ИНТЕГРИРОВАННЫЙ УРОК ПО ДИСЦИПЛИНАМ ХИМИЯ И ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ОБЩЕСЛЕСАРНЫХ РАБОТ И

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ

ОБЛАСТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ УЧИЛИЩЕ №50 П.ЗАЛАРИ

ИНТЕГРИРОВАННЫЙ УРОК

ПО ДИСЦИПЛИНАМ ХИМИЯ И ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ОБЩЕСЛЕСАРНЫХ РАБОТ

ТЕМА: «МЕТАЛЛЫ. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИМЕНЯЕМЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ».

Подготовила:

Куль Т.Н., преподаватель химии, биологии

ОГАОУ НПО ПУ№50 п.Залари,

высшая квалификационная категория

2014 г.

Перед учебными заведениями среднего профессионального и начального профессионального образования стоит задача модернизации комплексного обеспечения учебно-воспитательного процесса в связи с введением ФГОС третьего поколения, как условие подготовки конкурентно - способного специалиста. Сформировать конкурентно - способную личность возможно только через компетентность. А компетентность достигается в интеграции всех дисциплин, изучающихся при получении конкретной профессии или специальности. Одной из форм реализации межпредметных связей являются бинарные уроки как наиболее интересные в рамках интегрированной образовательной технологии.

ОУ: Областное государственное автономное образовательное учреждение начального профессионального образования Профессиональное училище №50 п.Залари

Ф.И.О. автора: Куль Татьяна Николаевна, преподаватель химии, биологии

Дисциплины: ОДБ. 06 Химия, ОП.02 Основы материаловедения и технология общеслесарных работ.

Продолжительность занятия:80 мин.

Профессия: «Тракторист-машинист сельскохозяйственного производства»

Курс: 1 Группа: №35

Междисциплинарная интеграция:

ОДП.12 Физика, ОДП.11 Информатика и информационно-коммуникационные технологии, УП.00 Учебная практика (производственное обучение).

Тема: Металлы. Технологические характеристики применяемых металлов и сплавов.

Тип урока: комбинированный, интегрированный.

Формы работы: индивидуальная, групповая (командная), самоконтроль и взаимоконтроль.

Методы: словесный, наглядный, проблемно-поисковый,

Цель урока: обобщить и систематизировать представление студентов о металлах и сплавах, показывая их свойства используя данные различных наук; продолжить формирование познавательного интереса к изучаемым дисциплинам, являющимися основой будущей профессии; воспитывать гордость за выбранную профессию, продолжить формирование уважения к людям труда и трудовой деятельности.

Задачи:

Обучающие: закрепить знания студентов об особом строении атомов металлов и металлической химической связи; рассмотреть положение металлов в ПСХЭ; сформировать представления об общих свойствах простых веществ металлов, классификации сплавов, металлургическом производстве; расширить знания студентов о технологических характеристиках применяемых металлов и сплавов: прочность, упругость, ковкость, пластичность, электропроводность, теплопроводность, вязкость, порог хладноломкости и др.; рассмотреть связь между структурой и свойствами металлов и сплавов.

Развивающие: развитие умственной и познавательной активности студентов в решении проблем урока; развитие умения переносить ранее полученные знания в новые ситуации; развитие умения обобщать, систематизировать и делать выводы при изучении материала темы;

Воспитывающие: продолжить формирование у обучающихся общеучебных навыков, таких как трудолюбие, усердие, дисциплинированность и собранность при изучении темы урока; самостоятельность в выполнении заданий преподавателя; развитие химической речи, обогащение и усложнение её словарного запаса при устных ответах.

Овладение студентами общими компетенциями:

ОК 2. Организовывать собственную деятельность, исходя из цели и способов ее достижения, определенных руководителем.

ОК 4. Осуществлять поиск информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач.

ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.

ОК 6. Работать в команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, клиентами.

Оснащение урока:

коллекция из образцов различных металлов и сплавов; ПСХЭ; компьютерная презентация «Общая характеристика металлов», таблицы по термообработке сталей, плакат с условными обозначениями некоторых видов сталей, тест, образцы сталей, тиски, печь муфельная, образец из незакаленной стали, напильники.

Литература:

1. Химия: учеб. для студ. сред. проф. учеб. заведений/ О.С.Габриелян, И.Г.Остроумов. - 5-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2012. - 336 с.

2. Габриелян О.С., Химия 11 класс», Москва, «Дрофа», 2013г.

3. Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (металлообработка): Учеб. пособие. - М: ОИЦ «Академия», 2008. - 288 с. - Серия: Начальное профессиональное образование.

Структура и ход урока:

1) Организационный этап.

2) Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности студентов.

3) Актуализация знаний.

4) Первичное усвоение новых знаний.

5) Первичная проверка понимания

6) Первичное закрепление

7) Контроль усвоения, обсуждение допущенных ошибок и их коррекция.

8) Информация о домашнем задании, инструктаж по его выполнению

9) Рефлексия (подведение итогов занятия)

№

Этап урока

Деятельность преподавателя

Деятельность студента

Время

(в мин.)

Организационный этап.

Приветствуют студентов, эмоционально настраивая их на урок, проверяют готовность к уроку. Создание рабочей обстановки.

Приветствуют преподавателей, проверяют свои рабочие места, настраиваются на работу.

2 мин

Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности студентов.

Постановка цели и задач совместно со студентами, актуализация мотивов учебной деятельности и формирование установок на восприятие, осмысление, воспроизведение материала

Восприятие темы урока путем совместной постановки цели и задач

3 мин

Актуализация знаний.

Преподаватель химии:

Способствует воспроизведению студентами информации, усвоенной ранее и необходимой для осуществления преемственности с новым учебным материалом по плану.

1.Разминка «Определите металл» (Приложение 1).

2. Представление презентации студентов «Общая характеристика металлов».

3. Проводит тестирование (Приложение 2).

3. Наблюдает за ходом взаимоконтроля заданий в тестовой форме.

План:

1.Положение металлов в периодической системе.

2.Особенности электронного строения их атомов.

3.Металлическая химическая связь. Металлическая кристаллическая решётка.

4.Физические свойства металлов

5.Химические свойства металлов.

6.Способы получения металлов.

Отвечают на вопросы разминки. Демонстрация и защита презентации «Общая характеристика металлов».

Выполняют тест и осуществляют взаимоконтроль. Взаимопроверка и листики с оценкой передаются преподавателю.

20 мин

Первичное усвоение новых знаний.

Преподаватель материаловедения:

Технологические характеристики применяемых металлов и сплавов.

Сталь - общая характеристика (сплав железа с углеродом).

Классификация сталей (углеродистая, легированные…).

Маркировка сталей (плакат с условными обозначениями некоторых видов сталей), раздаточный материал. (Приложение 3).

Осмысление и усвоение новых знаний, используя раздаточный материал.

15 мин

Первичная проверка понимания

Преподаватель материаловедения:

Предлагает вопросы для обсуждения

Вопросы:

1. Сколько углерода содержится в углеродистой стали?

2. Чем отличаются углеродистые стали от легированных?

3. Зачем нужна термическая обработка сталей?

4. Какую продукцию выпускают металлургические предприятия?

5. Как маркируются стали?

Обсуждают вопросы, принимают правильное решение вопросов.

10 мин

Первичное закрепление

Преподаватель материаловедения:

Делит группы на команды, предлагает выполнить кроссворд «Термическая обработка металлов и сплавов»

(Приложение 4).

Работают в команде, разгадывают кроссворд.

10 мин

Контроль усвоения, обсуждение допущенных ошибок и их коррекция.

Преподаватель химии:

1. Организация, обсуждение, контроль и коррекция командного задания - кроссворда.

2. Проводит электронное тестирование (Контрольный тест. Приложение 5).

Представление команды результата совместной работы (кроссворда), обсуждение допущенных ошибок.

Индивидуальная работа на ПК по вопросам теста.

Студенты дают оценку деятельности по её результатам (самооценивание, оценивание результатов деятельности товарищей).

15 мин

Информация о домашнем задании, инструктаж по его выполнению

Преподаватель материаловедения:

Дает инструкции по выполнению д/з.Д/З: подготовить презентацию, буклеты «РУСАЛ Иркутский алюминиевый завод», «РУСАЛ Братский алюминиевый завод».

Записывают д/з, уточняют инструкцию по выполнению.

2 мин

Рефлексия (подведение итогов занятия)

Преподаватель химии:

Подводит итог урока, комментирует оценки, предлагает заполнить оценочные листы (Приложение 6).

