Випробування на розтяг (статичне випробування) 1 страница

Задача переробки чавуну в сталь.

ПЛАН

Шлакоутворення.

8. Чим відновлюються оксиди в доменній печі?

9. Які існують заходи для інтенсифікації доменного процесу?

10. Назвіть показники роботи доменної печі.

11. Які Ви знаєте продукти доменної плавки?

Тема 1.2. Виробництво сталі

1. Поняття про сталь.**

2. Матеріали, необхідні для виробництва сталі.**

3. Сутність переробки чавуну в сталь.**

4. Способи виробництва сталі: конвертерний, мартенівський, електросталеплавильний.**

5. Техніко-економічні показники різних способів виробництва сталі.*

Сталь – залізовуглецевий сплав, який містить менше 2,14% вуглецю.

Крім вуглецю, домішками сталі є кремній, марганець, сірка і фосфор (дві останні – шкідливі). Сталі такого складу називають вуглецевими.

В порівнянні з чавуном сталь:

1) має більшу міцність;

2) має значну пластичність;

3) сталь можна обробляти тиском (кувати, прокатувати та ін.);

4) сталь краще обробляється різанням;

5) сталь краще зварюється.

Але чавун має кращі ливарні властивості, ніж сталь.

Для виробництва сталі необхідні:

1) переробний чавун;

2) скрап (стальний і чавунний брухт, стружка, обрізки);

3) окислювачі – кисень, залізна руда, окалина;

4) флюси – кварцовий пісок SiO₂, вапно СаО, плавиковий шпат СаF₂;

5) розкислювачі – феросплави, алюміній;

6) паливо (для мартенівського способу).

Задача переробки чавуну в сталь – видалити з чавуну надлишок домішок (C, Si, Mn, P, S) шляхом їх окислення і переводу в шлак.

Процес переробки чавуну в сталь складається з:

1) реакцій окислення;

2) реакцій шлакоутворення;

3) реакцій розкислення.

Початкові матеріали для виплавки сталі:

· переробний чавун;

· скрап (лом, обрізки, стружка);

· металізовані окатиші;

· окислювачі: кисень, залізна руда, окалина;

· флюси: для кислих процесів – кварцовий пісок, для основних процесів – вапно, плавиковий шпат;

· розкислювачі: феросплави, алюміній.

Якщо застосовують тільки тверду шихту (твердий чавун і скрап) для виплавки сталі, то такий процес називають скрап-процесом; якщо застосовують рідкий чавун і скрап чи інші тверді матеріали, то це скрап-рудний процес.

Способи виплавки сталі:

1) киснево-конвертерний (близько 57% сталі);

2) мартенівський (близько 15% сталі);

3) в електропечах (близько 28% сталі).

Окислювачами домішок є оксид FeO, розчинений у металі, та кисень О₂.

Основні реакції і процеси виробництва сталі

Сталь одержують, застосовуючи два процеси:

1) основний – піч футерують основним вогнетривом; сировина може мати підвищений вміст шкідливих домішок, тому що вони виводяться з допомогою флюсу (СаО); процес дешевий; якість сталі нижче, ніж при кислому процесі;

2) кислий – піч футерують кислим вогнетривом; сировина має бути чистою, тому що шкідливі домішки не виводяться; вище собівартість і якість сталі.

Основними реакціями виплавки сталі є реакції окислення і розкислення.

Окислення домішок відбувається киснем і оксидом заліза FeO.

Першим окислюється залізо:

Fe + О₂ → FeO

Далі окислюються домішки:

Si + O₂ → SiO₂

Mn + O₂ → MnO

C + O₂ → CO

CO + O₂ → CO₂

P + O₂ → P₂O₅

Оксиди, що утворилися, спливають на поверхню у вигляді шлаку. Під шаром шлаку домішки продовжують окислюватись оксидом FeO:

FeO + Si → Fe + SiO₂

FeO + Mn → Fe + MnO

FeO + С → Fe + СO

FeO + Р → Fe + P₂O₅

Флюс СаО (вапно) шлакує сірку і фосфор:

P₂O₅ + СаО → P₂O₅^.(СаО)₃

FeS + CaO → FeO + CaS

Розкислення сталі – виведення з неї кисню і відновлення заліза з його оксиду.

