Портал о строительстве и ремонтных работах

Архивы рубрики ‘СТРОИТЕЛЬНЫЕ. МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ’

Свойства стекла. В отличие от кристаллических веществ стекла изотропны, прозрачны и чрезвычайно хрупки. Свойства стекол

можно изменять термической, химической или механической об­работкой.

Обычное листовое стекло имеет плотность, равную 2 500… 2 600 кг/м3. Его твердость колеблется от 5 до 7 по шкале Мооса. Прочность стекла составляет: при сжатии — 500…2 000 МПа; при растяжении — 30…60 МПа; при изгибе — 35…70 МПа. Модуль упругости при растяжении находится в пределах (4,5… 8,5) • 104 МПа.

Получение стекла. Изготовление стекла включает в себя подго­товку сырьевых компонентов, составление шихты, варку стекла (расплавление шихты и гомогенизацию расплава), формование, отжиг, резку, шлифовку и полировку изделий, нанесение рисун­ка (для некоторых видов изделий).

Сырьем для производства бесцветного строительного стекла являются кварцевые маложелезистые пески, кальцинированная сода или сульфат натрия, известняк, доломит и др. Варят стекло в ванных печах непрерывного действия. В процессе варки при 800…900°С происходят твердофазовые реакции с образованием силикатов, которые спекаются с кремнеземом. При температуре около 1 200 °С спекшаяся масса расплавляется и происходит вза­имное растворение силикатов и кремнезема. При дальнейшем на­гревании до 1 400… 1 500°С из жидкой стекломассы выделяются газовые пузырьки, она осветляется и становится однородной.

Листовое стекло формуют машинным вытягиванием, горизон­тальным прокатом и флоат-процессом.

Способ машинной вытяжки стекла, разработанный Эмилем Фурко в 1902 г., используют при производстве плоского неполи­рованного стекла. Существует несколько разновидностей этого способа.

При лодочном способе вертикального вытягивания (рис.

7.2, а) ленту стекла 6 вытягивают из стекломассы 4 через сквоз­ную щель шамотной лодочки 3 с помощью асбестовых вытягива­ющих валков 7 машины. За время движения от лодочки до валков лента охлаждается водяными холодильниками 2 до состояния, ис­ключающего ее деформацию. Камера формования 5 отделена от остального пространства глухим ограждающим мостом 7, погру­женным в стекломассу на 50… 150 мм.

Безлодочный способ вертикального вытягивания стек­ла со свободной поверхности стекломассы обеспечивает более вы­сокое качество стекла и более высокую производительность. Не­обходимый для формования вязкостный контур стекла создается с помощью подвесных шамотных экранов 8 и холодильников 2 (рис. 7.2, б). Для выравнивания потока стекломассы, а также ее температуры и вязкости применяются шамотные тела 9, погружа­емые под уровень ванны.

Горизонтальный прокат заключается в пропускании вязкой стек­ломассы между двумя металлическими валками, охлаждаемыми

водой (рис. 7.2, в). При этом поверхность получается шероховатой (кованой), а стекло — непрозрачным. Поэтому после отжига стек­ло подвергают двухстороннему механическому шлифованию и полированию. При изготовлении узорчатого стекла верхний про­катывающий валок имеет рельефный рисунок. Прокатным спосо­бом получают также армированное стекло. При этом в формуемую ленту закатывают металлическую сетку.

Флоат-процесс, разработанный в 1959 г. фирмой Pilkington, позволяет получать стекло наиболее высокого качества. Формова­ние листа этим способом происходит на поверхности расплавлен­ного металла (рис. 7.2, г). Для предупреждения окисления металла во флоат-ванне предусмотрена азотно-водородная газовая среда.

После формования (при всех способах) лента стекла сразу же подвергается отжигу с целью снижения полученных при формо­вании температурных напряжений. Отожженное стекло поступает затем на участки резки, сортировки и упаковки листов.

В зависимости от вида стеклообразующих кислотных оксидов стекла подразделяются на силикатные (Si02), алюмосиликат­ные (А1203 и Si02), боросиликатные (В203 и Si02), бороалю­мосиликатные и др. Помимо стеклообразующих компонентов (А1203, Si02 и В203) стекла содержат также различные основные оксиды: Li20, К20, Na20, BeO, CaO, MgO, SrO, BaO, ZnO, CdO, PbO и др. В состав строительного (оконного) стекла кроме кремне­зема (Si02) входят Na20, СаО и небольшие количества MgO и А1203.

При высокой температуре (выше 1 000 °С) минеральные стек­ла образуют расплав, представляющий собой истинный раствор химических соединений. При быстром охлаждении стекольного расплава атомы не успевают выстроиться в строгом порядке, как

это происходит в кристаллах. Стеклообразная структура вещества по степени упорядочения частиц является промежуточной между беспорядком в расплаве и идеальным порядком в кристалличе­ском состоянии.

Стекла не имеют точки плавления; они характеризуются тем­пературным интервалом размягчения. Вязкость расплавленного стекла в среднем при 1 480… 1 500 °С составляет 9… 11 Па ■ с, а при затвердевании возрастает до 1012… 1013 Па-с (рис. 7.1). Стекло фор­муют, когда вязкость колеблется в диапазоне 102… 108 Па-с, что имеет место в сравнительно узком температурном интервале t2…t3 (800… 1 100°С). Ниже температуры стеклования (для силикат­ных стекол 400… 600 °С) стекло становится хрупким. Эта темпера­тура неодинакова для различных стекол; ей соответствует одина­ковая для всех стекол вязкость, равная 1012 Па • с.

Выше температуры t2 (приблизительно в диапазоне 700…850 °С) в стекле начинают проявляться свойства, характерные для жидко­сти. При этой температуре из стекла можно вытягивать тонкие нити.

Стекла имеют склонность к кристаллизации. Образующиеся кристаллы нарушают прозрачность и понижают прочность стекла. Для подавления кристаллизации в состав стекол вводят специ­альные добавки.

