Лекции по "Материаловедению"

Из характеристик, присущих только этому виду труб, стоит выделить сбалансированное сочетание прочности  конечного продукта, легкости металла  и цены.

Процесс полиморфного превращения протекает при постоянной температуре. Так, железо имеет две температуры полиморфного превращения: 911 и 1392 °С. Ниже 911 °С железо существует в форме Fea. При 911 °С объемно-центрированная решетка Fea переходит в гранецентрированную решетку Fev, которая при 1392 °С вновь переходит в объемно-центрированную решетку Fea. Высокотемпературная решетка обозначается Feo.

Олово имеет две аллотропические  модификации р и а. Обычное  белое олово - р-модификация - устойчиво  при температурах выше 18 °С. При низких температурах белое олово переходит в серое - а-модификацию, превращаясь в мелкий порошок вследствие больших объемных изменений (плотность белого олова 7300 кг/м3, серого - 5800 кг/м3). Это явление называют «оловянной чумой». Переход р-модификации в а-модификацию происходит при охлаждении до температуры ниже -20 °С.

Переход из одной аллотропической  формы в другую обусловливает  изменение физико-механических свойств  металла. Кроме железа и олова, полиморфные  превращения имеют кобальт, марганец, теллур, титан, цирконий, уран и другие металлы.

Анизотропия

Анизотропия - Анизотропия  твердых тел (от греч. anisos - неравный и tropos - направление) - зависимость равновесных  физических свойств твердого тела от направления (см. Анизотропная среда). Величины, описывающие макроскопические свойства вещества, делятся па скаляры, псевдоскаляры, векторы и тензоры различных рангов. Скалярная характеристика (например, средняя плотность вещества, температуpa, теплоемкость, энтропия) задается одним числовым значением, которое не связано с понятием направления в пространстве и не изменяется при вращении. Подобная характеристика однородного тела в состоянии равновесия не может обладать анизотропией. Псевдоскалярные характеристики, например удельное вращение плоскости поляризации, также изотропны, т. к. их численное значение сохраняется при поворотах тела или системы координат (но они меняют знак при отражении). Для задания векторной величины (например, средней намагниченности кристалла) требуется указать 3 компонента вектора в некоторой системе координат. Эти компоненты являются проекциями вектора на оси координат, они изменяются при вращении системы координат. Примером физических свойств, описываемых симметричными тензорами 2-го ранга, могут служить электропроводность и теплопроводность, а также диэлектрическая и магнитная проницаемости твердых тел. В общем случае в некоторой системе координат тензор 2-го ранга имеет 9 компонент. Если тензор симметричен, то независимыми являются лишь 6 из них - три диагональных и три недиагональных элемента матрицы. При повороте системы координат матрица тензора преобразуется по определенному закону. Всякий симметричный тензор 2-го ранга может быть приведен к главным осям, т. е. существует такая система координат, в которой матрица этого тензора диагональна; соответствующие 3 диагональных элемента называются главными значениями тензора. Если главные значения не совпадают, имеет место анизотропия, а направления главных осей определены однозначно. Так, для кристаллов (кроме кубических) направление электрического тока обычно не совпадает с направлением приложенного электрического поля. Если, однако, поле приложено вдоль одной из главных осей кристалла, возникающий ток будет параллельным полю и, измеряя значения проводимости вдоль трех главных осей, можно определить главные значения тензора электропроводности кристалла. Аналогично могут быть определены главные значения тензоров теплопроводности, диэлектрической и магнитной проницаемостей. Если для тензора два главных значения совпадают, говорят, что в отношении данной тензорной характеристики вещество является одноосным; вещество с несовпадающими тремя главными значениями называется двухосным. Если все три главных значения симметричного тензора 2-го ранга одинаковы, матрица тензора диагональна во всякой системе координат и не изменяется при вращениях системы координат. В этом важном частном случае для задания тензорной характеристики достаточно указать всего одну величину. Это означает, что в отношении данной характеристики вещество изотропно. Вещество может обладать и более сложными тензорными характеристиками. Так, коэффициент пьезоэлектрического эффекта (см. Пьезоэлектричество) образуют тензор 3-го ранга, а характеристики упругих свойств вещества образуют тензор упругих модулей 4-го ранга, для задания которого в произвольной системе координат необходимо указать значения 34=81 его элементов. Учет симметрии позволяет, однако, значительно понизить число независимо задаваемых компонент. Анизотропия кристаллов связана с симметрией их кристаллической структуры (см. Кюри принцип, Неймана принцип, Симметрия кристаллов). Чтобы вещество обладало векторной характеристикой (например, спонтанной поляризацией в случае сегнетоэлектриков), его кристаллическая решетка не должна быть симметричной относительно преобразования инверсии, т. е. не должна обладать центром симметрии. Все кубические кристаллы изотропны в отношении характеристик, описываемых симметричными тензорами 2-го ранга (например, электропроводности или диэлектрической проницаемости). Менее симметричные кристаллы обладают анизотропией в отношении этих свойств. Тензорный характер диэлектрической проницаемости проявляется, в частности, в эффекте двойного лучепреломления для некубических прозрачных кристаллов. В таблице приведено число независимых упругих постоянных (число независимых элементов матрицы тензора упругих модулей) для кристаллов различных сингоний. Анизотропия может быть искусственно вызвана внешним воздействием. Поликристаллические материалы, состоящие из огромного числа случайно ориентированных мелких монокристаллов, могут приобрести анизотропию в результате механической обработки, например прокатки (см. Текстура). Искусственная оптическая анизотропия может быть создана в кристаллах и изотропных средах под действием внешнего электрического (см. Керра эффект) или магнитного (см. Коттона-Мутона эффект) поля либо путем механического воздействия (см. Фотоупругость). Кристаллическая сингония Число упругих постоянных Триклинная 21 Моноклинная 13 Ромбическая 9 Тетрагональная 7 или 6 Тригональная (ромбоэдрическая) 6 Гексагональная 5 Кубическая 3