Розкислюють сталь під час плавки, під час розливання і в ковші. Залежно від ступеню розкислення сталь буває спокійною, напівспокійною і киплячою.

Для розкислення використовують феросиліцій, феромарганець та алюміній.

Реакції розкислення:

Mn + FeO → Fe + MnO

Si + FeO → Fe + SiO₂

Al + FeO → Fe + Al₂O₃

Сучасні способи виробництва сталі:

1) киснево-конвертерний (більше 55%);

2) мартенівський (близько 20%);

3) електросталеплавильний (близько 25%).

Таблиця 1.1. Способи виробництва сталі

Назва способу	Киснево-конвертерний	Мартенівський	Електросталеплавильний
Піч (ємкість)	Кисневий конвертер	Мартенівська піч	Електродугова піч
Особливості конструкції	Велика стальна реторта, фу-терована вогнетривом, скла-дається з циліндричної час-тини, конусоподібної горло-вини і днища; може нахиля-тися; в горловину опускають трубчасту фурму, крізь яку вдувають кисень; у верхній частині – випускний отвір для сталі.	Піч ванного типу, футерова-на кислими або основними вогнетривами; плавильний простір обмежений подиною, склепінням і стінками; з обох боків – головки з каналами для підводу гарячого повітря і газу та для відведення про-дуктів горіння; в передній стінці – завантажувальні вік-на, в задній – льотка для ви-пуску сталі; паливо і повітря, що подають в піч нагрівають двома парами регенераторів, що знаходяться по обидва боки печі.	Піч складається з металіч-ного кожуху циліндричної форми і сферичного днища, футерована вогнетривами; зверху – склепіння, через яке в піч опускають три графіто-вих електроди; збоку – робо-че вікно для завантаження шихти і льотка для випуску сталі; піч може нахилятися; між електродами і металіч-ною шихтою утворюються електродуги, що розплав-ляють метал, після розплав-лення струм проходить між електродами крізь шлак і метал.
Джерело тепла для плавки	Хімічні екзотермічні реакції окислення елементів	Горіння палива – доменного, коксового, природного газу	Електроенергія
Склад шихти	Рідкий чавун, скрап, вапно	Твердий або рідкий чавун, скрап, залізна руда, флюси	Скрап (90%), чавун, залізна руда, флюси
Цикл плавки	1. Завантаження скрапу. 2. Заливання чавуну. 3. Засипання флюсу (вапна). 4. Продувка киснем. 5. Взяття проб та їх аналіз. 6. Розкислення сталі. 7. Зливання сталі і шлаку.	1. Завантаження скрапу, флюсу, залізної руди. 2. Заливання чавуну. 3. Нагрівання, плавлення шихти і окислення домішок. 4. Доведення сталі: продовження окислення домішок, періодичне додавання залізної руди, «кипіння» сталі, скачування шлаку. 5. Взяття проби та експрес-аналіз. 6. Розкислення сталі. 7. Випуск сталі.	1. Завантаження шихти (через вікно або склепіння). 2. Опускання електродів і пропускання струму. 3. Окислювальний період плавки – наведення окислю-вального шлаку додаванням вапна і залізної руди; окислення домішок, «кипін-ня» сталі, скачування шлаку. 4. Відновлювальний період плавки – наводять відновлю-вальний шлак, відбувається розкислення металу. 5. Аналіз сталі. 6. Випуск сталі.
Переваги способу	1. Висока продуктивність. 2. Відсутність потреб у паливі. 3. Невеликі витрати на будівництво.	1. Можливість використо-вувати різну сировину і різне паливо. 2. Можливість виплавляти різні вуглецеві і леговані сталі.	1. Висока якість одержаної сталі. 2. Можливість виплавляти сталі будь-яких марок (навіть високолеговані). 3. Мінімальний вигар заліза. 4. Мінімальне окислення легуючих компонентів. 5. Зручність регулювання і обслуговування.
Недоліки способу	1. Велике пилоутворення. 2. Великий вигар металу (6-9%).	1. Велика тривалість процесу. 2. Значні витрати палива. 3. Великі каптальні витрати на будівництво.	1. Велика потреба в електро-енергії. 2. Висока вартість переробки.
Техніко-економічні показники	Тривалість циклу – 50-60 хв. Тривалість продувки – 18-30 хв. Витрати кисню – 50-60 м^3/1т. Місткість конвертеру – 250-400 т. Продуктивність 250-тонного конвертеру – 1200 тис.т за рік.	Тривалість плавки – 7-10 год. Ємкість печей – 10-1000 т. Продуктивність – 11-12 т з 1 м^2 площі поду (до 25 т). Витрати умовного палива – 130-150 кг/1 т сталі. Продуктивність 500-тонної печі – 400 тис.т за рік.	Витрати електроенергії на 1 т сталі: вуглецевої – 500-700 кВТ^.год, легованої – до 1000 кВТ^.год. Ємкість – до 400 т. Тривалість плавки – 3-6 год.

