К середине XIX века учёные располагали множеством сведений о физических и химических свойствах разных элементов и их соединений. Появилась необходимость упорядочить эти знания и представить их в наглядном виде.
Исследователи из разных стран пытались создать классификацию, объединяя элементы по сходству состава и свойств веществ, которые они образуют. Однако ни одна из предложенных систем не охватывала все известные элементы.
Пытался решить эту задачу и молодой русский профессор Д.И. Менделеев. Он собирал и классифицировал информацию о свойствах элементов и их соединений, а затем уточнял её в ходе многочисленных экспериментов.
Собрав данные, Дмитрий Иванович записал сведения о каждом элементе на карточки, раскладывал их на столе и многократно перемещал, пытаясь выстроить логическую систему.
Долгие научные изыскания привели его к выводу, что свойства элементов и их соединений изменяются с возрастанием атомной массы, однако не монотонно, а периодически.
Так был открыт периодический закон, который учёный сформулировал следующим образом: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».
Своё открытие Менделеев совершил почти за 30 лет до того, как учёным удалось понять структуру атома. Открытия в области атомной физики позволили установить, что свойства элементов определяются не атомной массой, а зависят от количества электронов, содержащихся в нём. Поэтому современная формулировка закона звучит так:
Свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов
Этот принцип Менделеев проиллюстрировал в таблице, в которой были представлены все 63 известных на тот момент химических элемента. При её создании учёный предпринял ряд весьма смелых шагов.
- Во-первых, многочисленные эксперименты позволили Менделееву сделать вывод, что атомные массы некоторых элементов ранее были вычислены неправильно, и он изменил их в соответствии со своей системой.
- Во-вторых, в таблице были оставлены места для новых элементов, открытие которых учёный предсказал, подробно описав их свойства.
Первый вариант Периодической таблицы элементов, составленной Д.И. Менделеевым.
Мировое научное сообщество поначалу скептически отнеслось к открытию русского химика. Однако вскоре были открыты предсказанные им химические элементы: галлий, скандий и германий.
Это разрушило сомнения в правильности системы Менделеева, которая навсегда изменила науку.
Там, где раньше учёному требовалось провести ряд сложнейших (и даже не всегда возможных в реальности) опытов — теперь стало достаточно одного взгляда в таблицу.
Существует легенда, якобы знаменитая таблица явилась Менделееву во сне. Но сам Дмитрий Иванович эту информацию не подтвердил.
Он действительно нередко засиживался над работой до поздней ночи и засыпал, продолжая размышлять над решением задачи, однако факт мистического озарения во сне учёный отрицал: «Я над ней, может быть, двадцать лет думал, а вы думаете, сел и вдруг — готово!».
Теперь расскажем, как устроена Периодическая таблица элементов Менделеева и как ею пользоваться.
Структура Периодической системы элементов
Периодическая таблица химических элементов
На настоящий момент Периодическая таблица Менделеева содержит 118 химических элементов. Каждый из них занимает своё место в зависимости от атомного числа. Оно показывает, сколько протонов содержит ядро атома элемента и сколько электронов в атоме находятся вокруг него. Атом каждого последующего элемента содержит на один протон больше, чем предыдущий.
Периоды — это строки таблицы. На данный момент их семь. У всех элементов одного периода одинаковое количество заполненных электронами энергетических уровней.
Группы — это столбцы. В группы в Периодической таблице объединяются элементы с одинаковым числом электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов.
В кратком варианте таблицы, используемой в школьных учебниках, элементы разделены на восемь групп.
Каждая из них делится на главную (A) и побочную (B) подгруппы, которые объединяют элементы со сходными химическими свойствами.
Каждый элемент обозначается одной или двумя латинскими буквами. Порядковый номер элемента (число протонов в его ядре) обычно пишется в левом верхнем углу.
Также в ячейке элемента указана его относительная атомная масса (сумма масс протонов и нейтронов).
Это усреднённая величина, для расчёта которой используются атомные массы всех изотопов элемента с учётом их содержания в природе. Поэтому обычно она является дробным числом.
Чтобы узнать количество нейтронов в ядре элемента, необходимо вычесть его порядковый номер из относительной атомной массы (массового числа).
Свойства Периодической системы элементов
Расположение химических элементов в таблице Менделеева позволяет сопоставлять не только их атомные массы, но и химические свойства.
Вот как они изменяются в пределах группы (сверху вниз):
- Металлические свойства усиливаются, неметаллические ослабевают.
- Увеличивается атомный радиус.
- Усиливаются основные свойства гидроксидов и кислотные свойства водородных соединений неметаллов.
В пределах периодов (слева направо) свойства элементов меняются следующим образом:
- Металлические свойства ослабевают, неметаллические усиливаются.
- Уменьшается атомный радиус.
- Возрастает электроотрицательность.
