Материаловедение


СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Серия основана в 2001 году






В.А. СТУКАНОВ






МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ




УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ




Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по группе специальностей «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»









Электронно-







            znanium.com



Москва
ИД «ФОРУМ» - ИНФРА-М
2020

УДК 620.2(075.32)
ББК 30.3я723

     С88



     Рецензенты:
        преподаватель Воронежского электромеханического колледжа железнодорожного транспорта Л.П. Цветков; преподаватель Отраслевого автомобильного колледжа Мосавтотранса, действительный член Академии изобретательства РАЕН академик И.С. Туревский




      Стуканов В.А.
С88 Материаловедение : учебное пособие / В.А. Стуканов. — Москва : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2020. — 368 с. — (Среднее профессиональное образование).

          ISBN 978-5-8199-0711-5 (ИД «ФОРУМ»)
          ISBN 978-5-16-013388-1 (ИНФРА-М, print)
          ISBN 978-5-16-105208-2 (ИНФРА-М, online)

          В учебном пособии рассматриваются материалы, применяемые в машиностроении, основы производства черных и цветных металлов, процессы формирования структуры материалов, литейное производство, а также различные способы обработки изделий из металлов. Материал соответствует программе учебной дисциплины «Материаловедение».
          Книга предназначена для преподавателей и студентов средних учебных заведений, изучающих специальность «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта».


УДК 620.2(075.32)
ББК 30.3я723
















ISBN 978-5-8199-0711-5 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-013388-1 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105208-2 (ИНФРА-М, online)

© Стуканов В.А., 2014
© ИД «ФОРУМ», 2014

                Введение







   Материаловедение — основополагающая дисциплина машиностроительных специальностей. Материалы и способы их обработки являются основой современного производства и во многом определяют научно-технический уровень страны и ее экономический потенциал. Создание и производство конкурентоспособной продукции невозможно без знаний новейших разработок в области материаловедения, особенно в автомобилестроении.
   Производство материалов с различными свойствами расширяет спектр их применения. Разнообразие свойств материалов обусловлено различными особенностями их внутреннего строения. Поэтому материаловедение изучает строение различных материалов в тесной связи с их свойствами, которые можно разделить на физические и механические, определяющие технологические и эксплуатационные.
   Такой показатель механических свойств, как прочность, занимает особое место, так как от него зависит неразрушаемость изделий под воздействием эксплуатационных нагрузок. Этот показатель является главным в выборе конструкционных материалов для деталей различного назначения и для обеспечения надежности и долговечности изделий. Учение о прочности и разрушении является одной из важнейших составных частей материаловедения.
   В машиностроении основными материалами являются металлы и их сплавы. Большой вклад в развитие металловедения внесли российские ученые П. П. Аносов, Д. К. Чернов, Н. С. Курна-ков, А. П. Гуляев.
   В настоящем учебном пособии рассмотрены основы производства черных и цветных металлов, литейное производство, закономерности формирования структуры материалов, способы обработки металлов. Все это будет полезно для успешного изучения таких специальных дисциплин, как «Автомобили» и «Ремонт автомобилей и двигателей».

                1. ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ







   На автомобильном транспорте наиболее широкое применение получили металлы, несмотря на то что в последнее время наметилась тенденция замены металлов на полимерные и композиционные материалы, металлы остаются основными конструкционными материалами.
   Металлы отличаются между собой строением и свойствами, тем не менее их можно объединить в группы (классифицировать) по следующим объединяющим их признакам:
   • по наличию и отсутствию железа и сплавов на его основе: черные; цветные;
   • по химическим и физическим свойствам: легкие; тяжелые; тугоплавкие; благородные; радиоактивные; щелочноземельные;
   • по характеру залегания в земной коре: редкоземельные; рассеянные; редкие;
   • по температуре плавления: низкоплавкие (1000 °C); высокоплавкие (1000—2000 °C); тугоплавкие (2000 °C).
   Приведенная классификация условна, многие металлы могут быть отнесены к разным группам одновременно.
   Черные металлы имеют темно-серый цвет. К ним относятся железо и сплавы на его основе (сталь и чугун). Черные металлы обладают полиформизмом — способностью изменять строение кристаллической решетки при нагревании до определенных температур.
   Цветные металлы в основном имеют красный, желтый или белый цвет, для большинства из них характерно отсутствие по-лиформизма.
   К железным сплавам относятся сплавы с преобладанием железа (Fe), в их состав входят кобальт (Co), никель (Ni), марганец (Mn).

