17.8.2. Чугуны

Применяемые для отливок чугуны имеют следующий химический состав (%): С = 2…4; Si = 1,5…4,0; Мn = 0,60…1,25; Р = 0,1…1,2; S ≤ 0,06.

Чугуны подразделяют на бе­лые, серые и ковкие.

Белые чугуны в строительстве практически не применяются. Весь углерод в белых чугунах находится в связанном состоянии в виде цементита. Белые чугуны очень твердые и хрупкие. В основном эти чугуны идут на переплавку в сталь или используются для полу­чения ковкого чугуна.

Ковкие чугуны — разновидность чугунов, полу­чаемая путем длительного (до 80 ч) выдерживания белых чугунов при высокой температуре. Такая термическая обработка на­зывается томлением. При этом цементит распадается, и выделившийся при его распаде графит образует хлопье­видные включения, равномерно рассеянные в массе фер­рита. Ковкие чугуны наиболее пластичны из всех видов чугунов. Из ковких чугунов изготовляют элементы строи­тельных конструкций, в том числе и таких ответственных, как опорные части железобетонных балок, ферм, башма­ки под колонны, тюбинги для тоннелей метрополитена и др.

Серые (литейные) чугуны обладают хорошими литейными качествами (жидкотекучестью), мягкостью, хорошо обрабатываются, сопротивляются из­носу. Серые чугуны с высоким содержанием фосфора (0,3…1,2 %) используются для художе­ственного литья. Установлены следующие марки отливок из серого чугуна: СЧ 00, СЧ 120…280, СЧ 150…320, СЧ 180…360, СЧ 210…400, СЧ 240…440, СЧ 280…480, СЧ 320…520, СЧ 360…560, СЧ 400…600, СЧ 440…640. «СЧ» обозначает серый чугун. Первое число показывает предел прочности (в МПа) при испытании на разрыв, а второе – предел прочности при испытании на изгиб. Чугун марки СЧ 00 не испытывается.

Кроме указанных чугунов применяются легированные чугуны, которые наряду с обычными примесями содержат легирующие элементы: хром, никель, титан и др. Эти элементы улучшают твердость, прочность, износоустойчи­вость, сопротивление ржавлению и т. д.

17.8.3. Цветные металлы и сплавы

На долю цветных металлов приходится всего лишь 5 % мирового производства металлов. Это объясняется их небольшим содержанием в земной коре, малым со­держанием в рудах, а также сложностью производства.

В строительстве из цветных металлов и сплавов из­готовляют легкие конструктивные элементы, теплообменные аппараты, электрооборудование, химически- и огнестойкие конструкции и т. д. Большое количество цвет­ных металлов и их сплавов используют в строительных машинах, оборудовании и инструментах. Широко при­меняемые цветные металлы называют техническими. К ним относятся медь, алюминий, магний, титан, ни­кель, свинец, цинк, олово. Остальные цветные металлы относятся к редким. В чистом виде цветные металлы при­меняют редко. Большое распрост­ранение получили сплавы на основе меди (латуни и бронзы) и алюминия.

Латунь – сплав меди с цинком. Кроме двухкомпонентной латуни, в промышленности применяют спла­вы, содержащие Al, Pb, Ni, Sn, Mn: томпак Л96 и Л90, полутомпак Л80 и Л85, алюминие­вая латунь ЛА77-2, марганцовистая латунь ЛМц58-2, железомарганцовистая ЛЖМц59-1-1 и никелевая латунь ЛН65-5.

Бронза – это сплав меди с оловом, марганцем, алю­минием, никелем, кремнием, бериллием и другими эле­ментами (кроме цинка). Бронза маркируется буквами Бр, а далее сле­дуют буквы и цифры, показывающие содержание леги­рующих элементов. Содержание меди определяется по разности между 100 % и общим процентным содержани­ем остальных элементов. Например, бронза марки БрОЦС 8-4-3 содержит 8 % Sn, 4 % Zn, 3 % Pb и 85 % Сu. Различают бронзы оловянистую (устойчива против действия атмосферы, морской воды, растворов солей и кислот), алюминиевую (очень прочна, химически стойка, обладает антифрикционными свойствами), кремнистую (хорошо работает в условиях трения и высокой темпе­ратуры) и бериллиевую (искробезопасна).