7.1. Общие сведения

Для получения минеральных расплавов и изделий из них при­меняют сырьевые материалы, температура плавления которых не превышает I 400… 1 500 °С. Таких исходных продуктов существует всего три вида: стеклянная шихта, горные породы и шлаки (ме­таллургические и топливные). Один и тот же минеральный рас­плав в зависимости от скорости охлаждения и ряда других усло­вий может затвердевать в аморфном (стеклообразном) или крис­таллическом состоянии. Поэтому материалы, получаемые из рас­плавов, по структуре (а следовательно, и по свойствам) подраз­деляются на две группы: стеклообразные (СОМ) и стеклокрис­таллические (СКМ), или ситаллы[2]. К первым относятся стекло, каменное литье и шлаковое литье; ко вторым — стеклоситаллы, получаемые из специальных по составу стекол, петроситаллы, из­готавливаемые из горных пород, и шлакоситаллы — продукты переработки шлаков. Стеклообразные материалы могут быть плот­ными (листовое стекло), ячеистыми (пеностекло) и волокнисты­ми (стекловата, каменная вата, шлаковата).

Коррозионное разрушение металлов обусловлено протеканием окислительно-восстановительных реакций в результате химиче­ского или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой.

Химическая коррозия протекает при взаимодействии металлов с газами (02, S02 и др.) и неэлектропроводными жидкостями (неф­тепродуктами, спиртом и т. д.).

Электрохимическая коррозия протекает в электропроводящих водных растворах и состоит из двух процессов: анодного — ра­створения одних участков металла; катодного — отложения ме­талла на других участках. Интенсивность этих процессов тем выше, чем выше неоднородность металла, обусловленная примесями и включениями, границами зерен кристаллитов, структурной гете­рогенностью, пористостью металлических и неметаллических по­верхностных пленок, местными внутренними напряжениями, повреждениями поверхности и т. д.

Способы защиты металла от коррозии разнообразны.

Защита легированием осуществляется, например, при получе­нии нержавеющих сталей.

Эффективна защита окисными пленками, которые получают травлением металла в сильных окислителях (оксидирование) или анодной обработкой в окислительных средах (анодирование).

Защита металлическими (катодными) покрытиями, электрод­ный потенциал которых выше, чем у защищаемого металла (на­пример, у омедненной стали), эффективна только до тех пор, пока они обеспечивают барьер между сталью и средой. При по­вреждении покрытия происходит электрохимическое растворение стали, причем более быстрое, чем было бы при отсутствии по­крытия. В отличие от этого анодные металлические покрытия, та­кие как цинковые по стали, являясь более электроотрицательны­ми, защищают основной металл, который в их присутствии рабо­тает как катод и поэтому сохраняется практически без изменения до тех пор, пока не растворится цинк.

Протекторная защита заключатся в том, что в коррозионной среде на определенном расстоянии от предохраняемой стальной конструкции размещают цинковые протекторы-аноды, на кото­рые переносится процесс коррозии.

Катодную защиту применяют для магистральных трубопрово­дов, морских нефтепромысловых и других сооружений. Она зак­лючается в том, что защищаемую конструкцию подсоединяют к отрицательному полюсу постоянно действующего источника тока и, таким образом, смещают потенциал стали, делая ее катодом по отношению к какому-либо протектору (обычно стальному лому), подсоединяемому к положительному полюсу источника тока и выполняющему функцию растворяющегося анода.

Защита неметаллическими покрытиями осуществляется нане­сением на металл лакокрасочных материалов (это наиболее деше­вый вид защиты).

Из цветных металлов наибольшее применение в строительстве получили сплавы алюминия, применяемые в качестве конструк­ционного материала. Сплавы меди и титана употребляются глав­ным образом для запорно-регулировочной арматуры, водопровод­но-отопительных и электротехнических систем зданий и соору­жений.

Алюминий и его сплавы. Алюминий — металл серебристо-белого цвета плотностью 2 700 кг/м3, с температурой плавления 658 °С. Чистый алюминий вследствие малой прочности в строительных конструкциях применяется редко. Применение находят его спла­вы.

Сплавы алюминия характеризуются прочностью при растяже­нии Rp = 100…700 МПа и относительным удлинением 8 = 6…22 %. Модуль упругости алюминиевых сплавов почти в 3 раза ниже, чем у стали (0,7- 105 МПа). Марки алюминиевых сплавов состоят из букв и цифр, характеризующих состав сплава. Алюминиевые сплавы подразделяются на литейные и деформируемые (обрабатываемые давлением).

Литейные сплавы вследствие их низкой пластичности применя­ются в строительстве только для опорных частей конструкций (сплав АЛ-8).

Деформируемые сплавы применяются для производства листов, прессованных профилей, труб и прутков, а также для изготовле­ния деталей ковкой и штамповкой. Их механические свойства по­вышают легированием (элементами Mg, Mn, Си, Si, Al, Zn), пластическим деформированием (нагартовкой) и закалкой с пос­ледующим старением при комнатной или повышенной темпера­туре.

Деформируемые сплавы подразделяются на термически упроч­няемые и неупрочняемые. К термически упрочняемым относятся:

1) авиаль (Al-Mg-Si) (АД31, АДЗЗ, АД35, АВ);

2) дюралюмин (Al — Си — Mg) (Д1, Д16);

3) высокопрочные сплавы на основе Al — Zn — Mg — (Си) (В92, В95);

4) ковочные жаропрочные сплавы (Al — Mg — Si — Си) (АК6, АК8).

К термически неупрочняемым относятся:

1) технический алюминий (сплав с содержанием примесей не более 1 %), обозначаемый буквой А с цифрой (например, А1);

2) алюминиево-марганцевый сплав (АМц);

3) алюминиево-магниевые сплавы (магналии) (АМг).

Вид обработки сплава обозначают буквами, добавленными че­рез черточку к основной марке: М — отожженный (мягкий); Н — нагартованный; Н2 — полунагартованный; Т — закаленный и ес­тественно состаренный; Т1 — закаленный и искусственно соста­ренный (при температуре 160… 180°С); Т4 — неполностью зака­ленный и искусственно состаренный; А — без обработки давле­нием; плак. — плакированный; Б — без плакирования.

Плакировкой называется покрытие листов из алюминиевых спла­вов при прокатке тонким слоем (5 % от толщины листа с каждой стороны) чистого алюминия, предохраняющим основной металл от коррозии. Нагартовка и полунагартовка применяются для тер­мически неупрочняемых сплавов, закалка и старение — для тер­мически упрочняемых сплавов.

