70. Чугун и стали

Сплавы железа – металлические системы, основным компонентом которых является железо.

Классификация сплавов железа:

1) сплавы железа с углеродом (нелегированные и легированные чугуны и стали);

2) сплавы с особыми физико-химическими свойствами;

3) ферросплавы.

Чугуны. Содержат более 2 % углерода. Его содержание в чугуне обусловлено химическими процессами, происходящими в доменной печи при выплавке. По назначению доменные чугуны разделяют на передельные и литейные . Передельные чугуны переплавляют на сталь. Литейные чугуны применяют в машиностроении для изготовления чугунного литья.

По степени графитизации литейные чугу-ны делят на белый, половинчатый, серый.

По форме включений графита : чугун с пластинчатым, шаровидным, вермикулярным (изогнутые пластинки) и хлопьевидным графитом.

В зависимости от характера металлической основы выделяют перлитный, феррит-ный и ферритно-перлитный.

По назначению : конструкционный и чугун со специальными свойствами. По химическому составу: легированный и нелегированный. Промышленность производит легированные чугуны со специальными физико-химическими свойствами (коррозионностойкие чугуны, кислотоупорные и щелочеупорные, жаростойкие, антифрикционные).

Стали. Содержат меньше 1,5–2 % углерода. Основные способы производства стали кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный. Свойства сталей определяются свойствами и соотношением фаз в сплаве.

Классификация сталей:

1) заэвтекоидная сталь (больше 0,8 % углерода). Состав: участки перлита и вторичного цементита;

2) эвтекоидная сталь (0,8 % углерода). Состав: участки перлита;

3) доэвтекоидная сталь (меньше 0,8 % углерода). Состав: участки феррита и перлита.

Твердость и прочность стали возрастают с повышением содержания углерода до 0,9 %, при большем повышении твердость продолжает возрастать, но начинает понижаться прочность.

По содержанию углерода и легирующих элементов стали делят на углеродистые и легированные .

Легированные стали по химическому составу делят на: низко-, средне– и высоколегированные.

Стали, также классифицируются по названию легирующего элемента.

Сплавы с особыми физико-химическими свойствами. К ним относят некоторые виды стали и сплавы (ферросплавы) с высоким (до 50 %) содержанием различных элементов. Ферросплавы используют в процессе производства железа.

71. Тяжелая вода

Тяжелая вода – оксид дейтерия D2O с кислородом природного изотопного состава, бесцветная жидкость без запаха и вкуса.

Тяжелая вода была открыта в 1932 г. Г. Юри , Ф. Брикведде и Дж. Мерфи , впервые получена в чистом виде и изучена в 1933 г. Г. Льюисом и P. Макдональдом . При электролизе обыкновенной воды, включающей в себя молекулы НО, существует также малая доля молекул DO, образованных тяжелым изотопом водорода. Разлагаются в основном молекулы НО, поэтому при длительном электролизе воды остаток постепенно обогащается молекулами DO. В 1933 году из такого остатка электролиза удалось выделить небольшое количество воды с молекулярным составом DО, которая получила название тяжелая вода .

В смеси D2O и H2O с большой скоростью протекает изотопный обмен: H2O + D2O = 2HDO

Дейтерий обычно присутствует в воде в малом количестве (HDO ), реже в большом – D2O .

Строение молекулы тяжелой воды аналогично строению простой воды, отличия существуют лишь в длине связей и углов между ними. При конденсированном состоянии наличествует водородная связь.

Химические и физические свойства.

У тяжелой воды температура кипения – 101,44 °C, температура плавления – 3,823 °C.

Кристаллы D2O имеют такую же структуру, как и кристаллы обычного льда, различие в размерах элементарной ячейки очень мало (0,1 %). Тяжелая вода менее летуча, чем обыкновенная вода. Растворимость и растворяющая способность тяжелой воды ниже, чем у обычной воды. Она имеет меньшую ионизацию.

Получение . Тяжелую воду получают выделением воды или при окислении водорода, имеющего естественный изотопный состав. Производство тяжелой воды делиться на две стадии.

1. Начальное концентрирование (от природной концентрации равной 5—10 % из расчета D2O):

а) изотопный обмен между водой и H2S в двух-, трехступенчатой каскадной системе противоточных колонн по двухтемпературной схеме;

б) многоступенчатый электролиз воды с каталитическим изотопным обменом между водой и водородом;

в) низкотемпературная ректификация жидкого водорода с последующим сжиганием дейтерия и кислорода.

2. Изотопный обмен между водородом и аммиаком в присутствии K и конечное концентрирование (от 5—10 % до 99,8 % D2O ). Происходит ректификация воды с использованием вакуума или электролиза.

Применение. Используют в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя в энергетических и исследовательских ядерных реакторах на тепловых нейтронах, как источник дейтерия для термоядерного синтеза и как источник его в ускорителях частиц, изотопный индикатор. Замедляет биологические процессы.