Теорія конструкційних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

В. С. Середюк

Матеріалознавство

Конспект лекцій для студентів спеціальності 5.06010113 «Обслуговування устаткування і систем газопостачання»

Новоград - Волинський

2010

Міністерство освіти і науки України

Новоград - Волинський промислово - економічний технікум

Рецензенти:

М. С. Ковальчук, викладач спеціальних технічних дисциплін.

О.С. Фютак, викладач спеціальних газотехнічних дисциплін.

Конспект лекцій

з предмету «Матеріалознавство» для студентів спеціальності 5.06010113 «Обслуговування устаткування і систем газопостачання»

Розробив викладач технікуму Середюк В. С. у відповідності до програми, затвердженої 14.10.2009 р. цикловою комісією загально-технічних і спеціальних дисциплін технікуму.

Розглянуто на засіданні циклової комісії загальнотехнічних і спеціальних дисциплін 25.11.2009 року, протокол № 7.

Рекомендовано як навчальний посібник для студентів спеціальності 5.06010113 «Обслуговування устаткування і систем газопостачання» Новоград - Волинського промислово - економічного технікуму.

Вступ. Зміст предмету «Матеріалознавство»

Матеріалознавство це наука, яка вивчає склад, структуру та властивості конструкційних матеріалів, а також зміну цих властивостей під впливом тепла та в результаті механічних і хімічних дій. Воно об'єднує металознавство та науку про неметалеві матеріали.

Теоретичною основою матеріалознавства є відповідні розділи фізики та хімії. У матеріалознавстві широко використовують сучасні структурні дослідження, фізичні та механічні випробування. Завдяки цьому, а також беручи до уваги економічні розрахунки, можна обґрунтовано визначити доцільність застосування того чи іншого матеріалу в певних умовах експлуатації.

Металами називають речовини, які мають кристалічну будову, металевий блиск, добру пластичність, високу електро- і теплопровідність. Найбільш поширеними в природі металами є алюміній (8,8% маси земної кори) та залізо (4,6%).

В промисловості в основному використовують сплави, адже до рідкого металу можна вводити певну кількість хімічних елементів і отримувати сплави з необхідними властивостями.

Умовно метали поділяють на чорні і кольорові.

До чорних металів відноситься залізо та сплаві на його основі - сталь і чавун. Сталі і чавуни є основними в машинобудуванні завдяки порівняно невисокій вартості та добрим технологічним і механічним властивостям. Але вони мають невисоку корозійну стійкість та високу їх питому вагу.

Кольоровими вважаються всі інші метали, крім чорних. Найбільше застосування мають алюміній, мідь, магній, титан, цинк, свинець, олово, нікель, молібден, вольфрам, кобальт, тантал, цирконій, ніобій. Здебільшого кольорові метали застосовуються у вигляді сплавів.

Метали і сплави людство застосовує дуже давно. Мідь, золото і срібло застосовуються уже більше 8 тис. років, як знаряддя праці та прикраси.

Вчені доводять, що залізо використовується понад 3 тис. років. На території України залізо відоме з VII-V ст. до н. е.

В газовому господарстві наряду з металами широко застосовуються неметалеві будівельні та полімерні матеріали.

Будівельні матеріали поділяють на матеріали загального (цемент, бетон, лісоматеріали) та спеціального призначення (теплоізоляційні, гідроізоляційні, вогнетривкі матеріали). Ці матеріали людство використовує від початку свого існування. Так древні єгиптяни застосовували гіпс і вапняні розчини при будівництві пірамід. В Києві вапно використовували уже в X ст. під час будівництва Десятинної церкви. В XI ст. при будівництві Софіївського собору застосовували суміш вапна з товченою цеглою.

Полімерні матеріали є новим видом конструкційних матеріалів. Вони мають достатню міцність, високу корозійну стійкість, низьку теплопровідність та ряд інших цінних фізико-механічних властивостей, які обумовлюють їх широке застосування.

1. Основні властивості металевих і неметалевих матеріалів

Тема 1.1 Будова металів, методи дослідження їх структури

Кристалічна будова металів

Кристалічна будова характеризується геометрично правильним розташуванням атомів (іонів) у просторі. Атоми металу перебувають на певній відстані між собою, при якій енергія взаємодії позитивно і негативно заряджених частинок мінімальна. В площині атоми утворюють атомну сітку, а в просторі - атомно-кристалічну гратку. Атоми коливаються навколо точки рівноваги з великою частотою.

Властивості металів визначаються певним типом кристалічної гратки. Переважна більшість металів має кубічну об'ємноцентровану, кубічну гранецентровану або гексагональну щільноукладену гратку.

Рис. 1.1. Елементарні кристалічні гратки:

а - об'ємноцентрований куб; б - гранецентрований куб;

в - гексагональна гратка.

В кристалічній гратці об'ємноцентрований куб (ОЦК) вісім атомів розташовано на перетині ребер куба і один -- на перетині його діагоналей. Таку будову (ОЦК) мають метали: калій, натрій, в-титан, в-цирконій, тантал, вольфрам, ванадій, б-залізо, хром та інші.

Кристалічну решітку характеризується її лінійним розміром. Для кубічної комірки це довжина ребра куба а, яка вимірюється в нанометрах (нм). Один нанометр 1 нм = 10-9 м. Для металів з кубічною елементарною решіткою значення а перебуває в межах 0,2...0,6 нм.

Елементарна кристалічна гратка гранецентрований куб (ГЦК) має вісім атомів на перетині ребер і шість атомів -- на перетині діагоналей граней куба. Така будова властива для свинцю, нікелю, срібла, золота, платини, г-заліза та інших металів.

У гексагональній щіпьноукладеній гратці (ГЩУ) атоми розташовані в кутах і в центрі основ шестигранної призми, а три атоми -- між її основами, всього 17. Таку решітку мають магній, б-титан, кадмій, реній, осмій, рутеній, цинк, берилій та інші метали.

Дефекти кристалічної будови

Реальні кристали на відміну від ідеальних мають багато різних дефектів. Під дефектом розуміють зону кристалу, де порушено правильне розташування атомів. За геометричною ознакою дефекти кристалічної будови поділяють на: точкові, лінійні, поверхневі, об'ємні.

Точкові дефекти дуже малі в усіх трьох вимірах у просторі: їх розміри не перевищують декількох параметрів кристалічної гратки. До таких дефектів належать вакансії, міжвузлові атоми, атоми домішок тощо.

Вакансією називається порожнє місце в кристалі, де мав би перебувати атом. Окремий атом, що коливається з вищою енергією, покидає вузол кристалічної гратки і потрапляє на поверхню кристалу або на границю між зернами. На місці, де перебував цей атом, утворилась вакансія, яку заповнює згодом інший атом. В результаті відбувається міграція вакансії в глибину кристалу.

