МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

1. Железо и его сплавы

2. Неотъемлемый элемент нашей цивилизации

Железо — один из основополагающих химических элементов, который можно назвать
неотъемлемым элементом цивилизации.
Некоторые причины важности железа:
Распространённость и доступность. Железо — один из самых распространённых и
доступных металлов на Земле.
Уникальные свойства. Высокая прочность, ковкость и устойчивость к коррозии делают
железо незаменимым материалом в промышленности, строительстве, машиностроении и
других сферах.
Влияние на развитие цивилизации. Железные орудия повысили производительность труда,
способствовали росту сельского хозяйства и урбанизации. Железное оружие и доспехи давали
преимущество в военных конфликтах, что привело к расширению территорий и
формированию новых государств.
Роль в организме человека. Железо участвует в жизненно важных биологических процессах
и является неотъемлемой частью организма.

3. Сплавы железа

металлические материалы, в которых железо — основной
компонент. Часто в состав добавляют углерод, хром, никель и другие
элементы для улучшения свойств, таких как прочность,
коррозионная стойкость, жаропрочность и износостойкость
Наиболее распространённые это чёрные металлы — сталь и чугун

4.

5. Чугун — сплав железа с углеродом, содержание углерода — не менее 2,14%. Эта граница отделяет чугун от стали.

Чугун — сплав железа с углеродом, содержание углерода
— не менее 2,14%. Эта граница отделяет чугун от стали.

6. СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ

7.

8. Классификация чугунов

серые
чугуны
высокопрочные
ковкие
белые
Половинчаты
й

9.

БЕЛЫЙ ЧУГУН
Белым чугуном называют сплав, где углерод находится в химическом
соединении с железом Fe3 C. Излом имеет мелкозернистую или игольчатую
фактуру матово-белого цвета. Сплав отличает:
•Высокая твердость.
•Стойкость к абразивному износу.
•Устойчивость к коррозии в агрессивных средах и тяжелых условиях.
Белый чугун также отличает значительная хрупкость, сплав плохо поддается
сварке и резке. Жидкий металл плохо заполняет литейные формы, отливки
дают значительную усадку, при остывании часто образуются трещениы.

10.

Белый чугун

11.

СЕРЫЙ ЧУГУН
В сером чугуне углерод в основном присутствует в виде графита. В форме
соединений с железом содержится не больше 0,8% углерода. Сплав имеет
следующие свойства:
•Небольшая усадка и хорошая текучесть в расплавленном состоянии.
•Высокая прочность на сжатие.
•Хорошие антифрикционные свойства.
Серый чугун пластичней, лучше поддается резке и сварке чем белый. Данную
разновидность также отличает высокая хрупкость, склонность к образованию
трещин при нагреве и резком охлаждении. Узлы, детали и конструкции широко
применяют в машиностроении, строительстве и других отраслях. Из сплава
производят станины и тумбы станков, трубы, поршневые группы и др изделия.

12.

Серый чугун

13.

Половинчатый или обеленный
чугун
Сплав содержит углерод в свободной и связанной форме. На изломе образцов
половинчатого чугуна видны как белые, так и темные участки. Материал:
•Лучше поддается механической обработке, чем обычный белый чугун.
•Обладает высокой прочностью и износостойкостью.
Важно! К половинчатым чугунам относятся так называемые отбеленные
сплавы. Для этого получения такого сплава периферийные части отливки
охлаждают быстрее, чем сердцевину. В результате большая часть углерода
ближе к поверхности изделия переходит в связанную с железом форму. Таким
образом, на поверхности формируется белый чугун, в сердцевине – серый
сплав с углеродом в виде графита.

14.

15.

Ковкий
чугун
Углерод в сплаве присутствует в виде графита. Включение имеют форму
хлопьев и изолированы друг от друга. Такая структура обеспечивает более
высокую вязкость и пластичность. Ковкий чугун отличает:
•Значительная прочность и твердость.
•Способность гасить вибрацию.
•Возможность обработки резаньем.
Область применения ковкого чугуна – производство деталей и узлов насосов,
передаточных механизмов, другого оборудования, работающие при
значительных статических и динамических нагрузках.

