Файл: Теория - ткм.doc

4.6. Разрушение материалов.

Разрушение является заключительной стадией деформации материалов. Разрушения представляют собой разделение материалов на составные части. С точки зрения атомной структуры разрушение выглядит как разрыв межатомных связей. Разрыв может происходить двумя способами:

1. Под воздействием напряжений перпендикулярных плоскости разрыва – это разрыв со сколом или отрывом.

2. Под действием напряжений параллельных плоскости разрыва – это разрыв сдвигом или скольжением.

В реальных материалах обычно имеют места сразу оба вида разрыва. В зависимости от степени пластичности материала перед разрушением делят разрушение на вязкое и хрупкое. При вязком разрушении наблюдается значительная пластическая деформация материала перед разрушением. При этом разрыв межатомных связей происходит преимущественно сдвигом. При хрупком разрушении пластическая деформация значительно меньше, а разрыв межатомных связей происходит преимущественно отрывом. Чисто вязкое разрушение наблюдаются у следующей группы материалов: пластилин, глина, и т.д., хрупкое: стекло алмаз. Однако большинству материалов присуще одновременно оба вида разрушения, а подразделение на хрупкое и вязкое осуществляется по преобладающему механизму разрушения.

Вид разрушения характеризуются:

• Величиной работы разрушения.

• Видом трещины.

• Скоростью распространения трещины.

• Видом поверхности излома.

При вязком разрушении наблюдается большая работа разрушения, чем при хрупком. Работа разрушения пропорциональна площади под кривой растяжения. Чем площадь больше, тем больше работа, тем более вязкий материал и наоборот.

σ σ

S₁ S₁ >>> S₂

S₂

вяз. ε хр. ε

Хрупкое разрушение более опасное, чем вязкое. Обычно оно начинается с некоторого дефекта: царапина, поры, выбоины, загрязнения сварного шва, технологических отверстий и изгибов. Хрупкое разрушение происходит в три стадии:

1. Зарождение микротрещины на дефектах

2. Рост микротрещины до критических размеров.

3. Распространение трещины через весь образец, т.е. возникновение маштральной трещины, делящей образец на части.

Третья стадия происходит самопроизвольно без дополнительного деформирования образца. Трещина растет за счет упругой энергии, накопленной на предыдущем этапе деформирования образца. Скорость распространения такой трещины сравнима со скоростью звука в рассматриваемом образце.

При вязком разрушении скорость распространения трещины зависит от скорости деформирования.

Хрупкая трещина имеет малый угол раскрытия, т.е. является острой трещиной и как правило ветвится и наоборот.

Поверхность излома при хрупком разрушении блестит и под микроскопом обнаруживает платообразную структуру. Поверхность при вязком разрушении является матовой, а под микроскопом обнаруживаем волокнистую структуру.

У многих вязких материалов, в частности, металлов и сплавов при понижении температуры наблюдается смена преобладающего механизма разрушения: с вязкого на хрупкий. Это явление называется хладноломкостью. Стадия разрушения материала с момента появления первого повреждения может составлять до 90% долговечности конструкции.

Технология материалов. Тема №5: Основы металлургического производства.

5.1. Основы сведения о металлургическом производстве.

Металлургическое производство – сложная система различных производств, базирующаяся на месторождения руд, коксующихся углей и энергиях комплексов. Оно включает: шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей, горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды и подготавливают плавки, коксохимические заводы, где осуществляют коксование углей и извлечение из них полезно-химических продуктов. Энергетические цехи, где получают сжатый воздух и кислород для дутья; доменные цехи в которых плавят чугун и ферросплавы; сталеплавильные цехи где плавят сталь и т.д.

Исходными материалами металлического производства являются руда флюсы топливо и огнеупорные материалы.

Руда - горная порода, из которого при данном из развитии техники целесообразно извлекать металл.

Руда состоит из материалов содержащий металл, и пустую породу (песок, глину). Бедные руды, содержащие небольшое количество металла предварительно обогащаются, т.е. удаляют из них часть пустой породы и получают т.н. рудный концентрат.

Флюсы – материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды и золой топлива. Данное соединение называют шлаком.

Топливом является кокс природный и доменный газ, мазут

Продуктами металлического производства является передельный чугун, используемый для передела в сталь; литейный чугун для получения литейных чугунных отливок. Ферросплавы, т.е. чугуны с повышенным содержанием какого либо элемента (форротитан), эти сплавы служат для раскисления сталей и получения легированных сталей; стальные слитки, используемые для ковки слитки цветных металлов и сплавов используемых для литья прокатки ковки и т.д.

5.2. Огнеупорные материалы.