Элементы Периодической таблицы Менделеева
По положению элемента в периоде можно определить его принадлежность к металлам или неметаллам. Металлы расположены в левом нижнем углу таблицы, неметаллы — в правом верхнем углу. Между ними находятся полуметаллы. Все периоды, кроме первого, начинается щелочным металлом. Каждый период заканчивается инертным газом.
Щелочные металлы
Первая группа главная подгруппа элементов (IA) — щелочные металлы. Это серебристые вещества (кроме цезия, он золотистый), настолько мягкие, что их можно резать ножом. Поскольку на их внешнем электронном слое находится только один электрон, они очень легко вступают в реакции. Плотность щелочных металлов меньше плотности воды, поэтому они в ней не тонут, а бурно реагируют с образованием щёлочи и водорода. Реакция идёт настолько энергично, что водород может даже загореться или взорваться. Эти металлы настолько активно реагируют с кислородом в воздухе, что их приходится хранить под слоем керосина (а литий — под слоем вазелина).
Учите химию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду CHEMISTRY892021 вы получите бесплатный недельный доступ к курсам химии за 8 класс и 9 класс
Щелочноземельные металлы
Вторая группа главная подгруппа (IIА) представлена щелочноземельными металлами с двумя электронами на внешнем энергетическом уровне атома. Бериллий и магний часто не относят к щелочноземельным металлам. Они тоже имеют серебристый оттенок и легко взаимодействуют с другими элементами, хотя и не так охотно, как металлы из первой группы главной подгруппы. Температура плавления щелочноземельных металлов выше, чем у щелочных. Ионы магния и кальция обусловливают жёсткость воды.
Лантаноиды и актиноиды
В третьей группе побочной подгруппе (IIIB) шестого и седьмого периодов находятся сразу несколько металлов, сходных по строению внешнего энергетического уровня и близких по химическим свойствам. У этих элементов электроны начинают заполнять третий по счёту от внешнего электронного слоя уровень. Это лантаноиды и актиноиды. Для удобства их помещают под основной таблицей.
Лантаноиды иногда называют «редкоземельными элементами», поскольку они были обнаружены в небольшом количестве в составе редких минералов и не образуют собственных руд.
Актиноиды имеют одно важное общее свойство — радиоактивность. Все они, кроме урана, практически не встречаются в природе и синтезируются искусственно.
Переходные металлы
Элементы побочных подгрупп, кроме лантаноидов и актиноидов, называют переходными металлами. Они вполне укладываются в привычные представления о металлах — твёрдые (за исключением жидкой ртути), плотные, обладают характерным блеском, хорошо проводят тепло и электричество. Валентные электроны их атомов находятся на внешнем и предвнешнем энергетических уровнях.
Неметаллы
Правый верхний угол таблицы до инертных газов занимают неметаллы.
Неметаллы плохо проводят тепло и электричество и могут существовать в трёх агрегатных состояниях: твёрдом (как углерод или кремний), жидком (как бром) и газообразном (как кислород и азот).
Водород может проявлять как металлические, так и неметаллические свойства, поэтому его относят как к первой, так и к седьмой группе Периодической системы.
Подгруппа углерода
Четвёртую группу главную подгруппу (IVА) называют подгруппой углерода. Углерод и кремний обладают всеми свойствами неметаллов, германий и олово занимают промежуточную позицию, а свинец имеет выраженные металлические свойства. Углерод образует несколько аллотропных модификаций — вариантов простых веществ, отличающихся по своему строению, а именно: графит, алмаз, фуллерит и другие.
Большинство элементов подгруппы углерода — полупроводники (проводят электричество за счёт примесей, но хуже, чем металлы). Графит, германий и кремний используют при изготовлении полупроводниковых элементов (транзисторы, диоды, процессоры и так далее).
Подгруппа азота
Пятую группу главную подгруппу (VA) называют пниктогенами или подгруппой азота. В ходе реакций эти элементы могут как отдавать электроны, так и принимать их, завершая внешний энергетический уровень.
Физические свойства элементов подгруппы азота различны. Азот является бесцветным газом. Фосфор, мягкое вещество, образует несколько вариантов аллотропных модификаций — белый, красный и чёрный фосфор. Мышьяк — твёрдый полуметалл, способный проводить электрический ток. Висмут — блестящий серебристо-белый металл с радужным отливом.
Азот — основное вещество в составе атмосферы нашей планеты. Некоторые элементы подгруппы азота токсичны для человека (фосфор, мышьяк, висмут). При этом азот и фосфор являются важными элементами почвенного питания растений, поэтому они входят в состав большинства удобрений. Азот и фосфор также участвуют в формировании важнейших молекул живых организмов — белков и нуклеиновых кислот.
