Методы испытания механических свойств металлов

В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств металлов делят на три группы:

статические – когда нагрузка возрастает медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, твердость);

динамические – когда нагрузка возрастает с большой скоростью, ударные (испытание на удар);

испытания при повторно-переменных нагрузках – когда она в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и знаку (испытание на усталость).

Необходимость проведения испытания в различных условиях определяется различием в условиях работы деталей машин, инструментов и других металлических изделий.

Испытание на растяжение. Для испытания на растяжение применяют цилиндрические или плоские образцы определенной формы и размеров по стандарту. Испытание образцов на растяжение проводится на разрывных машинах с механическим или гидравлическим приводом. Эти машины снабжены специальным приспособлением, на котором при испытании (растяжении) автоматически записывается диаграмма растяжения.

 

Рис. 8. Диаграмма растяжения

 

Учитывая, что на характер диаграммы растяжения влияет размер образца, диаграмму строят (рис. 8) в координатах напряжение σ (в Н/м²) – относительное удлинение δ (в %). При испытании на растяжение определяют следующие характеристики механических свойств: пределы пропорциональности, упругости, текучести, прочности, истинного сопротивления разрыву, относительное удлинение и сужение.

Пределом пропорциональности (условным) σ_пц называется такое напряжение, когда отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, при которой тангенс угла, образуемого касательной к кривой нагрузка – деформация с осью нагрузок, увеличивается, например, на 25 или 50% по сравнению с первоначальным значением:

,

где: Р_пр — нагрузка, соответствующая пределу пропорциональности (условному).

 

Пределом упругости (условным) σ_уп называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% от расчетной величины образца и определяется по формуле:

 

,

где: Р_0,05 — нагрузка, соответствующая пределу упругости (условному).

Пределом текучести (физическим) σ_Т называется наименьшее напряжение, при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки:

,

где: Р_Т – нагрузка, соответствующая пределу текучести (физическому).

Пределом текучести (условным) σ_0,02 называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от расчетной длины образца:

,

где: Р_0,2 – нагрузка, соответствующая пределу текучести (условному).

Пределом прочности (временным сопротивлением) σ_в называется напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Р_в, предшествующей разрушению образца:

.

Истинным сопротивлением разрушению S_К называется напряжение, определяемое отношением нагрузки Р_к в момент разрыва образца к площади поперечного сечения F_K образца в шейке после разрыва:

.

Относительным удлинением δ называется отношение абсолютного удлинения, то есть приращения расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине выражается в процентах:

,

где: l и l₀ – длина образца до и после разрыва соответственно.

Относительным удлинением характеризуется пластичность металла – это свойство твердых материалов изменять без разрушения форму и размеры под влиянием нагрузки или напряжений, устойчиво сохраняя образовавшуюся форму и размеры после прекращения этого влияния.

 

 

Рис. 9. Испытания для определения механических характеристик:

а – предела прочности и пластических характеристик; б – ударной вязкости;

в – твердости (по Бринеллю).

 

Прочность при динамических нагрузках определяют по данным испытаний: на ударную вязкость – (ударом разрушают стандартный образец на копре (рис.9, б) на копре); на усталостную прочность – определяют способность материала выдерживать, не разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок, на ползучесть – определяя способность нагретого материала медленно и непрерывно деформироваться при постоянных нагрузках. Наиболее часто применяют испытания на ударную вязкость, показателем которой является работа, затраченная на разрушение стандартного образца.

,

где: А – работа, затраченная на разрушение образца, МНм;

F – площадь поперечного сечения разрушаемого образца, м².

А= РН – Ph,

 

где: Р – вес маятника, МН;

H и h – высота подъема маятника до и после разрушения образца соответственно.

 

Испытание на твердость

Твердостью называется способность металла сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела. Определение твердости является наиболее часто применяемым методом испытания металлов. Для определения твердости не требуется изготовления специальных образцов, то есть испытание проводится без разрушения детали.