Рис. 1.2. Точкові дефекти:

а - вакансія; б - міжвузловий атом; в - атом домішки

Кожній температурі відповідає своя рівноважна концентрація вакансій. Що вища температура кристалу, то більше в ньому вакансій і частіше вони переходять від вузла до вузла. При температурі, близькій до температури плавлення металу, кількість вакансій становить близько 1 % кількості атомів у кристалі. Зі збільшенням кількості вакансій зменшуються густина, електро- і теплопровідність кристалу.

Міжвузловим називають атом, що вийшов із положення рівноваги і зайняв простір між вузлами. На його місці утворилась вакансія. Перехід атомів у між-вузлове положення викликає опромінення нейтронами, при цьому значно менший вплив мають теплові коливання атомів.

Атоми домішок є навіть у найчистішому металі. Вони або заміщають атоми основного металу у вузлах кристалічної гратки, або розташовуються між вузлами. У близькому оточенні точкових дефектів кристалічна гратка викривлюється. Такі спотворення суттєво не позначаються на механічних властивостях металу, зате вони позначаються на деяких його фізичних властивостях, наприклад на електроопорі.

В різних площинах кристалічної гратки атоми розміщені з різною щільністю і тому властивості кристалу в різних напрямах різні. Таке явище називається анізотропією.

Найбільш суттєвим лінійним порушенням будови кристалу є дислокації. Одним із способів утворення дислокації є зсув частини атомів кристалу відносно іншої частини атомів. В невеликій спотвореній зоні міжатомні відстані менші або більші від нормальних, а поза межами цієї зони вони нормальні. Дислокації виникають під час кристалізації, пластичної деформації, фазових перетворень.

Кристалізація металів

Кристалізація - це перехід металу з рідкого стану в твердий. В рідкому стані атоми металу знаходяться в безперервному русі і при охолодженні займають певний порядок. Кристалізація починається при зниженні температури розплаву до певного значення.

Кристалізація відбувається в дві стадії:

- утворення зародків кристалізації;

- ріст кристалів навколо цих зародків.

Ріст кристалів відбувається за рахунок приєднання до зародків нових атомів. На початку кристалізації кристали ростуть вільно, зберігаючи правильну геометричну форму. Розмірі кристалів збільшується, як збільшується і кількість зародків. Вільний ріст кристалів триває до моменту стикування з сусідніми кристалами. У місцях стикання ріст кристалів припиняється і продовжується там, де є вільний доступ рідкого металу. В результаті геометрична форма кристалів спотворюється. Такі кристали називаються кристалітами або зернами.

Дефекти геометричної форми кристалів та збільшення розмірів зерен негативно впливає на властивості металу. Кращі властивості мають метали, під час кристалізації яких виникає якомога більша кількість зародків кристалізації. Тоді метал буде мати дрібнозернисту структуру.

Кількість зерен буде збільшуватись і вони будуть дрібнішими, якщо до рідкого металу перед початком кристалізації ввести дрібні тугоплавкі частинки нітридів, карбидів і силіцидів металів. Таке введення штучних центрів кристалізації називається модифікацією сплаву чи металу.

Поліморфні перетворення

Поліморфним перетворенням називають зміну кристалічної будови залежно від температури та тиску. Перехід до нового типу кристалічної гратки супроводжується зменшенням вільної енергії кристалів, що утворюються, порівняно з вихідними кристалами. Велике практичне значення має температурний поліморфізм, тобто наявність у металі різної кристалічної будови в інтервалі певних температур. На кривих охолодження поліморфному перетворенню відповідає горизонтальний відрізок сталої температури, завдяки виділенню прихованої теплоти перекристалізації. Близько 30 металів мають два, а іноді й три різні типи елементарних кристалічних граток. Кристалічну будову, стійку при низьких температурах, позначають грецькою літерою б, при високих температурах -- літерою в, при ще вищих -- літерою г і т. д. Перелічені грецькі літери у вигляді індексів долучають до символу хімічного елемента (наприклад, Feб, Fег, Тіб, Тів, Snб, Snв). У рівноважному стані залізо має дві температури поліморфного перетворення: 911 і 1392 °С. Воно кристалізується при температурі 1539°С з утворенням кристалічної гратки об'ємноцентрованого куба Feб. При температурі 1392 °С внаслідок вторинної кристалізації об'ємноцентрована гратка Feб переходить у гранецентровану Fег, а при 911°С -- знову в об'ємноцентровану гратку Feб. Критична температура 768 °С не пов'язана з вторинною кристалізацією, а лише зі змінами в міжелектронній взаємодії, внаслідок чого залізо під час охолодження набуває магнітних властивостей. При температурах, вищих за 768 °С, залізо немагнітне.



Рис. 1.3. Крива охолодження заліза ви у твердому стані відбувається шляхом зародження центрів нових кристалів і подальшого їх росту. Такий процес іноді називають вторинною кристалізацією на відміну від кристалізації первинної, що відбувається у рідині.

Під час вторинної кристалізації зародки нових кристалів найчастіше виникають на границях зерен старих кристалів.

Методи дослідження структури металів

Методи дослідження структури -- макро- і мікроскопічний аналіз, рентгеноструктурний аналіз та інші -- широко використовують не лише в наукових, але й у заводських лабораторіях, оскільки здебільш існує надійний зв'язок між структурою та властивостями металів. На підставі структурних досліджень і механічних випробовувань можна зробити висновок про придатність обстежуваного матеріалу для тих чи інших умов експлуатації.

Макроскопічний аналіз полягає у дослідженні будови металу неозброєним оком або при невеликих збільшеннях до 30 разів. Будову металу, яку виявляють при цьому, називають макроструктурою. Макроструктуру можна спостерігати на поверхні виробів, на зламах і на шліфах. Макроскопічний аналіз застосовують для виявлення макродефектів: порожнин і тріщин, хімічної та структурної неоднорідності металу, форми та розмірів кристалів у литому металі тощо. Перевагою макроаналізу є можливість швидко обстежити досліджувану поверхню з метою отримати попередні дані про будову металу. Водночас, внаслідок невеликих збільшень, макроаналіз не дає змоги виявити всі особливості будови металу. На підставі даних макроаналізу часто роблять висновок про недоцільність застосування технологій, які мають вплив на формування макроструктур, що погіршують механічні властивості металу.

Мікроскопічним аналізом називають дослідження будови металу за допомогою мікроскопа; будова металу, яку вивчають під мікроскопом, є мікроструктурою. Для мікроскопічних досліджень широко використовують оптичні та електронні мікроскопи.