Подгруппа кислорода
Халькогены или подгруппа кислорода — элементы шестой группы главной подгруппы (VIA). Для завершения внешнего электронного уровня атомам этих элементов не хватает лишь двух электронов, поэтому они проявляют сильные окислительные (неметаллические) свойства. Однако, по мере продвижения от кислорода к полонию они ослабевают.
Кислород образует две аллотропные модификации — кислород и озон — тот самый газ, который образует экран в атмосфере планеты, защищающий живые организмы от жёсткого космического излучения.
Кислород и сера легко образуют прочные соединения с металлами — оксиды и сульфиды. В виде этих соединений металлы часто входят в состав руд.
Галогены
Седьмая группа главная подгруппа (VIIA) представлена галогенами — неметаллами с семью электронами на внешнем электронном слое атома. Это сильнейшие окислители, легко вступающие в реакции. Галогены («рождающие соли») назвали так потому, что они реагируют со многими металлами с образованием солей. Например, хлор входит в состав обычной поваренной соли.
Самый активный из галогенов — фтор. Он способен разрушать даже молекулы воды, за что и получил своё грозное имя (слово «фтор» переводится на русский язык как «разрушительный»). А его «близкий родственник» — иод — используется в медицине в виде спиртового раствора для обработки ран.
Инертные газы
Инертные газы, расположенные в последней, восьмой группе главной подгруппе (VIIIA) — элементы с полностью заполненным внешним электронным уровнем. Они практически не способны участвовать в реакциях. Поэтому их иногда называют «благородными», проводя параллель с представителями высшего общества, которые брезгуют контактировать с посторонними.
У инертных газов есть удивительная способность: они светятся под действием электромагнитного излучения, поэтому используются для создания ламп. Так, неон используется для создания светящихся вывесок и реклам, а ксенон — в автомобильных фарах и фотовспышках.
Гелий обладает массой всего в два раза больше массы молекулы водорода, но, в отличие от последнего, не взрывоопасен и используется для заполнения воздушных шаров.
Марки стали – таблица с маркировкой и расшифровкой
Любому специалисту, имеющему дело с металлом, знакомо понятие «марки стали». Расшифровка маркировки стальных сплавов дает возможность получить представление об их химическом составе и физических характеристиках. Разобраться в данной маркировке, несмотря на ее кажущуюся сложность, достаточно просто – важно только знать, по какому принципу она составляется.
Обозначают сплав буквами и цифрами, по которым можно точно определить, какие химические элементы в нем содержатся и в каком количестве. Зная это, а также то, как каждый из таких элементов может влиять на готовый сплав, можно с высокой степенью вероятности определить, какие именно технические характеристики свойственны определенной марке стали.
Виды сталей и особенности их маркировки
Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, при этом содержание последнего в ней составляет не более 2,14%. Углерод придает сплаву твердость, но при его избытке металл становится слишком хрупким.
Одним из важнейших параметров, по которому стали делят на различные классы, является химический состав. Среди сталей по данному критерию выделяют легированные и углеродистые, последние подразделяются на мало- (углерода до 0,25%), средне- (0,25–0,6%) и высокоуглеродистые (в них содержится больше 0,6% углерода).
Включая в состав стали легирующие элементы, ей можно придать требуемые характеристики.
Именно таким образом, комбинируя вид и количественное содержание добавок, получают марки, обладающие улучшенными механическими свойствами, коррозионной устойчивостью, магнитными и электрическими характеристиками.
Конечно, улучшать характеристики сталей можно и при помощи термообработки, но легирующие добавки позволяют делать это более эффективно.
По количественному составу легирующих элементов различают низко-, средне- и высоколегированные сплавы. В первых легирующих элементов не более 2,5%, в среднелегированных – 2,5–10%, в высоколегированных – более 10%.
Классификация сталей осуществляется и по их назначению. Так, выделяют инструментальные и конструкционные виды, марки, отличающиеся особыми физическими свойствами.
Инструментальные виды используются для производства штамповых, мерительных, а также режущих инструментов, конструкционные – для выпуска продукции, применяемой в строительстве и сфере машиностроения.
Из сплавов, отличающихся особыми физическими свойствами (также называемых прецизионными), изготавливают изделия, которые должны обладать особыми характеристиками (магнитными, прочностными и др…
Стали противопоставляются друг другу и по особым химическим свойствам. К сплавам данной группы относятся нержавеющие, окалиностойкие, жаропрочные и др. Что характерно, нержавеющие стали могут быть коррозионностойкими и нержавеющими пищевыми – это разные категории.
Кроме полезных элементов, сталь включает и вредные примеси, к основным из которых относятся сера и фосфор. В ней также находятся газы в несвязанном состоянии (кислород и азот), что негативно отражается на ее характеристиках.
Если рассматривать основные вредные примеси, то фосфор увеличивает хрупкость сплава, особенно сильно проявляющуюся при низких температурах (так называемая хладноломкость), а сера вызывает появление трещин в металле, нагретом до высокой температуры (красноломкость).