Существуют различные методы определения твердости – вдавливанием, царапанием, упругой отдачей, а также магнитный метод. Наиболее распространенным является метод вдавливания в металл стального шарика, алмазного конуса или алмазной пирамиды. Для испытания на твердость применяют специальные приборы, несложные по устройству и простые в обращении.

Твердость по Бринеллю В поверхность испытываемого металла с определенной силой вдавливают стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм. В результате на поверхности металла получается отпечаток (лунка). Диаметр отпечатка измеряют специальной лупой с делениями. Число твердости по Бринеллю записывается латинскими буквами НВ, после которых записывается числовой показатель твердости. Например, твердость по НВ 220. Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более НВ 450, так как шарик может деформироваться и результат получится неправильным. Нельзя также испытывать тонкие материалы, которые при вдавливании шарика продавливаются.

Твердость по Роквеллу – испытание на твердость вдавливанием конуса или шарика в поверхность испытываемого металла. Вдавливают алмазный конус с углом 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм. Испытания шариком применяют при определении твердости мягких материалов, а алмазным конусом – при испытании твердых материалов. Число твердости по Роквеллу записывается латинскими буквами HRC, после которых записывается числовое значение твердости. Например, твердость по HRC 230.

Твердость по Виккерсу – испытание на твердость вдавливанием пирамиды. В поверхность металла вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду.По нагрузке, приходящейся на единицу поверхности отпечатка, определяют число твердости, обозначаемое HV 140.

Испытание на микротвердость. Это испытание применяют при определении твердости микроскопически малых объемов металла, например твердости отдельных структурных составляющих сплавов. Микротвердость определяют на специальном приборе, состоящем из механизма нагружения с алмазным наконечником и металлографического микроскопа. Поверхность образца подготавливают так же, как и для микроисследования (шлифование, полирование, травление). Четырехгранная алмазная пирамида (с углом при вершине 136°, таким же, как и у пирамиды при испытании по Виккерсу) вдавливается в испытываемый материал под очень малой нагрузкой. Твердость определяется величиной .

 

Технологические свойства

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность поддаваться различным методам горячей и холодной обработки. К основным из них относят литейные свойства, ковкость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом.

Литейные свойства характеризуют способность металла или сплава заполнять литейную форму, обеспечивать получение отливки заданных размеров и конфигурации без пор и трещин во всех ее частях.

Ковкость – это способность металла или сплава деформироваться с минимальным сопротивлением под влиянием внешней приложенной нагрузки и принимать заданную форму. Ковкость зависит от многих внешних факторов, в частности, от температуры нагрева и схемы напряженного состояния.

Свариваемостью называют способность материала образовывать неразъемные соединения с комплексом свойств, обеспечивающих работоспособность конструкции. По степени свариваемости материалы подразделяют на: хорошо и ограниченно свариваемые. Свариваемость зависит как от материала свариваемых заготовок, так и от выбранного технологического процесса сварки.

Обрабатываемостью называют свойство металла поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и качество обработанной поверхности.

Технологические свойства часто определяют выбор материала для конструкции. Разрабатываемые материалы могут быть внедрены в производство только в том случае, если их технологические свойства удовлетворяют необходимым требованиям. Показатели технологических свойств определяют специальными испытаниями на ковкость, обрабатываемость, свариваемость, а также литейными пробами.

Работоспособность конструкции определяется эксплуатационными или служебными характеристиками материалов, применяемых для их изготовления. В зависимости от условий эксплуатации и рабочей среды к машиностроительным материалам помимо прочностных характеристик можно предъявлять и такие требования, как жаропрочность, то есть сохранение высоких механических характеристик при высоких температурах; коррозионная стойкость при работе в различных агрессивных средах; повышенная износостойкость, необходимая, если детали в процессе работы подвергаются истиранию, и т. п. Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения.