Особые группы сплавов составляют спеченные алюминиевые по­рошки (САП) и сплавы (САС), а также пенистый алюминий, полу­чаемый при замешивании порошка гидрида титана в жидком алю­минии. Пеноалюминий имеет плотность 300… 500 кг/м3, поэтому его можно применять как тепло — и звукоизоляционный материал.

Медь и ее сплавы. Медь в чистом виде имеет небольшую проч­ность и высокую пластичность. Температура ее плавления составля­ет 1 083 °С. Она плохо обрабатывается резанием, но хорошо дефор­мируется в холодном и горячем состояниях. В строительстве медь применяется для водопроводных труб и кровельной черепицы.

Сплавы меди (латуни и бронзы) в строительстве применяются для декоративных целей (поручни, накладки, арматура для две­рей и окон) и в сантехнике.

Латунь — сплав меди с цинком. Марки латуней обозначают буквой Л и цифрами, означающими содержание меди в процен­тах. Прочность латуней при растяжении Rp = 250…600 МПа. Для улучшения свойств латуни подвергают холодному и горячему де­формированию, рекристаллизационному отжигу при температу­ре 500…700°С и легированию добавками Sn, Si, Mn, Al, Fe, Pb, повышающими прочность, коррозионную стойкость и антифрик­ционные свойства. Специальные латуни маркируют следующим образом: ЛА77-2 (латунь, содержащая 77 % Си, 2 % А1 и 21 % Zn); ЛАЖ60-1-1 (латунь, содержащая 60% Си, 1 % Al, 1 % Fe и 38 % Zn). Они представляют собой однородные твердые растворы и поэтому очень пластичны.

Оловянистая бронза представляет собой твердый раствор 4 — 5%-го олова в меди. При большем содержании олова пластичность и литейные свойства бронзы резко снижаются. Перед обработкой давлением бронзу подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре 600…650°С. Для улучшения литейных свойств и по­вышения прочности в бронзу вводят до 1 % фосфора. Бронзы, об­рабатываемые давлением, имеют прочность Rp — 350…400 МПа, пластичность 5 = 40…70% (после отжига) и 8 = 4… 12% (после холодной деформации).

Алюминиевые и кремнистые бронзы (сплавы меди с алюминием и кремнием) имеют механические свойства, аналогичные оловя — нистым бронзам, но более стойки в агрессивных средах.

Бериллиевые бронзы (сплавы меди с бериллием) содержат 2,0… 2,5 % Be и обладают наилучшими свойствами из всех бронз. После закал­ки при 760…780°С и старения при 300…350°С механические свойства бериллиевой бронзы составляют: Rv = 1 300… 1 350 МПа, 5 = 1,5%.

Свинцовые бронзы (сплавы меди со свинцом) содержат до 30 % свинца. Их компоненты не образуют твердых растворов. Они име­ют невысокую прочность (Яр = 60 МПа) и пластичность (8 = 4 %).

Маркируют все бронзы аналогично латуням. Например: БрОЦСНЗ-7-5-1 — оловянистая бронза, содержащая 3 % Sn, 7 % Zn, 5% Pb, 1 % Ni и 84 % Си; БрАЖН 10-4-4 — алюминиевая бронза, содержащая 10% А1, 4% Fe, 4% Ni и 82% Си.

Титан и его сплавы. Титан — металл серебристо-белого цвета, плавящийся при температуре 1 665 °С. Существуют две модифика­ции титана: при температуре ниже 882 °С — а-титан с гексаго­нальной решеткой плотностью 4 505 кг/м3; при температуре 900 °С и выше — (3-титан с объемоцентрированной кубической решет­кой плотностью 4 320 кг/м3. Технический титан марок ВТ1-00, ВТ1-0 и ВТ1-1 (Яр = 300…350 МПа, 8 = 20…30%) хорошо обра­батывается давлением и сваривается. Для улучшения свойств ти­тан легируют добавками Al, Mo, V, Mn, Cr, Sn, Fe, Zn, Si.

Различают а-сплавы и (а + (З)-сплавы титана. Первые представ­ляют собой твердые растворы с алюминием и легирующими эле­ментами (Sn, Zn и Mo, Fe, Cr) в а-титане. Они не упрочняются термообработкой и подвергаются только рекристаллизационному отжигу при температуре 780… 850 °С. Вторые состоят из а и (3 твер­дых растворов и содержат кроме алюминия Cr, Mo, Fe. Они уп­рочняются закалкой и старением. Наиболее распространенные а-сплавы (ВТ5, ВТ5-1, ОТ4) имеют следующие показатели: Яр = = 700…950 МПа; 8 = 12…25%; (а + р)-сплавы (ВТ6, ВТ8, ВТ14) имеют следующие показатели: Яр = 950… 1 400 МПа; 8 = 8… 15 %. Титановые сплавы коррозионностойки, хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях, поддаются сварке.

Изделия из цветных металлов. Цветные металлы дороже стали и чугуна, поэтому применяются в случаях, когда необходимы их специфические свойства: стойкость к коррозии, высокая тепло­проводность, электропроводность, декоративные свойства, харак­терная для алюминия и его сплавов малая масса.

В качестве кровельных материалов применяются медь, алюми­ний и цинк-титановый сплав (П-цинк). Для устройства медной кровли по фальцевой технологии используют медную ленту, ко­торая выпускается в рулонах. Алюминий применяется как для из­готовления металлочерепицы, так и для устройства фальцевых кровель.

В европе достаточно распространены кровли из П-цинка — цинка, легированного титаном и медью.

Алюминиевые сплавы применяют для изготовления гнутых и прессованных профилей, штамповок, гофрированных листов раз­личной формы. Из таких элементов выполняются различные сбор — но-разборочные и листовые конструкции, несущие конструкции навесных фасадов, трехслойные панели (типа «сандвич») наруж­ных стен и покрытий, подвесные потолки, сайдинг, декоратив­ные накладки, дверные и оконные переплеты.

Сплавы меди используют для производства водопроводных труб, фитингов, дверной и оконной фурнитуры, декоративных деталей интерьера и фасадов.

Строительные стали обозначают следующим образом: С235, С245, С255, С345, С590К…, где буква С означает, что сталь стро-

ительная; цифры означают предел текучести, МПа, а буква К — вариант химического состава. Буква Д в конце марки стали озна­чает, что сталь дополнительно легирована 0,15…0,30 % меди (на­пример: С345Д).