4. Строение  слитков спокойной и кипящей  стали.

 Строение слитков спокойной стали.

Процесс формирования отдельных  кристаллических зон в слитке спокойной стали можно иллюстрировать следующей схемой: с момента соприкосновения жидкой стали с холодными стенками изложницы на ее шероховатой поверхности благодаря термическому переохлаждению в многочисленных точках происходит гетерогенное зарождение кристаллов. После нагрева изложницы скорость кристаллизации значительно снижается и протекает при меньшем числе центров. Такая особенность кристаллизации приводит к образованию зоны столбчатых или, как их называют, шестоватых кристаллитов.

В крупных, расширяющихся  кверху слитках с большим поперечным сечением, с высоким расположением теплового центра, часто можно видеть отклонение столбчатых кристаллитов к головной части слитк.

По мере нагревания изложницы  и снижения вследствие этого ее охлаждающей  способности, а также в связи  с утолщением закристаллизовавшихся  слоев стали интенсивность образования столбчатой зоны снижается и, наконец процесс направленной кристаллизации прекращается. Практически этот период, вероятно, совпадает с моментом образования зазора между изложницей и слитком. С этого момента кристаллизация происходит замедленно, при выравнивающейся температуре по всему объему жидкого остатка. Следующий этап отвердевания металла начинается благодаря вновь установившемуся теплоотводу от слитка к изложнице через газо-воздушный зазор, а также при посредстве большого количества центров кристаллизации — дозародышей, неметаллических включений и примесей, сконцентрировавшихся в центральных объемах жидкого металла.

Наличие таких центров  кристаллизации в объеме оставшегося  жидкого металла вызывает концентрационное переохлаждение и образование различно ориентированных равноосных кристаллов. В нижней части слитка обычно наблюдается плотное зернистое мелкокристаллическое строение в виде конуса, вершина которого отстоит от низа слитка на разном расстоянии в зависимости от массы слитка, степени раскисленности и состава стали. Такое строение объясняется интенсивным охлаждающим действием толстого поддона на нижнюю часть слитка, особенно после образования зазора (слиток опускается вниз), и возможным оседанием обломков дендритов во время отвердевания.