К физико-химическим свойствам материалов относятся температура плавления, плотность, электро- и теплопроводность, коэффициенты линейного и объемного расширения, способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами, а также антикоррозионные свойства. Перечисленные свойства во многом определяются химическими свойствами компонентов сплава и их структурой.

В некоторых случаях материалы должны обладать способностью образовывать неразъемные соединения с помощью сварки либо пайки с другими материалами, в частности, с керамикой, графитом и др.

Следовательно, при выборе материала для создания технологичной конструкции необходимо комплексно учитывать его прочностные, технологические и эксплуатационные характеристики.

 

Глава 2.

Производство чугуна

 

Исходные материалы для производства чугуна

Железо в чистом виде редко находят в поверхностных слоях земной коры. Благодаря большой склонности других элементов. Насчитывается около 200 различных минералов, содержащих железо. Наиболее крупные и богатые окисленными соединениями железа скопления минералов называют месторождениями железных руд. Рудами называют горные породы, которые технически возможно и экономически целесообразно перерабатывать для извлечения содержащихся в них металлов.

К железным рудам относят красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки. Эти руды содержат значительное количество рудного вещества или соединений железа, из которого оно извлекается, и относительно небольшое количество пустой породы, легко отделяющейся при переработке.

В зависимости от количества рудного вещества различают богатые и бедные руды. Железные руды принято называть богатыми, если они содержат более половины железа; но это понятие меняется со временем. Пустой породой руды называют такие минералы, которые не вносят серьезных технологических осложнений в металлургическую переработку и легко отделяются от рудных минералов или в процессе обогащения или переходят в шлаки при плавке. Пустой породой в железных рудах чаще всего являются: кремнезем, каолин, реже доломит и магнезит. В рудах обычно выделяют вредные примеси, которые осложняют металлургические пределы, и, загрязняя основной металл, снижают его свойства. В железных рудах к вредным примесям обычно относят: серу, мышьяк и фосфор.

Основными рудообразующими минералами железа являются гематит, лимонит, магнетит и сидерит.

Красный железняк (гематит) содержит железо главным образом в виде Fe₂O₃ – безводной окиси железа. Пустой породой в нем обычно бывает кремнезем. Содержание железа в красных железняках составляет 45÷65% при малом содержании вредных примесей. Красный железняк хорошо восстанавливается в доменных печах.

Бурый железняк (лимонит) содержит железо в форме водных окислов типа nFe₂O₃ – mH₂O с переменным количеством гидратной влаги. Собственно лимонитом обычно называют минерал, содержащий 57,14% Fe₂O₃ и 25,3% Н₂О и имеющий желтую окраску. Обычно бурый железняк содержит 25÷50% Fe, но гидратная влага, легко удаляемая при плавке, делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению. Ее пустая порода обычно состоит из глины. Бурые железняки многих месторождений содержат значительные количества серы, фосфора и других вредных примесей.

Магнитный железняк (магнетит) содержит железо главным образом в виде Fe₃O₄ (закись-окись железа), обладающей хорошо выраженными магнитными свойствами. Пустой породой, сопутствующей ему, бывают кремнеземистые минералы. Магнетиты содержат железа от 40 до 70% и являются наиболее богатыми железными рудами, но восстанавливаются труднее других руд, так как являются плотными горными породами; часть магнетита в результате выветривания бывает иногда окислена до Fe₂O₃ и такие руды в зависимости от степени окисления иногда называют полумартитом или мартитом. Если они залегают вместе с пиритами, то руда иногда может содержать до 2% серы в виде FeS₂.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли FeCO₃. Его пустая порода содержит алюмосиликаты и магнезит, а содержание железа колеблется от 30 до 37%. Для повышения процента железа эти руды перед плавкой обжигают, удаляющийся при этом углекислый газ делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению.