Алюминиевые сплавы можно разделить на две основные группы: деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы подразделяются на сплавы, упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. Деформируемые сплавы хорошо подвергаются прессова­нию, прокатке, гибке, вальцовке.

Термической обработкой не упрочняются однофазные сплавы, состоящие из однородного твердого раствора. Эти сплавы характеризуются большей, чем у алюминия, прочностью и высокой пластичностью. Из деформируемых алюминиевых сплавов, не упрочняемых термообработкой, наибольшее рас­пространение нашли сплавы алюминия с марганцем и алюминия с магнием.

Сплавы алюминия с магнием имеют высокую сопро­тивляемость коррозии и хорошую свариваемость. Алю­миниево-магниевые сплавы применяют обычно при тем­пературе не выше 150 °С, так как прочность их значи­тельно уменьшается с повышением температуры.

Деформируемые не упрочняемые термической обра­боткой сплавы системы Аl…Мn содержат 1,0…1,6 % мар­ганца (АМц). Примесями в этих сплавах являются же­лезо и кремний. Железо образует хрупкое химическое со­единение в сплаве, снижающее пластические свойства. Кремний является положительной примесью, так как связывает железо в более пластичные химические соеди­нения. Алюминиево-марганцевые сплавы обладают высо­кой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и большей, чем у чистого алюминия, прочностью, но меньшей, чем у магналия.

Сплавы системы А1–Сu–Mg называются дуралюминами. Для упрочнения они подвергаются закалке при температуре 500 °С и естественному старению при ком­натной температуре в течение 5…7 дней. Для повышении коррозионной стойкости дуралюмины плакируют чис­тым алюминием. Наибольшей прочностью обладают дур­алюмины после закалки и старения.

Деформируемые термоупрочняемые сплавы системы Al–Mg–Si отличаются высокой технологичностью, хо­рошей коррозионной стойкостью, достаточно высокими прочностными характеристиками, способностью к цвет­ному анодированию, эмалированию.

Литейные сплавы алюминия характеризуются наличи­ем в структуре эвтектики, повышающей их жидкотекучесть и другие литейные свойства. Увеличение количества эвтектики в структуре сплава выше 10…15 % по объему ухудшает механические и некоторые технологические свойства. Поэтому количество эвтектики в литейных сплавах ограничивают.

Магний – самый легкий из всех применяемых в тех­нике металлов, его плотность 1,74 г/см³, температура плавления 650 °С. В литом состоянии предел прочности σ_b = 100…120 МПа, пластичность δ = 3,6 %. Чистый маг­ний имеет малую устойчивость против коррозии. В промышленности магний используется в виде сплавов с алюминием, марганцем, цинком и другими металлами. Все магниевые сплавы хорошо обрабатываются резани­ем и имеют сравнительно высокую прочность (σ_b = 200…400 МПа, δ = 6…20 %).

Титан обладает высокими механическими характери­стиками при малой плотности. У технически чистого ти­тана σ_b = 450…650 МПа, δ =15…30 %. Плотность титана 4,5 г/см³, температура плавления 1660 °С. Титан прак­тически не подвергается коррозии в атмосфере, пресной и морской воде. Он устойчив против кислотной и газовой коррозии до температуры 350 °С. Технический титан применяют как коррозионно-стойкий материал. Например, обелиск в честь покорения космоса в Москве облицован листами из чистого титана. Титановые сплавы применяют для несущих конструк­ций. Обязательный компонент титановых сплавов – алюминий. В сплавах его содержится до 6,5 %. Титан с алюминием образует твердый раствор замещения, проч­ность которого выше прочности титана. Кроме того, алю­миний повышает коррозионную стойкость титана. Из других элементов в состав титановых сплавов вводят чаще других марганец, хром, молибден, ванадий.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется металлами?

