Модуль 2. Конструкционные материалы

1. Сплавы железа.

Сплавами называют материалы, состоящие из нескольких химических элементов, из которых хотя бы один является металлом.

В металлургии железо и все его сплавы называют чёрными металлами.

Все сплавы железа разделяют на стали и чугуны.

В чистом виде железо слишком мягкое, поэтому для повышения прочности в него вводят углерод. И в зависимости от его содержания сплавы железа делятся на стали и чугуны. Если углерода в сплаве содержится более 2,14%, то такой сплав называется чугуном. А если менее 2,14%, то это сталь.

Чугун

Обычно чугун содержит 2,5-4% углерода, 0,2-1,5% марганца, 1-4,5% кремния, примеси фосфора и серы.

По своей структуре чугуны делятся на белые и серые.

В белых чугунах большая часть углерода находится в виде цементита (карбида железа Fe₃C). Такие чугуны очень твёрдые и хрупкие. Применяют их для изготовления деталей и конструкций, не требующих дальнейшей обработки.

В серых чугунах углерод содержится в виде структурного свободного графита. В изломе такой чугун имеет серый цвет. Он хорошо сваривается и обрабатывается режущими инструментами.

Очень давно, когда чугун только научились получать, его считали отходом производства, так как из-за его хрупкости из него нельзя было ковать изделия. Но позже расплавленный чугун научились заливать в формы и стали получать готовые чугунные изделия: пушечные ядра, посуду, решётки и др.

Получают чугун в доменных печах из железной руды. В состав железной руды входят оксиды железа. При плавке происходит их восстановление углеродом. В результате получается расплавленный металл с высоким содержанием углерода (чугун) и шлаки. Так как плотность чугуна в 2,5 раза выше плотности шлака, то он легко отделяется от шлаков.

Чугун выпускают для дальнейшей переделки в сталь и для литейного производства в чугунолитейных цехах.

Из чугуна изготавливают детали двигателей, цилиндры, втулки, станины, решётки, люки, тормозные колодки и др.

Сталь

Сплав железа с углеродом, в котором углерода содержится не более 2,14%, называют сталью.

По своему химическому составу различают сталь углеродистую и сталь легированную.

Углеродистая сталь, кроме углерода, содержит примеси кремния, серы и фосфора. Эта сталь имеет низкие электротехнические свойства, невысокую прочность. Она теряет твёрдость и режущую способность уже при 200^оС. Кроме того, она подвергается коррозии в агрессивных средах.

Для улучшения физических и химических свойств стали в неё добавляют элементы, которые называют легирующими. А сама сталь называется легированной. В процессе легирования в сталь добавляют вольфрам, хром, никель, молибден, ванадий, а также большое количество марганца и кремния. Так, марганец увеличивает твёрдость и прочность стали. Медь делает сталь устойчивой к коррозии. А никель и хром увеличивает вязкость. Легированная сталь не имеет недостатков, присущих углеродистой стали.

По количественному содержанию добавок легированную сталь делят на три группы: низколегированную, среднелегированную и высоколегированную. Низколегированная сталь содержит не более 2,5% добавок. Среднелегированная – от 2,5 до 10%. А в состав высоколегированной стали входит более 10% добавок. Высоколегированные стали различаются на нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные стали.

На заре металлургии сталь получали из железной руды в плавильных горнах. Но оказалось, что гораздо проще и дешевле получать сталь из чугуна. Поэтому в современной металлургии чугун переплавляют в сталеплавильных печах, чтобы выжечь из него излишки водорода. И получают высококачественную сталь.

Сталь – прочный и пластичный материал. Её используют в металлических конструкциях зданий, мостов, в опорах линий электропередач, трубопроводах, резервуарах, в производстве арматуры, посуды, различного электрооборудования. Без стали невозможно представить кораблестроение, автомобилестроение, авиастроение и многие другие отрасли современной промышленности.

2. Сплавы алюминия