Доменный процесс. Основные реакции. Устройство доменной печи

  Рисунок 2

 

 Атом (рис.3) состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В Рисунок 3        противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента.

Взаимодействия в молекуле и  атоме сводятся к притяжению систем ядро-электрон и отталкиванию систем ядро-ядро и электрон-электрон. Движение атомов (молекул) в теле является хаотичным.

От скорости движения атомов в теле зависит его внутренняя кинетическая энергия (просто внутренняя энергия). Мерой внутренней энергии является температура. Чем больше температура, тем больше энергия и скорость атомов (молекул).

 

Амфорные и кристаллические  тела

По своим физическим свойствам  и молекулярной структуре твердые  тела разделяются на два класса –  аморфные и кристаллические.

Характерной особенностью аморфных тел  является их изотропность, т. е. независимость  всех физических свойств (механических, оптических и т. д.) от направления  внешнего воздействия. Молекулы и атомы  в изотропных твердых телах располагаются хаотично, образуя лишь небольшие локальные группы, содержащие несколько частиц (ближний порядок). По своей структуре аморфные тела очень близки к жидкостям. Примерами аморфных тел могут служить стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), пластики и т. д. Если аморфное тело нагревать, то оно постепенно размягчается, и переход в жидкое состояние занимает значительный интервал температур.

В кристаллических телах частицы  располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры во всем объеме тела. Для наглядного представления таких структур используются пространственные кристаллические решетки, в узлах которых располагаются центры атомов или молекул данного вещества. Чаще всего кристаллическая решетка строится из ионов (положительно и отрицательно заряженных) атомов, которые входят в состав молекулы данного вещества. Например, решетка поваренной соли содержит ионы Na+ и Cl–, не объединенные попарно в молекулы NaCl (рис. 4). Такие кристаллы называются ионными.

В каждой пространственной решетке можно выделить структурный элемент минимального размера, который называется элементарной ячейкой. Вся кристаллическая решетка может быть построена путем параллельного переноса (трансляции) элементарной ячейки по некоторым направлениям.

Рисунок 4. Кристаллическая решетка поваренной соли

Теоретически доказано, что всего  может существовать 230 различных  пространственных кристаллических  структур. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или  созданы искусственно.

Кристаллические решетки металлов часто имеют форму шестигранной призмы (цинк, магний), гранецентрированного куба (медь, золото) или объемно центрированного куба (железо).

Кристаллические тела могут быть монокристаллами  и поликристаллами. Поликристаллические  тела состоят из многих сросшихся между собой хаотически ориентированных маленьких кристалликов, которые называются кристаллитами. Большие монокристаллы редко встречаются в природе и технике. Чаще всего кристаллические твердые тела, в том числе и те, которые получаются искусственно, являются поликристаллами.

В отличие от монокристаллов, поликристаллические  тела изотропны, т. е. их свойства одинаковы  во всех направлениях. Поликристаллическое  строение твердого тела можно обнаружить с помощью микроскопа, а иногда оно видно и невооруженным глазом (чугун).

Многие вещества могут существовать в нескольких кристаллических модификациях (фазах), отличающихся физическими свойствами. Это явление называется полиморфизмом. Переход из одной модификации  в другую называется полиморфным переходом. Интересным и важным примером полиморфного перехода является превращение графита в алмаз. Этот переход при производстве искусственных алмазов осуществляется при давлениях 60–100 тысяч атмосфер и температурах 1500–2000 К.

Структуры кристаллических решеток экспериментально изучаются с помощью дифракции рентгеновского излучения на монокристаллах или поликристаллических образцах.

На рис. 5 приведены примеры простых кристаллических решеток. Следует помнить, что частицы в кристаллах плотно упакованы, так что расстояние между их центрами приблизительно равно размеру частиц. В изображении кристаллических решеток указывается только положение центров частиц.

