИТНЫЙ КЛАСС - стали при охлаждении на воздухе приобретают аустенитную структуру.

Это жаропрочные, жаростойкие, кислотоупорные и нержавеющие стали.

ФЕРРИТНЫЙ КЛАСС - стали сохраняют ферритную структуру при любой скорости охлаждения. Они не воспринимают закалку.

Это жаропрочные, жаростойкие и специальные магнитные стали.

КАРБИДНЫЙ КЛАСС - стали сохраняют твердость и режущую способность при повышенных температурах.

По назначению легированные стали делятся на

- конструкционные (строительные и машиностроительные),

- инструментальные (изготовление режущего инструмента),

- стали с особыми физико-механическими свойствами.

По содержанию легирующих элементов стали делятся на

- низколегированные (легирующих элементов до 2,5%),

- среднелегированные (легирующих элементов 2,5...10%),

- высоколегированные (легирующих элементов более 10%).

Применение легированных сталей.

НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Для сварных и клепаных несущих конструкций .

Для обычной арматурной проволоки.

Для предварительно напряженной арматуры .

ЖАРОСТОЙКИЕ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ длительное время выдерживают действие высоких температур без образования на них окалины.

Однако они не должны испытывать при этом механических нагрузок.

ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ имеют высокую окалиностойкость и сохраняют, свои механические свойства при высоких температурах. Это обычно высоколегированные хромо-никелевые стали.

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

АЛЮМИНИЙ - В строительстве широко применяются сплавы алюминия с легирующими добавками: прокатка профилей, листов, трехслойные навесные панели с заполнением пенопластом. Вводя газообразователь, получают высокоэффективный материал пеноалюминий.

СИЛУМИНЫ - сплавы алюминия с кремнием, обладающие высокой прочностью, характеризуются высокими литьевыми качествами.

ДЮРАЛЮМИНЫ - сложные сплавы алюминия с медью, кремнием, марганцем, магнием и др. применяют для конструкций большепролетных сооружений, в сборно-разборных конструкциях, в сейсмическом строительстве, в конструкциях, работающих в агрессивных средах. Используется он в виде проката - уголков, швеллеров, двутавров, труб круглого и прямоугольного сечения.

ТИТАН обладает высокой коррозионной стойкостью. На его основе создаются легкие и прочные конструкции, способные работать при повышенных температурах.

МЕДЬ - металл красноватого цвета, отличающийся высокой теплопроводностью и стойкостью против атмосферной коррозии.

ЛАТУНЬ - сплав меди и цинка, бронза - сплав меди и олова. Оба эти сплава прочны, их широко применяют для изготовления кранов и вентилей.

БАББИТЫ - сплавы меди, свинца и олова, применяются для изготовления подшипников.

ЦИНК - применяется для кровельных покрытий, карнизов, водосточных труб.

СВИНЕЦ - применяется для особых видов изоляции, для футеровки химических аппаратов.

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

Различают два вида коррозии - химическую и электрохимическую.

ХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ возникает при действии на металл при высоких температурах сухих газов, масел, бензина, керосина, окислителей, кислорода воздуха.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ возникает при действии на металл растворов кислот и щелочей, в результате чего на корродирующей поверхности металла возникает множество микрогальванических элементов, вырабатывающих электрический ток. При этом металл отдает свои ионы электролиту, а сам постепенно разрушается.

Способы защиты металла от коррозии.

1) Покрытие металла различными красками, лаками, эмалями, полимерными материалами.

2) Легирование стали.

3) Воронение - получение на поверхности металла защитного слоя, состоящего из оксидов данного металла.

4) Покрытие металла пленкой из другого металла, менее подверженного коррозии в данных условиях.

Металлические покрытия наносятся горячим и гальваническим методами и металлизацией.

Горячий метод - изделие погружают в ванну с расплавленным защитным металлом, температура плавления которого ниже температуры плавления изделия.

Гальванический метод - изделие погружают в солевой раствор в качестве катода, а осаждаемый металл служит анодом; при действии постоянного электрического тока на изделии создается тонкий слой защитного покрытия.