Заполняют оценочные листы. Прослушивают итоги урока.

3 мин

Приложение 1.

Разминка

Определите металл

На доске записаны символы металлов:

Li, Na, A1, К, Fe, Co, Ni, Zn, Ga, Ag, Sn, Cs, Та, W, Os, Pt, Au, Pb, Hg

Выберите среди них те, о которых идет речь в следующих сообщениях.

1. Этот металл самый распространенный в земной коре, но из руды его выделили только примерно 150 лет назад, и в течение последующих 60 лет он был большой редкостью и ценился дороже золота. В 1854 г. стоимость 1 кг этого металла составляла 1200 рублей (в 270 раз дороже серебра), а в 1899 г. - 1 рубль. Также известно, что у наследника русского царя была погремушка, сделанная из этого металла. (Аl)

2. Долгое время считали, что этого металла очень мало в природе. С созданием спектроскопа появилась возможность обнаруживать присутствие ничтожно малых количеств вещества. И вот тогда этот металл стали находить в самых неожиданных местах: в граните, соленой воде Атлантического океана, чае, молоке, табачной золе и даже в человеческой крови. Этот металл самый легкий, если бы из него удалось сделать самолет, то два человека легко подняли бы его. (Li)

3. Этот металл используют при изготовлении электрических контактов, а его оксид применяют при лечении артритов. Он обладает самой высокой плотностью, т. е. он самый тяжелый. (Os)

4. Этот металл используют для борьбы с коррозией, так как он не взаимодействует с кислотами и щелочами. Например, на заводах, производящих соляную кислоту, аппаратура, изготовленная из этого металла, служит 20-25 лет. Этот металл используется и в хирургии для замены костей, например из него изготавливают черепные пластинки, поэтому его иногда называют металлом хирургов. (Та)

5. С этим металлом связано происхождение некоторых слов. В Древней Руси мерой стоимости различных товаров служили бруски этого металла. Если тот или иной предмет стоил дешевле, чем целый брусок, то от бруска отрубали куски соответствующего размера. Отрубленные части именовались рублями. От них и пошло название основной денежной единицы, принятой в нашей стране. Латинское название этого металла носит одно из государств в Южной Америке. Этот металл применяется в фотографии, для получения зеркальных поверхностей. (Ag)

6. Этот металл обладает любопытными свойствами: плавится от тепла ладони, воспламеняется на воздухе, взрывается при соприкосновении с водой, бурно реагирует со многими веществами. Химики используют эти качества. Так, при создании вакуума в приборах в них вводят небольшой кусочек этого металла, и он мгновенно поглощает остатки воздуха, которые нельзя было выкачать насосом. (Cs)

7. Этот металл используют в производстве различных физических приборов, взрывчатых веществ, его соединения применяют при пломбировании зубов. Если взять этот металл в твердом виде, то им можно заморозить воду. (Hg)

8. Этот металл входит в состав типографского сплава, его оксид используют как добавку при производстве хрустального стекла, главные потребители этого металла - аккумуляторная и кабельная промышленность. Кроме того, его используют для защиты от рентгеновского излучения. (Рb)

9. Роберт Вуд, знаменитый американский физик и великий любитель всяческих проделок, направлялся из лаборатории домой на обед. Дорога шла через негритянский квартал. Была зимняя оттепель, и огромная лужа распростерлась по мостовой между тротуарами, на которых толпились негры, вышедшие погреться на солнышке. Проходя мимо них, Вуд громко закашлял и на виду у всех плюнул в лужу, незаметно бросив в том же направлении кусок вещества величиной с грецкий орех. Прогремел взрыв, полетели искры, большое желтое пламя поднялось над поверхностью воды. Затем раздались вопли, молитвы и один голос громче, чем все остальные, вместе взятые, пробасил: «Спасайся кто может! Этот человек плюнул огнем! На вид он молодой, но только сам старый дьявол умеет это делать!» Какой металл упомянут в рассказе? (Na)

Приложение 2.

Тест по теме «Общая характеристика металлов.
Электрохимический ряд напряжений»

Выбери один или несколько правильных ответов

1. Какая из следующих групп химических элементов содержит только металлы?

а) Cs, Be, B; б) K, Ca, Sr;

в) H, Li, Na; г) Bi, W, Po.

2. Какое физическое свойство не является общим для всех металлов?

а) электропроводность;

б) теплопроводность;

в) твердое агрегатное состояние при стандартных условиях;

г) металлический блеск.

3. Натрий и калий можно хранить под слоем керосина, а литий - только под слоем вазелинового масла, т.к.:

а) литий реагирует с керосином;

б) в ряду напряжений литий находится левее натрия и калия;

в) литий более активен, чем калий и натрий;

г) плотность лития меньше плотности керосина.

4. При электролизе водного раствора хлорида натрия на катоде выделяется:

а) натрий; б) хлор;

в) водород; г) кислород.

5. Сильнее восстановительные свойства выражены у :

а) Ca; б) Mg; в) Si; г) O.

6. Масса карбида кальция, в которой содержится 5,418•10²⁴ атомов всех образующих это соединение элементов, составляет (в г):

а) 19,2; б) 192; в) 57,6; г) 576.

7. Какие из перечисленных веществ реагируют с водой с образованием раствора сильного электролита, в котором лакмус приобретает синюю окраску?

а) Na; б) SO₃; в) KH; г) Mg.

8. Какое из соединений кальция входит в состав земной коры?

а) Оксид; б) нитрид; в) карбид; г) карбонат.

9. Какой объем (л) газа (н.у.) выделится при взаимодействии 6,48 г серебра с избытком разбавленной азотной кислоты?

а) 4,032; б)1,344; в) 0,448; г) 22,4.

10. Какой металл нельзя получить электролизом водного раствора его соли?

а) Цинк; б) калий; в) медь; г) литий.

Ключ к тесту

Приложение 3.

Раздаточный материал

Продукция из разных видов сталей:

Углеродистая сталь - 0,4-2% углерода.

Конструкционная углеродистая сталь обыкновенного качества (Ст1,Ст2,Ст5…). Из нее изготавливают гайки, болты, листовой прокат и др.

Качественная конструкционная углеродистая сталь (05,08,10,20…). Из нее изготавливают зубчатые колеса, валы, оси и др.

Инструментальная углеродистая сталь (У10,У11,У12…): зубилы, ножницы по металлу, напильники.

Легированные стали (стали с добавлением других элементов во время плавки металла для изменения физических и механических свойств).

Легирующие добавки в сталях обозначают буквами: Х- хром, В- вольфрам, Н- никель, М- молибден и т.д. Например: 40ХН- 0,4% углерода и по 1% хрома и никеля.

Легированные стали применяют для изготовления рессор, пружин, фрез, плашек, метчиков, сверл и т.д.

Познакомимся с термической обработкой сталей и ее видами:

Термическая обработка сталей (термообработка) - она необходима для изменения свойств металлов с помощью теплового воздействия.

Виды термообработки:

Закалка. Металл нагревают до определенной температуры (например, до 750 градусов), выдерживают, а за тем быстро охлаждают в воде, масле или водных растворах солей. Закалка повышает твердость и прочность стали, но вместе с тем и хрупкость.

Цвета каления при закалке заготовок:

Отпуск. Служит для уменьшения хрупкости стали после закалки. Отпуск представляет собой нагрев остывшей закаленной стали до определенной температуры (например, до 400-500 градусов) с последующим охлаждением в воде или на воздухе. Отпуск повышает пластичность стали.

Отжиг. Служит для снижения твердости стали. Заготовку нагревают до определенной температуры, выдерживают и медленно охлаждают (часто вместе с печью).

На предприятиях термообработку материалов выполняют рабочие- термисты.

Проводить перечисленные виды термообработки можно в школьной мастерской, пользуясь муфельными печами небольшого размера.

Роль металла в производстве автомобиля

Все транспортные средства состоят большей частью из всевозможных металлов. Какие металлы используются в производстве автомобилей? Какими характеристиками они обладают? Каковы тенденции в данном сегменте производства?

Любой автомобиль, будь то opel astra, lada priora или maserati, можно назвать метафорически «железным конем», и в этом ни для кого нет ничего удивительного - ведь на самом деле все транспортные средства (легковые или грузовые, не имеет значения) состоят большей частью из всевозможных металлов. Какими характеристиками должны обладать металлы для производства автомобилей? В первую очередь, прочностью и способностью к длительной эксплуатации. Но современное положение вещей требует от металлов не только этого. Сегодня важны их малый вес (это способствует экономии топлива: «минус» 100 килограммов равно экономии в 2-3 процента) и способность к вторичной переработке.