Фосфор, ко всему прочему, значительно уменьшает пластичность нагретого металла.
По количественному содержанию этих двух элементов выделяют стали обыкновенного качества (не более 0,06–0,07% серы и фосфора), качественные (до 0,035%), высококачественные (до 0,025%) и особовысококачественные (сера – до 0,015%, фосфор – до 0,02%).
Маркировка сталей также указывает на то, в какой степени из их состава удален кислород. По уровню раскисления выделяют стали:
- спокойного типа, обозначаемые буквосочетанием «СП»;
- полуспокойные – «ПС»;
- кипящие – «КП».
О чем говорит маркировка сталей
Расшифровать марку стали довольно просто, необходимо только владеть определенными сведениями. Конструкционные стали, обладающие обыкновенным качеством и не содержащие легирующих элементов, маркируют буквосочетанием «Ст».
По цифре, идущей после букв в названии марки, можно определить, сколько в таком сплаве углерода (исчисляется в десятых долях процента). За цифрами могут идти буквы «КП»: по ним становится ясно, что данный сплав не до конца прошел процесс раскисления в печи, соответственно, он относится к категории кипящего.
Если название марки не содержит таких букв, то сталь соответствует категории спокойной.
- Прежде чем приступить к рассмотрению марок тех сталей, которые включают легирующие добавки, следует разобраться в том, как данные добавки обозначаются. Маркировка легированных сталей может включать такие буквенные обозначения:
Обозначение сталей с легирующими элементами
Как сказано выше, классификация сталей с легирующими элементами включает несколько категорий. Маркировка легированных сталей составляется по определенным правилам, знание которых позволяет достаточно просто определить категорию конкретного сплава и основную область его применения.
В начальной части названий таких марок находятся цифры (две или одна), показывающие содержание углерода. Две цифры указывают на его среднее содержание в сплаве в сотых долях процента, а одна – в десятых. Есть и стали, не имеющие в начале названия марки цифр.
Это означает, что углерод в этих сплавах содержится в пределах 1%.
Буквы, которые можно увидеть за первыми цифрами названия марки, указывают на то, из чего состоит данный сплав.
За буквами, дающими информацию о том или ином элементе в его составе, могут стоять или не стоять цифры.
Если цифра есть, то по ней определяется (в целых процентах) среднее содержание указанного буквой элемента в составе сплава, а если цифры нет, значит, данный элемент содержится в пределах от 1 до 1,5%.
В конце маркировки отдельных видов сталей может стоять буква «А». Это говорит о том, что перед нами высококачественная сталь. К таким маркам могут относиться и углеродистые стали, и сплавы с легирующими добавками в своем составе. Согласно классификации, к данной категории сталей причисляются те, в которых сера и фосфор составляют не более 0,03%.
Примеры маркировки сталей различных видов
Определение марки стали и причисление сплава к определенному виду – это задача, которая не должна вызывать никаких проблем у специалиста. Не всегда под рукой есть таблица, в которой дается расшифровка названий марок, но разобраться с этим помогут примеры, которые приведены ниже.
Конструкционные стали, не содержащие легирующих элементов, обозначаются буквосочетанием «Ст». Цифры, стоящие следом, – это содержание углерода, исчисляемое в сотых долях процента. Несколько иначе маркируются низколегированные конструкционные стали.
К примеру, в стали марки 09Г2С 0,09% углерода, а легирующие добавки (марганец, кремний и др.) содержатся в ней в пределах 2,5%. Очень похожие по своей маркировке 10ХСНД и 15ХСНД отличаются разным количеством углерода, а доля каждого легирующего элемента в них составляет не больше 1%.
Именно поэтому после букв, обозначающих каждый легирующий элемент в таком сплаве, не стоит никаких цифр.
20Х, 30Х, 40Х и др. – так маркируются конструкционные легированные стали, преобладающим легирующим элементом в них является хром.
Цифра в начале такой марки – это содержание углерода в рассматриваемом сплаве, исчисляемое в сотых долях процента.
За буквенным обозначением каждого легирующего элемента может быть проставлена цифра, по которой и определяют его количественное содержание в сплаве. Если ее нет, то указанного элемента в стали содержится не больше 1,5%.
Как расшифровать маркировку сталей?
Чтобы расшифровка обозначения различных видов сталей не вызывала затруднений, следует хорошо знать, какими они бывают. Отдельные категории сталей имеют особенную маркировку. Их принято обозначать определенными буквами, что позволяет сразу понять и назначение рассматриваемого металла, и его ориентировочный состав. Рассмотрим некоторые из таких марок и разберемся в их обозначении.
Конструкционные стали, специально предназначенные для изготовления подшипников, можно узнать по букве «Ш», данная литера ставится в самом начале их маркировки.
После нее в названии марки идет буквенное обозначение соответствующих легирующих добавок, а также цифры, по которым узнают количественное содержание этих добавок.