Огнеупорные материалы - это материалы, которые используются для изготовления внутреннего облицовочного слоя печей и ковшей для расплавки металлов. Этот слой называют футеровкой. Огнеупоры способны противостоять высоким температурам и расплавленным металлам и химическому воздействию шлаков и газов. По химическим свойствам огнеупоры делятся на кислые основные и нейтральные. К кислым относятся динас и кварцит которые в основном состоят из окиси кремния (SiO₂). Их огнеупорность ≈ 1700 ⁰С. К основным относят магнезит и доломит содержащие окись магния и кальция. Они выдерживают 2300-2500 ⁰С. К нейтральным относятся шамот и магнезит в основе Al₂O₃ (1600-1700 ⁰С). Также в качестве нейтрального огнеупора используют графит. Кислые огнеупоры разъедаются основными шлаками, но весьма стойки к кислым, основные - наоборот. Нейтральные одинаково стойки. Применение вида огнеупора зависит от метода плавки и химического состава шлака.

5.3. Исходные материалы доменного производства.

Чугуны получают в доменных печах, исходными материалами являются железные руды, топлива и флюсы: вместе все это шихта.

Железные руды содержат железо в виде некоторого химического соединения, и пустую породу. Железо обычно находится в виде окисла, гидроокисла и карбоната. Пустая порода состоит в основном из кремнезема (SiO₂), глинозема (Ai₂O₃) и окислов кальция и магния (CaO, MgO). Также могут находиться фосфор и сера. В зависимости от того, каким химическим элементов в руде представлено железо, руды бывают: красный железняк (гематит), содержащий железа 45-60% в виде основной руды; магнитный железняк (магнитит) содержащий железа до 70% в виде, (встречается как в чистом виде, так и с примесью серы) - железный колчедан или фосфоро-аппатиты. Бурный железняк содержит железа до 20% в виде водной окиси 2Fe₂O₃ * 3H₂O.

Шпатовый железняк содержит 30-40 % в виде. Руды с содержанием железа менее 50%-бедные, а более - богатые. Бедные руды обогащают. Для получения ферросплавов используют специальные марганцовые, хромовые и другие руды, содержащие соответствующие элементы в виде, в основном окислители. Топливом служит кокс. Кокс получают из специальных сортов каменного угля путем нагрева до 1000 0С. без доступа воздуха. Иногда в целях экономии топлива часть кокса заменяют природным газом и мазутом.

Флюсом является известняк (CaCO₃).

5.4. Подготовка руд к плавке.

Эта операция осуществляется для повышения производительности доменной печи со снижения расхода кокса и улучшение качества чугуна. Цель операции подготовки увеличить содержание железа в руде, шихте и уменьшить содержание вредных примесей, а также повысить однородность шихты по узковатости и химическому составу. Основными операциями подготовки является обогащение руды, дробление и сортировка, а также окускование. Дробление и сортировка применяется с целью получения кусков руды оптимальные для плавки величины. Для этого используют специальные дробилки и классификатор.

Обогащение применяют для повышения в руде железа. Этого добиваются путем удаления из руды минералом пустой породою. Для обогащения применяют промывку водой и последующую отсадку. Также применяют магнитную сепарацию (магнитные частицы руды отделяются от пустой породы). После обогащения приводят окускование с целью переработки рудных концентратов в кусковые материалы, необходимых размеров. Существует два способа окускования: окатавание и оглумерация. При оглумерации шихту, состоящую из рудного концентрата, флюса, коксовой мелочи и влаги спекают на оглумерационных машинах (температура 1300 – 1500 ⁰С). В результате из руды удаляются вредные примеси (сера и т.д.) и получается кусковые каристый материал – оглумерат.

При окатывании шихты такого же состава во вращающихся барабанах (грануляторах) приобретают форму шариков-окатышей d ≈ 30 мм. Их высушивают и обжигают при температуре 1200 -1300 ⁰С. После этого они становятся прочными и користыми. Использование огламератора и окатышей исключают отдельную подачу в доменную печь флюса и топлива.

5.5. Устройство и работа доменной печи (шахтного типа)

Доменная печь представляет собой стальной кожух, выложенный изнутри шамотным кирпичом. Рабочее производство делится (см рис.) Шихта в виде окатышей подается в засыпной аппарат, он представляет собой шлюзовую камеру с двумя клапанами, чтобы предотвратить из печи выход шлюзовых газов. При работе печи шахта опускается вниз и проплавляется, а через загрузочное устройство подается новая порция. Воздух, предварительно очищенный и нагретый, подается в печь через фурменное устройство. Воздух нагревается в специальных нагревательных устройст-

вах, представляющих собой систему каналов из кирпича. Перед подачей воздуха нагревательное устройство подается доменный газ, состоящий в основном из СО и там сжигается. В результате кирпичи нагреваются. Затем эти кирпичи отдают тепло, проходящему через них воздуху. Печь имеет два нагревательных устройства, которые включаются попеременно. Таким образом, экономится топливо.