Вообще, металлы подразделяются на чистые металлы и сплавы. Для изготовления разных элементов и деталей автомобиля используются как черные, так и цветные металлы.

Справедливости ради стоит сказать, что чистых металлов в составе автомобиля остается все меньше. К примеру, от прочного и долговечного чугуна отказываются в пользу чугунных сплавов, поскольку чистый металл обладает довольно большим весом по сравнению с последними.

Очень распространен в автомобилестроении такой цветной металл, как алюминий, - во-первых, в силу своего малого веса, во-вторых, по причине хорошей электропроводности. К тому же алюминий устойчив к коррозии и легок в обработке. Алюминий используется для изготовления двигателя и кузова, рамы и электропроводки, других деталей. Несомненным является тот факт, что без алюминия и соединений на его основе сегодня не обходится производство ни одного автомобиля: и chevrolet lacetti, и toyota corolla, и «Ока» содержат его в себе десятки килограммов.

Для производства автомобиля используются также магний (каркас сидений), высокопрочные легкие виды стали. Легированные стали более прочные, чем углеродистые, более устойчивы к коррозии. Существуют специальные марки сталей - долговечные, износостойкие - для изготовления деталей, которые подвергаются быстрому износу.

Из цветных металлов, использующихся в автомобилестроении, можно назвать бронзу, латунь, медь, никель и различные сплавы с их «участием».

Применяются в автомобилестроении и другие материалы на основе металлов, например, пеноалюминий. Это соединение алюминия с мелом или другим веществом, которое так же, как мел, способно при нагревании выделять много газа. Пеноалюминий имеет высокую жесткость и в то же время обладает способностью гасить удар. Этот материал нашел свое применение в тех деталях, которые в случае аварии принимают удар на себя - материал деформируется, обеспечивая большую степень безопасности для людей, находящихся в салоне машины. Такими же свойствами обладают и некоторые сорта стали.

С каждым годом в области машиностроения в общем и в автомобилестроении в частности появляются все новые сплавы, имеющие заданные разработчиками характеристики. Все совершенствуется. Становятся более совершенными и наши железные кони.

Приложение 4

Кроссворд "Термическая обработка металлов и сплавов"

По горизонтали

5. Термомеханическая обработка стали в метастабильном аустенитном состоянии ниже температуры рекристаллизации с последующим охлаждением для получения мартенсита и/или бейнита

9. Нагрев металла до температуры на 30-50 градусов С выше критической точки и последующее охлаждение на воздухе

10. Способность некоторых металлов изменять тип кристаллической решетки при изменении внешних условий (температуры и давления)

15. Процесс образования и роста одних кристаллических зёрен поликристалла за счёт других той же фазы

19. Характеризует твердость правильно закаленной стали и измеряется в единицах твердости

23. Вторая стадия процесса возврата деформированного металла, протекающая при нагреве

По вертикали

1. Процесс слипания, укрупнения и выпадения в осадок частиц вещества из коллоидного раствора

2. Теплообмен между поверхностью твердого тела и окружающей его средой

3. Естественное или принудительное отвод теплоты от какого-либо тела или его части

4. Процесс поверхностного насыщения углеродом, произведенный с целью поверхностного упрочнения деталей

6. Процесс насыщения поверхностного слоя детали бором

7. Процесс насыщения поверхностного слоя стали хромом для повышении коррозионной стойкости и жаростойкости

8. Структура кристаллических твёрдых тел, возникающая в результате сдвигового бездиффузионного полиморфного превращения при охлаждении

11. Улучшение термообработкой структуры цветных сплавов и сталей, приближающую ее к холоднообработанному состоянию выше полностью закаленного

12. Процесс насыщения поверхностного слоя детали кремнием для повышения коррозионной стойкости и кислотостойкости

13. Расстояние от поверхности до того места, где в структуре 50% мартенсита и 50% тростита (полумартенситная зона)

14. Процесс создания упрочненного слоя, при котором подходящая сталь нагревается выше нижней температуры превращения в газообразной атмосфере химического состава, способного вызвать одновременную диффузию углерода и азота в поверхность металла и создание градиента концентрации

16. Предварительная термообработка материала для получения заданных свойств при последующей термообработке

17. Вид термической обработки стали, заключающийся в её нагреве выше температуры верхней критической точки и охлаждении со скоростью 100-600 °с/мин

18. Термообработка, применяемая к среднеуглеродистым и высокоуглеродистым сталям перед волочением провода или между протяжками

20. Процесс насыщения поверхностного слоя различных металлов и сплавов, стальных изделий или деталей азотом при нагреве в соответствующей среде

21. Жидкое или газообразное вещество, применяемое для передачи тепловой энергии

22. Насыщение поверхностного слоя изделий одновременно углеродом и азотом

24. Процесс получения гомогенных растворов, эмульсий, сплавов и т. п

25. Процесс насыщения поверхностного слоя стали алюминием для повышения жаростойкости (окалиностойкости) и сопротивления атмосферной коррозии

Приложение 5

Контрольный тест

Выберите один правильный ответ

№

Вопрос

Варианты ответов

Ответ

Способность металлов увеличивать свои размеры при нагревании, называется:

1.Теплоемкостью

2.Плавлением

3 Тепловое (термическое) расширение

3

Способность металлов противостоять разрушающему действию кислорода во время нагрева, называется:

1.Кислотостойкостью

2.Жаростойкостью

3.Жаропрочностью

2

Явление разрушения металлов под действием окружающей среды, называется:

1.Жаростойкостью

2.Жаропрочностью

3.Коррозией

3

Механические свойства металлов это:

1.Кислотостойкость и жаростойкость

2.Жаропрочность и пластичность

3.Теплоемкость и плавление

2

Способность металлов не разрушаться под действием нагрузок, называется:

1.Упругостью

2.Прочностью

3.Пластичностью

2

Какой греческой буквой обозначается предел прочности?

1.σ («сигма»)

2.ψ («пси»)

3.τ («тау»)

1

Способность металлов, не разрушаясь, изменять под действием внешних сил свою форму и сохранять измененную форму после прекращения действия сил, называется:

1.Упругостью

2.Пределом прочности

3.Пластичностью

3

Мерой пластичности служат две величины, какие?

1.σ и τ

2.ψ и δ

3.φ и ρ

2

Способность металлов сопротивляться вдавливанию в них какого либо тела, называется:

1.Твердостью

2.Пластичностью

3.Упругостью

1

Способность металлов не разрушаться под действием нагрузок в условиях высоких температур, называется:

1.Жаростойкостью

2.Плавлением

3.Жаропрочностью

3

Сталь более высокого качества получается:

1.В электропечах

2.В доменных печах

3.В мартеновских печах

1

Сплав железа с углеродом, при содержании углерода менее 2%, называется:

1.Чугун

2.Сталь

3.Латунь

2

«Вредные» примеси в сталях, это:

1.Сера и фосфор

2.Марганец и кремний

3.Железо и углерод

1

Конструкционные стали обыкновенного качества маркируют:

1.Сталь 85

2.Ст.7

3.У8А

2

Что обозначает цифра в этой марке стали Ст.4?

1.Количество углерода 0,4%

2.Номер стали

2

Углеродистые инструментальные высококачественные стали маркируют:

1.У7А

2.Сталь 45 пс

3.Ст.1

1

Какая из этих сталей относится к быстрорежущим?

1.9ХС

2.Р18

3.55С2

2

Латуни - это

1.Сплавы магния с алюминием

2.Сплавы алюминия с кремнием

3.Сплавы меди с цинком

3

Какая из бронз содержит 5% олова, 6% цинка, 5% свинца и 84% меди?

1.БрОЦС5-6-5

2.БрОЦС5-5-6

2.БрОЦФ5-6-5

1

Какая из латуней содержит 58% меди, 2% марганца, 2% свинца и 38% цинка?

1.ЛМцС58-2

2.ЛМцС58-2-2

3.ЛМцС38-2-2

2

0-2 ошибке - оценка «5»

3-8 ошибок - оценка «4»

9-12 ошибок - оценка «3»

Приложение 6

Оценочный лист

Выделите в таблице ту позицию, которая вернее отражает ваше ощущение

прошедшего занятия и вашего участия в нем

Приложение 7.

Материал по химии

Общие сведения о металлах

1. Положение металлов в периодической системе.

2. Особенности электронного строения их атомов.

3. Металлическая химическая связь. Металлическая кристаллическая решётка.

4. Физические свойства металлов

5. Химические свойства металлов.

6. Способы получения металлов.