Так, в сталях марок ШХ4 и ШХ15, кроме железа с углеродом, содержится хром в количестве 0,4 и 1,5%, соответственно.
Буквой «К», которая стоит после первых цифр в названии марки, сообщающих о количественном содержании углерода, обозначают конструкционные нелегированные стали, используемые для производства сосудов и паровых котлов, работающих под высоким давлением (20К, 22К и др.).
Качественные легированные стали, которые обладают улучшенными литейными свойствами, можно узнать по букве «Л», стоящей в самом конце маркировки (35ХМЛ, 40ХЛ и др.).
Некоторую сложность, если не знать особенностей маркировки, может вызвать расшифровка марок строительной стали. Сплавы данной категории обозначают буквой «С», которую ставят в самом начале. Цифры, следующие за ней, указывают на минимальный предел текучести. В таких марках также используются дополнительные буквенные обозначения:
- литера Т – термоупрочненный прокат;
- буква К – сталь, отличающаяся повышенной коррозионной устойчивостью;
- литера Д – сплав, характеризующийся повышенным содержанием меди (С345Т, С390К и др.).
Нелегированные стали, относящиеся к категории инструментальных, обозначают буквой «У», она проставляется в начале их маркировки. Цифра, идущая за данной буквой, выражает количественное содержание углерода в рассматриваемом сплаве.
Стали данной категории могут быть качественными и высококачественными (их можно определить по букве «А», она проставляется в конце названия марки).
В их маркировке может содержаться буква «Г», что означает повышенное содержание марганца (У7, У8, У8А, У8ГА и др.).
Сталь – характеристики, особенности и сферы применения
Без этого материала жизнедеятельность цивилизации индустриальной эпохи представить сложно. Сталь – самый «раскрученный» в мире сплав с железом в составе. Говоря о железных изделиях, декоре, конструкциях, подразумевают сталь.
Что представляет собой
Сталь – материал, сопровождающий человека по жизни. Это корпус автомобиля, лезвие кухонного или охотничьего ножа, инструменты, остов конструкций, тысячи других изделий.
Она не относится к металлам – это сплав железа, углерода, марганца и других примесей-лигатур.
Основной металл стали – железо.
Содержание компонентов сплава – железо (45+%), углерод (0,2-2,14%), примеси (остальное). Они могли бы составить формулу вещества.
На пару с чугуном – продукт черной металлургии.
Ее оттенок стал эталоном цвета – стального.
История
Документированная история сплава начинается за два тысячелетия до нашей эры:
- В Турции откопаны образцы возрастом почти 4 тысячи лет.
- Европейцам материал стал доступен со времен Античности.
- Самыми известными артефактами Средневековья стали булатные мечи. С той эпохи это был главный материал холодного оружия.
Веками сохранялся втайне секрет изготовления дамасской стали и японских самурайских мечей.
- Расцвет стального производства наступил в связи с войнами XIX века. XX век пополнил ассортимент танковой броней, корпусами самолетов, шлемами.
В третьем тысячелетии сплав не сдает позиций перед материалами нового поколения.
Особенности материала
Свойства стали не заложены природой, они определяются человеком.
Он решает, какой состав будет у материала, каким способом его получать, как дорабатывать:
- Железо делает сплав пластично-вязким, его легко обрабатывать.
- Углерод придает твердости, но его не бывает более 3,39% (иначе материал станет хрупким).
- Для придания нужных характеристик основу обогащают легирующими добавками. Часто это цветные металлы. Например, хром делает ее жаропрочной, никель – вязкой и невосприимчивой к коррозии.
Доля легирующих присадок измеряется десятыми долями либо парой процентов, но физические и химические свойства конечного продукта меняются кардинально.
Фосфор, сера, свободный кислород, азот понижают порог пластичности и прочности. В процессе плавки их удаляют.
Свойства сплава определяются также методом выплавки – термообработка (закалка), горячий/холодный прокат, другие.
Сталь часто путают с чугуном. Это действительно самые близкие по свойствам и составу сплавы металлов.
Отличить сплавы позволяет процент углерода в составе: до 2,14 – сталь, больше – чугун.
Характеристики стали
- Плотность: 7700—7900 кг/м³ (7,7—7,9 г/см³).
- Удельный вес: 75500—77500 Н/м³ (7700—7900 кгс/м³ в системе МКГСС).
- Удельная теплоёмкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)).
- Температура плавления: 1450—1520 °C.
- Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг).