В природе часто встречаются руды, содержащие несколько полезных металлов. Такие руды принято называть комплексными. В некоторых железных рудах, кроме железа, содержатся полезные металлы: марганец, хром, никель и другие, которые при плавке восстанавливаются и растворяются в железе – легируют его.

Для производства чугуна, кроме железных руд, требуются и другие материалы. К ним в первую очередь следует отнести марганцевую руду, флюсы и кокс.

Марганцевые руды загружаются вместе с железными рудами в доменную печь, если поступающая на плавку железная руда содержит недостаточное количество марганца для получения чугуна необходимого качества. Марганцевые руды содержат марганец в виде различных окислов МпО₂, Мп₃О₄, Мп₂О₃ с общим содержанием марганца в пределах от 25 до 40%. Их пустая порода в большинстве случаев состоит из глинистых песчаников, которые могут быть частично отделены простой промывкой.

Флюсы вводят в доменную печь для того, чтобы не допустить «зарастания» рабочего пространства печи и обеспечить плавку пустой породы руды и золы топлива при необходимой температуре: не слишком высокой, чтобы не тратить много топлива и не слишком низкой, при которой окислы железа еще не успевают восстановиться. Количество и характер добавляемых флюсов зависят от количества и химического состава пустой породы и определяются расчетным путем. Так как пустая порода железных руд обычно содержит крем­незем, в качестве флюса в доменных печах часто применяют известняк СаСО₂, содержащий минимальное количество вредных примесей.

Каменноугольный кокс в современном доменном производстве играет двоякую роль. Во-первых, служит топливом и обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры и, во-вторых, обеспечивает восстановление окислов железа. Благодаря своей большой механической прочности, пористости и значительной теплотворной способности он применяется теперь повсеместно и почти вытеснил применявшийся ранее для этих целей древесный уголь. Каменноугольный кокс содержит 82÷88% твердого углерода, от 5 до 10% золы, однако всегда содержит и серу от 0,5 до 2,0%

 

Обогащение руд

Богатые руды, содержащие 50% и более какого-либо металла и подлежащие прямой плавке, встречаются редко и в промышленности используют бедные руды, прямая плавка которых дорога, а иногда и невозможна. Такие руды предварительно подвергают обогащению.

Обогащением называют обработку руды, не изменяющую химического состава основных минералов и их агрегатного состояния. Обогащением из руды отделяют часть пустой породы, в результате в оставшейся части, называемой концентратом, процентное содержание рудной массы увеличивается. Отделенную от руды, пустую породу, называют хвостами; если она не представляет никакой ценности, при обогащении, ее отбрасывают. Обогащением иногда удается выделить из руды несколько концентратов с преобладанием в каждом разных металлов. Однако не все минералы поддаются обогащению в равной степени, а некоторые из них пока еще не умеют обогащать. В технике в зависимости от характера рудных минералов применяют много различных способов обогащения. Наиболее известны, и широко применяются: рудоразборка, магнитное, гравитационное и флотационное обогащение.

Простую рудоразборку применяют очень давно; в некоторых местах еще можно встретить рудоразборку на конвейере: по цвету, блеску или форме кусков (иногда при специальном освещении) отбирают либо крупные куски богатой руды, либо пустую породу.

Магнитное обогащение применяют к минералам, имеющим большую магнитную восприимчивость. Такие минералы отделяют магнитом или электромагнитом от других минералов. По степени притягиваемости магнитом различают: минералы сильномагнитные, средне-магнитные, слабомагнитные и немагнитные.

Аппараты, применяемые для магнитного обогащения, называют магнитными сепараторами. Если необходимо магнитное обогащение крупных кусков (120÷150 мм), используют магнитные сепараторы, работающие в воздушной среде. Для мелких кусков (менее 8 мм) применяется как сухая, так и мокрая магнитная сепарация. Магнитные сепараторы, работающие в водной среде_, часто дают лучшие результаты. Магнитную сепарацию успешно применяют для обогащения бедных железных руд, имеющих вкрапления магнетита, а также для очистки и сортировки металлических отходов (стружки, опилки, лом). Стальные и чугунные опилки отделяют таким способом от отходов цветных металлов или от наждачной пыли.