16.

Ковкий чугун

17.

Высокопрочный
Главная особенность сплава – изолированные графитовые включения
чугун
шарообразной формы. Таким образом, железная основа чугуна такого типа
сплошная, что отражается на его свойствах. Сплав отличает более высокие,
чем у других видов чугунов:
•Прочность на изгиб и растяжение.
•Ударная вязкость.
•Относительное удлинение.
Материал сравнительно хорошо поддается механической обработке, хорошо
заполняет форму и меньше склонен к образованию трещин при литье. Сплав
также сохраняет все преимущества чугунов: значительную твердость,
усталостную прочность, износостойкость.
Высокопрочный чугун используется для изготовления коленчатых валов
передаточных механизмов, валков прокатных станов, двигателей и другого
оборудования, узлов и деталей.

18.

Высокопрочный чугун

19. Маркировка чугунов

Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами.
СЧ — серый чугун,
ВЧ — высокопрочный,
КЧ — ковкий;
Для антифрикционного чугуна в начале марки
указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ).
Цифры в обозначении марок чугунов указывают
его механические свойства.
Для серых чугунов приводят показатели
пределов прочности при растяжении и изгибе (в
кгс/мм2).
Для высокопрочного и ковкого чугунов цифры
определяют предел прочности при растяжении
(в кгс/мм2) и относительное удлинение (в %).

20. Механические свойства железа и его сплавов

Механические свойства – это характеристики материала,
описывающие его поведение под действием внешних сил. Они
критически важны для проектирования и эксплуатации любых
конструкций.

21.

22. Прочность: Способность материала сопротивляться разрушению (или необратимой деформации) под действием приложенных нагрузок.

Предел текучести: Напряжение, при котором начинается заметная
пластическая деформация.
Предел прочности: Максимальное напряжение, которое материал способен
выдержать перед разрушением.
Твердость: Сопротивление материала проникновению в него другого, более
твердого тела (царапина, вдавливание). Измеряется по шкалам Бринелля,
Роквелла, Виккерса.
Пластичность: Способность материала деформироваться под нагрузкой без
разрушения, сохраняя новую форму после снятия нагрузки. Характеризуется
относительным удлинением (δ) и относительным сужением (ψ) при растяжении.

23.

24. Вязкость (Ударная вязкость): Способность материала поглощать энергию при динамическом нагружении (ударе) без хрупкого

разрушения. Измеряется на маятниковых копрах.
Усталость: Разрушение материала, происходящее при многократно
повторяющихся нагрузках, значительно ниже предела прочности. Это
критически важно для деталей, работающих в условиях переменных
нагрузок (например, валы, пружины).
Ползучесть: Медленная, продолжительная пластическая деформация
материала при постоянной нагрузке и повышенной температуре.
Важна для конструкций, работающих при высоких температурах
(турбины, реакторы).

25.

26. Химические свойства

Железо — металл с умеренной химической активностью, при обычной
температуре не взаимодействует даже с сильными окислителями, но при
нагревании его активность повышается. Сплавы на основе
железа (например, стали и чугуны) также имеют свои химические свойства,
которые зависят от содержания углерода и примесей

27. Реакция с кислородом при нагревании: При сгорании железа в кислороде образуется оксид Fe₃O₄ (железная окалина). Уравнение

Реакция с кислородом при нагревании:
При сгорании железа в кислороде образуется оксид Fe₃O₄ (железная окалина).
Уравнение реакции: 3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄.
При пропускании кислорода через расплавленное железо возможно образование оксида железа
(II):
2Fe + O₂ → 2FeO.
Взаимодействие с водородом:
железо не реагирует с водородом (с водородом из металлов реагируют только щелочные
металлы и щелочноземельные).
Способность отдавать электроны (быть восстановителями).

