Легирующие элементы вводят в стали для повышения конструкционной прочности. Наиболее дешёвыми легирующими элементами являются кремний и марганец, относительно дорогими – хром, никель, титан, ещё более дорогими – молибден и вольфрам. Поэтому последние из указанных легирующих элементов добавляются в небольших количествах к конструкционным сталям, содержащим другие легирующие элементы.

По легированности стали делятся на группы: 1) низколегированные (менее 5 % легирующих элементов в сумме), 2) среднелегированные (от 5 до 10 %) и 3) высоколегированные (более 10 % легирующих элементов).

Легирующие элементы, снижая скорость диффузии всех компонентов, снижают критическую скорость охлаждения при закалке, повышают устойчивость аустенита, улучшают прокаливаемость сталей. Возможность использования масла в качестве закаливающей среды, снижает коробление деталей, поэтому масло целесообразно использовать при закалке изделий малых размеров.

Присутствие легирующих элементов в сталях отмечается в маркировке буквами русского алфавита: А – азот (но буква обязательно ставится в середине марки, потому что буква А в конце означает, что сталь высокого качества), Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор (ставится обязательно в конце марки), С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные элементы, Ю – алюминий. Содержание компонентов в процентах записывается цифрами, стоящими в маркировке после обозначения элемента. Если содержание элемента менее 1,5, то за буквенным обозначением цифра не ставится. Содержание углерода в легированных сталях обозначается двузначным числом, соответствующим сотым долям процента. напр., сталь 40ХН означает, что в ней содержится 0,4 % углерода и примерно по 1-1,5 % хрома и никеля. Сталь 18Х2Н4МА – содержит 0,18 % углерода, 2 % хрома, 4 % никеля, менее 1 % молибдена и относится к высококачественным сталям (буква А в конце маркировки).

Конструкционными называют материалы, применяемые для изготовления деталей, конструкций и сооружений.

Углеродистые стали являются одной из групп конструкционных сталей, широко используемых в различных отраслях промышленности.

Они делятся на низкоуглеродистые (до 0,3 % углерода), среднеуглеродистые (от 0,3 до 0,6 %) и высокоуглеродистые (>0,6 %)

Многие эксплуатационные и технологические характеристики таких сталей зависят от способа раскисления и содержания примесей.

Помимо химического состава, конструкционные стали классифицируют по их качеству, способам раскисления и назначению.

По способам раскисления, стали делятся на кипящие (кп), раскисляемые только марганцем (в них много кислорода), полуспокойные (пс), раскисляемые марганцем и кремнием, спокойные (сп), раскисляемые Mn, Si и Al. В спокойных сталях мало кислорода и они затвердевают без газовыделения, в отличие от кипящих, когда выделяются пузыри CO, создающие впечатление кипения. Присутствие кремния в сталях при раскислении сильно упрочняет феррит и снижает допустимую степень деформации сталей.

По качеству, стали делят на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Группа качества определяется суммарным присутствием примесей, в первую очередь серы и фосфора.

При химико-термической обработке (ХТО) изменяется химический состав и структура поверхностных слоев материалов.

Основными видами ХТО для сталей являются цементация, азотирование и нитроцементация.

При цементации поверхность стали насыщается углеродом. Существуют три основных вида цементации: в твёрдых карбюризаторах, газовых средах и жидких расплавах солей.

Концентрация углерода на поверхности деталей определяется активностью углерода в насыщающей среде. Глубина слоя с повышенным содержанием углерода – ℓ обусловлена скоростью диффузии углерода в стали – D и временем обработки - t.

Рекомендуемая глубина слоя зависит от размеров деталей и не должна превышать 10 % диаметра изделий. Достаточной толщиной обычно считается 1- 2 мм. Такая глубина проработки при температуре 910 – 9300С достигается за 5 - 20 часов.

Цементации целесообразно подвергать низкоуглеродистые стали. После цементации детали подвергают одинарной или двойной закалке с последующими низкотемпературным отпуском (при 180 – 2000С).

Термической обработкой называют операции нагрева, выдержки и охлаждения изделий, регламентированные по времени и температуре.

Существует 4 основных вида термической обработки: отжиг, закалка, отпуск и старение.