- Коэффициент теплопроводности при температуре 100 °C:
| Хромоникельвольфрамовая сталь | 15,5 Вт/(м·К) |
| Хромистая сталь | 22,4 Вт/(м·К) |
| Молибденовая сталь | 41,9 Вт/(м·К) |
| Углеродистая сталь (марка 30) | 50,2 Вт/(м·К) |
| Углеродистая сталь (марка 15) | 54,4 Вт/(м·К) |
| Дюралюминиевая сталь | 56,3 Вт/(м·К) |
- Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:
| сталь Ст3 (марка 20) | {displaystyle 11{,}9cdot 10^{-6}} 1/°C |
| сталь нержавеющая | {displaystyle 11{,}0cdot 10^{-6}} 1/°C |
- Предел прочности стали при растяжении:
| сталь для конструкций | 373—412 МПа |
| сталь кремнехромомарганцовистая | 1,52 ГПа |
| сталь машиностроительная (углеродистая) | 314—785 МПа |
| сталь рельсовая | 690—785 МПа |
Технология производства
Получение сплава предусматривает переработку чугуна. При этом ненужные составляющие отжигают, заменяя их элементами-лигатурами.
Процесс проводится на металлургическом комбинате по следующим технологиям:
- Мартеновский способ. Смесью чугуна с рудой загружают мартеновскую печь. Для отжига излишков углерода плавят при 2050°С, вводят лигатуры. Продукт (сталь) разливают по емкостям, отправляют на прокатку. Способ считается устаревшим.
- Кислородно-конвертерный. Сквозь массив чугуна пропускают поток воздуха либо воздушно-кислородной смеси. Цель – быстрее и полнее отжечь содержимое.
- Электроплавка. Сырье плавится при 2210°С. Печь закрыта, поэтому «загрязнение» сплава газами исключено. Метод затратен, применяется для получения элитного продукта.
- Прямой. Для продувки окатышей из железной руды печь нагревают до 1060°С. Используется аммиачно-кислородная смесь плюс угарный газ, образованные при сгорании природного газа.
Диаграмма состояния сплавов железо-углерод, область стали помечена синим
Для получения материала с повышенными характеристиками термообработку продолжают. Способ получения предусматривает закалку, цементацию, азотирование (аккумулирование углерода либо азота на поверхности для увеличения износостойкости), цианирование («накачка» внешнего слоя азотом для ускорения процесса), другие операции.
Разновидности некоторых сталей
| 35 | нормализация | 163—192 HB |
| 40 | улучшение | 192—228 HB |
| 45 | нормализация | 179—207 HB |
| 45 | улучшение | 235—262 HB |
| 55 | закалка и высокий отпуск | 212—248 HB |
| 60 | закалка и высокий отпуск | 217—255 HB |
| 70 | закалка и высокий отпуск | 229—269 HB |
| 80 | закалка и высокий отпуск | 269—302 HB |
| У9 | отжиг | 192 HB |
| У9 | закалка | 50—58 HRC |
| У10 | отжиг | 197 HB |
| У10 | закалка | 62—63 HRC |
| 40Х | улучшение | 235—262 HB |
| 40Х | улучшение+закалка токами выс. частоты | 45-50 HRC; 269—302 HB |
| 40ХН | улучшение | 235—262 HB |
| 40ХН | улучшение+закалка токами выс. частоты | 48-53 HRC; 269—302 HB |
| 35ХМ | улучшение | 235—262 HB |
| 35ХМ | улучшение+закалка токами выс. частоты | 48-53 HRC; 269—302 HB |
| 35Л | нормализация | 163—207 HB |
| 40Л | нормализация | 147 HB |
| 40ГЛ | улучшение | 235—262 HB |
| 45Л | улучшение | 207—235 HB |
| 65Г |
HB — твёрдость по Бринеллю, HRC — твёрдость по Роквеллу.
Плюсы и минусы
Характеристики сплава зависят от состава, способа изготовления. Есть и универсальные свойства.
Достоинства стали:
- Прочность, твердость.
- Вязкость, упругость.
- Возможность механической обработки. Стальные фрагменты легко сгибать, сваривать, резать.
- Износостойкость, долговечность.
- Распространенность сырья.
- Простота, рентабельность производства.
- Выбор материала с нужными свойствами. Их обеспечивает разнообразие состава и методов обработки.
Плюс ценовая доступность продукции.
Недостатки материала:
- Массивность.
- Беззащитность перед коррозией.
- Склонность к аккумуляции электрического потенциала.
Эти изъяны некритичны, есть способы их нейтрализации.
Классификация
Разнообразие составов обусловило необходимость упорядочивания материала. Классификация ведется по нескольким основаниям.
По химическому составу
Самое крупное деление, подразумевает углеродистые и легированные стали.
Углеродистые
Характеристики углеродистых сталей определяет углерод. В зависимости от его количества различают три вида с разной структурой: мало-, средне, высокоуглеродистые – соответственно, до 0,30; 0,30-0,70; 0,70+% углерода.
Углеродистая сталь
Самая известная углеродистая разновидность – черная сталь. Бывает холодно- либо горячекатаной. Виды продукции: фасонная, сортовая, широкополосная, листовая сталь, катанка. Этот сплав обычных кондиций ценится машиностроителями как конструкционный материал номер один.
