Загальна характеристика та основні властивості металів.

Метали – кристалічні речовини, особливості структури обумовлюють їхні фізичні властивості, тобто високу густину, твердість, тепло- та електропровідність, тугоплавкість, ковкість, високу міцність, пластичність, особливий блиск.

Істинна густина металів змінюється в широких межах: найлегшим є калій 0,86 г/см³, найважчим - осмій (22,5 г/см³). Метали з густиною до 5 г/см³ відносять до легких, а з густиною більше 5 г/см³ - до важких. Більшість з відомих металів є важкими.

Широке використання металів у будівництві та інших галузях економіки пояснюється сполученням у них високих фізико-механічних властивостей з технологічністю. Міцність на розтяг металів практично така ж, як і на стиск. Так, міцність сталі більш ніж в 10...15 разів перевищує міцність бетону на стиск і в 100...200 разів на вигин і розтягання.

Незважаючи на унікальні міцнісні й технологічні характеристики, слід зазначити, що висока теплопровідність металів робить їх уразливими при дії вогню, отже металеві конструкції мають потребу в тепловій ізоляції. Великі збитки економіці завдає корозія металів.

Металеві сплави – це речовини, що утворилися в результаті затвердіння рідких розплавів, які складаються з двох або декількох компонентів. У таблиці наведені фізичні й механічні властивості деяких металів.

Фізичні й механічні властивості металів

Метали ділять на дві групи:

- чорні метали – сталь і чавун;

- кольорові метали – всі метали й сплави на основі алюмінію, цинку, титану.

В основу розподілу чорних металів на чавун і сталь покладений відсотковий вміст вуглецю. Чавун – це сплав заліза з вуглецем, вміст якого перевищує 2%, сталь – сплав заліза з вуглецем, вміст якого не повинен перевищувати 2%.

Класифікація чавунів

Чавун одержують у доменних печах шляхом високотемпературної обробки (1900⁰С) суміші залізної руди, коксу й флюсу. Залізна руда, що є основною сировиною, крім порожньої породи містить від 30 до 70% рудних мінералів у вигляді Fe₂O₃ і Fe₃O₄. Флюси (найчастіше вапняк) необхідні для переведення порожньої породи в шлаки (коштовний техногенний відхід, який застосовується для виробництва шлакопортландцементу, як пористий заповнювач бетонів і т.д.).При згорянні коксу виділяється вуглекислий газ, потім утворюється СО, що і відновлює з руди залізо. Залізо плавиться, розчиняючи вуглець (до 5%) і перетворюючись на чавун.

Виплавлювані в доменних печах чавуни за призначенням підрозділяють на:

- передільний – для переробки в сталь;

- ливарний – для виробництва фасонних виливків;

- спеціальний (доменні феросплави), що містять у підвищеній кількості марганець і кремній, застосовуються як добавки при виплавці сталі.

Чавуни добре стійкі проти корозії. Із ливарного чавуна виготовляють башмак під колони, тюбінги для тунелів, опорні частини залізобетонних ферм і балок, ванни, мийки, каналізаційні труби.

Білі чавуни - це сплави, в яких практично увесь вуглець знаходиться у зв'язаному стані — у вигляді цементиту. Ці чавуни мають високу твердість та крихкість і практично не обробляються ні різанням, ні тиском. Проте значна кількість цементиту обумовлює високу зносостійкість білих чавунів, особливо в умовах абразивного зносу.

Цей чавун майже не застосовують у будівництві через велику твердість і крихкість, його переробляють на сталь та сірі чавуни.

Сірі чавуни характеризуються наявністю в структурі вуглецю у вільному стані—у вигляді графіту пластинчастої форми. Вміст вуглецю становить 2,4.„З,8%; чим більше вуглецю, тим більше у сірому чавуні утворюється графіту і тим ниж­чі його механічні властивості. Ось чому кількість карбону не повинна перевищу­вати 3,8%, але для забезпечення високих ливарних якостей його повинно бути не менше 2,4%.

Сірі чавуни поділяють на власне сірі, високоміцні, леговані й ковкі.

