Доменный процесс. Основные реакции. Устройство доменной печи

Обозначим через F_уп наибольшее значение силы, при котором образец при разгрузке еще не дает остаточной деформации. Этому значению на диаграмме соответствует точка В, а упругой стадии растяжения образца — участок диаграммы ОВ.

Наибольшее напряжение, до которого остаточная деформация при разгрузке  не обнаруживается, называется пределом упругости. Это напряжение вызывается силой F_уп  и определяется по формуле

Предел упругости является характеристикой, не связанной с законом  Гука. Точка В может располагаться как выше, так и ниже точки А. Эти точки, а следовательно, и значения напряжений и будут близки друг к другу и обычно различием между ними пренебрегают.

После точки А при дальнейшем растяжении образца кривая растяжения становится криволинейной и плавно поднимается до точки С, где происходит переход к горизонтальному участку CD, называемому площадкой текучести. На этой стадии растяжения удлинение образца растет  при постоянном значении  растягивающей силы, обозначаемой через F_T . Такой процесс деформации, называемый текучестью материала, сопровождается остаточным (пластическим) удлинением, не исчезающим после разгрузки.

Таким образом, пределом текучести  называется наименьшее напряжение, при котором деформация образца происходит  при постоянном растягивающем усилии. Величина предела текучести вычисляется по формуле

Начало пластической деформации соответствует  наступлению некоторого критического состояния металла, которое может  быть обнаружено не только по остаточным деформациям, но и по ряду других признаков. При пластической деформации повышается температура образца; у стали изменяются электропроводность и магнитные свойства; на полированной поверхности образцов, особенно плоских, заметно потускнение, являющееся результатом появления густой сетки линий, носящих название линий Чернова (линий Людерса). Последние наклонены к оси образца приблизительно под углом 45⁰ и представляют собой микроскопические неровности, возникающие вследствие сдвигов в тех плоскостях кристаллов, где действуют наибольшие касательные напряжения. В результате сдвигов по наклонным плоскостям образец получает остаточные деформации.

После стадии текучести материал вновь  приобретает способность увеличивать  сопротивление дальнейшей деформации и воспринимает возрастающее до некоторого предела усилие. Этому отвечает восходящий участок DE (рис.9) кривой растяжения, называемый участком упрочнения. Точка Е соответствует наибольшему усилию F_max, которое может воспринять образец.

Напряжение, соответствующее максимальной силе F_max, называется временным сопротивлением   или пределом прочности . Его вычисляют по формуле

До этого момента удлинения  распределяются равномерно по всей длине  образца L-l , поперечные сечения расчетной части образца изменяются незначительно и также равномерно по длине. Поэтому для вычисления , в расчетные формулы вводилось первоначальное значение площади A₀.

После достижения усилия F_max при дальнейшем растяжении образца деформация происходит, главным образом, на небольшой длине образца. Это ведет к образованию местного сужения в виде шейки (рис.10) и к падению силы F , несмотря на то, что напряжение в сечении шейки непрерывно растет. Падение растягивающей силы F наблюдается лишь при испытании образца в разрывной машине, ограничивающей скорость нарастания деформации. При нагружении путем подвешивания грузов разрушение произойдет при постоянной нагрузке, но со все возрастающей скоростью деформации.

 

Рисунок 10. Образование местного сужения (шейки)

Обозначив через F_k величину растягивающей силы в момент разрыва, получим

 

Определяемое таким образом  напряжение при разрыве образца  весьма условно и не может быть использовано в качестве характеристики механических свойств стали. Условность состоит в том, что получено оно делением силы в момент разрыва на первоначальную площадь поперечного сечения образца, а не на действительную его площадь при разрыве, которая значительно меньше начальной вследствие образования шейки.

Основными характеристиками упругости  и прочности материалов, используемыми  в практических расчетах, являются предел упругости  ,  предел текучести и временное сопротивление (предел прочности) .

Для малоуглеродистой стали, имеющей  площадку текучести, например, для стали  Ст.2, эти характеристики следующие:

, , .

  Для металлов, не имеющих площадки текучести, предел текучести определяют условно как напряжение, при котором остаточная деформация составляет величину, установленную ГОСТом или техническими условиями. По ГОСТ 1497—61 величина остаточной деформации составляет 0,2% от измеряемой длины образца. Условные пределы текучести отмечают нижним индексом в соответствии с заданной величиной деформации, например

Учитывая, что практически трудно установить начало отклонения от закона пропорциональности и начало появления  первых остаточных деформаций, вводят также понятия условных предела пропорциональности и предела упругости.

Условным пределом пропорциональности называют наименьшее напряжение, при  котором отклонение от линейной зависимости  между напряжением и деформацией  достигает некоторой величины, устанавливаемой  техническими условиями (например, 0,002% от измеряемой длины образца).

Условным пределом упругости называют наименьшее напряжение, при котором  остаточная деформация достигает заданной величины (обычно 0,001%—0,05% от измеряемой длины образца). Его отмечают нижним индексом в соответствии с заданной величиной остаточной деформации (например, или ).

 

 

 

 

Задание 4 Основы термообработки стали. Превращения аустенита при  непрерывном охлаждении с разными скоростями.

Термической обработкой называется технологический  процесс, состоящий из совокупности операций нагрева, выдержки и охлаждения изделий из металлов и сплавов, целью которого является изменение их структуры и свойств в заданном направлении.

Термическая обработка рассматривает  и объясняет изменение строения и свойств металлов и сплавов  при тепловом воздействии, а также  при тепловом воздействии в сочетании с химическим, деформационным, магнитным и другими воздействиями.

Термическая обработка является одним  из наиболее распространенных в современной  технике способов получения заданных свойств металлов и сплавов. Термическая  обработка применяется либо в  качестве  промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием и др., либо как окончательная операция для придания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который сможет обеспечить заданные эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственнее изделия (конструкция), тем, как правило, в ней больше термически обработанных деталей.