Для стальных конструкций используются в основном изделия из стального проката, а также из гнутых и сварных профилей. Про­катка стали заключается в том, что раскаленные стальные заго­товки многократно пропускают между вращающимися навстречу

друг другу валками прокатного стана. Проходя в зазоре между вал­ками, горячий металл пластически деформируется, сжимаясь в поперечном сечении и вытягиваясь в длину, в результате чего он превращается в длинномерное изделие с постоянным попереч­ным сечением определенной формы.

Стальной прокат подразделяется на несколько видов (рис. 6.7). Сортовой прокат включает в себя полосы, прутки круглого, квад­ратного и шестигранного сечений. Фасонный прокат имеет слож­ный профиль поперечного сечения: уголок (равнобокий и нерав­нобокий), швеллер, тавр, двутавр. Листовой прокат включает в себя листовую сталь, сталь универсального или специального на­значения, гладкую или рифленую сталь, а также кровельное же­лезо, листовое, рулонное, профилированное (волнистое или тра­пециевидное) железо, металлочерепицу. Специальный прокат включает в себя шпунт, сваи, арматуру, трубы, рельсы и др. Ос­новным видом специального проката для строительства является стальная арматура для бетона (рис. 6.8).

Арматура подразделяется на классы: А — стержневая арматура; В — проволока; К — арматурные канаты. Основные нормируемые характеристики стержневой арматуры приведены в табл. 6.1.

Символы в обозначении класса арматуры означают следующее: А — стержневая; т — термически обработанная; с — для районов Севера; С — свариваемая; К — коррозионностойкая.

Арматура класса A-І — гладкая; остальных классов — периоди­ческого профиля. Арматурную проволоку выпускают диаметром от 3 до 8 мм и подразделяют по форме поперечного сечения на гладкую (В) и периодического профиля (Вр).

Ассортимент изделий из стального проката и гнутых профилей очень широк. В строительстве используются стальные двери, воро­та, заборы, ограждения, решетки, лестницы, перила, поручни, строительные леса, водосточные и вентиляционные трубы, коро­ба, козырьки, арматурные сетки и каркасы, сетки и столбы для заборов и ограждений. Соединения деталей и элементов строи­тельных конструкций выполняются с помощью крепежных изде­лий, как правило, стальных. Это — заклепки, болты, винты, шу­рупы, гвозди, анкера, кронштейны. Для соединения железобе­тонных элементов служат заанкеренные в бетон стальные заклад­ные детали, наружные части которых свариваются между собой.

При химико-термической обработке происходит изменение не только структуры, но и химического состава сплава.

Химико-термическая обработка заключается в насыщении по­верхностных слоев стали различными элементами: углеродом (це­ментация), азотом (азотирование), углеродом и азотом одновре­менно (цианирование), бором (борирование) и др. При этом свой­ства поверхностного слоя становятся отличными от свойств серд­цевины детали, что позволяет сочетать несовместимые обычно высокие значения твердости и ударной вязкости. Высокую твер­дость придают поверхностному слою, что обеспечивает износо­стойкость деталей, а сердцевинную часть делают ударопрочной, способной воспринимать динамические нагрузки.

Цементации подвергают низкоуглеродистые стали, содержащие 0,1… 0,2 % углерода. Их насыщают углеродом до его концентрации в поверхностном слое 0,8… 1,0 % С и затем подвергают закалке, в результате которой цементованный слой толщиной 0,5…2,5 мм приобретает структуру мартенсита и высокую твердость. Сердце — вина изделия, содержащая слишком мало углерода, не закалива­ется и остается ударно-вязкой и пластичной.

Науглероживание производят в твердой или газовой среде, называемой карбюризатором.

При твердой цементации детали укладывают в стальные ящи­ки, пересыпая их карбюризатором — древесным углем или кок­сом (слоем толщиной 3… 10 мм) с активизаторами BaC03, Na2C03 в количестве 10…40%. Ящики закрывают крышками, герметизи­руют огнеупорной глиной и ставят в печь. При температуре 930…950°С — выше линии GS (см. рис. 6.6) — образующиеся ак­тивные атомы углерода диффундируют в решетку у-железа.

При газовой цементации стальные детали нагревают в газовых смесях, содержащих метан, пропан, бутан и др.

Азотирование — процесс насыщения поверхностного слоя ста­ли азотом. Процесс азотирования заключается в выдержке дета­лей в течение длительного времени (до 60 ч) в атмосфере аммиа­ка при температуре 500…600°С. Аммиак при нагреве разлагается на азот и водород. Активные атомы азота проникают в решетку а — железа, образуя нитриды железа. Высокую твердость азотирован­ному слою придают нитриды легирующих элементов: хрома, мо­либдена, алюминия. Поэтому азотированию обычно подвергают легированные стали.

По сравнению с цементацией азотирование стали дает более высокие твердость и износостойкость поверхностного слоя, высо­кие коррозионные свойства и усталостную прочность. После азо­тирования не требуется закалки, что позволяет избежать со­путствующих ей дефектов.

Цианирование — процесс совместного насыщения поверхности стали азотом и углеродом. При цианировании нагрев изделий осуще­ствляется либо в расплавленных солях, содержащих цианистый на­трий (NaCN), либо в газовой смеси метана (СН4) и аммиака (NH3).

При низкотемпературном цианировании (500…600°С) поверх­ностный слой насыщается преимущественно азотом на глубину 0,01 …0,04 мм. После низкотемпературного цианирования отпуск не проводят.

Высокотемпературное цианирование (850… 950 °С) применяют для получения глубины обработанного слоя 0,6… 1,8 мм. Процесс зани­мает от 3 до 10 ч, после чего детали подвергают закалке и низкому отпуску. По сравнению с цементованным цианированный слой име­ет более высокие твердость и износостойкость, а также более высо­кое сопротивление коррозии. Недостатком цианирования является высокая стоимость процесса, связанная с применением мер безо­пасности в связи с высокой токсичностью цианистых солей.

Борирование придает поверхностному слою очень высокие твер­дость, износостойкость и устойчивость к коррозии в различных средах. Насыщение бором часто проводят при электролизе рас­плавленной буры (Na2B407); при этом стальная деталь служит ка­тодом. Борирование также производят в расплавленных солях или газовых средах, содержащих соединения бора. Диффузионный слой состоит из боридов железа и имеет толщину 0,1 …0,2 мм.