28. Коррозия железа: Основная проблема и методы защиты

Коррозия – одно из главных препятствий для долговечности изделий из железа
и его сплавов, требующее постоянного внимания и разработки защитных
мер.
Коррозия железа – это электрохимический процесс разрушения металла
под воздействием окружающей среды, в основном кислорода и влаги.
Последствия коррозии:
* Потеря прочности и несущей способности конструкций.
* Нарушение герметичности трубопроводов и емкостей.
* Эстетические дефекты и загрязнение.
* Значительный экономический ущерб от ремонта, замены и потери

29. Основные методы защиты от коррозии

Легирование: Добавление элементов, формирующих прочные пассивные пленки на
поверхности. Например, хром в нержавеющих сталях (Cr>10.5%) образует плотную
оксидную пленку Cr₂O₃, которая препятствует дальнейшему окислению.
Защитные покрытия: Гальванические (цинкование, хромирование, никелирование),
горячее цинкование, металлизация (напыление алюминия, цинка). Краски, лаки,
полимерные покрытия, эмали, фосфатирование, оксидирование.
Электрохимическая защита: Подключение более активного металла (протектора) или
внешнего источника тока, делающего защищаемое изделие катодом.
Анодная защита: Создание пассивного состояния поверхности металла с помощью
внешнего источника тока.
Ингибиторы коррозии: Химические вещества, добавляемые в агрессивную среду для
замедления или предотвращения коррозионных процессов.

30. Области применения железа и его сплавов

Благодаря своей универсальности, доступности и
возможности настройки свойств, сплавы железа
находят применение практически во всех отраслях
промышленности и повседневной жизни.

31. Строительство: Стальные конструкции: Балки, колонны, арматура для железобетона, мосты, высотные здания. Чугунные изделия:

Водопроводные трубы,
канализационные люки,
декоративные элементы.

32. Транспорт: Автомобилестроение: Кузова, шасси, трансмиссии из различных марок стали и чугуна. Железнодорожный транспорт: Рельсы,

колесные пары, рамы
вагонов из высокопрочных
сталей.
Судостроение: Корпуса
судов, двигатели, палубные
надстройки.

33. Энергетика: ТЭС и АЭС: Компоненты турбин, трубопроводов, корпусов реакторов (жаропрочные, коррозионностойкие стали).

Ветроэнергетика: Башни и
компоненты роторов.

34. Медицина: Хирургические инструменты, некоторые виды имплантатов (высоколегированные нержавеющие стали).

35. Нефтегазовая промышленность: рубопроводы, буровое оборудование, резервуары.

36.

37. Преимущества и недостатки железа и его сплавов

Выбор материала для конкретного применения всегда
основывается на балансе его преимуществ и недостатков.

38. Преимущества

Высокая прочность и жесткость: Обеспечивает надежность
конструкций.
Доступность и относительно низкая стоимость: Делает его
экономически выгодным для массового производства.
Широкий диапазон свойств: Возможность "настройки" характеристик
через легирование и термическую обработку.
Хорошая обрабатываемость: Легко поддается литью, ковке, сварке,
прокатке, механической обработке.
Магнитные свойства: Ценны для электротехнической и электронной
промышленности.
Высокая перерабатываемость: Железо и сталь являются одними из
наиболее перерабатываемых материалов в мире, что способствует
устойчивому развитию.

39. Недостатки

Подверженность коррозии: Наиболее значимый недостаток,
требующий постоянной защиты и увеличивающий затраты.
Высокая плотность: Может быть критичным недостатком в
приложениях, где важен легкий вес (аэрокосмическая
промышленность, высокоскоростной транспорт).
Хрупкость некоторых сплавов: Высокоуглеродистые стали и чугуны
могут быть хрупкими, ограничивая их применение при ударных
нагрузках.
Потеря прочности при высоких температурах: Для работы в условиях
высоких температур требуются специальные жаропрочные
легированные стали.
Низкая электропроводность по сравнению с медью или алюминием.

40. Классификация лома и отходов чугуна

Чугунный лом — это сплавы с высоким содержанием углерода в железе (более 2,14%). В
качестве углеродного компонента обычно выступает графит или цементит.
Лом и отходы чугунов различных марок – ценное вторичное сырье, хорошо поддающееся
переработке. Систематизация металлолома осуществляется по ГОСТ 2787-2019. Согласно
системе стандартов, лом и отходы черных металлов с содержанием углерода от 2%
относятся к классу «Ч» и обозначается кодом «2».
Чугунный металлом подразделяется также на виды, категории и группы. Классификация по
видам осуществляется по размерам и степени засоренности.