Металлизация - покрытие поверхности изделия расплавленным металлом, распыляемым сжатым воздухом.

5) Оксидирование - создание на поверхности металла пассивирующей пленки в кислой или щелочной среде в присутствии сильных окислителей (концентрированная азотная кислота, растворы марганцевой и хромовой кислоты), так называемое катодное окисление.

6) Фосфатирование - получение на изделии поверхностной пленки из нерастворимых солей железа или марганца путем погружения металла в горячие растворы кислых фосфатов железа или марганца.

ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

ПРОКАТКА - обжатие стального слитка, разогретого до температуры 900...1250?С, до требуемой формы и размеров путем пропуска его через ряд валков с уменьшающимся зазором.

Прокаткой получают балки, рельсы, листовую и прутковую сталь, арматуру, трубы. После прокатки изделия подвергают необходимой термической обработке.

КОВКА - процесс деформации металла под действием повторяющихся ударов молота или пресса. Ковка может быть свободной, когда металл под ударами молота растекается свободно, и штампованная, когда металл под ударами молота заполняет формы штампа, а избыток его вытекает в специальную канавку и отрезается.

Штамповка позволяет получить изделия очень точных размеров. Клепка также относится к операциям ковки.

ВОЛОЧЕНИЕ - протягивание металлической заготовки через отверстие, сечение которого меньше сечения заготовки, металл обжимается, а профиль его строго соответствует форме отверстия.

Волочением изготавливают трубки, круглые, квадратные и шестигранные прутки.

СВАРКА МЕТАЛЛОВ

Газовая сварка.

Газовая сварка заключается в расплавлении металла в месте стыка деталей теплом, получаемым при горении газа или жидкого топлива в смеси с кислородом.

В качестве горючего газа чаще всего применяется смесь ацетилена и кислорода. Для заполнения шва используют сварную проволоку, близкую по составу металла свариваемым деталям.

Применяют газовую сварку для соединения тонкостенных конструкций из углеродистых и легированных сталей, цветных металлов и чугуна.

В строительстве она имеет ограниченное применение из-за высокой стоимости по сравнению с электросваркой.

Электрическая сварка.

Электрическая сварка производится за счет тепла, выделяемого электрическим током; она подразделяется на

- электрическую сварку сопротивлением или контактную сварку (стыковую, точечную и роликовую),

- электродуговую сварку

- газодуговую сварку.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРКА СОПРОТИВЛЕНИЕМ или контактная сварка - широко применяют в машиностроении и строительстве.

СТЫКОВАЯ СВАРКА СОПРОТИВЛЕНИЕМ- после нагрева металла в местах контакта происходит сварка.

СТЫКОВАЯ СВАРКА ПЛАВЛЕНИЕМ -стыковую сварку используют для продольного соединения деталей арматуры, наращивание стержней, колонн и т.д.

ТОЧЕЧНАЯ СВАРКА применяется для соединения деталей " внахлестку" или в месте их пересечения; Применяется она для изготовления сеток и каркасов арматуры железобетона.

РОЛИКОВАЯ СВАРКА применяется для соединения листового металла.

ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА -применяется электродуговая сварка для сварки цветных металлов, наплавления металлов, сварки тончайших стальных листов, для сварки чугунов, для сварки конструкций и арматуры.

ГАЗОДУГОВАЯ СВАРКА делится на аргоновую и водородную. Ее применяют для сварки тонкостенных конструкций из легированных и высоколегированных сталей, окалиностойких магниевых и алюминиевых сплавов и сплавов, обладающих высокой антикоррозионной стойкостью.

ГАЗОВАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Принцип газовой резки заключается в нагреве металла до температуры воспламенения в среде кислорода, сжигании его и выдувании образовавшихся оксидов струей кислорода.

С повышением содержания углерода температура горения приближается к температуре плавления, и сплавы плохо поддаются резке.

Медь и алюминий газовой резке не поддаются, так как у них температура горения выше температуры плавления.

Размещено на Allbest.ru

...