Термомеханическая обработка (ТМО) металлов заключается в сочетании пластической деформации стали в состоянии аустени­та с закалкой. Наиболее распространен высокотемпературный спо­соб, при котором сталь деформируют на 20… 30 % при температу­ре устойчивого аустенита, после чего следуют немедленная за­калка и низкотемпературный отпуск. Такая комбинированная об­работка позволяет получать очень высокую прочность стали при хорошей пластичности и вязкости.

Термическая обработка стали основана на зависимости струк­туры от скорости охлаждения аустенита. При термической обра­ботке изменяется только структура стали; химический состав ос­тается неизменным. Нагрев стали с переходом температуры через критическую точку 727 °С вызывает превращение перлита в аусте­нит. При медленном охлаждении аустенит переходит в перлит, а при резком — в мартенсит. При этом атомы железа, так же как и при медленном охлаждении, перестраиваются из решетки у-же — леза в решетку a-железа, но атомы углерода не успевают поки­нуть у-решетку и оказываются зажатыми в решетке a-железа, где в нормальных условиях углерода не может содержаться более 0,01 %.

Таким образом, получается сильно пересыщенный твердый ра­створ углерода в a-железе, называемый мартенситом.

Углерод искажает решетку a-железа, сообщая ей высокие внут­ренние напряжения, обусловливающие высокую твердость и хруп­кость стали. Эти напряжения вызывают стремление углерода к выходу из решетки a-железа путем диффузии, образованию це­ментита и тем самым распаду мартенсита на феррит и цементит. Этот процесс при нормальных температурах заторможен, но при нагревании он может пойти достаточно быстро с превращением мартенсита в перлит.

При невысоком нагреве мартенсита могут получаться проме­жуточные структуры, которые отличаются от перлита гораздо меньшим размером кристаллов феррита и цементита: троостит (коллоидный раствор цементита в феррите) и сорбит (тонко­дисперсная смесь феррита и цементита). Эти структуры имеют меньшую, чем у мартенсита, но достаточно высокую твердость и в то же время обладают значительной ударной вязкостью.

Закалка стали. Закалка стали проводится с целью повышения ее твердости. При закалке доэвтектоидную сталь нагревают до тем­пературы на 30… 50 °С выше линии GS(см. рис. 6.6), а заэвтектоид — ную — на 30… 50 °С выше линии SK. Заэвтектоидная сталь не тре­бует нагрева до полного превращения в аустенит, так как не име­ет смысла заменять цементит другой структурой, потому что ни­чего тверже цементита получить нельзя. После определенной вы­держки нагретые изделия резко охлаждают, погружая их в воду, масло, растворы или расплавы солей. Мартенсит получается при самой высокой скорости охлаждения (в воде), троостит — при меньшей скорости (в масле), сорбит — при еще более медленном, охлаждении (в расплавах солей).

В результате закалки значительно возрастают твердость, изно­состойкость, а также прочность стали, но резко снижаются ее пластичность и ударная вязкость.

Отпуск стали. Отпуск стали проводится с целью уменьшения хрупкости закаленной стали путем устранения внутренних напря­жений, возникающих при закалке. Закаленную сталь нагревают до температуры, не превышающей 727 °С, и выдерживают опреде­ленное время. Чем выше температура отпуска, тем полнее снима­ются напряжения. При отпуске стали происходит переход мартен­сита в более устойчивые структуры за счет диффузии углерода при повышении температуры. Фазовых превращений при этом не происходит. Различают следующие виды отпуска:

• низкий отпуск (150…200°С) — повышается прочность и не­значительно ударная вязкость, твердость почти не снижается. Структура после отпуска — мартенсит;

• средний отпуск (350…500°С) — повышается пластичность, немного снижается твердость. Структура после отпуска — троостит;

• высокий отпуск (500…680 °С) — возрастает ударная вязкость, снижается твердость. Структура после отпуска — сорбит.

Отжиг стали. Отжиг стали отличается от закалки очень медлен­ным охлаждением изделий вместе с печью или под слоем песка, золы, шлака.

Отжиг I рода проводят с целью устранения физической или химической неоднородности стали, независимо от того, протека­ют при этом фазовые превращения или нет. Различают:

• диффузионный отжиг (1 100… 1 200°С) — для выравнивания химического состава стали по объему за счет диффузии углерода в аустените;

• рекристаллизационный отжиг (680…730°С) — для выравни­вания неоднородностей кристаллического строения, образовав­шихся в результате деформаций стали в холодном состоянии (ус­транение наклепа);

• отжиг для снятия остаточных напряжений (160…700°С), которые возникают при сварке, механической обработке, ков­ке и т. д.

Отжиг Ирода проводят с целью повышения пластичности и сни­жения твердости стали (для лучшей обрабатываемости). Это достига­ется путем замены метастабильных структур (мартенсита, троости — та, сорбита) равновесными (ферритом, перлитом, цементитом).

При отжиге II рода сталь нагревают до тех же температур, что и при закалке, выдерживают до полного завершения фазовых пере­ходов (получения структуры аустенита) и медленно охлаждают, чтобы обеспечить распад аустенита и избежать образования сорби­та. Скорость охлаждения для углеродистых сталей обычно составля­ет 100… 150°С/ч, для легированных сталей — 40…60°С/ч.

Структура и фазовый состав сплавов изучаются с помощью диаграмм состояния, изображаемых в координатных осях «состав — температура». Построение диаграмм состояния описано в подразд.

9.8. Для двухкомпонентных сплавов ось составов изображается в виде отрезка, по концам которого указывают символы компонен­тов (условно А и В) (рис. 6.3). От точки В к точке А содержание компонента А в сплаве возрастает от 0 до 100%, а содержание компонента В уменьшается до 0 от 100 %. В любой точке оси сумма концентраций компонентов А и В равна 100 %. Состав, характери­зуемый точкой / на оси АВ, можно определить по правилу отрез­ков, согласно которому содержание компонентов в процентах равно умноженному на 100 отношению длин соответствующих отрезков к длине оси: А = (ІВ/АВ) 100; В = (АІ/АВ) 100.