Контрольні питання:

1. Визначення сталі.

2. Різниця у властивостях сталей і чавунів.

4. Які початкові матеріали потрібні для виплавки сталі?

5. Які Ви знаєте способи одержання сталі?

6. Охарактеризуйте скрап-процес і скрап-рудний процес, кислий процес і основний процес при виплавці сталі.

7. Наведіть реакції окислення домішок при виплавці сталі.

8. Що таке розкислення сталі, чим її розкислюють, навести реакції розкислення.

9. Коротко описати конструкцію кисневого конвертера для виплавки сталі.

10. Описати цикл плавки в кисневому конвертері.

11. Переваги і недоліки киснево-конвертерного способу.

12. Описати конструкцію мартенівської печі.

13. Описати суть основного скрап-рудного процесу виплавки сталі в мартенівській печі.

14. Переваги і недоліки мартенівського способу виплавки сталі.

15. Як можна удосконалити мартенівський процес?

16. Описати конструкцію дугової електропечі.

17. Описати хід плавки в основній дуговій печі.

18. Переваги і недоліки плавки в дугових печах.

19. Описати суть плавки сталі в індукційних тигельних печах.

20. Які Ви знаєте способи розливання сталі?

Література: 1, с.55-80, 134-142, 2, с.23-43, 95-96, 125-126, 3, с.27-41, 115-118, 161-170.

Розділ ІІ Кристалічна будова

і механічні властивості металів

Тема 2.1. Кристалічна будова і кристалізація металів

1. Поняття про будову металів.*

2. Типові кристалічні решітки, їх характеристика.**

3. Будова реальних кристалів.*

4. Поняття про анізотропію і алотропію.**

5. Поняття про первинну і вторинну кристалізацію.**

6. Закони кристалізації.**

7. Побудова кривих охолодження.**

8. Фактори, що впливають на розмір зерна.**

9. Будова зливка.**

10. Ліквація, її види.*

Речовини в твердому стані мають кристалічну або аморфну будову.

В аморфних речовинах (скло, каніфоль) атоми розташовані хаотично.

Всі метали та їх сплави мають кристалічну будову – упорядковане розміщення атомів, які утворюють кристалічні решітки.

Кристалічна решітка – уявна просторова сітка, у вузлах якої розміщені атоми (позитивні іони), що утворюють тверде кристалічне тіло.

Атоми твердого тіла намагаються так розташуватись у просторі, щоб енергія їх взаємодії була мінімальною.

Найменший об’єм кристалічної решітки, який повторюється і дає уявлення про атомну структуру, називається елементарною кристалічною коміркою. Переміщенням і повторенням її в просторі можна побудувати весь кристал.

Рисунок 2.1. Розміщення атомів в елементарних комірках: а) об’ємноцентрована кубічна (Cr, Fe α, V, Ti β, Na, Mo, W); б) гранецентрована кубічна (Ni, Cu, Al, Ag, Fe γ); в) гексагональна щільноупакована (Mg, Zn, Be, Cd, Ti α).