41.

По категориям различают:
Металлолом нелегированных чугунов.
Лом и отходы легированных сплавов.
Неразделенный чугунный лом.
Металлолом легированного чугуна также разделяется
на группы:
Лом и отходы, неразделенные по маркам.
Отсортированный по составу чугунный металлолом.
Вторичное сырье разделенное по маркам.

42.

Наиболее распространенные виды чугунного лома:
17А, 18А, 19А – габаритный кусковой лом.
А20, А21, А22 – негабаритное вторичное сырье, нуждающееся в измельчении перед
переплавкой.
А23-А24 – чугунная стружка в брикетах и россыпью.
Б65 – металлолом чугуна с добавкой хрома и никеля.
Б66 – отходы сплава с содержанием хрома и молибдена.

43. Чугун — важнейший конструкционный материал современной промышленности благодаря уникальному сочетанию технологических,

Чугун — важнейший
конструкционный
материал
современной
промышленности бл
агодаря уникальному
сочетанию
технологических,
механических и
эксплуатационных
характеристик.

44. СТАЛЬ

Сталь — сплав железа с углеродом и другими элементами. Содержит не менее
45% железа и содержание углерода — от 0,02 до 2,14%. Углерод придаёт сплаву
прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

45. Производство: Процесс производства стали начинается с выплавки чугуна в доменной печи, где железная руда восстанавливается с

Производство:
Процесс производства стали
начинается с выплавки чугуна в
доменной печи, где железная руда
восстанавливается с помощью угля и
известняка. Затем сырьё поступает в
конвертер или электропечь, где из
него удаляются избыточные примеси
и регулируется содержание углерода.
На заключительном этапе сплав
может подвергаться легированию,
прокатке или термообработке, чтобы
придать ему необходимые свойства

46. СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ

47.

48.

СОСТАВ:
Основной компонент — железо, его доля — около 99%. Углерод улучшает свойства железа,
повышает прочность и твёрдость. Также на механические и физико-химические
характеристики стали влияют различные легирующие добавки: марганец, фосфор, кремний,
магний, сера.

49.

50. Виды

•Углеродистые — содержат главным образом железо и углерод (до ~2%) без
специальных легирующих добавок. В зависимости от доли углерода выделяют
низкоуглеродистые (до 0,25% C), среднеуглеродистые (0,3–0,55% C) и
высокоуглеродистые (0,6–2,14% C).
•Легированные — содержат помимо углерода один или несколько
специальных элементов (Cr, Ni, Mn, Si, V, Mo и др.), вводимых для придания
особых свойств. По суммарному содержанию легирующих элементов
легированные стали делятся на низколегированные (до ~4% легирующих
элементов), среднелегированные (5–10%) и высоколегированные (более 11%
легирующих компонентов).

51. Углеродистая сталь

Углеродистая сталь — это сплав железа с углеродом, в котором
содержание легирующих элементов (например, хрома, никеля, молибдена)
минимально или отсутствует. В составе всегда присутствуют стандартные
примеси: марганец, кремний, сера, фосфор и др.
Виды:
Углеродистые стали классифицируются по содержанию углерода:
Низкоуглеродистые — до 0,25% углерода, обладают высокой пластичностью и хорошо
поддаются обработке.
Среднеуглеродистые — от 0,25% до 0,6%, характеризуются сбалансированным сочетанием
прочности и вязкости.
Высокоуглеродистые — от 0,6% до 2%, отличаются высокой твёрдостью, но низкой
пластичностью.

52.

53. CВОЙСТВО

Механическая прочность — обеспечивает надёжность конструкций и
изделий.
Пластичность — особенно выражена у низкоуглеродистых сталей, что
упрощает обработку.
Вязкость и ударная прочность — позволяют использовать материал в
условиях высокой нагрузки.
Содержание углерода влияет на свойства стали: увеличение углерода
повышает твёрдость и прочность, но снижает пластичность.

54. Маркировка: Марки углеродистых сталей обычно обозначаются числами, указывающими содержание углерода в сотых долях процента.