Під час мікроаналізу вивчають тонку будову матеріалу: форму та розміри зерен і фаз у сплаві, їх відносний розподіл, а також виявляють неметалеві вкраплення (оксиди, сульфіди) чи мікродефекти (дислокації, мікропорожнини, мікротріщини). Зокрема, за мікроструктурою знаходять в сплаві частку певного хімічного елемента, наприклад вуглецю у сталі.

Об'єктом мікроскопічних досліджень є мікрошліф, тобто зразок із шліфованою, полірованою і здебільшого протравленою хімічним реактивом поверхнею.

За допомогою оптичного металографічного мікроскопа досліджують структуру при збільшенні від 50 до 2000 разів, тобто з його допомогою можна розрізнити елементи структури розміром до 0,2 мкм (200 нм).

Дуже дрібні частинки структури вивчають завдяки електронному мікроскопу, де зображення створюється за допомогою швидкого потоку електронів. При цьому спостерігаються частинки структури розміром до 2...5 нм. Електронний мікроскоп на противагу оптичному забезпечує значну глибину різкості зображення при збільшеннях до 100 000 разів.

Розташування атомів у кристалах і відстані між ними визначають шляхом рентгеноструктурного аналізу з використанням рентгенівських променів. Якщо в напрямку потоку цих променів поставити фотопластинку, то посилені промені залишать на ній кільцеві плями, розшифровуючи які, можна встановити тип кристалічної гратки і величину її параметрів. Рентгенівськими променями визначають також дефектність, деформацію кристалічної гратки та орієнтацію зерен.

Тема 1.2. Основні властивості конструкційних матеріалів

Фізичні та хімічні властивості матеріалів

Конструкційні матеріали характеризуються різними властивостями, які визначають якість матеріалів та область їх застосування. За рядом признаків основні властивості матеріалів поділяють на фізичні, механічні, технологічні та хімічні.

Фізичні властивості матеріалу характеризують його будову або відношення до фізичних процесів навколишнього середовища. Всі конструкційні матеріали густиною, теплопровідністю та теплоємкістю. Для металів важливими фізичними характеристиками є температура плавлення та електропровідність. Будівельні матеріали також характеризуються щільністю, гігроскопічністю, морозостійкістю, вогнестійкістю.

Густина матеріалу визначається відношенням маси до об'єму матеріалу в абсолютно щільному матеріалі с.

Таблиця 1.1. Густина та щільність деяких конструкційних матеріалів

Матеріал	Густина, кг/м3	Щільність, кг/м3
Конструкційна сталь Граніт Пісок Керамічна цегла Сосна Поропласт	7850 - 7900 2700 - 2800 2500 - 2600 2600 - 2700 1500 - 1550 1000 - 1200	7800 - 7850 2600 - 2700 1450 - 1700 1600 - 1900 450 - 600 20 - 100

Більшість будівельних матеріалів мають порожнисту будову, тому вони характеризуються щільністю або середньою густиною сm. У щільних матеріалів (сталь, скло, бітум та ін.) густина і щільність практично однакові.

Щільність матеріалу залежить від його порожнистості та вологості. Штучні матеріали, наприклад бетон, можна отримувати з різним степенем порожнистості.

Сипучі матеріали (пісок, цемент, щебінь тощо) характеризуються насипною щільністю.

Основними хімічними властивостями конструкційних матеріалів є хімічна та корозійна стійкість.

Хімічна стійкість - здатність матеріалів протидіяти руйнівній дії лугів, кислот, розчинених у воді солей і газів.

Корозійна стійкість - здатність матеріалів протидіяти корозійному впливу навколишнього середовища. Багато конструктційних матеріалів не мають достатньої корозійної стійкості. Так більшість цементів руйнуються під дією кислот, бітуми не стійкі проти дії розчинів лугів, деревина та вуглецева сталь мають невисоку корозійну стійкість. Найкращу корозійну стійкість мають благородні метали, титан, алюміній та більшість їх сплавів, спеціальні сталі, щільна кераміка та більшість пластмас.

Механічні властивості матеріалів

До механічних властивостей належать міцність, пружність, пластичність, твердість, ударна в'язкість, витривалість, зносостійкість та ін. Від механічних властивостей матеріалу залежить його поведінка при деформації і руйнуванні під дією зовнішніх сил. Для їх визначення зразки металів встановленого розміру і форми піддають випробуванням на спеціальних машинах та приладах у певних умовах. Умови випробувань поділяють на статичні (навантаження на зразок зростають повільно і плавно), динамічні (навантаження зростає з великою швидкістю і має ударний характер) та циклічні (навантаження багаторазово змінюються за величиною і напрямком).

Статичні навантаження при випробуваннях можуть бути розтягувальними та стискувальними. Метали частіше всього випробовують на розтягування, визначаючі межі пружності, плинності і міцності та його пластичність.

Міцність і пластичність металу

Характеристики міцності та пластичності отримують при розтягуванні зразку у вигляді круглого стержня або полоси. На спеціальних машинах записують залежність видовження зразка від навантаження. На основі цих даних будують діаграму залежності відносного видовження зразка д від напруження у.

Вид діаграми суттєво залежить від пластичності матеріалу, що характеризує здатність, не руйнуючись, змінювати форму під дією навантаження і зберігати її після того, як навантаження перестане діяти.

Відрізок ОА діаграмми відповідає пружній деформації металу, коли виконується закон Гука у = Е·д, де Е -- модуль пружності (модуль Юнга).



Рис. 1.4. Діаграма розтягування сталі вою деформацією, частіше 0,001; 0,005; 0,02 і 0,05%.

Напруження, що відповідає граничній пружній деформації в точці А, називають межею пропорційності уа (чи межею пружності). В системі СІ її виражають у МПа. При вищих напруженнях відбувається рівномірна пластична деформація (видовження та звуження поперечного перетину) зразка. Оскільки практично неможливо визначити початок переходу металу в непружний стан, межу пружності встановлюють умовно.

Межу пружності відповідно позначають у0,01; у0,05 і т.д. Ця характеристика важлива для пружинних та інших матеріалів.

Чимало пластичних матеріалів при напруженнях дещо вищих за уа, на діаграмі розтягу мають ділянку, при якій зразок деформується без збільшення навантаження. Напруження, що відповідає цьому стану матеріалу, називають межею плинності і позначають уТ. Напруження, що діють в деталі, повинні бути меншими за межу плинності.

Подальший розтяг зразка супроводжується рівномірним зростанням напруження до ув -- межі міцності (здатності протидіяти руйнуванню під дією зовнішніх сил). Це напруження є найбільшим і відповідає початку великої пластичної деформації невеликої ділянки зразка, що називається шийкою. Саме тут перетин зразка значно зменшується і відбувається руйнування.