Більшість металів мають один з трьох типів кристалічних решіток:

1) об’ємноцентрована кубічна (ОЦК) (рис.2.1, а) – елементарна комірка має 9 атомів, 8 з яких розташовані по вершинах куба, а 9-й – в його центрі; її мають Fe_α, Ti_β, W, Mo, V, K, Na, Cr та ін.;

2) гранецентрована кубічна (ГЦК) (рис.2.1, б) – елементарна комірка має 14 атомів: 8 з них – по вершинах куба і 6 – в центрі кожної грані; її мають Fe_γ, Al, Cu, Ni, Pb, Ca, Au, Ag, Pt та ін.;

3) гексагональна щільноупакована (ГЩУ) (рис.2.1, в) – елементарна комірка має 17 атомів, з них 12 – по вершинах 6-гранної призми, 2 атоми – в центрі кожної основи та 3 – всередині призми; її мають Mg, Zn, Ti_α, Cd та ін.

Кристалічні решітки характеризуються:

1) параметр (період) – відстань між центрами найближчих атомів в елементарній комірці, нм (0,1-0,7 нм);

2) кількість атомів, що припадає на одну елементарну комірку: ОЦК – 2; ГЦК – 4; ГЩУ – 6;

3) координаційне число – число атомів, які знаходяться на однаковій найменшій відстані від даного атому: ОЦК – 8; ГЦК – 12; ГЩУ – 12;

4) коефіцієнт компактності – відношення об’єму, зайнятого атомами, до об’єму комірки: ОЦК – 68%, ГЦК – 74%, ГЩУ – 74%.

Реальні кристали мають будову, що відрізняється від будови ідеальних кристалічних решіток. Вони мають такі дефекти:

1. Точкові (0-мірні):

- пусті вузли або вакансії;

- міжвузлові атоми.

Точкові дефекти малі у всіх трьох вимірах, розміри їх – не більше кількох атомних діаметрів; відіграють важливу роль у процесі дифузії.

2. Лінійні (1-мірні) – малі в двох вимірах, мають значну протяжність у третьому. До них відносять дислокації (крайові і гвинтові) – одна частина кристалу зсувається відносно іншої по частині площини кристалу. Значно впливають на міцність.

3. Поверхневі (2-мірні) – пов’язані з наявністю зерен, які мають різну орієнтацію кристалічних решіток. По межах зерен решітка одного кристалу переходить в решітку іншого, порушуючи симетрію розташування атомів. Суттєва впливають на механічні, фізичні, хімічні та технологічні властивості металів.

Анізотропія – різниця властивостей кристалу в залежності від напрямку випробування. Вона виникає через неоднакову щільність атомів в різних площинах і напрямах решітки. Аморфні тіла, на відміну від металів, ізотропні (властивості однакові у всіх напрямах).

Алотропія (поліморфізм) – здатність металу утворювати різні кристалічні решітки при різних температурах.

Процес перетворення однієї кристалічної будови в іншу (під дією температури або тиску) – алотропічне перетворення. Воно відбувається з виділенням або поглинанням тепла; відбувається при певній температурі.

Структура, що має ту чи іншу решітку – алотропічна форма або модифікація.

Різні модифікації позначають грецькими буквами α, β, γ і т.п. (в порядку підвищення температури).

Різні алотропічні форми мають Fe (Fe_α, Fe_γ), Ti (Ti_α,Ti_β), Sn (Sn_α, Sn_β), Co (Co_α, Co_γ), Mn (Mn_α, Mn_β, Mn_γ) та ін.

При температурі 910^оС Fe_α → Fe_γ (ОЦК → ГЦК).

Поліморфізм впливає на поведінку металів при нагріві і охолодженні під час термічної обробки та при експлуатації.

Первинна кристалізація – утворення кристалів в металах при переході з рідкого стану в твердий. Вона відбувається внаслідок переходу системи до більш стійкого термодинамічного стану з меншою вільною енергією.

Вторинна кристалізація – процес утворення нових кристалів в твердому стані (поліморфні перетворення, розкладання твердих розчинів, утворення і розкладання хімічних сполук).

В процесі кристалізації можна виділити дві стадії (закони):

1) утворення центрів кристалізації (зародків);

2) ріст кристалів із цих центрів.

Центрами кристалізації є тверді включення в металах (неметалеві включення).

Рисунок 2.2. Схема кристалізації металу

а б

Рисунок 2.3. Графік залежності вільної енергії F в рідкому і твердому стані від температури (а) та криві охолодження при кристалізації металу з різними швидкостями (V₁ < V₂ < V₃) (б).