Таким образом, закон  отвердевания жидкого металла в  металлической изложнице заранее  определяет наличие в слитке кристаллической  неоднородности. Мы видели, что изменением различных условий разливки можно  лишь ослабить развитие кристаллической неоднородности. Значительное улучшение и выравнивание кристаллической структуры слитка могут быть достигнуты активным вмешательством, изменяющим природный характер процесса кристаллизации путем применения различных искусственных приемов, базирующихся на идеях, высказанных впервые Д. К. Черновым, А. С. Лавровым и Н. В. Калакуцким.

Строение слитков  кипящей стали.

   Кипящая сталь  в отличие от спокойной является  неполностью раскисленной сталью. Во время разливки в. процессе  кристаллизации слитка эта сталь «кипит» в изложнице. «Кипение» металла в изложнице вызывается обильным выделением газов за счет реакции между углеродом и закисью железа или марганца с образованием при этом окиси углерода. Газы, выделяющиеся при затвердевании слитка кипящей стали, содержат 80— 90% СО, 1—2% С02 и незначительное количество водорода, азота и метана.

   На структуру  слитка существенное влияние  оказывает продолжительность и  интенсивность кипения стали  в изложнице, которые в свою  очередь зависят от скорости  образования и выделения окиси углерода.

   Слиток кипящей  стали по структуре характеризуется  следующими пятью зонами:

   1) наружная беспузыристая  плотная корочка, состоящая из  равноосных кристаллов;

   2) зона сотовых  пузырей, имеющих вытянутую форму  и располагающихся по направлению от плотной корочки к центру слитка (длина сотовых пузырей составляет 30—70 мм);

   3) плотная зона  между сотовыми и вторичными  пузырями;

   4) зона вторичных  (глубинных) пузырей;

   5) зона центральных  газовых пузырей (сердцевина слитка).

   Качество слитка кипящей стали определяется его рослостью, а также качеством и толщиной наружной корки. Слиток считается качественным, если он имеет минимальную рослость, а наружная корка его — плотная и толщина ее достаточна для последующего нагрева и прокатки слитка без вскрытия сотовых пузырей.

   Такое качество  слитка можно получить только  за (счет более интенсивного кипения  металла при малом ферростатическом  давлении (сифонная разливка). Если  вести разливку кипящей стали  сифоном медленно, то без особых  трудностей можно получить слиток с толщиной здоровой корки 25—35 мм [41].

   При быстрой  разливке сверху ферростатическое  давление металла в изложнице  увеличивается, вследствие чего  резко ухудшаются (по сравнению  с разливкой си­фоном) условия  газовыделения, и слиток получается с очень тонкой наружной коркой.

   Рослые слитки  с очень тонкой наружной корочкой  и близким к поверхности залеганием  сотовых пузырей, которые могут  вскрыться при нагреве и прокатке, получаются при вялом кипении  металла в изложнице или при недостаточной температуре металла. Высокое содержание марганца л углерода в стали способствует развитию рослости слитков, так как в этом случае получается низкое    отношение FeO/C и, следовательно,вялое кипение металла в изложницах.

   Если отношение  FeO/C высокое, то сталь получается чрезмерно окисленной,  что приводит к слишком интенсивному кипению, в результате которого уровень за­литой в изложницу стали резко снижается и слиток имеет «голенище».

   Таким образом,  в зависимости от окисленности  металла можно получить слитки с разной степенью кипения (вялое кипение, нормальное кипение, бурное кипение), (определяемой рослостью слитков. Нормальный слиток кипящей стали при затвердевании подрастает немного.