Напівкрихкі матеріали руйнуються при напруженнях, що дорівнюють ув,, у крихких -- ділянка плинності відсутня.

За діаграмою розтягу визначають такі характеристики пластичності як відносне видовження д та відносне звуження ш. Відносне видовження характеризує приріст довжини зразка щодо початкової, а відносне звуження -- щодо зменшення площі перетину:

де l1 і l0 -- довжина зразка до і після деформації;

де S1 і S0 -- відповідно площі перетину зразка до і після випробувань. За показниками пластичності визначають придатність матеріалу до пластичної деформації під час обробки тиском, а також здатність його перерозподіляти напруження при перевантаженнях. Ці дані важливі як для конструкторів, так і для технологів. Наприклад, пластичні матеріали більш надійні в роботі, бо при їх застосуванні менша ймовірність небезпечного крихкого руйнування.

Міцність неметалевих матеріалів

Матеріали мінерального походження (камінь, цегла, бетон тощо) добре працюють на стискування, тому їх застосовують у відповідних конструкціях. Міцність таких матеріалів визначається стискуванням зразків певних розмірів на пресах. Межа міцності на стискування визначається як відношення прикладеної до зразка сили до площі поперечного перерізу зразка. За межею міцності для кам'яних матеріалів встановлюється марка (4, 7, 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 800, 1000). Так матеріали з межею міцності на стискування 20 - 29,9 МПа відносяться до марки 200.

Деревинні матеріали також випробовують на розтягування та стискування, визначаючі відповідну межу міцності в МПа.

Міцність залежить також від структури матеріалу, його щільності, вологості, напряму дії прикладеної сили.

Конструкційні матеріали випробовують також на міцність при згинанні зразків певних розмірів. На згин випробовують зразки у вигляді балок, розміщених на двох опорах. До середини балок прикладають певну силу, яка поступово зростає до руйнування зразків. За прикладеною силою і розмірами балки визначають межу міцності на згин. Ця межа міцності в значній мірі залежить від профілю виробу.

Таблиця 1.2. Міцність деяких конструкційних матеріалів

Матеріали	Межа міцності, МПа, при
	стискуванні	згинанні	розтягуванні
Граніт Важкий бетон Керамічна цегла Конструкційна сталь Деревина (за волокнами) Склопластик	150 - 250 10 - 50 7,5 - 30 210 - 600 30 - 65 90 - 150	- 2 - 8 1,8 - 4,4 - 70 - 120 130 - 250	3 - 5 1 - 4 - 380 - 900 55 - 150 60 - 120

Твердість

Статичне стискування металу спеціальним індентором застосовують при визначенні твердості -- здатності металу протидіяти пружним і пластичним деформаціям під час проникнення іншого твердішого тіла. Найчастіше практикуються випробування твердості металів за методами Брінелля, Роквелла та Віккерса.

Визначення твердості за методом Брінелля зводиться до втискання у випробовуваний матеріал сталевої загартованої кульки певного діаметра, на яку діє сила F протягом часу, достатнього для закінчення в металі пластичних деформацій. Вимірюється діаметр відбитка і за таблицями визначається величина твердості (НВ).

Рис. 1.5. Схеми визначення твердості металів за методами:

а - Брінелля; б - Роквелла; в - Віккерса.

По методу Роквелла твердість визначають за глибиною проникнення алмазного конуса чи кульки діаметром 1,6 мм, вираженою в умовних одиницях (НRС, НRА чи НRВ). За методом Роквелла визначають твердість твердих, дуже твердих і м'яких матеріалів. Відповідно використовують алмазний конус з кутом 120° та сумарне навантаження 1,47 кН (шкала С), алмазний конус та сумарне навантаження 0,59 кН (шкала А) та сталеву кульку з навантаженням 0,98 кН (шкала В). Спочатку до індектора прикладають попередню силу F0, під дією якої він заглиблюється в метал на величину h0. Потім плавно додають основну силу F1. За одиницю твердості прийнята величина, що відповідає осьовому переміщенню індентора на 0,002 мм.

Метод Віккерса використовують при визначенні твердості деталей малої товщини та тонких дуже твердих поверхневих шарів металевих деталей. Навантаження при випробуваннях становить 0,05...1,20 кН. Метод мікротвердості використовують при визначенні твердості окремих зерен або дуже тонких шарів металу.

Твердість деревини, бетону також визначають методом втискування в зразок сталевої кульки. Величину твердості визначають за діаметром чи глибиною відбитка.

Твердість природних кам'яних матеріалів визначають за шкалою твердості (метод Мооса), в якій десять спеціально підібраних матеріалів розміщені в такій послідовності, коли наступний по порядку мінерал залишає слід (царапину) на попередньому.

Ударна в'язкість, витривалість та зносостійкість

Основним видом випробувань металів при динамічних навантаженнях є випробування на ударний згин надрізаних зразків стандартизованого розміру. Ударною в'язкістю називають відношення роботи, яка витрачена на руйнування зразка до початкової площі його поперечного перерізу в місці руйнування. Зразок з надрізом встановлюють на маятниковому копрі і наносять удар маятником.

Більшість деталей машин і конструкцій, що працюють при циклічних навантаженнях, руйнуються після певної кількості циклів при напруженнях, нижчих за уТ. Це явище називають втомою. За характеристику міцності металу в таких умовах використовують межу витривалості у-1 -- найбільше напруження, при якому деталь не руйнується після певної кількості циклів навантаження, що називають базою. Для сталі вона становить 107 циклів, а для кольорових металів -- 108. Дослідження проводять на випробувальних машинах, частіше з обертовим зразком.

На зносостійкість конструкційні матеріали випробовують на спеціальних барабанах, що обертаються.

Оскільки при стандартних випробуваннях важко повністю відтворити умови роботи деталі в конструкції чи машині, часто готові деталі додатково випробовують на стендах або в процесі експлуатації. Це хоч і дорого, проте дає змогу приймати обгрунтованіші рішення при виборі матеріалу і способі його зміцнення.

2. Конструкційні метали і сплави

Тема 2.1 Основні положення теорії сплавів. Сплави заліза з вуглецем

Основні поняття про сплави

Чисті метали в більшості випадків не забезпечують необхідного комплексу механічних та технологічних властивостей і тому рідко використовуються для виготовлення деталей. В більшості випадків в техніці використовують сплави.

Сплавом називають речовину, яка складається з двох або більше компонентів.