Незважаючи на низькі механічні властивості, сірі чавуни мають ряд позитивних якостей, що обумовлює їх широке використання, а саме: низька собівартість, високі ливарні якості, добрі антифрикційні властивості (за рахунок дії графіту як твердого мастила), висока корозійна стійкість, в тому числі жаростійкість.

Із сірих чавунів виготовляють елементи будівельних конструкцій, в тому числі й таких відповідальних, як опорні частини залізобетонних балок, ферм, тунелі метрополітену, башмаки під колони тощо.

Ковкий чавун отримують з білого тривалим відпалюванням при високих температурах. При цьому в його структурі утворюються графітові включення у формі пластівців.

Маркують ковкі чавуни літерами КЧ, за якими вказують дві групи цифр.

Першою позначено границю міцності, другою — відносне видовження у процентах. Наприклад, КЧ 350-10- ковкий чавун міцністю 350 МПа, відносне видовження складає 10%.

З ковких чавунів виготовляють крюки, скоби, картери редукторів, фланці, елементи карданних валів, ролики конвеєрів тощо.

Високоміцні чавуни отримують модифікуванням, тобто перед розливанням у рідкий чавун додають домішки магнію або церію у невеликій кількості (до 1%). Під дією магнію в процесі кристалізації фафіту (в складі чавуну) змінюється його форма з пластинчастої до майже кулястої. Такі включення є значно менш активними концентраторами напружень, і тому чавун, шо містить їх у своєму складі, називається високоміцним і витримує більші зовнішні навантаження без руйнування, ніж звичайний чавун.

Високоміцні чавуни у багатьох виробах та конструкціях ефективно замінюють сталь. З них виготовляють колінчасті вали двигунів, поршневі кільця, зубчас­ті колеса, прокатні валки, які працюють у складних умовах — під дією змінних напружень та ударних навантажень.

За ДСТУ 3925-98 високоміцні чавуни маркують літерами ВЧ і двома групами цифр: перша - фаниця міцності при розтягу; друга - відносне видовження, наприклад, ВЧ 800-2- високоміцний чавун міцністю 800 МПа, відносне видовження становить 2%.

Чавун з вермикулярним графітом (ЧВГ) - це «наймолодший» з усіх видів чавуну (створений у 1970 р.). Він поєднує в собі високі ливарні, механічні та теплофізичні властивості, отже, придатний для виливання деталей складної конфігурації, в тому числі тонкостінних, що витримують значні силові та теплові навантаження.

Особливістю структури цього типу чавуну є те, шо кожна частинка кулястого фафіту росте з окремого центра кристалізації. При цьому вона також оточена аустенітом, але не суцільно: кінчики залишаються у контакті з розплавом, ростуть швидше за аустеніт і перетворюються на округлі червоподібні відростки.

Завдяки особливій структурі чавуну він відрізняється міцністю, меншою схильністю до вибілювання і усадки, вищими тепло- та електропровідністю, більшою довговічністю (щодо термічної утоми), кращими ливарними властивостями, що дозволяє виготовляти вироби складної форми.

Відповідно до ДСТУ 3926-99 марки чавунів з вермикулярним фафітом позначаються так: ЧВГ 400-4,що значить: чавун, вермикулярний фафіт, має тимчасовий опір при розтягу 400 МПа, відносне видовження становить 4%.

Залежно від призначення виплавляють ливарний і передільний чавуни. Ливар­ні чавуни використовують для виробництва чавунних виливків (у вагранках), переробні - для виробництва сталі.

Звичайні ливарні чавуни містять 1,25...4,25% силіцію, З...3,5% карбону, 0,5... 1% мангану, до 0,3% фосфору.

Чавун, призначений для мартенівської сталі, може бути різного складу залежно від того, основним чи кислим процесом він перероблятиметься на сталь. При основному процесі в чавуні не повинно міститися силіцію понад 1,5% і мангану більше 3,5%. При кислому процесі чавун не повинен містити більше 2% силіцію; 1,5% мангану і 0,07% фосфору.