1. Особенности электронного строения металлов.

Металлы - это химические элементы, атомы которых отдают электроны внешнего (а иногда предвнешнего) электронного слоя, превращаясь в положительные ионы. Металлы - восстановители Ме⁰ - nе = Меⁿ⁺. Это обусловлено небольшим числом электронов внешнего слоя (в основном 1 - 3), большим радиусом атомов, вследствие чего эти электроны слабо удерживаются с ядром.

2. Положение металлов в ПСХЭ.

Легко увидеть, что большинство элементов ПСХЭ - металлы (92 из 114).

Металлы размещены в левом нижнем углу ПСХЭ. Это все элементы, расположенные ниже диагонали В - Аt, даже те у которых на внешнем слое 4 электрона ( Je, Sn, Pb), 5 электронов ( Sb, Di), 6 электронов ( Po), так как они отличаются большим радиусом. Среди них есть s и p-элементы - металлы главных подгрупп, а также d и f металлы, образующие побочные подгруппы.

В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе, различают переходные (элементы побочных подгрупп) и непереходные металлы (элементы главных подгрупп). Металлы главных подгрупп характеризуются тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение электронных s- и р-подуровней. В атомах металлов побочных подгрупп происходит достраивание d- и f-подуровней.

Закономерности в изменении свойств элементов - металлов.

Признаки сравнения

В главной подгруппе

В периоде

Число электронов на внешнем слое

не изменяется

увеличивается

Радиус атома

увеличивается

уменьшается

Электроотрицательность

уменьшается

увеличивается

Восстановительные свойства

усиливаются

уменьшаются

Металлические свойства

усиливаются

уменьшаются

У элементов - металлов побочных подгрупп свойства чуть-чуть другие.

В побочных подгруппах (Cu, Ag, Au) - активность элементов - металлов падает. Эта закономерность наблюдается и у элементов второй побочной подгруппы Zn, Cd, Hg. У элементов побочных подгрупп - это элементы 4-7 периодов - с увеличением порядкового элемента радиус атомов изменятся мало, а величина заряда ядра увеличивается значительно, поэтому прочность связи валентных электронов с ядром усиливается, восстановительные свойства ослабевают.

3. Металлическая химическая связь. Кристаллические решетки.

Связь в металлах между («атом-ионами» ) посредством (большого количества не связанных с ядрами подвижных электронов) называется (металлической связью).

Все металлы являются кристаллическими телами, имеющими определенный тип кристаллической решетки, состоящей из малоподвижных положительно заряженных ионов, между которыми движутся свободные электроны (так называемый электронный газ). Такой тип структуры называется металлической связью.

Тип решетки определяется формой элементарного геометрического тела, многократное повторение которого по трем пространственным осям образует решетку данного кристаллического тела.

кубическая

(1 атом на ячейку)

а)

объемно-центрированная кубическая (ОЦК)

(2 атома на ячейку)

б)

гранецентрированная кубическая (ГЦК)

(4 атома на ячейку)

в)

гексагональная плотноупакованная (ГП)

(6 атомов на ячейку)

г)

Рис. Основные типы кристаллических решеток металлов

Обобщим сведения о типе химической связи, образуемой атомами металлов и строение кристаллической решетки:

- сравнительно небольшое количество электронов одновременно связывают множество ядер, связь делаколизована;

- валентные электроны свободно перемещаются по всему куску металла, который в целом электронейтрален;

- металлическая связь не обладает направляемостью и насыщенностью.

4. Физические свойства металлов

В соответствие именно с таким строением металлы характеризуются общими физическими свойствами.

а) твердость - все металлы кроме ртути, при обычных условиях твердые вещества. Самые мягкие - натрий, калий. Их можно резать ножом; самый твердый хром - царапает стекло.

б) плотность. Металлы делятся на мягкие (5г/см³) и тяжелые (меньше 5г/см³).

в) плавкость. Металлы делятся на легкоплавкие и тугоплавкие.

г) электропроводность, теплопроводность металлов обусловлена их строением. Хаотически движущиеся электроны под действием электрического напряжения приобретают направленное движение, в результате чего возникает электрический ток.

При повышении температуры амплитуда движения атомов и ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки резко возрастает, и это мешает движению электронов, и электропроводность металлов падает.

д) металлический блеск - электроны, заполняющие межатомное пространство отражают световые лучи, а не пропускают как стекло. Поэтому все металлы в кристаллическом состоянии имеют металлический блеск. Для большинства металлов в ровной степени рассеиваются все лучи видимой части спектра, поэтому они имеют серебристо-белый цвет. Только золото и медь в большой степени поглощают короткие волны и отражают длинные волны светового спектра, поэтому имеют желтый цвет. Самые блестящие металлы - ртуть, серебро, палладий. В порошке все металлы, кроме Al и Mg, теряют блеск и имеют черный или темно-серый цвет.

е) пластичность. Механическое воздействие на кристалл с металлической решеткой вызывает только смещение слоев атомов и не сопровождается разрывом связи, и поэтому металл характеризуется высокой пластичностью.

Некоторые металлы, например, железо, титан, олово и др. способны по достижении определенных температур изменять кристаллическое строение. Это явление получило название аллотропии или полиморфизма, а сами переходы от одного кристаллического строения к другому называются аллотропическими или полиморфными.

5. Химические свойства металлов.

Ряд напряжений характеризует химические свойства металлов: чем меньше электродный потенциал металла, тем больше его восстановительная способность.

А) Взаимодействие с неметаллами (в названиях полученных веществ окончание

-иды)

2Mg⁰+O₂⁰->2Mg²⁺O^2- (оксид магния) Mg⁰-2e^- ->Mg²⁺ 2 восстановитель

2O⁰+4e^- ->2O^2- 1 окислитель

Fe⁰+S⁰->Fe²⁺S^2- (сульфид железа II)

Fe⁰-2e^- ->Fe²⁺ 1 восстановитель

S⁰+2e^- ->S^2- 1 окислитель

Б) Взаимодействие с водой. Самые активные металлы реагируют с водой при обычных условиях, и в результате этих реакций образуются растворимые в воде основания и выделяется водород

2Na + 2HOH = 2NaOH + H2

2Li⁰+2H₂⁺O^2- -> 2Li⁺O^2-H⁺ + H₂⁰

Li⁰-1e^- ->Li⁺ 2 восстановитель

2H⁺+2e^- ->2H⁰ 1 окислитель

Li - восстановитель.

Менее активные металлы реагируют с водой при повышенной температуре с выделением водорода и образованием оксида соответствующего металла Zn + H₂O = ZnO +H₂

В) Взаимодействие с растворами кислот. Происходит при соблюдении ряда условий

• Металл должен находиться левее в ряду напряжений металлов;

• В результате реакции должна образовываться растворимая соль, иначе металл покроется осадком и доступ кислоты к металлу прекратиться;

• Для этих реакций не рекомендуется использовать щелочные металлы, так как они взаимодействуют с водой в растворе кислоты;

• По особому взаимодействуют с металлами концентрированные азотная и серная кислоты;

2H⁺Cl^- +Zn0 ->Zn²⁺Cl2^- +H₂0

H⁺+1e^- ->H⁰ ₂ окислитель

Zn⁰-2e^- ->Zn²⁺ восстановитель

Г) Взаимодействие с растворами солей. При этом соблюдаются следующие условия

• Металл должен находиться в ряду напряжений левее металла, образующего соль;

• В результате реакции должна образовываться растворимая соль, иначе металл покроется осадком и доступ кислоты к металлу прекратиться;

• Для этих реакций не рекомендуется использовать щелочные металлы, так как они взаимодействуют с водой в растворе соли;

Fe⁰+Cu²⁺Cl₂^- ->Fe²⁺Cl₂^- +Cu⁰

Fe⁰-2e^- ->Fe²⁺ восстановитель

Д) Взаимодействие со щелочами (только амфотерные)

Be + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Be(OH)₄] + H₂

Магний и щелочноземельные металлы с щелочами не реагируют.

Е) Взаимодействие с оксидами металлов (металлотермия).

Некоторые активные металлы способны вытеснять другие металлы из их оксидов при поджигании смеси.

2Al⁰ + Fe₂O₃ = Al₂O₃ +2Fe⁰

Ж) Коррозия (будет рассмотрена на другом занятии).

6. Способы получения металлов

Существуют несколько основных способов получения - металлов.
а) Пирометаллургия - это получение металлов из их соединений при высоких температурах с помощью различных восстановителей (C, CO, H₂, Al, Mg и др.).