Диаграмма состояния, изображенная на рис. 6.3, характеризует сплав, компоненты которого в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твердом состоянии образуют меха­нические смеси (не образуют твердых растворов и химических соединений).

Точки 1А и tB — температуры кристаллизации свободных ком­понентов А и В (буквами Aw В обозначаются также кристаллы этих компонентов в составе структуры сплава); Э — эвтектика — осо­бая структура, представляющая собой механическую смесь одно­временно кристаллизовавшихся из жидкости и поэтому очень мел­ких и тесно перемешанных кристаллов компонентов А и В, содер­жание которых пропорционально соответственно отрезкам ЭВ и АЭ] е — эвтектическая точка, указывающая на состав эвтектики и температуру ее кристаллизации, начало и конец которой, в отли­чие от других составов, совпадают.

Эвтектика — не фаза, а структурная составляющая (элемент структуры сплава), поэтому ее 100%-е содержание в отличие от компонентов отмечается на диаграмме штриховой линией.

Кривая tAetB — кривая температур начала кристаллизации сплава, или кривая верхних критических точек, называемая ликвидусом (от лат. liquidus — жидкий). Выше ликвидуса сплав находится в расплавленном состоянии (Р — расплав). Линия ced — линия тем­ператур конца кристаллизации сплава, или линия нижних крити­ческих точек, называемая солидусом (от лат. solidus — твердый). Ниже солидуса сплав состоит из твердых кристаллов (А, В и Э). Между ликвидусом и солидусом существуют жидкая (Р) и твер­дые (А и В) фазы одновременно.

Температуры начала и конца кристаллизации сплава / соответ­ствуют точкам а, и bh сплава II — точкам аи и Ь„.

Проведем через точку 2 горизонтальную линию до границ об­ласти tAec. Эта линия является осью фазовых составов, по концам которой имеем: слева — 100 % компонента А, а справа (на грани­це с расплавом) — 100 % расплава. Это отмечено буквами А + Р. В данной области из расплава при охлаждении выделяются крис­таллы компонента А. В области etBd записано В + Р, так как здесь из расплава выделяется в твердом состоянии компонент В. Точка 2 делит ось фазовых составов А — Р на отрезки Аг и Р2, измерив которые, можно определить процентные содержания фаз А и Р в сплаве I при температуре в точке 2.

Характер изменения фазового состава сплава / при понижении температуры можно проследить, строя оси фазовых составов для различных точек на вертикали /. Сравнение отрезков в точках ah 2 и Ь/ показывает, что при понижении температуры от точки а/ до точки bj содержание компонента А увеличивается от 0 (Аа = 0) до [Ab/(Ab + Pfc)]100 = 44%, а содержание расплава уменьшается от 100 % до [РЬ/(АЬ + РА)]100 = 56 %. В точках Ь, и 3 имеем: РА = Э3 и Аь — А3, т. е. то количество компонента А, которое выделилось из расплава, пока он оставался жидким, существует теперь в твер­дом сплаве, а расплав, который в конце кристаллизации (в точке Ь[) составляет около 56 % сплава, превращается в эвтектику. Со­ответственно в областях АсеЭ и 3edB указано А + Э и В + Э.

Проследим за изменением состава расплава в сплаве II при охлаждении. При температуре t4 (точка 4) и ниже, вплоть до точ­ки О//, сплав полностью жидкий, поэтому состав расплава и со­став сплава — одно и то же (точка h на оси составов). В точке ап начинается кристаллизация расплава и из него выделяются пер­вые кристаллы компонента В. В результате частичной потери этого компонента изменяется состав и количество расплава. Для опре­деления состава расплава при температуре /5 из точки 5 проведем горизонтальную прямую линию до границы с расплавом и опус­тим перпендикуляр на ось составов в точку / При более низкой температуре 16 состав расплава будет характеризоваться точкой g, а в конце кристаллизации (в точке Ьц) он будет соответствовать составу эвтектики. Следовательно, при охлаждении сплава II со­держание компонентов А и В в жидкой фазе (состав расплава) изменяется по кривой а, р. Аналогично по кривой ар изменяется состав расплава при кристаллизации сплава /.

Рассмотрим, как формируются структуры сплава в зависимос­ти от его состава. Изобразим условно кристаллы компонента А треугольниками, а компонента В — квадратиками; тогда структура эвтектики будет представлена смесью треугольников и квадрати­ков, только очень мелких, практически не различимых на фоне крупных кристаллов чистых компонентов. Площади, занимаемые в эвтектике треугольниками (компонентом А) и квадратиками (компонентом В) составляют соответственно 57,5 и 42,5 %, что соответствует отрезкам ЭВ и АЭ оси составов. Для того чтобы опре­делить структуру сплава /, измерим длины отрезков Э3 и А3 и по ним вычислим процентное содержание в сплаве компонента А и эвтектики. Получим 44 и 56%. Следовательно, площадь, занятая крупными треугольниками на картинке структуры сплава /, дол­жна составлять 44 % от общей площади, а оставшаяся площадь должна приходиться на долю эвтектики, изображаемой точками. Аналогичным образом, измерив отрезки Э/z и hB (с учетом того, что крупные кристаллы в данном случае — квадратики), получим структуру сплава //.

Для решения обратной задачи — определения состава сплава по его структуре — нужно измерить площади, занимаемые элемента­ми структуры, и с помощью диаграммы определить состав сплава.

Структура чистого железа. Чистое железо при охлаждении или нагревании претерпевает ряд превращений в твердом состоянии, которые дают критические точки на кривой охлаждения (рис. 6.4). В интервалах между этими точками железо существует в виде че­тырех модификаций (а-, (}-, у- и 5-Fe), из которых y-Fe имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую решет­ку с параметром 3,6 А, а остальные — объемоцентрированную кубическую (ОЦК) с параметром 2,8 А. Часто p-Fe и 8-Fe отдель­но не выделяют и рассматривают как a-модификацию. Переход у —> ос (911 °С) при охлаждении или а у при нагревании играет главную роль в формировании свойств стали.

Фазы в структуре стали. Углерод и железо в зависимости от температуры образуют жидкий раствор (расплав Р), два твердых раствора — феррит (Ф) и аустенит (А) — и химическое соедине­ние Fe3C, называемое цементитом (Ц).