Гравитационное обогащение основано на различии в плотности и скорости падения зерен минералов в жидкостях и на воздухе. Простейшим ее видом является промывка водой железных руд для отделения песчано-глинистой пустой породы. Однако больший эффект можно достичь, применяя отсадочные машины или концентрационные столы.

Флотационный метод обогащения также широко применяется, но им пока редко пользуются для обогащения железных руд.

 

Подготовка материалов к доменной плавке

 

Доменная печь (рис. 10) работает нормально, если она загружена кусковым материалом оптимального размера. Слишком крупные куски руды и других материалов не успевают за время их опускания в печи прореагировать в их внутренних слоях и при этом часть материала расходуется бесполезно; слишком мелкие куски плотно прилегают друг к другу, не оставляя необходимых проходов для газов, что вызывает различные затруднения в работе в печи. Эксперименты и практический опыт показали, что наиболее удобным материалом для доменной плавки являются куски от 60до 80 мм в поперечнике. Поэтому добываемые на рудниках куски руды просеивают через так называемые грохоты, и куски более 100 мм в поперечнике подвергают дроблению до необходимых размеров. При дроблении материалов, как и при добыче руды в рудниках, наряду с крупными кусками образуется и мелочь, тоже не пригодная к плавке в шахтных печах. Возникает необходимость окускования этих материалов до нужных размеров.

Наиболее широко в металлургии применяется агломерация (спекание), которая проводится теперь на больших ленточных агломерационных машинах непрерывного действия. Исходными материалами для агломерации служат рудная мелочь и колошниковая пыль – отход доменного производства.

 

Выплавка чугуна

Получение чугуна из железных руд осуществляется в доменных печах. Доменные печи являются крупнейшими современными шахтными печами. Большинство действующих сейчас доменных печей имеет полезный объем 1300÷2300 м³ – объем, занятый загруженными в нее материалами и продуктами плавки. Эти печи имеют высоту примерно 30 м и дают в сутки по 2000 т чугуна.

В России построены и эксплуатируются печи объемом в 2700 и 3200 м³. В 1974 г. на Криворожском заводе была построена крупнейшая доменная печь в мире объемом в 5000 м³. Эта печь существенно отличается от печей, построенных ранее. В ней выпуск продуктов плавки производится через четыре летки и много других нововведений, облегчающих труд доменщиков и повышающих производительность труда.

Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке в верхнюю часть печи, называемой колошником, руды (или агломерата), кокса и флюсов, располагающихся, поэтому в шахте печи слоями. При нагревании шихты за счет горения кокса, которое обеспечивает вдуваемый в горн горячий воздух, в печи идут сложные физико-химические процессы (которые описаны ниже) и шихта постепенно опускается вниз навстречу горячим газам, поднимающимся вверх. В результате взаимодействия компонентов шихты и газов в нижней части печи, называемой горном, образуются два несмешивающихся жидких слоя – чугун и шлак.

На рис.10 показана схема доменной печи, работающих на ряде заводов. Материалы подаются к печи подъемниками с опрокидывающимися ковшами вместимостью по 17 м³, доставляющими агломерат, кокс и другие добавки к засыпному устройству на высоту 50 м. Засыпное устройство доменной печи состоит из двух поочередно опускающихся конусов. Для равномерного распределения материалов на колошнике печи малый конус с цилиндром, после каждой засыпки поворачивается на заданный угол (обычно 60°).

В верхней части горна располагаются фурменные отверстия (16÷20 шт.), через которые в печь подается под давлением около 300 кПа (3 ати) горячий, обогащенный кислородом воздух при температуре 900÷1200°С.