Отжиг. Под отжигом 1-го рода понимают операцию нагрева, затем выдержку при определённой температуре и охлаждение. Предназначен он для устранения химической неоднородности в пределах отдельных кристаллов, снятия деформационного упрочнения, фазового упрочнения, возникающего за счёт объёмных изменений. Выравнивание состава и свойств сталей приводит к уменьшению склонности стали к охрупчиванию.

Для выравнивания химического состава стали, используют диффузионный отжиг, когда её нагревают до 1100-1200C и выдерживают 8 – 20час.

Для исключения накопления деформационных дефектов в холоднодеформированных сталях применяют, так называемый, рекристаллизационный отжиг, т.е. их нагрев до температур рекристаллизации (450-650C, в зависимости от состава стали), выдержку при этих температурах и последующее замедленное охлаждение (до температур 300-400C).

При отжиге заметно увеличивается размер зерна. Крупнозернистость может быть частично устранена за счёт фазовой перекристаллизации. Отжиг является обычно подготовительной операцией перед другими видами термической обработки.

Диаграмма состояний сплавов служит основой классификации сплавов по структуре, а также для выбора режимов термической обработки

Прежде всего, сплавы рассматриваемой системы подразделяются на стали и чугуны. К сталям относят сплавы, содержащие до 2 % углерода, к чугунам – сплавы, содержащие 2 и более % углерода. Чугуны, содержащие около 4,3 % углерода, называют эвтектическими, от 2-х до 4,3% – доэвтектическими и более 4,3% углерода – заэвтектическими.

Преимущественной структурой эвтектических чугунов является ледебурит, состоящий из смеси кристаллов аустенита и цементита. Цементит не является термически устойчивым соединением и при медленном охлаждении или при длительной выдержке чугунов при высоких температурах распадается на смесь графита и аустенита. При последующем за выдержкой охлаждении аустенит по содержанию углерода приближается к составу, соответствующему точке S диаграммы железо-углерод. Если охлаждение в районе температур 750-700С происходит достаточно медленно (10-20С/час), то распад аустенита сопровождается выделением хлопьевидного графита, а не цементита и получается ферритный серый чугун. Если же скорость охлаждения в этом интервале температур велика, то формируется структура ковких перлитных серых чугунов (перлит – смесь феррита и цементита). Название ковкие не означает, что эти чугуны куют, а просто то, что они относительно пластичны, но не выдерживают высоких скоростей нагружения. Таким образом, в зависимости от режима охлаждения могут быть получены чугуны с различными структурой и свойствами.

Область устойчивых состояний аустенита на диаграмме состояний обозначена буквами NJESOG и, следовательно, превращения его зависят от состава стали.

Рассмотрим сначала превращения аустенита, содержащего 0,83 % углерода. При нагреве сплава от температуры 7270С до 13500С сохраняется решётка ГЦК и происходит лишь его термическое расширение. Длина образца ℓт2 , при температуре T2 связана с его длиной ℓт2 при температуре т1 соотношением: ℓт2 = ℓт1 (1 + α(т2-т1). Коэффициент для аустенита равен 1,8×10-5 1/ С.

При охлаждении образца ниже 727С происходят изменения структуры сплава, обусловленные изменением растворимости углерода и распадом аустенита на фазовые составляющие относительно устойчивые при соответствующих температурах, т.е. на феррит (α–феррит) и цементит представляющий собой химическое соединение железа с углеродом (Fe3C), содержание углерода в котором составляет ~6,7% по массе. Максимальная растворимость углерода в α–железе при 727С составляет всего лишь 0,023 % и снижается до 0,006 % при комнатной температуре. В результате изменения растворимости углерода в феррите происходит старение феррита и его упрочнение.

Выделение цементита при распаде аустенита также сопряжено с упрочнением сплава, которое тем больше, чем более мелкими являются частицы цементита. В свою очередь их размеры зависят от температуры, при которой выделяется основная масса Fe3C.

Скорость распада аустенита на феррит и цементит максимальна при температуре близкой к 550С.