Рисунок 5. Простые кристаллические решетки: 1 – простая кубическая решетка; 2 – гранецентрированная кубическая решетка; 3 – объемноцентрированная кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка

В простой кубической решетке частицы  располагаются в вершинах куба. В  гранецентрированной решетке частицы  располагаются не только в вершинах куба, но и в центрах каждой его грани. Изображенная на рис. 5.1 решетка поваренной соли состоит из двух вложенных друг в друга гранецентрированных решеток, состоящих из Na+ и Cl–. В объемноцентрированной кубической решетке дополнительная частица располагается в центре каждой элементарной кубической ячейки.

Кристаллические структуры металлов имеют важную особенность. Положительно заряженные ионы металла, образующие кристаллическую  решетку, удерживаются вблизи положений  равновесия силами взаимодействия с  «газом свободных электронов» (рис.6). Электронный газ образуется за счет одного или нескольких электронов, отданных каждым атомом. Свободные электроны способны блуждать по всему объему кристалла.

Рисунок 6.Структура металлического кристалла

 

Аллотропия и изотропия

Аллотропия

Многие металлы при изменении  температуры меняют тип кристаллической  решетки. К таким металлам относятся  железо, кобальт, титан, марганец, олово  и некоторые другие, в частности  редкоземельные металлы. Способность  металла менять тип кристаллической  решетки с изменением температуры называется аллотропией. Одновременно с изменением типа кристаллической решетки меняются и свойства металла. Этим явлением широко пользуются в технике для придания металлам требуемых свойств.

Принято обозначать различные аллотропические формы одного и того же металла буквами греческого алфавита — а, р у, б и т. д. Причем форму, существующую при самых низких температурах, обозначают буквой а, следующую — р и т. д.

Аллотропическое превращение при  нагревании происходит с поглощением  тепла, а при охлаждении — с его выделением. Как в процессе нагревания, так и в процессе охлаждения аллотропическое превращение происходит с некоторым запаздыванием. Например, температура превращения ос-модификации в р, происходящего при нагревании, будет всегда выше температуры превращения модификации В в а, происходящего при охлаждении. Это явление называется гистерезисом. Оно характерно для аллотропических превращений.

Самый распространенный в технике  металл — железо. Оно имеет аллотропические  превращения. Их легко проследить, если рассмотреть процесс охлаждения жидкого железа до комнатной температуры. На рис. 7 показана кривая охлаждения чистого железа.

 

 

 

  Рисунок 7. Кривая охлаждения чистого железа.

 

 

 

 

 

 

 

Перенос точек перегиба кривых T—t, полученных с помощью термического анализа, на диаграмму температура — концентрация (пример дан для сплавов с неограниченной растворимостью) : 1,4 — температура затвердевания чистых металлов А и В; 2, 3 — сплавы системы А и В.

До 1539°С происходит плавное остывание жидкого железа. На кривой охлаждения при этой температуре появляется площадка; железо затвердевает и выделяется скрытая теплота кристаллизации. Пока все железо не затвердеет, температура не изменяется. В интервале 1539—1392°С температура плавно снижается. Здесь железо имеет кристаллическую решетку объемно-центрированного куба Fe6 (б — железо).

При 1392°С на кривой охлаждения появляется вторая площадка, связанная с аллотропическим  превращением б-железа в у-железо. Оно  сопровождается выделением тепла, поэтому на кривой охлаждения появляется площадка; у-железо имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба. При аллотропическом превращении исчезают старые зерна и появляются новые.

Следующая площадка на кривой охлаждения наблюдается при 911°С. Она вызвана превращением у-железа в а-железо. Кристаллическая решетка из гранецентрированной кубической опять перестраивается в объемноцентрированную, которая существовала ранее в интервале 1539—1392° С. Далее структура а-железа сохраняется до самых низких температур.

Последняя площадка на кривой охлаждения при 768° С связана с превращением особого рода. При этой температуре  не происходит изменения в кристаллической  решетке и не появляются новые  зерна. Тепловой эффект связан не с  изменением строения кристаллической решетки, а с перестройкой электронных оболочек атомов. Выше этой температуры железо парамагнитно (немагнитно), ниже — ферромагнитно (магнитно). Парамагнитное а-железо называют иногда В-железом.

