Коллекция
текстовых сопроводительных материалов для учителя
к уроку по теме:
«Минералы и сплавы в оформлении станции “Маяковская”
Московского метрополитена»
Железо.
Железо – химический элемент четвертого периода VIIIB группы, имеющий электронную структуру:
E
---- ---- ---- 4p
-↑↓- --↑-- --↑-- --↑-- --↑-- 3d
-↑↓- 4s
[Ar]
При возбуждении атома железа один из спаренных 4s-электронов переходит из 4s - в 4p-состояние. В результате этого у атома железа оказывается шесть неспаренных электронов. В этом состоянии железо может проявлять валентность, равную шести. В наиболее устойчивых соединениях железо проявляет степень окисления +3.
Земная кора очень богата железом (4,1 %), но, по-видимому, его еще больше в ядре земли. Железо содержится более чем в 30 минералах, часть из которых образует крупные месторождения.
Железо добывают путем соответствующей химической обработки его соединений, входящих в состав горных пород (руд).
Руда – природное минеральное образование, содержащие металлы в таких соединениях и концентрациях, при которых выделение из него чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно.
Руды, из которых извлекают только один металл, называют простыми, например железные руды.
Руды, из которых выделяют несколько металлов, называют комплексными, например, свинцово-цинковые.
Кроме того, руды разделяются на отдельные группы в зависимости от окислителя, с которым связан металл в виде соединения. По этому признаку различают оксидные, сульфидные, карбонатные, фосфатные и др. руды.
В состав простых оксидных руд входят такие минералы, как гематит Fe2O3, лимонит Fe2O3·H2O.
Наряду с простыми оксидными рудами в природе встречаются сложные оксидные руды. В них содержатся соединения двух оксидов, из которых один обладает основным характером, а другой – амфотерным или кислотным. Например, в состав магнетита Fe3O4 входит FeO – основный оксид, Fe2O3 – амфотерный. Следовательно, Fe3O4, или FeO· Fe2O3 – двойной оксид.
Сульфидные руды имеют в своем составе сульфиды и полисульфиды. К ним относятся руды, содержащие, например, следующие минералы: пирит FeS2 (железный колчедан), халькопирит CuFeS2 и др.
Сталь
Сталь – сплав железа с углеродом, содержащий не более 2 % углерода. Сталь – пластичный металл. Ее можно ковать, прокатывать и подвергать термической обработке. Все применяемые в промышленности стали принято разделять на сорта по тем или иным признакам: по способу производства, химическому составу и назначению.
По химическому составу сталь делятся на: углеродистую и легированную.
Углеродистые стали делятся в свою очередь:
• на малоуглеродистые – менее 0,3 % С;
• на среднеуглеродистые – 0,3...0,7 % С;
• на высокоуглеродистые – более 0,7 % С.
В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов:
• низколегированные – менее 2,5 %;
• среднелегированные – 2,5... 10 %;
• высоколегированные – более 10 %.
По назначению сталь разделяют на:
- конструкционную, из которой изготовляют конструкции и детали машин; инструментальную, применяемую для изготовления режущего и измерительного инструмента и штампов; сталь с особыми физическими свойствами (нержавеющие, кислотостойкие, магнитные, жаропрочные и др.), из которых изготовляют детали паровых и газовых турбин, оборудование нефтяной и химической промышленности и т. д.
Легированная сталь
Легированной называют сталь, содержащую один или несколько легирующих элементов в различных комбинациях и количествах, изменяющих свойства этой стали и условия ее термической обработки. К легирующим элементам относятся хром, никель, титан, вольфрам, молибден, ванадий и др. Кроме того, легирующими элементами могут быть кремний и марганец, если кремния в стали содержится не менее 0,8 %, а марганца – более 1 %.
Влияние легирующих добавок
Легирующие добавки по-разному влияют на свойства стали. Поэтому их вводят в сталь в количествах, при которых наиболее полно проявляется положительное действие каждой добавки. Опыт показал, что наиболее сильное воздействие на улучшение прочностных свойств стали оказывают определенные сочетания легирующих добавок.