Чистое железо плавится при температуре 1539С. При охлаждении расплава ниже этих температур, железо затвердевает, формируя кристаллическую решётку объемно-центрированного куба (ОЦК), которая сохраняется до 1392С. В температурной области от 1392C до 919С устойчивой кристаллической формой железа становится гранецентрированная кубическая решётка (ГЦК). При температуре 1392С обе формы кристаллов железа находятся в равновесии и могут присутствовать одновременно. Такая же картина наблюдается и при 911С. Устойчивой кристаллической решёткой вновь становится решётка ОЦК.

Переход от одной устойчивой формы кристаллов к другой, как мы уже отмечали ранее, называется полиморфным превращением.

Кристаллические решётки ОЦК и ГЦК железа имеют октаэдрические и тетраэдрические пустоты, в которых могут размещаться растворённые в железе атомы углерода и других элементов внедрения (B, N, H, O).

Исследования показали, что атомы углерода в стали в основном располагаются в октаэдрических порах.

Размещение атомов углерода в кристаллических решётках железа сопровождаются их деформацией. Поскольку при растворении углерода ГЦК решётка деформируется в существенно меньшей степени, то и растворимость углерода в ГЦК решётке, примерно в сто раз выше его растворимости в ОЦК – железе.

Прежде, чем дать описание конкретных характеристик физикомеханических свойств, необходимо рассмотреть основные требования, предъявляемые к конструкционным материалам.

В общем случае конструкционные материалы должны обладать высокой конструкционной прочностью, хорошей технологичностью, экономичностью и быть недефицитными.

При выборе же материалов в продовольственном машиностроении, помимо общих требований необходимо предусматривать их высокую коррозионную стойкость в условиях воздействия пищевых сред при повышенных температурах и давлениях, а также действие на них моющих и дезинфицирующих сред. Ещё одним обязательным требованием является необходимость учета токсичности материалов и продуктов их коррозии при контакте с пищевыми средами, учёт текущих и отдалённых вредных воздействий этих компонентов на организм человека и на органолептические свойства пищевых продуктов (цвет, запах, вкус).

Рассмотрим сначала перечень основных физико-механических свойств конструкционных материалов.

Конструкционная прочность – это комплекс свойств, обеспечивающих длительную и надёжную работу изделия в конкретных условиях эксплуатации. Она объединяет такие понятия как прочность (сопротивление материала пластической деформации), надёжность (сопротивление материала хрупкому разрушению) и долговечность (способность материала работать в течение заданного времени).

Структурой называют особенности внутреннего строения материалов. По этому признаку все материалы делят на аморфные и кристаллические.

Аморфными называют материалы, в которых расположение образующих их элементарных частиц (атомов или молекул) – хаотично, т.е. неупорядоченно.

К числу таких материалов относятся пластмассы, стекло, керамики, резины.

Большинство металлических материалов являются кристаллическими, т.е. образующие их атомы упорядоченно расположены в трехмерном пространстве, образуя закономерно чередующиеся ряды, называемые кристаллическими решетками.

Наименьший элементарный объём, с характерным для того или иного материла расположением атомов в пространстве, называется элементарной ячейкой. Все элементарные ячейки описывают набором признаков: 1) симметрией, 2) параметрами или периодами решетки, 3) координационными числами, 4) базисом решетки и 5) коэффициентами компактности.

Существует 7 основных групп симметрии, которые различаются углами между осями решетки (обозначаются, как α, β и γ) и периодами (расстояниями между атомами вдоль каждой из осей (обозначаются они через a, b и c) соответственно вдоль осей X, Y, Z).