Так как основными факторами  любого вида термической обработки  являются температура и время, то любой процесс термической обработки можно описать графиком, показывающим изменение температуры во времени.

Термическая обработка, заключающаяся  в нагреве металла, находящегося в результате каких-либо предшествующих воздействий в неравновесном  состоянии, и приводящая его в  более равновесное состояние, называется отжигом. Охлаждение после отжига производится вместе с печью.

Нагрев при отжиге может производиться  ниже и выше температур фазовых превращений  в зависимости от целей отжига.

Отжиг, при котором нагрев и выдержка металла производится с целью приведения его в однородное (равновесное) состояние за счет уменьшения (устранения) химической неоднородности, снятия внутренних напряжений и рекристаллизации называется отжигом первого рода. Его проведение не связано с прохождением фазовых превращений. Он возможен для любых металлов и сплавов.

В зависимости от того, какие отклонения от равновесного состояния устраняются  существуют следующие разновидности  отжига 1-го рода: гомогенизационный, рекристаллизационный и уменьшающий напряжения отжиг.

Гомогенизационный (диффузионный) отжиг  — это термическая обработка, при которой главным процессом  является устранение последствий дендритной ликвации (химической неоднородности).

Рекристаллизационный отжиг —  это термическая обработка деформированного металла, при которой главным процессом является рекристаллизация металла.

Отжиг, уменьшающий напряжения —  это термическая обработка, при  которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений.

Отжиг, при котором нагрев производится выше температур фазовых превращений с последующим медленным охлаждением для получения структурно равновесного состояния, называется отжигом второго рода или  перекристаллизацией.

Если после нагрева выше температур фазовых превращений охлаждение ведется не в печи, а на воздухе, то такой отжиг называется  нормализацией, которая является переходной ступенью от отжига к закалке.

Существуют два вида закалки: закалка  без полиморфного превращения и  закалка с полиморфным превращением. Закалка без полиморфного превращения заключается в нагреве металла или сплава до температур растворения избыточной фазы, выдержке при этой температуре с целью получения однородного пересыщенного твердого раствора, и в фиксации полученного пересыщенного твердого раствора за счет быстрого охлаждения в сильном охладителе (вода, масло и др.). В результате этого сплав имеет структурно неустойчивое состояние. Этот вид закалки характерен для сплавов алюминия с медью — дуралюминов.

Термическая обработка, заключающаяся  в нагреве металла выше температур фазовых превращений с последующим быстрым охлаждением для получения структурно неравновесного состояния, называется закалкой с полиморфным превращением. Этот вид закалки характерен для сплавов железа с углеродом (стали). После закалки в стали образуется структура пересыщенного твердого раствора углерода в a -железе, которая называется  мартенситом.

Состояние закаленного сплава характеризуется  особой неустойчивостью. Процессы, приближающие его к равновесному состоянию, могут  идти даже при комнатной температуре и резко ускоряются при нагрева.

Термическая обработка, представляющая собой нагрев закаленного сплава ниже температур фазовых превращений  для приближения его структуры  к более устойчивому состоянию, называется  отпуском. Отпуск является операцией, проводимой после закалки стали (закалки с полиморфным превращением).

Между отпуском и отжигом 1-го рода много общего. Разница в том, что  отпуск — всегда вторичная операция после закалки.

Самопроизвольный отпуск, происходящий после закалки без полиморфного превращения, в результате длительной выдержки при комнатной температуре, или отпуск при сравнительно небольшом подогреве, называется  старением.

 

 

Превращение аустенита при непрерывном  охлаждении разными скоростями.

 

Основное превращение, протекающее во время охлаждения при отжиге эвтектоидной стали, — это распад аустенита при комнатной температуре ниже точки А1 (727 ⁰С) на смесь феррита с цементитом. При скорости охлаждения стали, обеспечивающей полное протекание диффузионных процессов и соответственно близкое к равновесному состоянию стали, в структуре последней согласно диаграмме «железо—углерод» образуется перлит.

На рис. 11 приведена диаграмма изотермического превращения аустенита для эвтектоидной стали (0,8 % ⁰С). Горизонтальные линии Мн и Мк показывают температуры начала и конца бездиффузионного мартенситного превращения.

Диаграмма изотермического превращения  представляет собой результат обобщения  многочисленных данных исследований превращений  аустенита при постоянных температурах. Диаграммы изотермического превращения называют за сходство кривых с буквой «С» также С-диаграммами, а в странах английского языка — ТТТ-диаграммами (temperature—time—transformation, что означает температура—время—превращение).

 

Рисунок 11. Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали

 

На диаграмме можно выделить следующие области: 1) область устойчивого  аустенита (для стали, содержащей 0,8 % С, выше АС1); 2) область переохлажденного аустенита; 3) область начавшегося, но еще не закончившегося превращения А ® П; 4) область закончившегося превращения А ® П; 5) область начавшегося, но еще не закончившегося мартенситного превращения (между Мн–Mк); 6) мартенситная область (ниже Мк).

Область, расположенная слева от кривой начала распада аустенита (область переохлажденного аустенита), определяет продолжительность инкубационного периода, характеризующую устойчивость переохлажденного аустенита. С увеличением переохлаждения его устойчивость быстро уменьшается, достигая минимума (для эвтектоидной стали около 550 °С), и далее вновь возрастает.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные  области превращения: перлитную (переохлаждение до 500 °С), мартенситную (переохлаждение ниже Мн — для эвтектоидной стали  ниже температуры 240 °С) и промежуточного (бейнитного) превращения (переохлаждение для эвтектоидной стали в интервале от 500 до 240 °С).