- из их оксидов углем или оксидом углерода (II)
ZnО + С = Zn + СО
Fе₂О₃ + ЗСО = 2Fе + ЗСО₂
- водородом
WO₃ + 3H₂ =W + 3H₂O
СоО + Н₂ = Со + Н₂О
- алюминотермия
4Аl + ЗМnО₂ = 2А1₂О₃ + ЗМn

б) Гидрометаллургия - это получение металлов, которое состоит из двух процессов: сначала природное соединение металла (оксид) растворяют в кислоте, в результате чего получают соль металла. Затем из полученного раствора необходимый металл вытесняют более активным металлом. Например:

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O,

CuSO₄ + Zn = ZnSO₄ + Cu.

Обжигом сульфидов металлов и последующим восстановлением образовавшихся оксидов (например, углем):
2ZnS + ЗО₂ = 2ZnО + 2SО₂
ZnО + С = СО + Zn

в) Электрометаллургия - это получение металлов при электролизе растворов или расплавов их соединений. Роль восстановителя при этом играет электрический ток.

СuСl₂ -> Сu²+ 2Сl^-
Катод (восстановление): Сu²⁺ - 2е^- = Сu⁰

Анод (окисление): 2Cl^- - 2е^- = Сl°₂

Приложение 8.

Материал по материаловедению

Основные свойства металлов

У металлов выделяют механические, технологические, физические и химические свойства.

Механические свойства:

1. Прочность - это способность материала сопротивляться разрушению и появлению остаточных деформаций под действием внешних сил;

2. Твердость - сопротивление материала деформации в поверхностном слое при местном силовом контактном воздействии (изготавливают режущие инструменты);

3. Упругость - свойство материала восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию;

4) Вязкость - способность материала поглощать механическую энергию и при этом проявлять значительную пластичность вплоть до разрушения. Вязкие металлы применяют для деталей, которые при работе подвергаются ударной нагрузке.

5) Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их давлением (ковать, прокатывать, волочить).

Физические свойства:

1) Способность плавиться при нагревании используют для получения отливок путем заливки расплавленного металла в формы. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляются в горячей воде. Такие сплавы применяют для отливки типографских матриц, в приборах, служащих для предохранения от пожаров и т. п.

2) Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используют в электромашиностроении, для устройства линий электропередачи, а сплавы с высоким электросопротивлением-для ламп накаливания, электронагревательных приборов.

3) Магнитные свойства металлов играют первостепенную роль в электромашиностроении (электрические генераторы, электродвигатели, трансформаторы), приборостроении (телефонные, телеграфные аппараты) и т. д.

4) Теплопроводность металлов дает возможность равномерно нагревать их для литья, обработки давлением, термической обработки; она обеспечивает также возможность пайки металлов, их сварки и т. п.

Химические свойства. Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в химически активных средах (колосниковых решеток, деталей аппаратов и машин в химической промышленности). Для деталей, которые должны обладать высокой коррозионной стойкостью, производят специальные коррозионно - кислостойкие и жароупорные стали и другие сплавы.

Основные сведения о сплавах

Металлическими сплавами называют сочетания двух или нескольких металлов и неметаллов, у которых сохраняются металлические свойства. Большинство сплавов получают в жидком состоянии сплавлением, однако они могут быть получены также путем спекания, электролиза, конденсации из парообразного состояния.

По числу компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т. д. В зависимости от природы компонентов образуются следующие виды сплавов:

1. механическая смесь компонентов;

2. твердый раствор компонентов;

3. химическое соединение компонентов.

Сплавы - механические смеси - неоднородны и представляют собой смесь кристаллов компонентов.

Сплавы - твердые растворы и сплавы - химические соединения - однородны, причем первые могут содержать различное соотношение компонентов, а вторые образуются только при строго определенном массовом соотношении компонентов, как всякое химическое соединение.

В сплавах - твердых растворах - атомы растворимого вещества замещают атомы растворителя в кристаллической решетке (рис. 4, а) или внедряются в нее (рис. 4, б); сплавы - химические соединения - образуют новую кристаллическую решетку.

Рисунок 4 Расположение атомов в твердых растворах

Сплавы железа с углеродом

К железоуглеродистым сплавам относятся стали и чугуны. Основными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, являются железо и углерод.

Железо может находиться в двух аллотропических формах -α и γ. Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химическое соединение. α-железо растворяет очень мало углерода (до 0,02 % при 727 °С). Твердый раствор углерода и других элементов в α -железе называется ферритом. Феррит имеет низкую твердость и прочность, γ-железо растворяет значительно большее количество углерода -до 2,14 % при 1147 °С. Твердый раствор углерода и других элементов в γ-железе называется аустенитом. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Аустенит пластичен.

Железо с углеродом также образует химическое соединение Fe₃C, называемое цементитом, или карбидом железа. В цементите содержится 6,67 % С; он имеет высокую твердость, но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность.

Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями.

Сталь -это железоуглеродистые сплавы с содержанием до 2,14 % С. Сплавы с содержанием более 2,14 % С, называют чугунами. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми.

Процесс, в результате которого углерод выделяется в свободном состоянии в виде графита, называют графитизацией. Графит является неметаллической фазой.

Чугун

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают: белый чугун, в котором весь углерод связан в цементит; серый чугун в котором весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита или часть углерода (большая) находится в виде графита, а часть в связанном состоянии в виде цементита; форма графита пластинчатая (рис. 10, а); высокопрочный чугун, то же, что и серый чугун, но форма графита шаровидная (рис. 10, б); ковкий чугун, то же, что и серый чугун, но форма графита хлопьевидная (рис. 10, в).

Рисунок 10 Микроструктура чугуна с различной формой графита и внешний вид графитовых включений в чугуне: а) пластинчатый графит в сером чугуне; б) шаровидный графит в высокопрочном чугуне; в) хлопьевидный графит в ковком чугуне

Серый чугун. Чугун, в котором весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита, т. е. нет цементита, и структура ферритно-графитная называют серым ферритным чугуном.

Графитизация и структура чугуна существенно зависят от химического состава и скорости охлаждения отливки.

Серые чугуны кроме железа и углерода содержат примеси кремния, марганца, серы и фосфора. Кремний способствует графитизации чугуна (содержание его в чугуне 0,5-4,5 %). Марганец препятствует графитизации, способствует, как говорят, отбеливанию чугуна (содержание 0,4-1,3'%). Серу считают вредной примесью, так как она способствует отбеливанию чугуна, понижает прочностные характеристики и снижает жидкотекучесть (допускается < 0,12 %). Фосфор улучшает жидкотекучесть (при содержании до 0,8 %), но увеличивает хрупкость. Обычно для получения заданной структуры регулируют содержание углерода, кремния и марганца.

На структуру чугуна значительно влияет скорость охлаждения.
Чем тоньше отливка, тем быстрее охлаждение и в меньшей степени
протекает процесс графитизации. Поэтому при одном и том же химическом составе чугуна структура получается различной в зависимости
от толщины отливки.

Механические свойства серого чугуна в основном определяются количеством, формой и размерами включений графита. Чем больше графита в чугуне, чем крупнее пластинки графита, тем ниже механические свойства. Для получения мелких, завихренной формы чешуек графита применяют модифицирование -добавление в жидкий чугун перед разливкой ферросилиция или силикокальция, играющих роль зародышевых центров выделения графита.

Серые чугуны маркируют буквами СЧ, затем ставят два двузначных числа: первое число показывает предел прочности при растяжении, второе - предел прочности при изгибе. Например, марка СЧ 15-32 показывает, что, чугун имеет σ_в= 150 MПа (15 кгс/мм²) и σ_и = = 320 МПа (32 кгс/мм²).

Отливки из серого чугуна широко применяют в машиностроении: для станин металлорежущих станков, корпусов, поршневых колец, гильз автомобильных и тракторных двигателей и др.

Высокопрочные чугуны. Для получения графита в виде шаровидных включений в ковш с жидким чугуном вводят небольшое количество металлического магния.

Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ, затем ставят два числа: первое число показывает предел прочности при растяжении, второе -относительное удлинение; например, ВЧ 38-17; ВЧ 120-4 и др.

Чугуны с шаровидным графитом применяют для ответственных деталей, например коленчатых валов, кулачковых валиков и др.

Ковкий чугун. Этот чугун получают в результате длительного нагрева (отжига) доэвтектического белого чугуна, при котором происходит распад цементита с образованием графита (хлопьевидной формы, рис.10,в). То есть процесс графитизации ( такой отжим называют графитизирующим).

Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ, далее следуют цифры предела прочности при растяжении и относительного удлинения; например, КЧ 35- 10, КЧ- 63-2.

