§30. Применение железа и его сплавов

Определения и обозначения

Сплав — материал, полученный соединением железа с углеродом и другими элементами. Его состав подбирают так, чтобы получить нужные свойства, например прочность или устойчивость к коррозии. Поэтому в технике сплавы применяют чаще чистого железа.

Сталь — сплав железа с углеродом, содержащий до 2,14% углерода. Она сочетает прочность с пластичностью и хорошо обрабатывается давлением. Из стали делают конструкции, инструменты, детали машин и транспортных средств.

Чугун — сплав железа с углеродом, в котором углерода более 2,14%. Он достаточно прочен, но хрупок и плохо переносит изгиб и удар. Зато расплавленный чугун хорошо заполняет формы, поэтому из него получают литые детали.

Легированная сталь — сталь с добавками хрома, никеля, марганца и других элементов. Такие добавки изменяют свойства обычной стали и делают её, например, нержавеющей, жаропрочной или износостойкой. Состав легированной стали выбирают под конкретную задачу.

Как это устроено

Чистое железо используют ограниченно, потому что для многих изделий оно недостаточно твёрдое и прочное. В сплаве атомы углерода и других элементов изменяют строение металлического материала и мешают слоям атомов легко смещаться. Поэтому можно получить более устойчивую к нагрузкам основу. Состав сплава подбирают не вообще, а с учётом будущей работы изделия.

Увеличение содержания углерода обычно повышает твёрдость и прочность железоуглеродистого сплава. Одновременно атомам и кристаллическим участкам труднее перемещаться друг относительно друга, поэтому пластичность уменьшается. Пластичный материал способен изменять форму без разрушения, а слишком твёрдый материал может оказаться хрупким. Значит, большее содержание углерода не означает автоматического улучшения всех свойств.

Сталь содержит меньше углерода, чем чугун, поэтому обычно лучше переносит деформацию. Её можно ковать, прокатывать в листы и профили, а также использовать для изготовления проволоки и многих деталей. Чугун при плавлении имеет хорошую текучесть и заполняет сложную форму, но после затвердевания легко раскалывается при ударе. Поэтому стальные изделия чаще получают обработкой давлением, а чугунные — литьём.

Легирующие элементы вводят не случайно: каждый из них влияет на строение и свойства стали. Хром повышает коррозионную стойкость, никель помогает сохранять прочность и вязкость, а марганец может увеличивать прочность и износостойкость. Другие добавки позволяют стали выдерживать высокую температуру или стать более твёрдой. Так получают материалы для условий, где обычная сталь быстро ржавеет, изнашивается или теряет прочность.

Выбор материала определяется тем, какие нагрузки и воздействия испытает изделие. В строительстве нужны прочные и достаточно пластичные стальные конструкции, в машиностроении — детали с подходящими твёрдостью и износостойкостью, а в транспорте важны надёжность и масса. В быту ценятся удобство обработки и устойчивость к коррозии. Для сложной массивной формы выгоден чугун, для деформируемой детали — сталь, а для агрессивной среды — легированная сталь.

Железо и его сплавы: состав, свойства и применение

Сначала по таблице определяют состав материала, затем связывают его с нужными свойствами. Если изделие должно выдерживать изгиб, нужна пластичность; если оно работает при трении, важны твёрдость и износостойкость. Для сложной формы особенно полезно свойство чугуна хорошо заполнять литейную форму.

Разбор задач

Выбор материала для изделий

Условие. Нужно выбрать материал для рельсов, чугунной детали сложной формы и антикоррозионного хирургического инструмента. В распоряжении есть сталь, чугун и легированная сталь. Выбор требуется обосновать свойствами материалов.

1. Для рельсов нужны прочность, твёрдость и износостойкость, поскольку колёса постоянно давят на их поверхность и трутся о неё.
2. Для детали сложной формы важно, чтобы расплав хорошо заполнял форму. Этим свойством особенно отличается чугун, хотя готовая деталь будет хрупкой.
3. Хирургический инструмент должен сопротивляться коррозии и сохранять прочность. Поэтому выбираем легированную сталь с хромом, часто также с никелем.