Легированные
Легированные – стали с элементами, добавленными для получения заданных характеристик.
Классификация базируется на совокупном объеме легирующих добавок (кроме марганца и фосфора). В зависимости от этого различают низко-, средне- либо высоколегированные стали, с, соответственно, до 2,5; 2,5-10; 10+% примесей.
Добавками служат хром, никель, молибден, другие цветные металлы.
Самая известная легированная сталь – нержавейка. По составу это хромистая либо хромо-никелевая смесь (хрома – до 26,9%).
По сфере применения
Свойства стали позволяют выбрать материал для конкретных проектов:
- Строительные. Рядовые низколегированные сплавы, главное условие для которых – возможность сварки.
- Инструментальные. Высокоуглеродистый, высоколегированный материал для инструментов. Тепло-, износостойкий, прочный. Различают режущие, штампованные, для метрологического инструментария.
- Конструкционные. Материал с малым процентом марганца. Находит применение как основа узлов, конструкций.
Металлопрокат из стали
- Как разновидность конструкционных рассматриваются специальные стали: кислотоупорные, жаростойкие, жаропрочные.
- Другие виды классификации: по структуре, способу производства, содержанию примесей.
Маркировка
Состав, способ производства обусловили маркировку сталей.
Материал делится на три группы:
- Группа А включает семь марок стали – от Ст 0 до Ст 6. Чем больше цифра, тем лучше.
- Группа Б – марки от БСт0 до БСт 6. Увеличение нумерации означает повышение планки прочности, текучести.
- Группа В маркируется как ВСт.
В группе А регламентируются механические характеристики, у группы Б в приоритете состав, для сегмента В важны обе шкалы.
Стоимость
Материал оценивают традиционно: по степени обработки, виду продукции, марке, настроению рынка.
Мировую цену определяет Лондонская биржа металлов. Так, в начале июня 2021 года за тонну условной стали здесь давали $506.
Проверить совместимость мужчины и женщины по Знаку Зодиака
Влияние химических элементов на свойства стали и чугуна
Стали. С увеличением содержания углерода (рис.1.30) повышаются твердость и прочность, снижается пластичность, улучшается обработка резанием, повышается закаливаемость, но ухудшается свариваемость стали. Твердость и прочность тем выше, чем выше дисперсность (более мелкие кристаллы) феррита и цементита.
Вредными примесями для стали являются S, P, O, H, N.
Сера S ухудшает пластичность и вязкость; сталь становится хрупкой при высоких температурах (красноломкость), поэтому серы должно быть в сталях менее 0,03%.
При наличии серы в сплаве по краям зерен создается эвтектика FeS, которая при температурах выше 985 °С плавится, поэтому по границам зерен образуются трещины и металл разрушается.
Наличие фосфора Р в стали приводит к хладноломкости (возникают трещины уже при комнатной температуре и, особенно, интенсивно при отрицательных температурах), ухудшается пластичность и вязкость сплава. В высококачественных сталях должно быть фосфора менее 0,03%.
Марганец Mn раскисляет сталь и нейтрализует вредное влияние серы S,. повышает прочность и износостойкость стали.
Кремний Si повышает упругость и прочность стали, увеличивает предел текучести, что снижает возможности холодной штамповки и высадки металла.
Чугуны.Микроструктура чугунов (табл. 14) зависит от скорости охлаждения металла: при быстром охлаждении будет белый чугун (углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита и ледебурита) , а при медленном охлаждении будет серый чугун (углерод находится в виде графита).
Таблица 1.4 Марки и механические характеристики чугунов
| Группы чугунов | Марки чугунов | sb, МПа | НВ | d , % |
| Серые | СЧ 10 | 100 | 120…150 | |
| СЧ 15 | 150 | 130…241 | ||
| ……… | ……… | …….. | ||
| СЧ 35 | 350 | 179…290 | ||
| Высокопрочные | ВЧ 35 | 350 | 140…170 | 22 |
| ВЧ 40 | 400 | 140…202 | 15 | |
| ……… | ………. | …….. | ……… | |
| ВЧ 100 | 1000 | 270…360 | 2 | |
| Ковкие | КЧ 30-6 | ³ 300 | £ 163 | 6 |
| КЧ 33-8 | ³ 330 | £ 163 | 8 | |
| КЧ 37-12 | ³ 370 | £ 163 | 12 | |
| ……. | ……. | …… | ||
| КЧ 63-2 | ³ 630 | £ 269 | 2 |
Кремний Si способствует графитизации чугуна, и улучшает его литейные свойства. В серых чугунах содержится 0,8 …4,5% Si.
Марганец Mn способствует отбеливанию чугуна, но содержание Mn до 1,2% полезно, т.к. увеличиваются твердость и прочность чугуна.