Більшість сплавів отримують в рідкому стані, однак вони можуть бути одержані також шляхом спікання, електролізу, конденсації з пароподібного стану, тощо. В якості компонентів до складу металевих сплавів можуть входити і неметали (металоїди), але переважати мають метали.

Не всяка сполука компонентів дає сплав. Залізо та свинець, наприклад, в рідкому стані розділяються на два шари, і одержання сплаву цих компонентів стає неможливим.

Необхідною умовою для виготовлення сплавів с взаємна дифузія атомів компонентів. Ця умова найлегше задовольняється тоді, коли компоненти перебувають у рідкому стані і утворюють однорідні розчини на атомному рівні. Під час кристалізації залежно від фізико-хімічних властивостей компонентів їх атоми взаємодіють. Внаслідок такої взаємодії формуються структури у вигляді:

твердого розчину заміщення або проникнення;

хімічної сполуки;

механічної суміші з різнорідних кристалів тощо.

У твердому розчині заміщення атоми розчиненого компонента заміщують частину атомів компонента-розчинника в його кристалічній решітці. Кількість заміщених атомів може змінюватись у широкому діапазоні. Залежно від цього розрізняють тверді розчини з необмеженою і з обмеженою розчинністю. Для утворення таких розчинів необхідно вибрати компоненти, в яких:

- однаковий тип елементарної кристалічної гратки;

- різниця розмірів атомних радіусів не перевищує 8...15 %;

- близька будова валентних атомних рівнів компонентів.

У твердому розчині проникнення атоми розчиненого компонента можуть перебувати в міжатомних порожнинах просторової кристалічної гратки компонента розчинника.

Зважаючи на невеликі розміри порожнин кристалічної гратки металу-розчинника, можна стверджувати, що в них можуть перебувати лише атоми неметалів з малими розмірами (вуглець, водень, бор).

Тверді розчини проникнення бувають тільки обмеженими, концентрація розчиненого компонента в них практично не перевищує 2 %.

Хімічна сполука найчастіше утворюється з елементів, які істотно відрізняються за будовою і властивостями. Співвідношення кількості атомів елементів, що входять до складу сполуки, строго визначене й виражається певною формулою Елементарна кристалічна гратка хімічної сполуки відмінна від кристалічних граток компонентів, що її утворили. Хімічні елементи в ній займають строго визначені положення. Властивості хімічної сполуки істотно відрізняються від властивостей компонентів. Переважно хімічним сполукам властива низька пластичність і висока твердість, яка істотно перевищує твердість компонентів. На відміну від твердих розчинів, хімічні сполуки мають сталу температуру плавлення.

Механічна суміш складається із різнорідних кристалів. Така структура представляє собою дуже дрібну суміш кристалітів (зерен) компонентів. Механічні суміші утворюються у випадках, коли елементи мають обмежену розчинність і не утворюють хімічного з'єднання.

Поняття про системи, фази, компоненти

При вивченні процесів, що відбуваються в сплавах при їх перетворенні, і під час опису їх будови в матеріалознавстві використовують наступні поняття: система, фаза, компонент.

Системою називають сукупність фаз, що знаходяться у рівновазі при певних зовнішніх умовах (температура, тиск). Системи (сплави) бувають прості та складні.

Фазою називають однорідну за хімічним складом, кристалічною будовою та властивостям частину системи, відокремлену від інших частин системи поверхнею розділу. Фазами можуть бути рідкі та тверді розчини, хімічні сполуки. Однофазною системою є, наприклад, однорідна рідина, двофазною - механічна суміш двох видів кристалів.

Компонентами називають речовини, що утворюють систему. Компонентами можуть бути елементи (метали та неметали), а також стійкі хімічні з'єднання.

Діаграма стану сплавів

Діаграмою стану сплавів називають графічне зображення стану сплаву залежно від концентрації та температури. Діаграми стану сплавів слід навчитися розуміти, щоб:

прогнозувати фазові перетворення у сплавах різної концентрації при зміні температури під час технологічних процесів виготовлення або в робочих умовах;

оцінити характер і властивості утворюваних у сплавах при різних температурах рівноважних фаз і структур;

ґрунтуючись на знаннях чинників, які впливають на процеси кристалізації та перекристалізації, передбачати можливі зміни в будові і властивостях сплаву при неминучих відхиленнях від умов рівноважної кристалізації в реальних процесах;

використовувати вплив фазового та структурного стану сплавів на механічні та технологічні властивості при проектуванні кінцевої структури матеріалу деталі.

Діаграми стану сплавів будують за експериментально визначеними критичними точками в сплавах різної концентрації. Методика експериментів ґрунтується на тому, що будь-яке фазове перетворення супроводжується зміною фізико-механічних властивостей (електричного опору, питомого об'єму тощо) або тепловим ефектом. Кристалізація сплаву супроводжується значним виділенням тепла, тому моменти початку чи кінця процесу або перебігу його при сталій температурі на графіках швидкості охолодження -- кривих охолодження -- будуть відповідати перегинам кривої або горизонтальним ділянкам.

Рис. 2.1. Побудова діаграми стану сплавів:

а - експериментальні криві охолодження сплавів I-V;

б - діаграма стану сплавів компонентів X та Y.

Діаграми стану будують в координатах температура-концентрація. Крайні координати відповідатимуть чистим компонентам. На вертикалі концентрації кожного дослідженого сплаву наносять точки, що відповідають температурам початку і кінця кристалізації та алотропічних перетворень, З'єднані критичні точки початку кристалізації дадуть на діаграмі лінію ліквідус, вище якої всі сплави перебувають в рідкому стані. Відповідно точки кінця кристалізації дадуть лінію солідус, нижче якої всі сплави перебувають у твердому стані.

Діаграма стану залізовуглецевих сплавів

Компоненти і фази системи залізо - вуглець

Компонентами залізовуглецевих сплавів є два хімічні елементи -- залізо та вуглець.

Залізо -- сріблясто-білий метал з температурою плавлення 1539 °С і густиною 7,87-103 кг/м3. Йому властива добра пластичність, невисока міцність і низька твердість.

Вуглець може перебувати в сплавах у цементиті Fе3С, у твердих розчинах проникнення, а також у вигляді графіту.

До фаз системи залізо-вуглець належать: рідкий розчин Р, ферит Ф, аустеніт А і цементит Ц.

Рідкий розчин Р -- однорідна рідина, що складається із заліза та вуглецю. Рідкий розчин існує як окрема фаза над лінією ліквідує, а між лініями ліквідус та солідус він перебуває у рівновазі з кристалічною фазою (феритом, аустенітом або цементитом).

