содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

Раздел I ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧУГУНА И СТАЛИ. СТРОЕНИЕ СЛИТКОВ, ЗАГОТОВОК, ОТЛИВОК
 

Глава 1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ЛИТЕИНЫЕ СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ РАСПЛАВОВ

Для квалифицированной разливки стали в изложницы или на машинах непрерывного литья заготовок (MHJI3), а также для получения высококачественной отливки из чугуна или стали необходимо знать основные физические и литейные свойства железоуглеродистых расплавов (чугуна и стали), позволяющие характеризовать процессы, происходящие при кристаллизации.

К физико-химическим константам и свойствам, которые необходимо учитывать при рассмотрении процессов разливки черных металлов, формирования структуры слитков и отливок, относятся температура плавления, скрытая теплота плавления, теплоемкость жидкого металла, вязкость (табл. 1, 2).

Приведенные свойства дают представление о количестве тепла, выделяющегося при заливке и затвердевании

металла, о зависимости температуры плавления от состава сплава, а также влиянии состава и температуры сплава на его вязкость.

При анализе физико-химических процессов пользуются понятием «система».

Системой называют тело или группу тел, находящихся во взаимодействии и мысленно обособляемых от окружающей среды. Она бывает простой и сложной. Простая система состоит из одного какого-либо элемента или химического соединения (компонента). В ней могут происходить лишь физические изменения — переход из одного агрегатного состояния в другое. Например, железо относится к простой системе, оно при нагревании переходит в жидкое, а при охлаждении — в твердое состояние.

Температура, при которой происходит изменение агрегатного состояния, называется температурой плавления. В табл. 1 показана температура плавления наиболее распространенных сплавов железа.

Сложная система состоит из двух или нескольких элементов или химических соединений. В сложной системе могут происходить физические изменения, а также и химическое взаимодействие входящих в систему элементов или соединений.

К сложным системам можно отнести чугун и сталь, т. е. сплавы на основе железа, содержащие углерод и другие элементы. При нагреве железоуглеродистых сплавов (чугуна и стали) происходит, например, растворение или выделение углерода из раствора в чистом виде, а также в виде химического соединения. В результате изменяются физические свойства сплава.

Системы различают еще как однородные (гомогенные) и неоднородные (гетерогенные). Однородная система имеет одинаковое физическое состояние во всех точках. Такой системой является чистое железо без инородных включений.

В неоднородной системе вещества находятся в различном агрегатном состоянии, они не смешиваются и имеют поверхность раздела (сталь, разливаемая под шлаком).

Состояние системы можно представить графически. Такой график называется диаграммой состояния (рис. 1). На диаграммах состояния по оси ординат откладывают значения температуры в градусах, а на оси абсцисс — состав сплавов в процентах. Начало координат соответствует ста процентам одного компонента сплава, конечная точка оси абсцисс соответствует стопроцентному содержанию другого компонента сплава. Все промежуточные точки дают сплавы переменных составов. Диаграммы состояния имеют две основные линии. Верхняя линия, которая соответствует началу затвердевания сплава, называется линией ликвидус (по-гречески слово ликвидус означает жидкое). Нижняя линия, соответствующая концу затвердевания, называется линией ликвидус, ниже которой сплав находится полностью в твердом состоянии. Диаграмма состояния может быть двойной, тройной и т. д. по числу компонентов, входящих в состав сплава.

Примером двойной диаграммы состояния является диаграмма состояния железо — углерод.

Поверхностное натяжение, адгезия. Любая жидкость имеет поверхностный слой с особыми свойствами, являющимися следствием проявления сил сцепления молекул или атомов. Молекулы, расположенные в поверхностном слое, находятся в других условиях, чем молекулы внутри жидкости. Молекулы в глубине жидкости со всех сторон окружены подобными себе молекулами, а молекулы поверхностного слоя имеют подобных себе соседей лишь с одной стороны. В результате характер взаимодействия молекул поверхностного слоя отличается от характера взаимодействия молекул внутри жидкости; молекулы поверхностного слоя как бы втягиваются внутрь жидкости. По этой причине увеличение площади поверхности жидкости связано с затратой некоторой работы. Величина работы, затрачиваемая при постоянной температуре, чтобы увеличить на единицу площадь поверхности жидкости и ее насыщенного пара, является мерой поверхностной энергии, называемой поверхностным натяжением. В табл. 3 приведены данные поверхностного натяжения железа и его сплавов. Поверхностное натяжение приводит к тому, что поверхность раздела жидкости всегда стремится уменьшиться. Именно с этим связано стремление капелек жидкости или пузырьков газа принимать сферическую форму. Поверхностное натяжение существует и у твердых тел, но его определить очень трудно, так как поверхностные силы сравнительно невелики и не изменяют формы тела.

Помещая различные жидкости на твердые предметы, можно наблюдать, как одни жидкости принимают шарообразную форму, другие хорошо растекаются.

В первом случае жидкость называется не смачивающей твердое тело, во втором — смачивающей.

 

Вязкость. При движении жидкости, например воды

в стеклянной трубке, скорость течения в различных точках будет различной. Наименьшая скорость движения воды будет у стенок сосуда; чем дальше вглубь расположен слой воды, тем больше будет его скорость. Такое состояние жидкости не является равновесным и в ней будут происходить явления, стремящиеся выравнять скорости течения. Эти явления называются внутренним трением, или вязкостью. Они возникают в результате наличия сил сцепления между стенками канала и жидкостью, а также между частицами самой жидкости. Таким образом, под вязкостью понимают внутреннее трение, которое возникает между отдельными слоями жидкости, перемещающимися с различными скоростями. Единицей вязкости считается вязкость такой жидкости, в которой сила в 1 Н перемещает слой жидкости в 1 м2 по отношению к другому такому же слою, находящемуся на расстоянии 1 мм, со скоростью 1 м/с.

Коэффициенты вязкости железа и жидкой стали приведены в табл. 2.

Отношение динамической вязкости к плотности жидкости называется кинематической вязкостью. Размерность кинематической вязкости м2/с.

Диаграмма состояния железо — углерод

Основными составляющими элементами стали и чугуна являются железо и углерод. Диаграмма равновесия сплавов Fe—С представляется обычно в двух вариантах: метастабильном (неустойчивом) и стабильном (устойчивом) (рис. 3, табл. 4). В первом случае углерод связан в цементит, во втором выделяется в свободном состоянии в виде графита.

Основные превращения в сплавах Fe—С для метастабильного равновесия представлены в табл. 5.

содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..