Феррит — твердый раствор углерода в a-железе, существую­щий при температурах ниже 911 °С. Растворимость углерода в а — железе мала (не более 0,02 %), так как в плотной решетке а-желе — за углерод может находиться, только замещая атомы железа, что требует высокой энергии.

Аустенит — твердый раствор углерода в у-железе, существую­щий при температурах выше 727 °С. Ниже 727 “С аустенит распада-

1539 °С (Точка застывания)

5-Fe 1392 “с (Перестроение решетки)

Охлаждение

y-Fe

911 °С (Перестроение Ре х решетки)

(парамагнитно)

‘ 770 °С

(Изменение о-Fе магнитных

(ферромагнитно) свойств

Время

а

Рис. 6.4. Кривая охлаждения чистого железа (а) и структура кристалли-
ческой решетки модификаций железа {б)

ется на феррит и цементит. В у-железе углерод растворяется до 2,14%. В этом случае углерод внедряется между атомами железа благодаря тому, что у-решетка не так плотно упакована.

Структура углеродистой стали. Структура углеродистой стали при нормальной температуре образована двумя фазами (двумя типами кристаллов): очень мягким и пластичным ферритом и очень твердым и хрупким цементитом. Чем больше в стали углерода, тем больше образуется цементита и меньше феррита и тем выше твердость и ниже пластичность стали. При содержании углерода менее 0,01 % сталь состоит из одного только феррита (рис. 6.5, а).

Если сталь содержит 0,8 % углерода, то ее структура представ­ляет собой эвтектоидную (похожую на эвтектику) смесь мелких кристаллов феррита (88%) и цементита (12%), называемую пер­литом (П). При 200-кратном увеличении кристаллы феррита и цементита в перлите практически неразличимы, в то время как кристаллы феррита, выделившиеся ранее из аустенита, являются достаточно крупными (см. рис. 6.5, б). Структура перлита видна только при большом увеличении (рис. 6.5, в). При содержании углерода менее 0,8 % структура стали включает в себя перлит и феррит, при содержании углерода более 0,8 % — перлит и цемен­тит (рис. 6.5, г).

Рис. 6.5. Структура сталей с содержанием
углерода:

а — 0 % (феррит); б — 0,4 % (феррит + перлит);
в — 0,8% (перлит); г — 1,2% (цементит + пер-
лит) (а, б, г — увеличение в 200 раз; в — увеличе-
ние в 800 раз)

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Диаграмма состояния Fe — Fe3C (рис. 6.6) является только частью полной ди­аграммы Fe — С, поэтому углерод как фаза на диаграмме отсут­ствует. В этой части диаграммы цементит, являющийся одной из фаз, играет роль второго компонента, хотя им и не является (вто­рой компонент — углерод). Первый компонент — железо — также не фигурирует на диаграмме, поскольку всегда растворяет в себе некоторое количество углерода и представляет собой твердый ра­створ (феррит или аустенит).

Кривая ACD — ликвидус. Выше ликвидуса находится область расплава (Р). Кривая BECF— солидус. Ниже солидуса все сплавы — твердые. В области BESG — это твердый раствор аустенит, а в области ECFKS — механические смеси аустенита и цементита с эвтектикой, которая называется ледебуритом (Л). Сплав (чугун) с содержанием углерода 4,3 % полностью состоит из эвтектики. Он имеет самую низкую температуру плавления (кристаллизации) — 1 147 °С (точка С). При t > 727 °С ледебурит представляет собой механическую смесь мелких кристаллов аустенита и цементита, а при t < 727 °С — перлита и цементита.

Дело в том, что твердый раствор (аустенит) разлагается при охлаждении аналогично жидкому раствору (расплаву) с выделе­нием тех или иных растворенных веществ. Поэтому пересечения линий диаграммы в точках S и С сходны между собой. Точка S
называется эвтектоидной точкой, т. е. похожей на эвтектическую точку С. Структура, образующаяся в точке S — это перлит. Кривая GSE — это кривая температур начала разложения аустенита. На участке GS (в области GSP) из аустенита выделяется феррит, а на участке SE (в области SEFK) — цементит (вторичный). Линия PSK — линия температур конца разложения аустенита, или ли­ния эвтектоидных превращений. Ниже этой линии аустенит не существует. Он превращается в перлит.

Рассмотрим процессы при нагревании доэвтектоидной стали, содержащей 0,4 % углерода (точка /). Пока температура не дос­тигнет 727 °С (линия PS), сталь будет состоять из феррита и пер­лита (Ф + П). При температуре 727 °С (точка 2) перлит (П) пре­вращается в аустенит (А), так как a-железо переходит в у-железо. В феррите же (Ф) сохраняется a-модификация железа и он оста­ется в стали. При повышении температуры более 727 °С количе­ство феррита уменьшается, он растворяется в аустените. В точке 3 содержание феррита будет 0 %, а содержание аустенита — 100 %.

Сталь в отличие от чугуна при нагревании полностью переходит в фазу аустенита. Дальнейший нагрев приводит к плавлению стали. Первые капли расплава появятся при температуре в точке 4. Затем количество расплава будет увеличиваться, а количество аустенита — уменьшаться, пока он полностью не растворится в расплаве (в точке 5).

При охлаждении сплава все будет происходить в обратном поряд­ке. При очень медленном (равновесном) охлаждении образуется пер­воначальная структура стали, состоящая из феррита и перлита. Та­кую структуру называют равновесной. При быстром охлаждении воз­никают неравновесные (метастабильные) структуры, характеризу­ющиеся высокой твердостью. На этом основана закалка стали.

Рассмотрим процессы, происходящие при охлаждении заэв — тектоидной стали с содержанием углерода 1,2%. При температуре в точке 8 начинается кристаллизация расплава; из него выделяют­ся кристаллы аустенита. С понижением температуры твердой фазы (аустенита) становится все больше, а жидкой — все меньше. В точ­ке 9 заканчивается переход расплава в аустенит. В виде аустенита сплав существует до точки 10. Начиная с этой температуры аусте­нит разлагается — из него выделяется цементит. Этот цементит называют вторичным (Ц2), чтобы отличать его от цементита (Ц), выделяющегося в области CDF из расплава и не имеющего огра­ничений в росте и расположении кристаллов. Вторичный цемен­тит выделяется в крайне стесненных условиях, поэтому его крис­таллы являются очень мелкими и располагаются в виде узких про­слоек по границам кристаллов аустенита (см. рис. 6.5, г). Выделе­ние вторичного цементита заканчивается в точке 11. Количество выделившегося вторичного цементита в нашем сплаве составляет 6,8 %. Оставшийся к концу разложения аустенит (93,2 %) при тем­пературе 727 °С переходит в перлит, т. е. распадается на смесь мел­ких кристаллов феррита и цементита.