1.1. Производство чугуна

5

   К тугоплавким металлам относятся молибден (Mo), тантал (Ta), вольфрам (W).
   Редкоземельные металлы — лантан (La), церий (Ce), неодим (Nd), празеодим (Pr).
   Легкие металлы — бериллий (Be), магний (Mg), алюминий (Al) — отличаются малой плотностью.
   Благородные и полублагородные металлы — серебро (Ag), золото (Au), платина (Pt), медь (Cu), палладий (Pd), иридий (Ir), родий (Rh), осмий (Os), рутений (Ru) — обладают высокой устойчивостью против коррозии.
   Легкоплавкие металлы — цинк (Zn), кадмий (Cd), ртуть (Hg), олово (Sn), свинец (Pb), висмут (Bi), таллий (Tl), сурьма (Sb), а также химические элементы с ослабленными металлическими свойствами — галлий (Ga), германий (Ge).
   В промышленности широко используется железо и его сплавы, особенно сплавы с углеродом: чугун — сплав, содержащий более 2,14 % углерода, сталь —менее 2,14 % углерода.
   В зависимости от содержания углерода сталь бывает:
   •  высокоуглеродистой — более 0,6 % углерода;
   •  среднеуглеродистой — от 0,25 до 0,6 % углерода;
   •  низкоуглеродистой — менее 0,25 % углерода.



            1.1. Производство чугуна


   Черная металлургия выпускает:
   •  передельные чугуны — используются для переделки в сталь;
   •  литейные чугуны — для изготовления фасонных чугунных отливок;
   •  железорудные металлизированные окатыши — для выплавки стали;
   •  ферросплавы (сплавы железа с марганцем, кремнием, титаном и др.) — для раскисления и легирования сталей;
   •  стальные слитки — для производства стального проката;
   •  стальные слитки — для изготовления крупных кованных деталей.
   Исходными материалами для получения чугуна являются железные руды, твердое топливо и флюсы, которые подвергаются металлургической переработке в доменных печах.

1. Производство черных и цветных металлов

   Железные руды состоят из соединений, содержащих оксиды железа (Fe₂O₃, 2Fe₂O₃ • 3Н₂О, Fe₃O₄, FeCO₃), пустой породы, вредных примесей. К железным рудам относятся красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки. Они содержат значительное количество соединений железа и сравнительно мало пустой породы, которая не вызывает больших осложнений при металлургической переработке железной руды, так как при плавке переходит в шлак и легко отделяется. В составе пустой породы в рудах встречаются каолин, кремнезем, доломит и магнезит. Вредными примесями являются сера, мышьяк и фосфор.
   Твердое топливо используется в доменных печах для расплавления железной руды. Как правило используют каменноугольный кокс (частично его заменяют природным газом, пылевидным углем, мазутом), который обеспечивает нагрев печи и восстановление окислов железа, кремния, марганца и др. Кокс получают из коксующегося каменного угля путем нагрева до температуры 900—1050 °C без доступа воздуха. При этом уголь не измельчается, а спекается в куски.
   Флюсы, например известняк (СаСО₃), вводят в доменную печь для того, чтобы снизить температуру плавления пустых пород и образовать жидко-текучие шлаки, куда переходят также вредные примеси руды и кокса.
   Добытую из недр земли железную руду перед загрузкой в печь подвергают предварительной обработке и обогащению. Предварительная обработка заключается в дроблении и сортировке руды. Обогащение применяется для повышения содержания железа и снижения вредных примесей в руде. Обогащение руды осуществляют различными способами. Чаще всего применяют магнитное, гравитационное и флотационное обогащения. При магнитном способе используют магнитные сепараторы, в которых создается магнитное поле и происходит отделение немагнитных частиц от магнитных, таких как, например, Fe₃O₄. Гравитационный способ обогащения основан на отделении примесей вследствие различной плотности и скорости падения минералов в водной или воздушной среде. При флотационном способе используется такой фактор, как различная смачиваемость поверхностей различных компонентов железных руд водой, в результате чего вода уносит легкие частицы пустой породы.
   Подготовленные к плавке железную руду, топливо и флюсы (все вместе называется шихтой) загружают в доменную печь

1.1. Производство чугуна

7

(рис. 1.1) — вертикальную шахтную печь высотой до 35 м, производящую в сутки до 12 тыс. т чугуна. Печь устанавливается на бетонном фундаменте, на котором (в цилиндрическом кожухе) уложена кладка из огнеупорного кирпича, образующая лещадь. В нижней части печи — горне — имеются чугунные 1 и шлаковые летки, через которые выпускаются чугун и шлак, а также фурменные приборы, через которые осуществляется дутье (подача воздуха). Над горном расположены заплечики, соединенные с распаром самой широкой частью печи. Распар переходит в сужающуюся кверху шахту, которая заканчивается цилиндрическим колошником. Расстояние от уровня чугунной летки до верха колошника называется полезной высотой доменной печи.
    Доменная плавка заключается в раздельной загрузке в колошник шихты и ее нагревании вследствие горения кокса. Опускаясь вниз, шихта постепенно нагревается и поступает в горн в раскаленном состоянии, где, соединяясь с кислородом вдуваемого воздуха, интенсивно горит, выделяя углекислый газ. В результате в горне образуются чугун и шлак.
    Процессы, протекающие в доменной печи, сложны и многообразны. Восстановление железа из его оксидов протекает в несколько стадий: Fe₂O₃ ^ Fe₃O₄ ^ FeO ^ Fe.