2. Что называются сплавами?

3. Разновидности черных металлов.

4. В чем отличие углеродистых сталей от легированных сталей?

5. Какие свойства металлов относят к механическим?

6. Какие свойства металлов относят к технологическим?

7. Назовите виды кристал­лических решеток?

8. Какие виды физико-хими­ческой связи действуют в металлах?

9. Виды дефектов в кристаллах по геометрическим признакам.

10. Виды дислокаций в кристаллах по геометрическим признакам.

11. Когда возникают дефекты кристаллического строения в металлах?

12. Какой процесс называется кристаллизацией?

13. От чего зависят размеры зерен кристаллической решетки?

14. Какое свойство называют аллотропией?

15. Как образуются механические смеси?

16. Основные структуры, составляющие диаграмму железоуглеродистых сплавов.

17. С какой целью вводятся флюсы при выплавке чугуна?

18. Преимущества и недостатки всех способов производства стали?

19. Перечислите виды термической обработки стали?

20. Чем сопровождается пластическая деформация металлов?

21. Какие технологические факторы оказывают существенное влияние на предел текучести и дефор­мационное упрочнение стали?

22. Назовите виды чугунов и их отличие друг от друга.

23. Перечислите технические цветные металлы?

Тест для самоконтроля

1. Чем обусловлены характерные признаки металлов?

1. Их аморфным строением.

2. Химическими связями и аморфным строением.

3. Химическими связями и кристаллическим строением.

4. Электронными межатомными связями и кристаллическим строением.

2. Входящие в состав сплава элементы или вещества находятся

1. В одной из двух видов связи.

2. В одной из трех видов связи.

3. В двух из трех видов связи.

4. В двух из четырех видов связи.

3. Черные металлы в зависимости от содержания в них углерода подразделяются:

1. На стали, сплавы и чугуны.

2. На сплавы и чугуны.

3. На стали и чугуны.

4. На стали, чугуны и дюралюмины.

4. Электропроводность, магнитность относятся

1. К механическим свойствам металлов.

2. К технологическим свойствам металлов.

3. К химическим свойствам металлов.

4. К физико-химическим свойствам металлов.

5. Какой размер имеют точечные дефекты в кристаллах?

1. Такой же как и атомы слагающие кристаллическую решетку.

2. Обладают сечением порядка атома и одним протяженным размером.

3. Обладают размерами включений, входящих в состав кристаллической решетки.

4. Обладают размерами молекул.

6. От чего зависит размер зерен в кристаллической решетке?

1. Только от природы металла.

2. Только от условий кристаллизации.

3. От наличия и количества примесей в металле.

4. От природы металла и условий кристаллизации.

7. Что такое аллотропия?

1. Температура, при которой металл переходит из жидкого состояния в кристаллическое состояние.

2. Выделение или поглощение теплоты при переходе металла из жидкого состояния в кристаллическое состояние.

3. Способность одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру.

4. Температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое состояние.

8. Как образуются механические смеси?

1. Образуются путем срастания кристаллов между собой при раздельной кристаллизации компонентов.

2. Образуются в результате проникновения в кристаллическую решетку основного металла атомов другого металла или неметалла.

3. Образуются в результате химического взаимодействия компонентов, при этом атомы располагаются в строгом порядке и количественном соотношении.

4. Образуются в результате смешения компонентов расплава черных металлов.

9. Чему соответствуют все линии на диаграмме «железо-углерод»?

1. Содержанию углероду в сплаве.

2. Содержанию цементита в сплаве.

3. Критическим точкам.

4. Линиям перекристаллизации сплава.

10. Как изменится твердость и прочность сплавов с изменением количества в них углерода?

1. С увеличением содержания углерода снижаются твердость и прочность.

2. С уменьшением содержания углерода повышаются твердость и прочность.

3. С увеличением содержания углерода увеличиваются твердость и прочность.

4. С уменьшением содержания углерода твердость и прочность не изменяются.

11. В результате какого процесса получают чугун в доменных печах?