F_р – енергія рідкого стану; F_т – енергія твердого стану.

При рівноважній температурі Т_п F_р = F_т

Процес кристалізації починається і розвивається, коли виникає різниця енергій

Δ F = F_р - F_т

Для цього метал необхідно переохолодити нижче рівноважної температури Т_п.

Різниця між рівноважною і дійсною температурою кристалізації Т_к називається ступінь переохолодження:

ΔТ = Т_п - Т_к

Для визначення Т_к будують криві охолодження, для чого через рівні проміжки часу визначають температуру металу термоелектричним пірометром, а потім будують графік в координатах температура – час.

Процес кристалізації відбувається при постійній температурі, тому на кривих охолодження є горизонтальні відрізки, що відповідають процесу кристалізації.

Розглянемо криву охолодження заліза (рис. 2.4).

Фактори, які впливають на розмір зерен металу: швидкість охолодження, ступінь переохолодження, хімічний склад, темпера-тура розливки металу, теплопровідність форми. Чим більше швидкість охолодження (Vохол), ступінь переохолодження ΔТ, кількість центрів кристалізації, тим менше розміри зерен, тим вище механічні властивості. Процес кристалізації починається від стінок ливарної форми або виливниці. В таких умовах кристалізація має дендритний характер, тобто ріст кристалів відбувається в напрямку площин з найбільшою щільністю атомів, в якому швидкість росту максимальна. Дендрити – деревоподібні кристали.

Рисунок 2.4. Крива охолодження заліза.

В результаті дендритної кристалізації зливок має таку будову:

З метою регулювання розмірів і форми зерна вживають такі заходи: - модифікування (введення речовин, які утворюють штучні центри кристалізації); - зниження температури розливки металу; - продувка інертним газом; - збільшення швидкості охолодження.

В результаті дендритної кристалізації в різних місцях кристалу хімічний склад є неоднорідним.

Неоднорідність хімічного складу всередині окремих кристалів – дендритна ліквація. Неоднорідність хімічного складу в різних зонах зливка – зональна ліквація. Чим більше розвинена дендритна ліквація, тим менше зональна.

Контрольні питання:

1. Визначення Кристалічної решітки.

2. Кристалічні решітки яких типів мають більшість металів?

3. Яке розміщення атомів комірки ОЦК кристалічної решітки?

4. Яке розміщення атомів комірки ГЦК кристалічної решітки?

5. Яке розміщення атомів комірки ГЩУ кристалічної решітки?

6. Що в кристалічній решітці характеризує параметр (період)?;

7. Яка кількість атомів припадає на одну елементарну комірку:

в ОЦК –?; в ГЦК –?; в ГЩУ –?

8. Чому дорівнює координаційне число для: ОЦК –?; ГЦК –?; ГЩУ –?;

9. Що в кристалічній решітці характеризує коефіцієнт компактності?

10. Що таке точкові дефекти і на що вони впливають?

11. Що таке лінійні дефекти і на що вони впливають?

12. Що таке поверхневі дефекти і на що вони впливають?

13. Що таке Анізотропія?

14. Що таке Алотропія? Що таке алотропічне перетворення?

15. Що таке первинна кристалізація?

16. Що таке вторинна кристалізація?

17. Які дві стадії (закони) можна виділити в процесі кристалізації?

18. Охарактеризуйте графік залежності вільної енергії F в рідкому і твердому стані від температури.

19. Охарактеризуйте криві охолодження при кристалізації металу з різними швидкостями.

20. Які фактори впливають на розмір зерен металу?

21. Яку будову має зливок в результаті дендритної кристалізації?

22. Які заходи вживають для регулювання розмірів і форми зерна?

23.Що таке дендритна ліквація та зональна ліквація?

Література: 1, с.55-80, 134-142, 2, с.23-43, 95-96, 125-126, 3, с.27-41, 115-118, 161-170.