•Маркировка:
Марки углеродистых сталей обычно обозначаются
числами, указывающими содержание углерода в
сотых долях процента. Например:
Ст0, Ст1, Ст3 — низкоуглеродистые конструкционные стали.
У7, У8, У10 — инструментальные углеродистые стали с высоким
содержанием углерода.

55. Применение: Углеродистые стали используются в различных отраслях промышленности:  Строительные конструкции — балки, колонны,

Применение:
Углеродистые стали используются в различных отраслях промышленности:
Строительные конструкции — балки, колонны, фермы, арматура.
Листовой прокат — обшивка зданий, кровельные материалы, корпуса
бытовой техники, автомобильных деталей.
Трубы — водопроводные, газовые, системы отопления, трубы для котлов
высокого давления.
Детали машин — валы, оси, шестерни, шатуны, шпиндели, карданные валы,
рычаги подвески, рессоры.

56. Легированная сталь 

Легированная сталь
это сплав железа и углерода с добавлением других элементов для улучшения
свойств. Процесс обогащения сплава добавками называется легированием, а
сами добавки — легирующими элементами.
В качестве легирующих могут
применять хром, никель, кремний,
марганец, молибден и другие
элементы

57. Виды

Легированные стали классифицируют по разным критериям, например:
•По степени легирования:
• низколегированные — содержат до 2,5% легирующих элементов;
• среднелегированные — от 2,5 до 10% легирующих элементов;
• высоколегированные — свыше 10% легирующих элементов.
•По назначению:
• конструкционные — для изготовления деталей машин,
конструкций и механизмов;
• инструментальные — для производства режущего,
измерительного и штампового инструмента.

58. Свойства

Легирующие элементы встраиваются в кристаллическую решётку металла, меняя его
химический состав и структуру. Благодаря этому сплав приобретает новые
характеристики, которых нет у обычной углеродистой стали. Некоторые свойства
легированной стали:
Повышенная прочность и твёрдость — это важно для деталей, которые должны
выдерживать большие нагрузки и давление без разрушения.
•Увеличение стойкости к износу — многие легированные стали более износостойкие,
то есть медленнее стираются и служат дольше в условиях трения.
•Повышение коррозионной стойкости — отдельные добавки (прежде всего хром и
некоторые другие элементы) делают сталь менее подверженной ржавлению.
•Сохранение прочности при высоких температурах — легирование позволяет
создать жаропрочные и жаростойкие сплавы, способные работать при нагреве

59. Производство

Есть два основных вида легирования:
Объёмное — легирующие элементы добавляют в расплавленный металл, и они
равномерно распределяются. Такое легирование проводят, если изделие должно обладать
заданными свойствами по всему объёму.
Поверхностное — легирующие элементы проникают только в поверхностный слой
заготовки. Этот метод применяют, чтобы придать поверхности детали специальные
свойства, отличные от свойств её сердцевины, например повышенную износостойкость,
устойчивость к коррозии, жаростойкость.

60. Применение

Легированные стали используют в различных областях, например:
Машиностроение — для изготовления деталей автомобилей, самолётов и другой техники
(осей, шестерён, валов и других элементов, работающих под постоянными нагрузками).
Энергетика — высокая жаропрочность делает легированные стали востребованными в
производстве котлов, турбин и других установок, работающих при высоких температурах и
давлениях.
Строительство — для создания несущих конструкций, мостов и элементов,
подвергающихся значительным механическим нагрузкам.
Химическая промышленность — коррозионная стойкость позволяет использовать
легированные стали для производства резервуаров, труб и оборудования, контактирующего
с агрессивными химическими средами.

61. Классификация Стали по качеству

Сталь классифицируют по качеству в зависимости от содержания вредных
примесей — серы и фосфора. Выделяют четыре категории: стали обыкновенного качества,
качественные, высококачественные и особовысококачественные
Качество стали определяется её химическим составом, структурой и механическими
свойствами. Основные критерии:
содержание углерода влияет на твёрдость и прочность;
наличие легирующих элементов улучшает коррозионную стойкость или жаропрочность;
вредные примеси снижают пластичность и повышают хрупкость.