«Углеродистые и легированные стали»

Сталью называют сплав железа с углеродом и другими элементами с содержанием до 2- % С (точнее до 2,14 % С). Если сталь имеет в своем составе железо и углерод и некоторое количество постоянных примесей - марганец (до 0,7 %), кремний (до 0,4 %), серу (до 0,06 %), фосфор (до 0,07 %) и газы, то такую сталь называют углеродистой. Если в процессе выплавки углеродистой стали к ней добавляют легирующие элементы-хром, никель, ванадий и др., а также марганец и кремний в повышенном количестве, то такую сталь называют легированной.

Влияние на сталь углерода, постоянных примесей и легирующих элементов

Углерод оказывает основное влияние на свойства стали. С увеличением содержания углерода в стали повышается ее твердость и прочность, уменьшается пластичность и вязкость.

Марганец и кремний - полезные примеси. Их добавляют в сталь при выплавке ее для раскисления стали.

Сера с железом образует сульфид железа FeS, который в стали находится в виде эвтектики Fe-FeS с температурой плавления 985^°С. При нагреве стали до температуры 1000-1200 °С для горячей обработки давлением эвтектика плавится, сталь становится хрупкой н при деформации разрушается. Это явление называют красноломкостью. Красноломкость устраняет марганец. Образующийся пластичный сульфид марганца MnS плавится при температуре 1620 °С.

Фосфор растворяется в феррите, повышает хрупкость стали, т. е. вызывает так называемую хладноломкость.

Газы (кислород, азот, водород) частично растворены в стали, присутствуют в виде неметаллических включений (окислы, нитриды). Кислород в стали находится главным образом в виде окислов А1₂0₃, Si0₂ и др. Окислы, в отличие от сульфидов, хрупки, при горячей обработке не деформируются, а крошатся, разрыхляют металл. В присутствии большого количества водорода возникает опасный дефект - внутренние надрывы в металле, так называемые флокены.

Легирующие элементы оказывают различное влияние на аллотропические превращения в железе, фазовые превращения в стали.

К элементам, способным образовывать карбиды, относятся Мn, Cr, W, V и др. Обозначают карбиды формулами, например Cr₇C₃, W₂C, VC и др. Элементы, не образующие карбидов Ni, Si, находятся в стали главным образом в твердом растворе.

Легирующие элементы в различной степени положительно влияют на изменение механических свойств феррита.

Все легирующие элементы, за исключением кобальта, замедляют распад аустенита.

Увеличивая устойчивость аустенита, легирующие элементы уменьшают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость.

Карбидообразующие элементы (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве.

Классификация сталей

Стали классифицируют по следующим признакам: химическому составу, качеству, структуре, применению.

По химическому составу различают стали углеродистые и легированные. В зависимости от содержания легирующих элементов легированные стали делят на: низколегированные (до 2,5%), среднелегированные (2,5-10%) и высоколегированные (более 10 %).

По качеству различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. При этом учитывается способ выплавки и содержание серы и фосфора.

По структуре различают стали в отожженном и нормализованном состояниях: в отожженном состоянии -доэвтектоидный (компонента меньше нормы), заэвтектоидный (компонента больше нормы), ледебуритный (одновременная кристаллизация аустенита и цементита), ферритный (тв.раст-р углерода в α-железе) и аустенитный (тв.раст-р углерода в γ-железе) классы; в нормализованном состоянии-перлитный (одновременная кристаллизация феррита и цементита), мартенситный (перенасыщенный твердый раствор углерода в α-железе). К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному - с более высоким и к аустенитному - с высоким содержанием легирующих элементов.

По применению стали подразделяют на следующие группы: конструкционные стали-для деталей машин и конструкций; инструментальные стали -для различного инструмента; стали и сплавы с особыми свойствами -например, жаропрочные, коррозионно-стойкие, магнитные и др.

Маркировка сталей

Обозначение сталей обыкновенного качества - буквенно-цифровое, например Ст0, Ст1 -Ст6, БСт0, БСт1 -БСт6, ВСт2-ВСт5. Буквы Ст означают сталь (в марках других сталей буквы Ст не указываются), цифры от 0 до 6 -условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств; буквы Б и В -группы стали (группа А в марке стали не указывается). Степень раскисления - индексами: кп - кипящая, пс-полуспокойная, сп-спокойная, например Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, БСт3кп.

Углеродистые качественные конструкционные стали обозначают двузначными цифрами, показывающими среднее содержание углерода в стали, выраженное в сотых долях процента. Например, сталь марки 15 содержит в среднем 0,15 % С, сталь 40 -0,40 % С и т. д. Степень раскисления указывают в конце марки, например сталь 08кп.

Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом: впереди ставят букву У, за ней цифру -среднее содержание углерода, выраженное в десятых долях процента. Например, сталь марки У9 содержит в среднем 0,9 % С, сталь У11 - 1,1 % С.

В основу обозначения марок легированных сталей положена буквенно-цифровая система. Легирующие элементы указывают русскими буквами: марганец -Г, кремний -С, хром - X, никель -Н, Вольфрам - В, ванадий -Ф, титан -Т, молибден -М, кобальт-К, алюминий - Ю, медь-Д, бор - Р, ниобий-Б, цирконий-Ц, фосфор -П, азот -А.

В марках легированных конструкционных сталей, например 20Х, 18Г2С, 60С2, 18ХГТ, 38ХН3МФ и др., двузначные цифры в начале марки -это среднее содержание углерода в сотых долях процента, а цифры после букв - примерное содержание соответствующего легирующего элемента в целых процентах; отсутствие цифры указывает на то, что оно составляет до 1,5 % и менее. Для высококачественных сталей в конце марки ставят букву А; например, сталь 12Х2Н4 - качественная сталь, а сталь 12Х2Н4А -высококачественная.

В марках легированных инструментальных сталей, например X, 9ХС, ХВГ, ЗХ2В8Ф, 5ХЗВЗМФС и др., одна цифра в начале марки указывает среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание менее 1 %. При содержании в сталях 1 % С или более цифру не пишут. Расшифровка в марках инструментальных сталей содержания легирующих элементов такая же, как и в конструкционных сталях. Все стали инструментальные легированные и с особыми свойствами всегда высококачественные и поэтому в обозначениях этих сталей буква А не ставится. В маркировке сталей в начале иногда ставят буквы, указывающие их применение: А - автоматные стали, Р - быстрорежущие, Ш-шарикоподшипниковые, Э -электротехнические.

Конструкционные стали

Конструкционные стали должны обладать определенным комплексом механических свойств, которые в наибольшей степени определяют работоспособность, т. е. стойкость и надежность деталей и конструкций, которые называют конструктивной прочностью. Повышения конструктивной прочности можно достичь только в совокупности металлургических, технологических и конструкторских мероприятий.

Конструкционные строительные стали. Для сварных и клепаных конструкций в строительстве, мостостроении, судостроении применяют углеродистые стали обыкновенного качества (при незначительных напряжениях в конструкциях) и низколегированные стали с невысоким содержанием углерода (при более высоких напряжениях).

Листовая сталь для холодной штамповки. В зависимости от степени деформации листа сталь делят на следующие группы: весьма глубокой вытяжки (ВГ), глубокой вытяжки (Г), нормальной вытяжки (Н). Для холодной штамповки применяют, например, сталь марки 08кп. В этой стали мало углерода (0,08 %) и кремния (==с 0,03 %), что является положительным, так как углерод и кремний снижают способность стали к вытяжке. Штампуемость листовой стали ухудшается при наличии в ней крупного и неоднородного по размерам зерна.

Цементуемые (низкоуглеродистые) стали. Для изготовления деталей небольших размеров, работающих на износ при малых нагрузках, когда прочность сердцевины не влияет на эксплуатационные свойства (втулки, валики, шпильки и др.), применяют углеродистые стали марок 15, 20. После цементации, закалки в воде и низкого отпуска поверхность стали имеет высокую твердость, а сердцевина не упрочняется.

Для тяжело нагруженных деталей, в которых необходимо иметь высокую твердость поверхностного слоя и достаточно прочную сердцевины, применяют легированные стали 20Х, 12Х2Н4А, 18ХГТ (зубчатые колеса, оси, поршневые пальцы)

Улучшаемые (среднеуглеродистые) стали. Эти стали называют улучшаемыми потому, что их обычно подвергают улучшению - закалке в масле и высокому отпуску (550-650 °С) с получением структуры сорбита. Улучшаемые стали должны иметь высокую прочность, пластичность, высокий предел выносливости, хорошую прокаливаемость.