Углерод. С увеличением содержания углерода значительно повышается твердость и понижается пластичность стали. При малом содержании углерода сталь обладает низкой прочностью, высокой пластичностью, свариваемостью и деформацией в холодном состоянии (штампуется). При содержании углерода более 0,3 % сталь хорошо закаливается.
Хром способствует уменьшению зерна в стали при нагреве и повышает твердость, прочность и прокаливаемость стали. Добавки хрома в количестве 5 % и выше значительно увеличивают коррозийную и кислотную стойкость. При содержании хрома более 12 % сталь становится нержавеющей и жаростойкой.
Никель находится в твердом растворе с ферритом. Он повышает не только прочность стали, но и ее вязкость, и пластичность даже при пониженных температурах. При нагреве никель противодействует росту зерен и увеличивает прокаливаемость стали. При содержании 24–26 % никеля сталь становится немагнитной и коррозионностойкой.
Молибден добавляют в сталь в количестве 0,2–0,5 %. Он повышает прочность, твердость, прокаливаемость и противодействует росту зерен при нагреве стали под ковку и термическую обработку. Молибден способствует увеличению жаростойкости и уменьшению склонности стали к хрупкости после отпуска.
Ванадий повышает твердость, пластичность и вязкость и является хорошим раскислителем стали. Ванадиевая сталь мало склонна к перегреву, и при термической и химико-термической обработке ее можно нагревать в широком интервале температур.
Вольфрам образует стойкие карбиды. Инструментальные быстрорежущие стали, содержащие до 18 % вольфрама, после термической обработки обладают высокой твердостью, износо - и красностойкостью, т. е. способностью сохранять твердость при нагреве до 700 °С.
Титан. В конструкционные стали его вводят в небольших количествах (0,05– 0,15 %). Он влияет на измельчение зерен при нагреве стали и улучшает ее механические свойства.
Марганец увеличивает прочность, твердость и прокаливаемость стали. С повышенным содержанием марганца сталь при термической обработке незначительно деформируется. С увеличением содержания углерода пластичность и вязкость стали снижаются.
Кремний находится в твердом растворе с ферритом и значительно повышает его твердость, прочность и вязкость. С введением в конструкционную сталь, содержащую 0,4–0,6 % углерода, до 2 % кремния предел прочности и предел усталости стали значительно повышаются. Из кремнистой стали широко изготовляют автомобильные рессоры и пружины.
Бор хорошо раскисляет сталь, повышает прокаливаемость и механические свойства. Наиболее эффективное влияние на качество стали бор оказывает в небольшом количестве (0,0005–0,001 %).
Маркировка легированных сталей
Легированные стали маркируют по буквенно-цифровой системе. Легирующие элементы обозначают русскими буквами, например, хром – X, никель – Н, марганец – Г, молибден – М, вольфрам – В, ванадий – Ф, алюминий – Ю, кремний – С, кобальт – К, титан – Т, бор – Р и медь – Д.
Первые цифры в марках стали указывают на содержание углерода в сотых долях процента, а цифры, стоящие за буквой, – на содержание легирующих элементов. Буква А в конце марки означает сталь с пониженным содержанием вредных примесей – серы и фосфора. Например, сталь 12ХНЗА расшифровывается следующим образом: 0,12 % углерода, около 1,0 % хрома, около 3,0 % никеля, буква А указывает на минимальное содержание серы и фосфора.
К сталям с особыми физическими свойствами относятся: нержавеющие, кислото-, окалино - и износостойкие, жаропрочные, магнитные, немагнитные электротехнические и сплавы с высоким электросопротивлением.
Нержавеющие стали марок 1X13, 2X13, 3X13, 4X13 обладают высокой стойкостью против атмосферной коррозии. Из них изготовляют турбинные лопатки, хирургический инструмент, клапаны гидравлических насосов, предметы домашнего обихода и т. д.
Кислотостойкие стали марок Х17, Х25, 1Х18Н9Т, Х18Н12М2Т и др. имеют высокую коррозийную стойкость против воздействия различных кислот и не подвергаются межкристаллитной коррозии (разъеданию границ между зернами стали). Из этих сталей изготовляют различную аппаратуру для химической, нефтяной и пищевой промышленности.