1. Чугун получают в результате окисления железа из руд.

2. Чугун получают в результате восстановления железа из руд.

3. Чугун получают в результате нейтрализации железа из руд.

4. Чугун получают в результате расплавления стали.

12. В чем заключается процесс выплавки стали?

1. В уменьшении количества углерода и примесей в чугуне путем окисления их кислородом воздуха.

2. В уменьшении количества углерода и примесей в чугуне путем их восстановления кислородом воздуха.

3. В переплавке железных руд.

4. В увеличении количества углерода в чугуне.

13. Какая из видов сталей имеет лучшую свариваемость?

1. Кипящая сталь.

2. Спокойная сталь.

3. Полуспокойная сталь.

4. Низкоуглеродистая сталь.

14. Какие из сталеплавильных агрегатов считаются наиболее совершенными?

1. Мартеновские печи.

2. Конверторные печи.

3. Кислородно-конверторные печи.

4. Электрические печи.

15. Для чего производится отжиг стали?

1. Отжиг стали производится с целью повышения твердости и снижения пластичности и вязкости.

2. Отжиг стали производится с целью уменьшения твердости и повышения пластичности и вязкости.

3. Отжиг стали производится с целью повышения свариваемости.

4. Отжиг стали производится с целью повышения ковкости.

16. Что такое полный отжиг стали?

1. Нагрев до температуры выше нижних критических точек на 30…50 ^оС, выдержка при этой температуре с последующим медленным охлаждением.

2. Нагрев до температуры выше верхних критических точек на 30…50 ^оС, выдержка при этой температуре с последующим медленным охлаждением.

3. Нагрев до температуры выше верхних критических точек на 30…50 ^оС, выдержка при этой температуре с последующим очень быстрым охлаждением.

4. Нагрев до температуры ниже верхних критических точек на 30…50 ^оС, выдержка при этой температуре с последующим медленным охлаждением.

17. Какая из сталей обладает меньшей чувствительностью к старению?

1. Низкоуглеродистая сталь.

2. Легированная сталь.

3. Углеродистая сталь.

4. Низколегированная сталь.

18. Что такое неполный отжиг стали?

1. Нагрев до температуры выше нижних критических точек на 30…50 ^оС, выдержка при этой температуре с последующим медленным охлаждением.

2. Нагрев до температуры ниже верхних критических точек на 30…50 ^оС, выдержка при этой температуре с последующим медленным охлаждением.

3. Нагрев до температуры выше верхних критических точек на 30…50 ^оС, выдержка при этой температуре с последующим медленным охлаждением.

4. Нагрев до температуры выше верхних критических точек на 30…50 ^оС, выдержка при этой температуре с последующим очень быстрым охлаждением.

19. Что такое закалка стали?

1. Нагрев до температуры ниже верхних критических точек на 30…50 ^оС, выдержка при этой температуре с последующим медленным охлаждением.

2. Нагрев до температуры выше нижних критических точек на 30…50 ^оС, выдержка при этой температуре с последующим медленным охлаждением.

3. Нагрев до температуры выше верхних критических точек на 30…50 ^оС, выдержка при этой температуре с последующим медленным охлаждением.

4. Нагрев до температуры выше верхних критических точек на 30…50 ^оС, выдержка при этой температуре с последующим очень быстрым охлаждением.

20. Что оказывает существенное влияние на предел текучести и деформационное упрочнение?

1. Состав стали.

2. Температура нагрева и скорость деформации.

3. Температура нагрева.

4. Температура нагрева, скорость деформации и размер зерна.

21. В результате чего происходит переход упругой деформации в пластическую деформацию?

1. В результате перегрева стали.

2. В результате релаксации напряжений.

3. В результате наклепа.

4. В результате переохлаждения стали.

22. В каком из чугунов углерод находится в связанном состоянии?

1. В белом чугуне.

2. В сером чугуне.

3. В ковком чугуне.

4. В ферросплавах.

23. Как называется сплав меди с цинком?

1. Бронза. 2. Магналий. 3. Латунь. 4. Дюралюмин.