Пружинно-рессорные стали. Эти стали должны иметь особые свойства в связи с условиями работы пружин и рессор, которые служат для смягчения толчков и ударов, действующих на конструкции в процессе работы, и поэтому основным требованием, предъявляемым к пружинно-рессорным сталям, являются высокий предел упругости и выносливости.

Шарикоподшипниковые стали. Основной сталью является сталь ШХ15 (0,95 - 1,05 % С; 1,3 - 1,65 % Сг). Содержание в ней углерода и хрома обеспечивает получение после закалки в масле высокой твердости, износостойкости, достаточной вязкости и необходимой прокаливаемости.

Автоматные стали. Эти стали содержат повышенное количество серы и фосфора, хорошо обрабатываются на металлорежущих станках, образуя короткую, ломкую стружку. Недостаток автоматных сталей-пониженная пластичность, поэтому их применяют для изготовления малоответственных деталей, от которых не требуется высоких механических свойств (крепежные детали, втулки и др.).

Инструментальные стали

В связи с различными условиями работы инструмента инструментальные стали по назначению делят на следующие группы: стали для режущих инструментов, измерительных инструментов, штамповые стали.

Стали и сплавы с особыми свойствами

1) Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы. При высокой температуре в условиях эксплуатации в среде нагретого воздуха в продуктах сгорания топлива происходит окисление стали (газовая коррозия). На поверхности сначала образуется тонкая пленка окислов, которая с течением времени увеличивается, и образуется окалина. Способность стали сопротивляться окислению при высоких температурах называется жаростойкостью (окалиностойкостью). Если окисная пленка пористая, окисление происходит интенсивно; если плотная, окисление замедляется или даже прекращается. Для получения плотной пленки сталь легируют хромом, кремнием и алюминием.

К жаропрочным относят стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течении определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью (детали котлов и турбин)

2) Коррозийно-стойкие (нержавеющие) стали.

3) Магнитные стали и сплавы. Делятся на магнитно - мягкие и магнитно - твердые. Магнитно - мягкие стали (электротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы) применяют для сердечников, полюсных наконечников электромагнитов. Магнотно - твердые стали (высокоуглероистые и легированные стали) применяют для изготовления постоянных магнитов.

Основы термической и химико - термической обработки металлов

Термической обработкой называют процессы теплового воздействия по определенным режимам с целью изменения структуры и свойств сплава. От термической обработки зависит качество и стойкость в работе деталей и инструмента.

Основоположником теории и рациональных методов термической обработки стали является русский ученый Д. К. Чернов.

Теория термической обработки стали основана на общей теории фазовых превращений, протекающих в сплавах в твердом состоянии. Знание теории фазовых и структурных превращений, протекающих при нагреве и охлаждении стали с различной скоростью, позволяет управлять процессами термической обработки и получать сталь с необходимыми структурой и свойствами.

Превращения в стали при нагреве

Превращение перлита в аустенит. В исходном состоянии сталь представляет собой смесь фаз феррита и цементита. Затем начинается образование мелких зерен аустенита (рис. 11, а), в которых растворяется цементит. Затем образовавшиеся зерна растут, зарождаются новые мелкие зерна аустенита (рис. 11, б, в) и продолжается растворение цементита. Процесс заканчивается заполнением объема бывшего перлитного зерна зернами аустенита (рис. 11, г).

Рисунок 11 Схема образования аустенитных зерен

Превращение перлита в аустенит - процесс кристаллизационного типа и носит диффузионный характер, так как сопровождается перемещением атомов углерода на расстояния больше межатомных.

Рост зерна аустенита при нагреве. Образующиеся при нагреве из зерен перлита зерна аустенита получаются мелкими и называются начальными зернами аустенита. При повышении температуры происходит рост зерен и тем в большей степени, чем выше температура нагрева. Но склонность к росту зерен с повышением температуры у сталей различная. Стали, раскисленные в процессе выплавки кремнием и марганцем, обладают склонностью к непрерывному росту зерна с повышением температуры. Такие стали называют наследственно крупнозернистыми (рис. 12). Стали, раскисленные в процессе выплавки дополнительно алюминием, не обнаруживают роста зерна при нагреве до значительно более высоких температур (900-950 °С). Такие стали называют наследственно мелкозернистыми (рис. 12). Благоприятное влияние алюминия объясняется образованием нитрида алюминия A1N, который в виде мелких включений располагается по границам зерен и тормозит их рост. При определенной температуре происходит растворение включений в аустените, и зерна начинают расти очень быстро. Наследственную зернистость оценивают баллами по специальной шкале зернистости.

Рисунок 12 Схема роста зерна аустенита в наследственно мелкозернистой (а) и крупнозернистой (б) сталях.

Превращения в стали при охлаждении

Превращение аустенита в перлит может происходить только при температурах ниже 727° С Для распада аустенита должно быть его переохлаждение.

Образцы стали, нагретые до аустенитного состояния, быстро переносят в ванну с жидкой средой, имеющей температуру ниже 727⁰ С и выдерживают до завершения превращения.

Видов термической обработки: собственно термическая обработка-только термическое воздействие на сталь; термомеханическая -сочетание термического воздействия и пластической деформации; химико-термическая-сочетание термического и химического воздействия.

Собственно термическая обработка подразделяется на отжиг (первого и второго рода), закалку и отпуск.

Отжиг стали

Отжигом называется нагрев стали до определенной температуры, выдержка и последующее медленное охлаждение (в печи) с целью получения более равновесной структуры.

Отжиг первого рода - это отжиг, при котором не происходит фазовых превращений (перекристаллизации), а происходит приведение структуры из неравновесного состояния в более равновесное. Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный и рекристаллизационный.

Гомогенизационный отжиг - это отжиг с длительной выдержкой

при температуре выше 950 °С (обычно при 1100-1200 °С) с целью выравнивания химического состава в результате диффузии.

Рекристаллизационный отжиг применяют для заготовок, обработанных давлением (прокаткой, волочением, ковкой, штамповкой). С увеличением в металле количества дислокаций прочность сначала понижается, а затем повышается. Упрочнение металла при избытке дислокаций объясняется тем, что они препятствуют перемещению друг друга и поэтому затрудняют пластическую деформацию. Упрочнение металла в результате пластической деформации, проводимой при комнатной температуре (холодная деформация), например прокатка, волочение, называется наклепом. При рекристализационном отжиге деформированные вытянутые зерна становятся равноосными, в результате твердость снижается, а пластичность и ударная вязкость повышаются. Для полного снятия внутреннего напряжения в стали нужна температура не менее 600 ⁰С. Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным; при ускоренном охлаждении вновь возникают внутренние напряжения

Отжиг второго рода - это отжиг, при котором изменяется структура сплава (перекристаллизация). Различают следующие разновидности отжига второго рода: полный, неполный, изотермический, нормализационный (нормализация).

При полном отжиге понижаются твердость и прочность стали. В результате полного отжига структура стали становится близкой к равновесной, что способствует лучшей обрабатываемости резанием и штамповкой. Полный отжиг используют также как окончательную операцию термической обработки заготовок.

Отжигом достигается также измельчение зерна. Крупнозернистая структура получается, например, в результате перегрева стали, такая структура называется видманштетовой.

С ростом зерна снижается ударная вязкость, особенно при высокой твердости (после закалки и низкого отпуска), повышается склонность к закалочным трещинам.

Неполный отжиг применяют после горячей обработки давлением, когда у заготовок мелкозернистая структура.

При изотермическом отжиге после нагрева и выдержки заготовки быстро охлаждают и выдерживают при этой температуре, после чего охлаждают на воздухе.

При нормализации сталь после нагрева охлаждается не в печи, а на воздухе в цехе, что экономичнее. Нагрев ведется до полной перекристаллизации. В результате нормализации сталь приобретает мелкозернистую и однородную структуру. Твердость и прочность после нормализации выше, чем после отжига. Часто нормализацией улучшают структуру перед закалкой.

Закалка стали

Закалкой называют процесс термической обработки - нагрев стали до оптимальной температуры, выдержка и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры. В результате закалки повышается прочность и твердость и понижается пластичность стали. Основные параметры при закалке -температура нагрева и скорость охлаждения.

В зависимости от размеров деталей и теплопроводности стали выбирают время нагрева. Время выдержки при температуре закалки выбирают таким, чтобы полностью завершились фазовые превращения. Практически время нагрева в электропечах принято 1,5-2 мин на 1 мм сечения.