Ферит Ф -- твердий розчин проникнення вуглецю в б-залізі. Максимальна розчинність вуглецю у фериті становить 0,02 %. Така незначна розчинність пояснюється малими розмірами порожнин в об'ємноцентрованому кубі заліза проти розмірів атома вуглецю.

Аустеніт А -- твердий розчин проникнення вуглецю в г-залізі з максимальною розчинністю 2,14 % С. Атом вуглецю може перебувати в центрі ГЦК. Аустеніт не магнітний, досить пластичний і має твердість за Брінеллем в межах 170 ... 220.

Цементит Ц -- хімічна сполука заліза з вуглецем Fе3С,
яка відповідає концентрації вуглецю 6,67 %. Твердість цементиту дуже висока (800 НВ), його температура плавлення становить 1260 °С.

Перліт П - механічна суміш (евтектоїд) ферриту та цементиту, яка утворюється при евтектоїдному розпаді аустеніту (0,8% С).

Ледебурит Л (4,3% С) - механічна суміш (евтектика) аустеніту або перліту та цементиту. Нижче 727 оС аустеніт перетворюється у перліт, при цьому утворюється суміш перліту та цементиту.

Діаграма стану залізо - вуглець

Діаграма стану залізо-вуглець охоплює залізовуглецеві сплави, які містять від 0 до 6,67 % С. Сплави з концентрацією вуглецю, що перевищує 6,67 %, практично не використовуються через їхні незадовільні механічні властивості.

Діаграму залізо -- вуглець характеризує структурні перетворення, які відбуваються в залізовуглецевих сплавах при їх охолодженні. По лінії ліквідус АСD маємо початок, а на лінії солідус АЕСF -- кінець кристалізації. Тут на ділянці АС лінії ліквідує рідкий розчин переходить в аустеніт, а на ділянці СD -- у цементит первинний Ц1. Кристалізація аустеніту закінчується на ділянці АE лінії солідус.

При температурі 1147 °С (лінія ЕСF) з рідкого розчину Р концентрації складу точки С (4,3 % С) утворюється дрібна механічна суміш - ледебурит.

Отже, на лінії солідус закінчується первинна кристалізація і нижче від цієї лінії починається вторинна кристалізація. Вторинна кристалізація зумовлена поліморфізмом заліза та температурною зміною розчинності вуглецю в аустеніті. На лінії GS аустеніт перетворюється у ферит.

Розчинність вуглецю в аустеніті і фериті залежить від температури. Зі зниженням температури від 1147 °С (точка Е) до 727 °С (точка S) максимальна розчинність вуглецю в аустеніті зменшується від 2,14 до 0,8 %. Вуглець виділяється із г-заліза з утворенням вторинного цементиту ЦІІ. Таке перетворення називають евтектоїдним (розпад твердого розчину). В результаті цього розпаду утворюється дуже дрібна двофазова феритно-цементитна структура фериту і цементиту, яка називається перлітом П. Це перетворення завершується по лінії PSK.

Рис. 2.2. Діаграма стану залізовуглецевих сплавів

Р - рідкий сплав; А - аустеніт;П - перліт; Ф - ферит;

Ц - цементит; Л - ледебурит

Залізовуглецеві сплави з концентрацією вуглецю до 2,14 % називають сталями. За структурою у рівноважному сталі розрізняють доевтектоїдні, евтектоїдні та заевтектоїдні сталі.

Доевтектоїдні сталі містять до 0,8 % вуглецю і мають феритно-перлітну структуру у вигляді світлих зерен фериту і темних зерен перліту.

Евтектоїдна сталь містить 0,8 % вуглецю, її структура - зерна перліту, що складаються здебільшого із пластинок цементиту та фериту. Пластинки цементиту порівняно тонші й світліші.

Заевтектоїдні сталі містять від 0,8 до 2,14 % вуглецю. В структурі цих сталей є зерна перліту темного кольору і тонка світла мережа вторинного цементиту по границях зерен перліту.

Залізовуглецеві сплави з концентрацією вуглецю від 2,14 до 6,67 % називають чавунами. Якщо весь вуглець у чавунах перебуває у вигляді хімічної сполуки Fe3C, то такі чавуни називають білими. В структурі білих чавунів наявний ледебурит, що утворився на лінії ECF під час евтектичної реакції. Чавуни, розташовані зліва від точки С, по закінченні первинної кристалізації мають структуру первинного аустеніту та ледебуриту, а відповідно чавуни справа від точки С -- структуру первинного цементиту і ледебуриту. Під час охолодження в інтервалі температур від 1147 °С (лінія ЕСF) до 727 °С (лінія PSK) гранична розчинність вуглецю в аустеніті зменшується від 2,14 % до 0,8 % з утворенням вторинного цементиту.

За структурою білі чавуни поділяються на:

- евтектичні (4,3 % С) з структурою - ледебурит;

- доевтектичні (2,14...4,3 % С), структура : перліт + вторин- ний цементит + ледебурит;

- заевтектичні (4,3…6,67 % С), структура: первинний цементит + ледебурит.

Тема 2.2 Виробництво чавуну і сталі

Виробництво чавуну

Залізні руди, флюси, паливо та вогнетривкі матеріали

Чавун - це сплав заліза з вуглецем (2,14 - 6,67%). Крім заліза і вуглецю в чавуні завжди є кремній, марганець, фосфор та сірка. Чавун використовується для виготовлення відливків та переробки в сталь.

Основним способом отримання чавуну є плавка в доменній печі. Для цього використовують залізні та марганцеві руди, флюси, паливо і повітря.

Залізні руди складаються з хімічних сполук заліза та породи. Найбільш поширеними залізними рудами є магнітний залізняк Fe3O4, червоний залізняк Fe2O3, бурий залізняк 2Fe2O3·3Н2О і шпатовий залізняк FeСO3. Руди містять 30 - 60 % заліза.

Флюси застосовуються для оплавлення тугоплавкої пустої породи і золи з утворенням легкоплавких шлаків, які легко витікають з доменної печі. Флюси також частково переводять в шлак сірку. Шлаки легші за метал, тому захищають його від атмосфери печі. Флюси поділяють на основні та кислі. До основних флюсів відносяться вапняк CaCO3 та доломіт CaMg(CO3)2. До кислих флюсів відноситься кварцовий пісок.

В якості палива в доменному процесі використовується кокс. Кокс отримують сухою перегонкою коксівного вугілля без доступу повітря при температурі 900 - 1050єС.

Метали виплавляються в печах при високих температурах. Тому внутрішні стінки печей, ковшів, пристроїв для транспортування рідкого металу викладають вогнетривкими матеріалами. Вогнетривкі матеріали мають витримувати високі температури, мають протистояти хімічній взаємодії з металом, шлаком та пічними газами. По хімічному складу вогнетривкі матеріали поділяються на основні, кислі та нейтральні.