Углеродистая сталь имеет следующие значения свойств: плот­ность — 7 850 кг/м3; предел прочности при растяжении — 300…700 МПа; относительное остаточное удлинение после раз­рыва — 12…40%; модуль упругости — 2,1 • 105 МПа; коэффици­ент внутренней теплопроводности — 50…70 Вт/(м ■ К).

Влияние углерода. С увеличением содержания углерода воз­растает твердость стали, а ее пластичность и ударная вязкость снижаются. Прочность с повышением содержания углерода сна­чала растет до максимального значения (при содержании угле­рода в стали 0,8… 1,0 %), а затем снижается. С увеличением со­держания углерода ухудшаются свариваемость, а также способ­ность стали деформироваться в горячем и особенно в холодном состояниях.

Влияние примесей. Марганец и кремний полезны — они повы­шают прочность стали. Сера снижает пластичность и вязкость ста­ли, а также придает стали красноломкость (хрупкость при горя­чем деформировании). Фосфор в количестве до 1,2 % увеличивает прочность, но снижает пластичность, а также способствует ох­рупчиванию стали, повышая температурный порог хладноломко­сти.

Прочность и пластичность стали. Прочность и пластичность стали определяют испытанием на растяжение образцов цилинд­рической формы, получаемых токарной обработкой, или плоских образцов, вырезаемых из листового проката (рис. 6.1). Головки образцов при испытании вставляют в захваты разрывной машины. Используют также натуральные образцы — стержни определен­ной длины, отрезаемые от сравнительно тонких длинномерных профилей (например, образцы арматуры для бетона). Они не име­ют головок и требуют применения зажимающих захватов.

Зависимость растягивающих напряжений от относительного удлинения образца для мягкой стали имеет вид, показанный на рис. 6.2. На кривой растяжения имеются характерные точки (А, В, С, D), которым соответствуют четыре прочностные характеристики: предел пропорциональности (опц), предел упругости (ау), предел текучести (о.,) и предел прочности (апч). Диаграмма растяжения дает также характеристику пластичности стали — относительное остаточное удлинение после разрыва: 5 = (/к — /0)//0, где /к — длина расчетной части после разрыва; /0 — расчетная длина до испыта­ния.

Величина 6 — единственная из всех характеристик, зависящая от расчетной длины, что обусловлено неравномерным удлинени — ( П I I И II I П I И I ( 1 П I п ( TQ

1

ем образца (рис. 6.1, в). Для определения 6 по длине образца нано­сят риски, например через каждые 5 мм. После испытания каждое деление увеличит свою длину на А/,. При нагружении образца до точки D на диаграмме растяжения (см. рис. 6.2) все деления получа­ют в основном одинаковые остаточные удлинения А/, и график их распределения представляет собой горизонтальную прямую линию bed (см. рис. 6.1, в). Снижение А/, по концам рабочей части образца (участки ab и df) является результатом влияния головок. При даль­нейшем растяжении промежутки, близкие к разрыву, получают дополнительное удлинение за счет образования местного сужения (шейки) и общее распределение А/, характеризуется кривой abcdf.

Уменьшение площади поперечного сечения в шейке приводит к падению нагрузки при испытании (участок DE), но не к паде­нию фактических напряжений (см. рис. 6.2). Расчетные же напря­жения, показанные на диаграмме растяжения (см. рис. 6.2), прямо пропорциональны нагрузке, так как образование шейки при их расчете не учитывается.

Для сравнимости результатов определения 5 на образцах раз­ных размеров и формы расчетная длина /0 (длина, на которой

определяется 5) должна выбираться равной 11,3л/Д, или 5,65 где Ап — площадь поперечного сечения образца до испытания. Тогда для круглых образцов /0 = 10г/0 или /0 = 5d0, где d0 — первоначаль­ный диаметр. Значение 5 десятикратных образцов всегда будет мень­ше, чем пятикратных (8Ш < б5).

На значение 5 влияет также положение разрыва по длине. Мак­симальное значение, получаемое при разрыве посередине /0, при­нято в качестве нормы при определении 5.

Таким образом, при определении 8 измеряют d0 (или А0) об­разца, рассчитывают /0 и определяют число промежутков п на рас­четной длине (Я|0 и п5). После испытания половинки образца скла­дывают и отсчитывают половину промежутков (п/2) вправо от разрыва и половину — влево от разрыва. Измеряют расстояние между полученными крайними рисками, что дает значение ко­нечной длины /к для расчета 8.

Наряду с 8 используется и другая характеристика пластичнос­ти стали — относительное остаточное сужение после разрыва у/ = = (А0 — Аш)/А„, где Аш — площадь шейки.

Твердость стали. Твердость стали определяют чаще всего мето­дом Бринелля — вдавливанием шарика (см. подразд. 2.5). Сравни­мость результатов при различном диаметре шарика обеспечивает­ся постоянством отношения нагрузки Р к квадрату диаметра D шарика: Р/D2 = const. Твердость по Бринеллю НВ = Р/Асф, где F — нагрузка; Асф — площадь сферической поверхности отпечатка. Метод Бринелля применяют для сталей с твердостью не более 450 кгс/мм2 (4,5 ГПа).

Ударная вязкость стали. Ударную вязкость стали определяют на маятниковом копре (см. подразд. 2.5). Стальной образец имеет форму балочки квадратного сечения 10×10 мм и длину 55 мм. По методу Шарпи образец лежит на опорах свободно и имеет надрез глубиной 2 мм на стороне, противоположной удару маятника (см. рис. 2.7). Надрез позволяет сосредоточить энергию удара в одном месте. Ударная вязкость характеризуется отношением ра­боты U, затраченной на разрушение образца, к площади попе­речного сечения А: и= U/ А. Единица измерения ударной вязкос­ти — Дж/м2.