   Необходимо также  отметить, что в слитке кипящей стали, как правило,    отсутствует    сосредоточенная усадочная раковина, так как ее объем распределяется в многочисленных газовых пузырях, в связи с чем разливку ее производят в изложницы без утеплителей. Кипящая сталь за счет отливки ее в изложницы без утеплителей к получения высокого выхода годного, а также ма­лого расхода ферросплавов является по сравнению со спокойной сталью более дешевой. Кроме того, слитки, слябы и готовый лист из этой стали имеют хорошую поверхность, легко поддающуюся обработке в горячем и холодном состоянии.

   К недостаткам  кипящей стали, как уже указывалось,  откосится большая химическая  и структурная неоднородность  и сравнительно близкое залегание  сотовых пузырей, особенно при  разливке сверху.

5. Механические  свойства металлов и сплавов.

К основным механическим свойствам металлов относятся прочность, вязкость, пластичность, твердость, выносливость, ползучесть, износостойкость. Они являются главными характеристиками металла  или сплава.

Рассмотрим некоторые  термины, применяемые при характеристике механических свойств. Изменения размеров и формы, происходящие в твердом теле под действием внешних сил, называются деформациями, а процесс, их вызывающий,— деформированием. Деформации, исчезающие при разгрузке, называются упругими, а не исчезающие после снятия нагрузки — остаточными или пластическими.

Напряжением  называется величина внутренних сил, возникающих  в твердом теле под влиянием внешних  сил.

Под прочностью материала  понимают его способность сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. О прочности судят по характеристикам механических свойств, которые получают при механических испытаниях. К статическим испытаниям на прочность относятся растяжение, сжатие, изгиб, кручение, вдавливание. К динамическим относятся испытания на ударную вязкость, выносливость и износостойкость. Эластичностью называется способность материалов упруго деформироваться, а пластичностью — способность пластически деформироваться без разрушения.

Вязкость — это  свойство материала, которое определяет его способность к поглощению механической энергии при постепенном увеличении пластической деформации вплоть до разрушения материала. Материалы должны быть одновременно прочными и пластичными.

Твердость — это способность  материала сопротивляться проникновению в него других тел.

Выносливость — это  способность материала выдерживать, не разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок.

Износостойкость — это  способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Ползучесть — это  способность материала медленно и непрерывно пластически деформироваться (ползти) при постоянном напряжении (особенно при высоких температурах).

Поведение некоторых  металлов (например, отожженной стали) при испытании на растяжение. При увеличении нагрузки в металле сначала развиваются процессы упругой деформации, удлинение образца при этом незначительно. Затем наблюдается пластическое течение металла без повышения напряжения, этот период называется текучестью. Напряжение, при котором продолжается деформация образца без заметного увеличения нагрузки, называют пределом текучести. При дальнейшем повышении нагрузки происходит развитие в металле процессов наклепа (упрочнения под нагрузкой). Наибольшее напряжение, предшествующее разрушению образца, называют пределом прочности при растяжении.

Напряженное состояние  — это состояние тела, находящегося под действием уравновешенных сил, при установившемся упругом равновесии всех его частиц. Остаточные напряжения — это напряжения, остающиеся в теле, после прекращения действия внешних сил, или возникающие при быстром нагревании и охлаждении, если линейное расширение или усадка слоев металла и частей тела происходит неравномерно.

Внутренние напряжения образуются при быстром охлаждении или нагревании в температурных зонах перехода от пластического к упругому состоянию металла. Эти температуры для стали соответствую 400—600°. Если образующиеся внутренние напряжения превышают предел прочности, то в деталях образуются трещины, если они превышают предел упругости, то происходит коробление детали.

Предел прочности при  растяжении в кг/мм2 определяется на разрывной машине как отношение  нагрузки Р в кГ, необходимой для  разрушения стандартного образца (рис. 4, а), к площади поперечного сечения  образца в мм2.

Предел прочности при  изгибе в кГ/мм2 определяется разрушением  образца, который устанавливаете»  на двух опорах (рис. 4, б), нагруженного по середине сосредоточенной нагрузкой  Р.