Чугун получают в результате доменного процесса, в ходе которого происходит восстановление железа из его природных оксидов, содержащихся в рудах, коксом при высокой температуре.
Кокс, сгорая, образует углекислый газ. При прохождении через раскаленный кокс он превращается в оксид углерода, который восстанавливает железо в верхней части печи по обобщенной схеме: Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe.
Опускаясь в нижнюю горячую часть печи, железо плавится в соприкосновении с коксом и, частично растворяя его, превращается в чугун.
Чугун: 93% железа, 5% углерода, примеси кремния, марганца, фосфора, серы и др.
Рис. 4.33. Схема доменного процесса
В зависимости от назначения чугуны разделяют на литейный (серый чугун) и передельный (белый чугун).
В белом чугуне углерод находится в связанном состоянии в виде Fe3C. Такой чугун имеет высокую твердость и хрупкость.
В сером чугуне углерод содержится в свободном состоянии в виде графита. В зависимости от формы графитовых включений (пластинчатая, хлопьевидная, волокниста или шаровидная) такой чугун имеет разные физико-механические характеристики.
|
|
Переработка передельного чугуна осуществляется с целью освобождения его от некоторой части углерода методом окисления.
Сталь получают удалением из чугуна части углерода и примесей одним из трех способов:
1. Конверторный способ;
2. Мартеновский способ;
3. Электроплавление.
Рис. 4.34. Конверторный способ выплавки стали
Рис. 4.35. Электродуговая печь
Свойства стали
Положительные свойства стали:
- Высокая прочность;
- Пластичность;
- Хорошая свариваемость;
- Выносливость;
- Способность упрочняться и улучшать свойства при термомеханических и химических воздействиях;
- Однородность механических свойств.
Недостатки стали:
- Низкая коррозионная стойкость и необходимость устройства антикоррозионной защиты стальных конструкций;
- Снижение пластических свойств при низких температурах;
- Низкая огнестойкость.
Прочность -определяется испытанием стандартных образцов круглого или прямоугольного сечения с записью диаграммы зависимости между :
Основные прочностные характеристики:
временное сопротивление, наибольшее условное напряжение в процессе разрушения образца;
предел текучести, напряжение, при котором деформации образца растут без изменения нагрузки и образуется площадка текучести;
условный предел текучести, при котором остаточное относительное удлинение достигает 0,2 %.
Рис. 4.36. Диаграмма «σ-ε» для малоуглеродистой стали
Мерой пластичности служит относительное остаточное удлинение при разрыве «δ»:
Упругие свойства определяются модулем упругости E.
|
|
Склонность металлов к хрупкому разрушению оценивается по результатам испытаний на ударную вязкость на маятниковых копрах. Ударная вязкость определяется затраченной на разрушение образца работой, отнесенной к площади поперечного сечения (Дж/см²).
Рис. 4.37. Схема испытания на ударную вязкость
Вязкое и хрупкое разрушение различаются между собой по величине пластической зоны у вершины трещины.
При хрупком разрушении величина пластической зоны в устье трещины мала. При вязком разрушении величина пластической зоны, идущей впереди распространяющейся трещины, велика, а сама трещина затупляется у своей вершины. Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины велика и для стали составляет до 2500 м/с. Поэтому нередко хрупкое разрушение называют «внезапным» или «катастрофическим».
Транскристаллитное разрушение может быть как вязким, так и хрупким, межкристаллитное – только хрупким.
Все концентраторы напряжений способствуют хрупкому разрушению.
Свариваемость – важнейшее требование, предъявляемое к металлам строительных конструкций. Оценивается по химическому составу (углеродному эквиваленту):
При сварка не вызывает затруднений.
При сварка возможна при принятии специальных мер по предотвращению появления трещин.
При резко возрастает опасность появления трещин.
Долговечность – определяется в первую очередь коррозионной стойкостью металла. Одним из показателей коррозионной стойкости служит скорость коррозии по толщине металла, мм/год.
Технологические свойства – важны для выполнения операций гибки, резки, строжки, сверления, обработки резанием.
Твердость металлов оценивается по разным шкалам – по Бринеллю(НВ), по Роквеллу (HRA; HRB; HRC), по Виккерсу (HV).