Скорость охлаждения стали, нагретой до температуры закалки, оказывает решающее влияние на результат закалки. Наиболее распространенные закалочные среды - вода, водные растворы солей и щелочей, масло, воздух, расплавленные соли.

Вода охлаждает гораздо быстрее, чем масло: в 6 раз быстрее при 550-650 °С и в 28 раз быстрее при 200 °С. Поэтому воду применяют для охлаждения сталей с большой критической скоростью закалки (углеродистых сталей), а в масле охлаждают стали с малой критической скоростью закалки (легированные стали). Основной недостаток воды как охладителя -высокая скорость охлаждения при пониженных температурах приводит к возникновению больших структурных напряжений и создает опасность возникновения трещин.

Добавление к воде солей, щелочей увеличивает ее закаливающую способность.

Масло охлаждает значительно медленнее, чем вода. Но преимущество масла как охладителя заключается также в том, что оно обладает небольшой скоростью охлаждения, поэтому при охлаждении в масле опасность образования трещин резко уменьшается. Недостатки масла - это легкая воспламеняемость, пригорание к поверхности деталей.

Способы закалки. В зависимости от формы детали, марки стали и требуемого комплекса свойств применяют различные способы закалки.

1) Закалка в одном охладителе. Деталь нагревают до температуры

закалки и охлаждают в одном охладителе (вода, масло).

2) Ступенчатая закалка. Нагретую до температуры закалки деталь охлаждают в расплавленных солях. После выдержки в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению, деталь охлаждают на воздухе, что способствует уменьшению закалочных напряжений. Недостаток ступенчатой закалки - ограниченность ее применения (для углеродистых

сталей -только для мелких деталей диаметром до 10 мм).

3) Изотермическая закалка. Так же как и при ступенчатой закалке,

нагретые до температуры закалки детали охлаждают в соляной ванне,

где выдерживают в течение времени, после чего охлаждают на воздухе.

Отпуск смягчает действие закалки, снимает или уменьшает остаточное напряжение, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева заготовок до температуры ниже критической.

В зависимости от температуры отпуск делят на низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск - нагрев стали до температуры 250 °С и охлаждение.

Средний отпуск-нагрев стали от 350 до 450 °С и охлаждение.

Высокий отпуск -нагрев стали от 450 до 650 °С и охлаждение. Закалку с высоким отпуском называют улучшением.

Поверхностной закалкой называют процесс термической обработки, представляющий собой нагрев поверхностного слоя стали до температуры выше критической и последующие охлаждение. Поверхностную закалку применяют для повышения износостойкости деталей при сохранении высокого сопротивления динамическим нагрузкам.

«Химико-термическая обработка стали»

Химико-термической обработкой называют процесс, представляющий собой сочетание термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали, а, следовательно, и всей детали в целом.

При химико-термической обработке протекают следующие процессы: распад молекул во внешней среде и образование атомов диффундирующего элемента (диссоциация); поглощение атомов поверхностью стали (адсорбция); проникновение атомов в глубь стали (диффузия).

Диффузионное насыщение поверхности деталей проводят различными элементами: углеродом, азотом, хромом, алюминием, кремнием и др. Если используют углерод, то такой процесс называют цементацией, если азот - азотированием, хром - хромированием, кремний -силицированием и т. д.

Цементация стали

Цементация - процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде.

Цель цементации -получить высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине, что достигается обогащением поверхностного слоя стали углеродом в пределах 0,8-1 % и последующей термической обработкой. Цементации подвергают детали, изготовленные из сталей с низким содержанием углерода (обычно до 0,25 %).

В зависимости от агрегатного состояния внешней среды, в которую помещают обрабатываемые детали, различают цементацию в твердой, жидкой и газовой средах. Наиболее широкое применение имеет цементация в газовых средах (газовая цементация).

При газовой цементации детали нагревают до 900-950 °С в специальных герметически закрытых печах, в которые непрерывным потоком подают цементующий углеродсодержащий газ [естественный (природный) или искусственный газ]. Атомарный углерод, необходимый для цементации, образуется при разложении углеводородов и окиси углерода, содержащихся в цементующих газах. Основным углеводородом является метан СН₄.

Заданную концентрацию углерода (0,8-1 %) в поверхностном слое получают путем автоматического регулирования состава газа и применения газа-разбавителя, например эндотермического газа (эндо-газа), состоящего из окиси углерода (20 %), водорода (40 %) и азота (40 %). Для повышения активности газовой среды к эндогазу добавляют природный газ.

В цементованной детали содержание углерода уменьшается от поверхности к центру.

Цементованные детали подвергают термической обработке, наиболее часто закалке с 820-850 °С и низкому отпуску. Для деталей, изготовленных из наследственно мелкозернистых сталей, широко применяют непосредственную закалку из печи с предварительным охлаждением до 840-860 °С.

Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые пальцы, червяки, крупногабаритные кольца, ролики подшипников и др.

Азотирование, цианирование и нитроцементация стали

Азотирование-процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом. Цель азотирования - получение поверхности деталей высокой твердости и износостойкости или устойчивости против коррозии (антикоррозионное азотирование).

Для азотирования детали нагревают (при 500-700 °С) в специальной герметически закрытой печи, через которую пропускают аммиак NH₃. При нагреве аммиак разлагается с образованием атомарного азота, который поглощается поверхностью стали и проникает в глубь детали. Для получения высокой твердости и износостойкости слоя применяют специальные стали, например сталь, содержащую хром, молибден, алюминий.

При азотировании такой стали при 500-550 °С азот образует химические соединения, называемые нитридами (нитриды железа Fe₂N, хрома CrN, алюминия A1N и др.), придающие слою очень высокую твердость. Недостаток азотирования -длительность процесса (до 90 ч). Азотированию подвергают цилиндры моторов и насосов, зубчатые колеса, штампы, пуансоны и др. Антикоррозионному азотированию подвергают в основном углеродистые стали при 600-700 °С с выдержкой 0,5-1 ч.

Поверхностное насыщение стали одновременно углеродом и азотом в расплавленной цианистой соли называют цианированием, а в газовой среде-нитроцементацией. Цель этих процессов -получение высокой твердости и износостойкости поверхности деталей с сохранением пластичной сердцевины. Цианированию и нитроцементации подвергают детали из сталей с 0,2-0,4 % С.

При цианировании детали нагревают при 820-960 °С в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NaCN. Для получения слоя толщиной до 0,3 мм цианирование ведут при 820-860 °С в цианистых солях, содержащих NaCN, NaCl, Na₂C0₃. При нагреве образующиеся в ванне атомарный азот и углерод диффундируют в сталь. Слой содержит ~ 0,7 % С и ~ 1 % N. Затем детали закаливают непосредственно из ванны и подвергают низкому отпуску.

Для получения слоя толщиной до 2 мм цианирование ведут при 930-960 °С в цианистой ванне, содержащей NaCN, NaCl, ВаС1₂. Слой содержит ~ 1 %С и ~ 0,3 % N. Затем детали охлаждают на воздухе, проводят закалку и низкий отпуск. Недостаток цианирования - ядовитость цианистых солей.

При нитроцементации детали нагревают при 850-870 °С в газовой смеси, обычно состоящей из эндогаза, к которому добавляют 5-15 % природного газа и 3-8 % аммиака. После насыщения поверхности деталей углеродом и азотом их подвергают закалке и низкому отпуску. Нитроцементацию применяют для обработки широкой номенклатуры деталей.

Диффузионное насыщение металлами и металлоидами

Диффузионное насыщение металлами (алюминием, хромом и др.) и металлоидами (кремнием, бором и др.), называемое диффузионной металлизацией, проводят с целью повышения жаростойкости (до 1000 °С), коррозионной стойкости, твердости и износостойкости деталей.

Насыщение (при 1000-1200 °С) проводят в твердых, жидких и газовых средах.

При насыщении в твердой среде детали помещают в ящик со смесью ферросплава (например, ферроалюминия, феррохрома и др.) и хлористого аммония NH₄C1. При нагреве, в связи с взаимодействием! ферросплава и хлористого водорода НС1, получающегося при разложении NH4CI, образуется летучее соединение (хлорид) хлора с металлом (металлоидом), например хлорид алюминия А1С1₃, хлорид хрома СгС1₂ и др., которое при контакте с деталью распадается с образованием атомов данного металла (металлоида), проникающих в сталь.

При насыщении в жидкой среде детали нагревают в ванне с расплавленным металлом (например, алюминием и др.).

При насыщении в газовой среде детали нагревают в среде летучих хлоридов различных металлов (металлоидов).