Жидкий чугун выпускается каждые 3÷4 ч поочередно через две или три летки, которые для этого вскрываются с помощью электробура. Выливающийся из печи чугун выносит с собой и шлак, находящийся над ним в печи. Чугун направляется по желобам литейного двора в чугуновозные ковши, расположенные на железнодорожных платформах. Шлак, выливающийся с чугуном, предварительно отделяется от чугуна в желобах с помощью гидравлических запруд и направляется в шлаковозы. Кроме того, значительную часть шлака обычно выпускают из доменной печи, до выпуска чугуна через шлаковую летку. После выпуска чугуна летка закрывается путем ее забивки пробкой из огнеупорной глины с помощью пневматической пушки.

Печь монтируют в прочном сварном стальном кожухе, интенсивно охлаждаемом водой. Внутри печь выкладывают высококачественным шамотным кирпичом, а отдельные части печи делают из прессованных углеродистых блоков. Толщина боковых стенок печи в отдельных местах превышает 1,5 м, а лещади – 4 м. Печь полезным объемом 2700 м³ имеет высоту 80 м и весит с механизмами около 200 000 т. Печь работает непрерывно в течение 4—8 лет.

Физико-химические процессы, протекающие в доменной печи, очень сложны и многообразны. Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно разделить на следующие этапы: горение углерода топлива; разложение компонентов шихты; восстановление окислов; науглероживание железа; шлакообразование. Эти этапы процесса проходят в печи одновременно, переплетаясь друг с другом, но с разной интенсивностью, на разных уровнях печи.

Горение углерода топлива происходит главным образом возле фурм, где основная масса кокса, нагреваясь, встречается с нагретым до 900÷1200⁰С кислородом воздуха, поступающим через фурмы.

Образовавшаяся при этом углекислота вместе с азотом воздуха поднимается вверх и, встречаясь с раскаленным коксом, взаимодействует с ним по реакции

СО₂ С_тв→2СО.

Восстановление окислов может происходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главной целью доменного процесса является восстановление железа из его окислов. Согласно теории академика Байкова восстановление окислов железа идет ступенчато по следующей схеме:

Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe,

Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe.

 

При этом главную роль в восстановлении окислов железа играет окись углерода.

Науглероживание железа происходит следующим образом. Образовавшееся в результате восстановительного процесса твердое губчатое железо, соприкасаясь с печными газами, содержащими значительное количество СО, взаимодействует непосредственно с ним по реакции:

3Fe+2CO=Fe₃C+CO_{2 .}

Образование сплава железа с углеродом, имеющего температуру плавления ниже, чем чистое железо, приводит к формированию капель жидкого чугуна, которые, стекая в нижнюю часть печи через слой раскаленного кокса, еще более насыщаются углеродом.

Шлакообразование активно развивается при прохождении шихты в области распара после окончания процессов восстановления окислов железа в доменной печи. Шлак состоит из окислов пустой породы и золы кокса, а также флюса, специально добавленного в печь, чтобы обеспечить достаточную жидкотекучесть шлака при температуре 1400÷1450⁰С. При слишком легкоплавком шлаке не успевает восстановиться значительная часть окислов железа, которая выносится с этим шлаком из зоны восстановления. При слишком тугоплавком шлаке на стенках печи образуются большие настыли и доменный процесс осложняется. Состав шлака зависит от состава пустой породы руды, а также от того, получают ли в доменной печи передельный чугун, литейный чугун или ферросплавы. Основными составляющими доменного шлака являются кремнезем SiO₂ (от 30 до 45%), окись кальция (40÷50%), глинозем (10÷25%)

 

Рис. 10. Схема доменной печи

1 – чугунная летка, 2 – шлаковая летка, 3 – фурменный прибор, 4 – лещадь,

5 – чугуновоз, 6 – шлаковозы, 7 – газоотводы, 8 – засыпное устройство,

9 – фундамент, 10 – воздухопровод