Тема 2.2. Механічні властивості металів

1. Методи дослідження металів:

Макроаналіз.**

Мікроаналіз.**

Рентгеноструктурний аналіз.*

Термічний аналіз.*

Магнітна дефектоскопія.**

Ультразвукова дефектоскопія.**

Люмінесцентний метод.*

2. Механічні властивості: визначення, показники.**

3. Методи визначення механічних властивостей:

Випробування на твердість.**

Випробування на розтяг.**

Випробування на удар.**

Макроаналіз – методи дослідження макроструктури – будови металу, що виявляється неозброєним оком або з допомогою лупи (х 30-40 разів).

При макроаналізі визначають спосіб виробництва, вид термічної обробки, розміри і форму зерен, виявляють дефекти (пори, рихлоти, газові пузирі, тріщини, неметалічні включення), структурну неоднорідність.

Макроструктуру досліджують на зламах, поверхнях або макрошліфах – вирізаних з виробів зразках, які шліфують і піддають травленню.

а б

Рисунок 2.6. Макроструктура: а–стального зливку, б–кованої заготовки

Мікроаналіз – методи дослідження мікроструктури металів із збільшенням 50-2000 разів. При мікроаналізі виявляють наявність, кількість і форму структурних складових, форму і розміри зерен, мікротріщини, неметалічні включення. Для цього виготовляють мікрошліф – зразок, який вирізують з металу, одну з площин його шліфують, полірують і піддають травленню спеціальними реактивами. Для вивчення мікроструктури користуються мікроскопами – оптичними або електронними.

Оптичний металографічний мікроскоп збільшує в 50-2000 разів (зображення об’єкту формується потоком світла).

Електронний мікроскоп (зображення об’єкту формується потоком електронів з електронної гармати) збільшує до 100000 разів.

Рентгеноструктурний аналіз грунтується на здатності рентгенівських променів з дуже короткою довжиною хвилі проникати крізь метали, відбиватися від їх атомних площин. Відбиті промені фіксуються на фотоплівці у вигляді рентгенограм (полоси або концентричні кола). Цей спосіб дозволяє визначити відстань між атомами та їх розташування, тобто тип кристалічної решітки.

Термічний метод аналізу застосовують для визначення критичних точок – температур, при яких у сплаві відбуваються фазові перетворення, що супроводжуються поглинанням або виділенням тепла. Сплав нагрівають, потім охолоджують і вимірюють температуру з побудовою кривих охолодження в координатах температура-час. Прилад для вимірювання температури – термоелектричний пірометр, який складається з термопари і гальванометру. Термопара – два різнорідних дроти, зпаяних кінцями. Термострум фіксується гальванометром.

Магнітна дефектоскопія застосовується для виявлення дефектів феромагнітних матеріалів (тріщин, пузирів, неметалічних включень тощо). При цьому виріб намагнічується, в зоні дефекту утворюються поля магнітного розсіювання. Виріб покривається магнітним порошком, який притягується до границь дефекту і осідає на них, в результаті невидимі дефекти стають добре помітними.

Рисунок 2.7. Виявлення дефектів способом магнітної дефектоскопії

Ультразвукова дефектоскопія базується на здатності ультразвукових коливань відбиватися від дефектів, які знаходяться навіть на значній глибині (більше 1 м). Проводиться з допомогою ультразвукового дефектоскопа, який створює ультразвукові коливання частотою 2-10 млн. Гц.

Рисунок 2.8. Схема роботи ультразвукового дефектоскопа

Люмінесцентний метод грунтується на здатності деяких речовин світитися в холодному стані під дією ультрафіолетових променів (флюоресценція); застосовується для виявлення поверхневих дефектів. Деталь витримують в спеціальній речовині, що світиться, вона потрапляє в поверхневі дефекти, потім під дією ультрафіолету починає світитися і виявляє дефекти.

Рисунок 2.9. Люмінесцентний метод.

Механічні властивості металів:

Міцність – здатність металів опиратися появі залишкових деформацій і руйнуванню під дією зовнішніх сил.

Показники міцності:

σ_В, МПа (МН/м²) – границя міцності – напруження, що відповідає найбільшому навантаженню, при якому зразок не руйнується;

σ_Т, МПа – границя текучості – найменше напруження, при якому зразок деформується без помітного збільшення навантаження.

Пружність – здатність металів відновлювати свою форму після припинення дії зовнішніх сил, які спричинили зміну форми.

Дата добавления: 2017-02-01