Фосфор Р повышает жидкотекучесть чугуна, поэтому допустимо его содержание до 0,4%, но в ответственных чугунных отливках содержится фосфора менее 0,15%, т.к. с ростом содержания его увеличивается хрупкость чугуна.
Сера S затрудняет графитизацию, увеличивает хрупкость и ухудшает жидкотекучесть чугуна, поэтому серы в чугунах должно быть не более 0,1%.
Серые чугуны делятся на модифицированные, высокопрочные и ковкие (табл. 1.4.).
- В серых чугунах графит имеет пластинчатую форму, в высокопрочных- шаровидную, а в ковких- хлопьевидную.
- Примеры обозначения чугунов:
- СЧ25 ГОСТ 1412-85, ВЧ 50 ГОСТ 7293-85.
Влияние химических элементов на свойства стали
УглеродC – идеальный раскислитель, так как продуктом раскисления будет окись углерода СО, которая легко удаляется. Чем больше в стали углерода, тем меньше требуется раскислителей.
Он является основным компонентом в стали. В ней он находится в виде химического соединение с железом, которое называется карбидом железа или цементитом. Цементит непластичен и обладает высокой твердостью.
- В зависимости от содержания углерода в стали повышается:
- · твердость, прочность
- · износостойкость
- · электросопротивление
- и уменьшается:
- · пластичность
- · плотность
КремнийSi вводится в сталь как активный раскислитель, то есть удаляет из стали кислород. Пониженное содержание Si указывает на недостаточную раскисленность стали. При повышенном содержании Si (от 0,3% до 0,5%):
- · повышается твердость, упругость
- · уменьшается пластичность
- · снижается способность стали свариваться в горячем состоянии
- Cодержание Si от 1 до 3 % значительно улучшает магнитные свойства стали (динамная сталь, трансформаторная).
- Содержание Si приводит к старению (потере пластичности), чтобы этого не происходило, добавляют Al.
- Марганец Mn выступает как раскислитель, так как хорошо соединяется при высоких температурах с кислородом, восстанавливает железо и его окислы.
- Достаточное содержание Mn свидетельствует о раскислении стали,
- повышаются прочностные свойства, износостойкость.
- Марганец, вводимый в жидкую сталь, реагирует с O2 и S и образует соединения, выделяющиеся в виде включений, большая часть всплывает на поверхность жидкого металла и удаляется вместе со шлаком.
- Сера S попадает в сталь из чугуна, при плавлении, в конверторах S не удаляется совсем.
- Является вредной примесью, так как вызывает красноломкость, то есть хрупкость стали в горячем состоянии при ковке и прокатке.
ФосфорP также является вредной примесью; не оказывает заметного влияния на свойства стали в горячем состоянии, но при минусовых температурах вызывает хладноломкость. В холодном состоянии (при повышенном содержании P) сталь становится хрупкой.
- · повышенное содержание P вредно для деталей работающих при
- низких температурах
- · повышает сопротивление стали к коррозии
- · улучшает обрабатываемость автоматной стали
- ХромCr в стали существенно повышает ее механические свойства, при
- повышении Cr повышается сопротивляемость стиранию, износу :
- · увеличивает прочность и твердость
- · коррозионную стойкость
- Никель Ni применяется как легирующий элемент, благоприятно влияющий
- на мех свойства стали:
- · увеличивает прочность,
- · ударную вязкость, не снижая пластичности
- · повышает прокаливаемость и жаростойкость
- Медь Cu влияет на повышение
- · коррозионной стойкости
- · предела текучести
- · прокаливаемости
- МолибденMo способствует получению мелкозернистой структуры;
- сталь, содержащая Mo, хорошо обрабатывается.
- · Mo замедляет рост зерна при нагреве
- · повышает прочность стали при повышенных температурах
- АлюминийAl является активным раскислителем:
- · уменьшает рост зерен, делает сталь мелкозернистой, однородной
- по химическому составу
- · предотвращает старение
- · улучшает штампуемость
- · повышает твердость и прочность
- · увеличивает сопротивление окислению при высоких
- температурах.
- Ванадий V снижает чувствительность стали к перегреву;
- · обеспечивает мелкозернистость стали
- · повышает ее прокаливаемость
- · улучшает свариваемость
- КилородO 2 — вредная примесь:
- · придает старение,
- · красноломкость,
- · снижает ударную вязкость
- ВодородH2
- · понижает пластичность в холодном состоянии
- · повышает красноломкость в горячем состоянии
- Титан Ti находит особенно большое применение при производстве
- коррозионностойких сталей.
- · повышает прокаливаемость стали при малых содержаниях и понижает
- при больших.
- · улучшает пластичность.
- ВольфрамW увеличивает прокаливаемость стали, повышает сопротивление
- стали к коррозии и истиранию, обеспечивает прочность при высоких
- температурах, уменьшает свариваемость.
Загрузка...