62. Обыкновенное

Содержание серы — не более 0,06% и фосфора
больше 0,07%
Особенности:
содержат относительно большое количество
неметаллических примесей;
структуру сплавов отличает высокая степень
неоднородности;
хорошо поддаются механической обработке и
свариванию;
недорого стоят благодаря простой технологии
производства;

63. Качественные

Содержание серы — не более
0,04%, фосфора — не более 0,035%.
Особенности:
применяются в машиностроении и для
производства деталей, подвергающихся
умеренным нагрузкам;
служат сырьём для производства валов, рычагов,
рессор, подшипников, режущих инструментов.

64. Высококачественные

Высококачественн
ые
Содержание серы — не более
0,025%, фосфора — не более 0,025%.
Особенности:
используются в ответственных конструкциях, где
важны высокая прочность и долговечность;
в эту группу входят стали со строго
регламентируемым содержанием легирующих
элементов, включение которых в химический
состав улучшает свойства материалов.

65. Особовысококачественные

Особовысококачественн
ые
Содержание серы — не более
0,015%, фосфора — не более 0,025%.
Особенности:
производятся с использованием специальных
технологий, таких как вакуумный переплав;
применяются в авиационной и космической
промышленности.

66.

Примеры марок:
Ст3кп, Ст5сп --Обыкновенное
Ст20, Ст45 --Качественное
30ХГСА, 12Х18Н10Т --Высококачественные
ШХ15, ЭИ961 --Особовысококачественные

67. ферросплавы

Ферросплавы — сплавы железа с легирующими элементами, которые используются для
легирования и модифицирования стали и чугуна. Некоторые виды ферросплавов:
Ферросилиций — сплав железа и кремния, используется для легирования стали и
производства специальных видов чугуна.
Феррохром — сплав железа и хрома, придаёт стали стойкость к коррозии, а также
используется в производстве нержавеющей стали.
Ферромарганец — сплав железа, марганца и углерода, используется для легирования
стали и улучшения её прочности.

68. Получение

Ферросплавы получают в основном электро- и металлотермическими способами из руд
или концентратов, содержащих оксиды соответствующих элементов. Некоторые методы:
Электротермический — плавление сырья в электрических дуговых печах, позволяет
достигать высоких температур, необходимых для восстановления металлов из оксидов.
Металлотермический — используется для производства ферросплавов, которые трудно
получить электротермическим способом, основан на химической реакции между
металлотермическим агентом (например, алюминием, кремнием) и оксидом металла.

69.

70. Применение Ферросплавы широко используются в различных отраслях промышленности. Например: Металлургия — для легирования стали,

Применение
Ферросплавы широко используются в различных отраслях
промышленности. Например:
Металлургия — для легирования стали, что позволяет улучшить её характеристики.
Автомобильная промышленность — с помощью ферросплавов производят детали, например, двигатели и
коробки передач.
Энергетическая промышленность — ферросплавы используют в качестве материала для изготовления турбин и
генераторов.
Электротехническая сфера — некоторые сплавы отличаются хорошими магнитными свойствами, что необходимо
в производстве трансформаторов, электродвигателей

71. Заключение: Неизменный фундамент прогресса

На протяжении тысячелетий железо и, в особенности, его сплавы, формировали путь
человеческой цивилизации. От первых инструментов до современных небоскребов и
высокотехнологичных машин, именно уникальная способность железа образовывать
разнообразные сплавы с заданными свойствами сделала его незаменимым.
Мы убедились, что глубокое понимание его атомной структуры, фазовых
превращений и реакций на внешние воздействия позволяет материаловедам и
инженерам создавать материалы с поразительным спектром характеристик. Это
непрерывное развитие – от фундаментальной диаграммы Fe-C до инновационных
высокопрочных сталей и экологичных методов производства – гарантирует, что
железо и его сплавы будут оставаться краеугольным камнем технологического
прогресса и основой для решения будущих инженерных задач. Их доступность,
универсальность и потенциал к устойчивому использованию делают их не просто
металлами, а ключевым фактором развития нашей цивилизации в XXI веке и за его
пределами.