Рис. 1.1. Устройство доменной печи: 1 — лётка для чугуна; 2 — распар; 3 — шахта; 4 — колошник; 5 — заплечики; 6 — фурменные отверстия; 7 — горн; 8 — лещадь

1. Производство черных и цветных металлов

   Горение топлива происходит с образованием оксида углерода СО, который является основным восстановителем железа. Часть руды восстанавливается с помощью водорода и твердого углерода. Восстановленное железо находится в твердом состоянии в виде пористой губчатой массы, которая, опускаясь вниз, поглощает углерод, превращаясь в чугун.
   Шлакообразование начинается при прохождении шихты через распар после окончания восстановления железа при температуре 1400—1500 °C. Образовавшийся шлак стекает в горн и располагается на поверхности чугуна.
   В доменных печах получают литейный (серый) чугун, передельный (белый) чугун и ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром и др.). Последние используют в качестве специальных присадок при производстве стали и выплавке чугуна. Кроме того, из доменных печей выходит шлак и колошниковый газ.
   Колошниковый (доменный) газ представляет собой продукт неполного сгорания углерода и в дальнейшем используется как топливо на металлургических заводах.
   Важнейшей характеристикой доменной печи является ее полезный объем. Основным технико-экономическим показателем доменной печи служит коэффициент использования полезного объема (КИПО), т. е. полезный объем печи, приходящийся на 1 т выплавляемого в сутки чугуна. Чем меньше значение КИПО, тем лучше работает печь.


1.1.1. Прямое получение железа из руд

   Существует более экономичный способ получения железа из руды, без использования дорогостоящего кокса. Этим способом в зависимости от температуры конечный продукт может быть получен в виде губчатого железа, крицы или в жидком виде. Крица — твердая губчатая масса железа с низким содержанием углерода, фосфора, серы и кремния. Губчатое железо, или железная губка, — пористый кусковой или пылевидный продукт, представляющий собой железо с растворенным в нем углеродом и неметаллическими примесями пустой породы руды.
   Железная губка производится в шахтных печах (рис. 1.2) высотой 10—14 м, диаметром 3—3,5 м, производительностью

1.1. Производство чугуна

9

Рис. 1.2. Схема прямого получения губчатого железа: 1 — компрессор; 2 — скруббер; 3 — скип; 4 — грохот

1000—1500 т металла в сутки. Из скипа 3 через загрузочное устройство обогащенная и окомкованная руда (окисленные окатыши) поступает в шахту печи. Шахта делится на зону восстановления и зону охлаждения. В зоне восстановления окатыши омываются потоком газа, содержащего оксид углерода и водород (Восстановительный газ температурой около 1000 °C получают путем неполного сжигания природного газа метана в специальном реакторе.) В результате железо восстанавливается как при доменном процессе, т. е. в окатышах образуется железо в виде губки, получаются металлизированные окатыши. Ниже, в зоне охлаждения, окатыши проходят через оборотный газ, который

1. Производство черных и цветных металлов

нагнетается компрессором 1, охлаждается и очищается в скруббере 2. Окатыши через затвор периодически выпускаются из шахты, проходят грохот 4 и по транспортеру отводятся от печи.


1.1.2. Продукты доменного производства

   К продуктам доменного производства относятся передельные чугуны, литейные чугуны и ферросплавы.
   Содержание углерода в передельных и литейных чугунах составляет 3,2—4,5 % (по массе).
   Ферросплавы имеют повышенное (более 10 %) содержание одного или нескольких элементов, таких как марганец, кремни-ий, хром и др. В доменных печах выплавляют лишь ферромарганец, другие ферросплавы выплавляют в электропечах или получают внепечным методом. Из всего выплавляемого чугуна получают 85—90 % передельного чугуна; 9—12 % литейного чугуна; менее 1 % ферросплавов.
   По цвету излома чугуны делятся на серый и белый. Цвет зависит от структуры чугуна.
   В сером чугуне весь углерод (или его большая часть) находится в виде графита, что и придает ему серый или темно-серый цвет. Серый чугун применяют исключительно как литейный. Для него характерно повышенное содержание кремния и пониженное содержание серы. Этот чугун при литье хорошо заполняет формы. Заготовки из него легко обрабатываются резанием. Из серого чугуна изготовляют блоки цилиндров двигателей, головки цилиндров, гильзы цилиндров, корпусы жидкостных насосов, картеры сцеплений, коробок передач, маховики, тормозные цилиндры, тормозные барабаны и др.
   В белом чугуне весь углерод находится в составе цементита или карбида железа Бе₃С, что и определяет белый цвет излома. В основном он используется для переработки в сталь. Находят применение также чугунные отливки с отбеленной поверхностью для изготовления деталей с высокой твердостью и износоустойчивостью: прокатные валки, шары мельниц, лемехи плугов. Высокую твердость и износоустойчивость им придает цементит. В автомобилестроении белый чугун используется для изготовления деталей повышенной прочности на усталостность: коленчатые и распределительные валы, седла клапанов, зубча