Динас є кислим вогнетривом, містить до 96% SiO2 , має вогнетривкість 1700 - 1710єС. Динасовою цеглою футерують печі, які працюють з кислими шлаками, де багато SiO2 .

До основних вогнетривів відносяться магнезит (MgO), хромомагнезит (MgO і Cr2O3) та доломіт (MgO і СаО).

До нейтральних вогнетривів належать шамот, який отримують з вогнетривкої глини.

Доменне виробництво

Доменна піч у вигляді металевої оболонки із сталевих листів товщиною до 35 мм, футерована зсередини вогнетривкими матеріалами, у висоту може сягати до 35 м, в діаметрі -- до 9 м, корисний об'єм -- до 5000 м3. Для виплавлення чавуну в домну завантажують шихту -- суміш певного співвідношення руди (збагаченої), палива і флюсів. Окремі порції шихти називають колошами. Колоші з бункера 1 вагонеткою 2 подаються піднімачем 3 до відносно загерметизованого засипного апарата 4, що з'єднаний з колошником 6. У засипний апарат вмонтовані труби 5 для контрольованого випуску колошникового газу. Із колошника шихта потрапляє в шахту 7, яка має форму зрізаного конуса, що розширюється донизу, сприяючи опусканню шихти внаслідок її розплавлення. У шахті відбуваються відновлення заліза та інших елементів, навуглецювання заліза і плавлення сплаву, що утворився. У нижній частині шахта переходить у циліндричний розпар 8, в якому плавляться і перетворюються у шлак пуста порода руди, флюси та зола палива. Під розпаром розташовані заплечики 9, що мають форму конуса, розширеного догори, бо об'єм сировинних матеріалів у зв'язку з розправленням різко зменшується. У твердому стані залишаються лише паливо та частина флюсу. Нижня частина печі -- горн 11. У верхній частині циліндричного горна по периметру розташовані фурми 10, через які в піч вдувається нагріте до 1100...1200°С повітря. Для цього його пропускають через нагріті спаленим колошниковим газом повітронагрівачі 14. Нижче від фурм розташована шлакова льотка 12, а на рівні дна горна, що називається подом, -- чавунна льотка (отвір) 13. Відпрацьовані гази, що нагріли повітронагрівач, відводяться в димар 15. Температура в печі неоднакова і зменшується від 1800°С в зоні фурм до 150...200°С в зоні колошника. Внутрішня поверхня металевого корпуса печі облицьована вогнетривкою цеглою, товщина шару якої контролюється спеціальними приладами. У нижню частину шахти вмонтовані рідинні холодильники.

Для успішного перебігу доменного процесу необхідно створити таку кількість тепла і таку температуру в різних зонах по висоті печі, щоб усі хімічні реакції відбувались в потрібний час і в потрібному місці. Іншим завданням є створення умов для утворення шлаку лише після закінчення відновлення заліза і необхідних домішок.

Отримувані при згорянні коксу тепло і вуглекислий газ, піднімаючись вгору, нагрівають шихту, що складається з прошарків руди, палива і флюсу. Взаємодія вуглекислого газу з нагрітим коксом утворює відновний газ СО, який вступає в реакцію з оксидами заліза руди і відновлює його в послідовності:

Fе2О3 > Fе3О4 > FеО > Fе

Рис. 2.3. Схема доменного виробництва

Відновлене в доменній печі залізо являє собою твердий і пористий продукт -- губчасте залізо. Водночас з відновленням заліза відбувається відновлення з шихти кремнію, марганцю, сірки та фосфору. Вони відновлюються переважно твердим вуглецем. Під час реакції поглинається тепло при високих (1200...1300°С) температурах. При температурах 900...1000°С оксид вуглецю вступає в реакцію з чистим залізом і утворюється карбід заліза Fе3С-- цементит, який розчиняється в залізі і сприяє його навуглецюванню. Навуглецьоване до 1,8...2,0% С залізо має низьку (1150...1200°С) температуру плавлення і, розплавляючись, стікає краплями в горн. Контактуючи з кусками розжареного коксу, воно додатково насичується вуглецем.

Таким чином, на поді доменної печі накопичується рідкий сплав заліза з вуглецем, кремнієм, марганцем, сіркою та фосфором -- чавун. Для одержання 1 т чавуну витрачають 1,8 т руди, 0,7...0,8 т коксу, 0,25…0,40 т флюсу.

Продукти доменного виробництва.

Головним продуктом доменного виробництва є чавун, а побічними - шлак та доменний газ. Чавуни, що виплавляються в доменній печі поділяють на переробні, ливарні та феросплави.

У переробному або білому чавуні значна частина вуглецю знаходиться у вигляді сполуки Fe3С, яка робить чавун дуже твердим та крихким. Переробний чавун призначений для отримання сталі, він містять до 1% марганцю, 4,0…4,5% вуглецю, 0,6…0,8 кремнію, 0,3% фосфору, 0,07% сірки.

Ливарний або сірий чавун має підвищений вміст кремнію (до 4%). Частина вуглецю знаходиться у вигляді вільного графіту. Використовується для отримання відливок.

Шлак складається з оксидів кремнію, кальцію, алюмінію, магнію, марганцю і заліза та сульфідів металів. На 1 т чавуну утворюється 0,3 - 0,6 т шлаку. Використовується при виробництві цементу, шлакоблоків, шлаковати, бруківки тощо.

Доменний газ після очистки використовується в повітрянагрівачах, коксових батареях, котлах тощо. При виробництві 1 т чавуну утворюється до 3000 м3 газу.

Найважливішими техніко - економічними показниками роботи доменної печі є коефіцієнт використання корисного об'єму та питома витрата коксу. КВКО показує відношення корисного об'єму печі (м3) до середньодобової продуктивності (т). Цей показник в Україні становить 0,55 - 0,60.

Питома витрата коксу характеризується відношенням витрати коксу за добу до середньодобового виробництва чавуну. В Україні цей показник становить 500 кг/т.

Виробництво сталі

Сталь, як і чавун, представляє собою сплав заліза з вуглецем та іншими домішками, але відрізняється від нього меншим їх вмістом. Тому отримання сталі з чавуну зводиться до оксидування домішок чавуну до необхідних меж киснем повітря або чистим киснем. Основними способами отримання сталі є конверторний, мартенівський та в електропечах. Виробництво сталі зростає у всьому світі. Зараз щороку виплавляють понад 830 млн. т. сталі. Україна посідає сьоме місце серед виробників сталі.