Ответ: рельсы делают из стали, сложную литую деталь — из чугуна, а антикоррозионный хирургический инструмент — из легированной стали.

Определение вида сплава по составу

Условие. Даны сплавы с содержанием углерода 0,1%, 1,0% и 3,5%. Нужно распределить их по группам «сталь» и «чугун», а затем сравнить предполагаемые свойства. Граница между группами равна 2,14% углерода.

1. Сравниваем каждое значение с границей 2,14%. Содержание 0,1% и 1,0% не превышает её, поэтому это сталь.
2. Значение 3,5% больше 2,14%, значит, такой сплав относится к чугуну.
3. Сталь с 0,1% углерода будет более пластичной, а сталь с 1,0% — твёрже и прочнее, но менее пластичной. Чугун с 3,5% углерода будет хорошо отливаться, однако окажется более хрупким.

Ответ: сталь — 0,1% и 1,0% углерода; чугун — 3,5%. При увеличении углерода твёрдость и прочность обычно растут, а пластичность уменьшается.

Расчёт массы компонентов стали

Условие. Масса стали равна 500 кг, массовая доля углерода составляет 1%. Нужно найти массы углерода и железа. Остальными примесями пренебрегаем.

1. Переводим процент в долю: 1% = 0,01. Массу углерода находим умножением массы сплава на его массовую долю: m(C) = 0,01 · 500 кг = 5 кг.
2. Так как учитываются только железо и углерод, масса железа равна разности массы сплава и массы углерода: m(Fe) = 500 − 5 = 495 кг.
3. Проверяем результат: 5 кг + 495 кг = 500 кг, то есть массы компонентов дают массу всего сплава.

Ответ: углерода — 5 кг, железа — 495 кг. Содержание углерода 1% меньше 2,14%, поэтому по условию это сталь.

Типичные ошибки

Ошибка — считать сталь и чугун одинаковыми материалами. Их различают прежде всего по содержанию углерода: у стали его до 2,14%, у чугуна больше. Проверяйте сначала состав, а затем связывайте его со свойствами и способом обработки.

Ошибка — утверждать, что больше углерода улучшает все свойства сплава. Углерод обычно повышает твёрдость и прочность, но уменьшает пластичность. Для самопроверки задайте вопрос: сможет ли материал гнуться и деформироваться без трещин?

Ошибка — называть любой сплав железа нержавеющей сталью. Коррозионную стойкость обеспечивают специальные добавки, прежде всего хром, а часто и никель. Смотрите не только на слово «сталь», но и на наличие легирующих элементов.

Ошибка — выбирать материал только по прочности. Изделие может разрушиться из-за хрупкости, быстро износиться или заржаветь, даже если оно достаточно прочное. Сопоставляйте с назначением сразу несколько свойств: прочность, пластичность, обрабатываемость и стойкость в условиях эксплуатации.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о строении атома железа, химическом элементе и смеси, массовой доле вещества и свойствах металлов. Также важно знать, что сплав — это материал с определённым составом и свойствами, а не просто механическое название металла. Эти знания помогают читать состав сплава и выполнять расчёты его компонентов.

Дальше тема связана с металлургией, коррозией и способами защиты металлов. Она также нужна при объяснении выбора материалов в строительстве и технике. Например, устойчивость стали к ржавлению связывают с составом, а применение чугуна — с его литейными свойствами.

Что запомнить

• Чистое железо применяют реже, чем его сплавы.
• Сталь содержит до 2,14% углерода.
• Чугун содержит более 2,14% углерода.
• Сталь обычно пластичнее чугуна и лучше поддаётся обработке.
• Чугун хорошо отливается, но отличается хрупкостью.
• Легирование позволяет получать стали с особыми свойствами.
• Применение железа и его сплавов определяется составом, свойствами и назначением изделия.