 

 

Изотропия

  Изотропность (от Изо... и греч. trópos — поворот, направление), одинаковость физических свойств среды по всем направлениям. Все газы, жидкости и твёрдые тела в аморфном состоянии изотропны по всем физическим свойствам. У кристаллов большинство физических свойств анизотропно. Однако чем выше симметрия кристалла, тем более изотропны его свойства. Так, у высокосимметричных кристаллов (алмаз, германий, каменная соль) упругость, прочность, электрооптические свойства анизотропны, но показатель преломления света, электропроводность, коэффициент теплового расширения и т. д. — изотропны . Поликристаллы обычно изотропны в отношении всех свойств, если рассматривать их свойства в объёме, значительно большем, чем величина зерна.

 

Задание 3 Испытание на растяжение. Диаграмма растяжения. Определение предела текучести.

Испытание материалов на растяжение

При проектировании и расчетах на прочность, жесткость и устойчивость элементов механизмов, машин и  сооружений необходимо знать свойства материалов. Поэтому материалы испытывают на растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб и твердость.

Если нагрузка статическая, то основным является испытание на растяжение, при котором обнаруживаются наиболее важные свойства материалов. Для этого  из испытуемого материала изготовляют  специальные образцы. Чаще всего  их делают цилиндрическими (рис.8 а), a из листового металла обычно изготовляют плоские образцы (рис.8б).

 

 Рисунок 8а. Образец цилиндрическими для испытаний на растяжение.

 

Рисунок 8б. Образец из листового металла для испытаний на растяжение

  В цилиндрических образцах должно быть выдержано соотношение между расчетной длиной образца L-l  и диаметром d₀ : у длинных образцов ι₀ = 10d₀ , у коротких ι₀ = 5d_0. 

Эти соотношения можно выразить в иной форме. Учитывая, что

, где A₀  — площадь поперечного сечения образца, получим

для длинного образца

 

(рис.8.а)

для короткого образца

(рис.8.б)

В качестве основных применяют образцы  с диаметром d₀ = 10 мм; при этом рабочая длина L-l  = 100 мм. Допускается применение образцов и других диаметров при условии, что их рабочая длина или . Такие образцы называются пропорциональными.

 

Диаграммы растяжения.

Для испытаний на растяжение применяют  разрывные машины, позволяющие в  процессе испытания определять усилия и соответствующие им деформации образца. По этим данным строят первичную диаграмму растяжения, в которой по оси ординат откладывают усилия, по оси абсцисс — соответствующие им удлинения. Диаграмма растяжения может быть получена и автоматически при помощи специальных диаграммных аппаратов. Характер диаграммы растяжения зависит от свойств испытуемого материала. Типичный вид такой диаграммы для малоуглеродистой стали изображен на рис.9.

Рисунок 9. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

 

Рассмотрим характерные участки  и точки этой диаграммы, а также  соответствующие им стадии деформирования образца.

От начала нагружения до определенного  значения растягивающей силы имеет  место прямая пропорциональная зависимость  между удлинением образца и силой. Эта зависимость на диаграмме выражается прямой ОА. На этой стадии растяжения справедлив закон Гука.

Обозначим силу, при которой нарушается закон пропорциональности, через F_пц. На диаграмме этому значению силы на диаграмме соответствует точка А. Напряжение, вызванное силой F_пц, называется пределом пропорциональности и вычисляется по формуле

 

Итак, пределом пропорциональности называется напряжение, после которого нарушается закон Гука.

Вспомним, что деформация называется упругой, если она полностью исчезает после разгрузки. Допустим, что, постепенно повышая нагрузку F, будем при каждом ее значении производить полную разгрузку образца. Пока сила F не достигнет определенной величины, вызванные ею деформации будут полностью исчезать при разгрузке. Процесс разгружения при этом будет изображаться той же линией, что и нагружение.