Конверторний спосіб виробництва сталі

Для отримання сталі застосовують бессемерівський, томасівський та кисневий конвертори. В передових країнах зараз застосовують тільки кисневі конвертори, які почали впроваджуватись в 1954 році. В цілому в світі кисневі конвертори дають зараз близько 60% сталі.

Кисневий конвертор має сталевий корпус грушоподібної форми, обкладений зсередини вогнетривкою цеглою. Конвертор опирається на дві опори і може повертатись навколо горизонтальної осі для завантаження скрапу, наливання чавуну, насипання флюсу і залізної руди, виливання сталі та шлаку. Конвертор вміщує від 100 до 400 т рідкого чавуну.

Матеріалами для киснево-конверторного процесу служать: рідкий переробний чавун (понад 70%), скрап (до 25%), залізна руда (до 10%), вапно СаО та плавиковий шпат для розрідження шлаку.

В конвертор заливають чавун з температурою 1300 - 1450єС, насипають скрап, руду, вапно та плавиковий шпат і через вертикальну фурму, яка охолоджується водою, вдувають кисень під тиском 0,9 - 1,4 МПа. Продування киснем триває 12 - 25 хв.

При вдуванні кисню відбувається оксидація заліза

2Fе + О2 = 2FеО

Оксид заліза розчиняється у металі і реагує з кремнієм, фосфором та марганцем:

2FеО + Si = 2Fе + SiO2

5FеО + 2P = 5Fе + P2O5

FеО + Mn = Fе + MnO

Оксиди SiO2 та MnO випливають на поверхню металу і утворюють шлак. Фосфорний ангідрид реагує з оксидом кальцію, утворюючи фосфід кальцію, який також переходить в шлак.

P2O5 + 3СаО = (СаО)3 · P2O5

З підвищенням температури активізується оксидація вуглецю та переведення сульфіду заліза в сульфід кальцію, який переходить в шлак:

FеО + С = Fе + СO

FeS + CaO = FeO + CaS

Бульбашки СО, піднімаючись вгору, добре перемішують вміст ванни, але внаслідок цього в майбутньому зливку залишаються безліч порожнин, заповнених СО. Така сталь називається киплячою. Ці порожнини можуть спричинити крихке руйнування при низьких температурах. Тому під час випуску сталі в ковші проводиться дезоксидація сталі спочатку марганцем, потім кремнієм та наприкінці - алюмінієм:

FеО + Mn = Fе + MnO

2FеО + Si = 2Fе + SiO2

3FеО + 2Al = 3Fе + Al2O3

В результаті дезоксидації отримують спокійні та напівспокійні сталі.

Коли виплавляють леговані сталі, легуючі елементи вводять до їх складу у вигляді феросплавів або чистих металів під час виплавлення або в ківш.

Цей спосіб забезпечує високу продуктивність та не вимагає палива, але значна частина металу вигоряє і для процесу необхідно до 80% рідкого чавуну.

Виробництво сталі в електропечах

В електропечах виробляють високоякісні конструкційні, інструментальні та спеціальні сталі з мінімальним вмістом шкідливих домішок і неметалевих вкраплень. Електропечі поділяють на дугові та індукційні. Зараз в електропечах отримують до 35% світової сталі.

Електродугова піч складається із сталевого корпусу з вогнетривкою футерівкою. Корпус накритий склепінням з трьома отворами для графітизованих електродів. Джерелом тепла є електрична дуга, що горить між електродом і шихтою. Електроди автоматично опускаються, забезпечуючи необхідну дугу. Піч має отвір для виливання сталі та вікно для контролю за процесом і для завантаження флюсу, феросплавів та легуючих елементів. Для прискорення оксидації вуглецю, кремнію та марганцю розплавлений метал продувають киснем. Місткість дугових печей доходить до 400 т.

В індукційних електропечах змінний струм індуктора збуджує в металевій частині шихти потужні вихрові струми, які нагрівають і розплавляють шихту. В таких печах виплавляють дуже якісні жаростійкі, жароміцні та інші сталі.

Індукційна тигльова піч складається з тигля, навколо якого намотаний індуктор з мідної труби, охолоджуваної водою. Тигель виготовляється з вогнетривких порошків, скріплених зв'язкою. Тигель завантажується шихтою і закривається кришкою. Рідкий метал виливається у розливний пристрій при нахилянні печі.

Позадоменне рафінування сталі

Останнім часом постійно зростають вимоги до чистоти сталі щодо оксидів, сульфідів і розчинених газів. Очищення сталі частіше всього проводять після виливання з доменної печі в ківш. Основними способами такого очищення є обробка рідкої сталі в ковші синтетичним шлаком, вакуумування сталі та продування її інертним газом.

Обробка сталі синтетичним шлаком полягає в тому, що спочатку на дно ковша засипають синтетичний шлак, а потім заливають розплавлену сталь. Цей шлак складається із 55% СаО, 40% Al2O3, решта - SiO2, MgO, FеО і готується в електропечі. Шлак добре перемішується з металом, зменшує вміст сірки і виносить на поверхню неметалеві домішки.

Вакуумна дегазація проводиться в спеціальній камері, куди ставлять ківш з металом. В камері знижується тиск і на поверхню металу бурхливо виходить азот, водень і оксид вуглецю, захоплюючи з собою неметалеві домішки.

Продування рідкої сталі інертним газом (частіше всього аргоном) через пористі вогнетривкі блоки в дні ковша сприяє виходу на поверхню металу водню та азоту та винесенню неметалевих вкраплень.

Розливання сталі

Виплавлена сталь з печі або конвертора виливається в ківш і недовго відстоюється для вирівнювання хімічного складу, дегазації і вилучення неметалевих вкраплень. Ківш має сталевий корпус, футерований шамотом або магнезитом. В дні є отвір для виливання сталі. Отвір закритий металевим стопором, захищеним вогнетривами. Ківш містить від 5 до 400 т. сталі і транспортується мостовим краном. З ковша сталь виливають в машини безперервного литва або в спеціальні металеві форми - виливниці. Після кристалізації отримують зливки, які переважно подаються на прокатування.

Виливниця частіше всього виготовляється з чавуну і має квадратну, прямокутну або круглу форму. Маса зливків від 1 до 12т., інколи до 300т. Метал у виливниці заливають зверху або сифонним способом. При розливанні зверху сталь розбризкується, бризки прилипають до поверхні виливниці, покриваються оксидною плівкою і не переходять у зливок. Перед прокатуванням їх потрібно вирізувати.

При сифонному розливанні сталь з центрального ливника по каналах надходить одночасно у всі виливниці. Поверхня зливків якісніша, але витрачається метал на ливникову систему. Так отримують дрібні та середні зливки.

...