Экологическая система – динамическая и открытая, включает в себя живые подсистемы, взаимодействующие друг с другом и с неорганическими подсистемами, т. е. с абиотической средой. Живые компоненты играют ведущую роль в экологических системах.
Особенностью организации животных и растений является то, что она представляет систему иерархически подчиненных друг другу структур, называемых уровнями организации живой материи. Содержание современной экологии основано на концепции уровней организации живой материи, которая отражает системный подход к изучению взаимоотношений живых организмов с окружающей средой. Система представляет «совокупность элементов, находящихся в тесных отношениях и связях между собой, которая образует определенную целостность, единство» (И. И. Дедю). Элементы системы – это ее части, а способ связи между ними определяет ее структуру. Необходимость системного подхода возникает тогда, когда невозможно оценить объект (целое) на основе комбинирования составных его частей, когда при взаимодействии частей возникают качественно новые свойства объекта (образуется новый уровень). Системный подход дает возможность найти упорядоченную систему правил для выбора верного решения, лучше понять взаимосвязь между показателями, характеризующими состояние среды. Системный подход к решению проблем состоит из следующих этапов: отыскание возможных вариантов решения; определение последствий использования каждого из возможных вариантов; разработка критериев оценки приемлемого варианта решения.
В основу выделения основных уровней организации жизни положены главным образом критерии целостности, упорядоченности, или организованности, и иерархичности системы. Целостность выражается в несводимости свойств системы к сумме свойств составляющих ее элементов, необходимости определения тех системообразующих связей, на основе которых элементы могут объединяться в единое целое.

Настоящее время характеризуется возрастанием нарушений в природ-ном балансе под воздействием антропогенного стресса, что приводит к глобальным экологическим последствиям. В этих условиях ключевое значение приобретает изучение механизмов становления и устойчивого существования экологических систем, слагающих их видов и популяций. Возрастает общественный интерес, в первую очередь, к прикладным аспектам взаимоотношений человека и окружающей среды. Экологические идеи получили широкое распространение в средствах массовой информации, основывающихся на современных знаниях экологических и природоохранных проблем. Эти обстоятельства породили очень различное понимание предмета экологии. Под рубрику экологии нередко подводят всё, что связано с охраной природы, природопользованием, с изучением социоприродных систем. Даже глобальные проблемы экологии стали подменяться местными санитарными задачами. Привычными штампами стали выражения типа «плохая экология», «экологически чистый» и т. п. Многие авторы даже не задумываются над тем, как ошибочно применение термина «экология» в подобных сочетаниях. Не-верное понимание экологии, её проблем недопустимо, особенно для специалистов.
Современная экология приобрела междисциплинарный характер. Усилилось теоретическое значение экологии в системе не только биологических, но и гуманитарных, технических наук. Сегодня экология и рациональное природопользование являются приоритетными научными направлениями наряду с такими как физика высоких энергий, информационно-телекоммуникационные технологии и электроника, космические технологии, перспективные вооружения и др. Острота экологических проблем, стоящих перед человечеством, вызвала необхо-димость разработки экологических ориентиров и критериев в любой сфере деятельности. Однако биологические проблемы остаются стержневыми в этом комплексе: все процессы в биосфере определяются жизнедеятельностью организмов; сам человек – биологический объект, влияние его деятельности на природные системы постоянно и многообразно.
Цель курса «Экология и охрана природы» - способствовать формирова-нию естественнонаучного мировоззрения студентов, составной частью которого является экологическое.

Возникнув, как самостоятельная биологическая наука в 70-х годах про-шлого века, экология вышла за рамки биологии. Современная экология пред-ставляет яркий пример формирования комплекса научных знаний на основе интеграции естественных, общественных и технических дисциплин. На стыках наук появились новые научные направления. Например, биохимическая экология, изучающая биотрансформацию веществ в организмах и экосистемах. Математические методы находят широкое применение в теории динамики развития популяций, повышении надежности экологического прогнозирования и т.п. Радиоэкология исследует экологические последствия действия ионизирующего излучения и пути биогенной миграции радионук-лидов.
Экологические проблемы вторгаются и в политику государств. Безопас-ность современного мира все чаще связывается не только с военно-политическими проблемами, а и с состоянием природной среды; формируются нормы международной и национального экологической безопасности.
Экологизация различных отраслей науки и практической деятельности человека отражает процесс переосмысления стереотипов прошлого, выработку широкого экологического сознания. Таким образом, экологические понятия, концепции переносятся и в сферу социального познания, познания взаимоотношений общества и природы, человека и среды его обитания. Биологические проблемы остаются стержневыми: сам человек – продукт эволюции жизни на Земле, его связи со средой не утратили своего биологического характера и деятельность его осуществляется в биосфере. Отношения человека с природой должны строиться на научно обоснованном прогнозе.