Контрольная работа по "Материаловедению"

1. Атомно-кристаллическое строение металлов. Виды кристаллических решеток, вычертите схемы. Явление аллотропии в металлахПод атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Атомы в кристалле расположены в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

Для описания атомно-кристаллической структуры  пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узле которой  располагаются атомы (ионы), образующие металл.

Наименьший  объем кристалла, дающий представление  об атомной структуре металла  во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки (решетки).

Для характеристики элементарной ячейки задают шесть величин: три ребра ячейки a, b, c и три угла между ними б, в, г. Эти величины называют параметрами кристаллической решетки.

Кристаллические решетки бывают простыми (атомы только в вершинах решетки) и сложными.

Металлы образуют одну из следующих высокосимметричных сложных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемноцентрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную (ГПУ) (рис. 2).

 

 

ОЦК: Rb, K, Na, Li, Ti_в, Tl_в, Zr_в, Ta, W, V, Fe_б, Cr, Nb, Ba, и др.

ГЦК: Cu, Al, Pt, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Fe_г, Co_б, Ca_б, Ce, Sr_б, Th, Sc и др.

ГПУ: Mg, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Be, Co_в, Ca_б, Zr_б, La_б, Ti_б и др.

Рисунок 2. Кристаллические решетки металлов и схемы упаковки атомов

 

Расстояние  между ближайшими параллельными  атомными плоскостями, образующими  элементарную ячейку, называют периодом решетки, измеряется в нанометрах (1нм = 10^-9см = Е= 10^-8см).

Периоды решетки металлов находятся в  пределах 0,2 – 0,7 нм.

 

Для ОЦК: a, b, c; a = b = c.

Для ГЦК: a, b, c; a = b = c.

Для ГПУ: а, с; с/а = 1,633 (к Zn не относится)

 

Число атомов в каждой элементарной ячейке (плотность  упаковки – равняется числу атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку):

 

ОЦК: ПУ (плотноупакованная) = ;

ГЦК: ПУ = ;

ГПУ: ПУ = .

 

Координационное число – под ним понимают число  атомов, находящихся на равном и  наименьшем расстоянии от данного атома. Чем выше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов:

ОЦК: расстояние (min) между атомами , на этом расстоянии от рассматриваемого атома находится 8 соседей – К8 .

 

ГЦК: , К12.

ГПУ: Г12 (с/а = 1,633).

Коэффициент заполнения ячейки (плотность укладки) – определяется как отношение  объема, занятого атомами к объему ячейки:

ОЦК: 68%

ГЦК: 74%

ГПУ: 74%

 

Для характеристики величины атома служит атомный радиус, под которым понимается половина расстояния между ближайшими соседними  атомами. Атомный радиус возрастает при уменьшении координационного числа.

3. Полиморфные (аллотропические) превращения

 

Атомы металла  – исходя из геометрических соображений, могут образовать любую кристаллическую  решетку.

Однако  устойчивым, а, следовательно, реально  существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом  свободной энергии.

Многие  металлы в зависимости от температуры  могут существовать в разных кристаллических  формах (т.н. полиморфных (аллотропических) модификациях). В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющего решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая  решетка другого типа.

Полиморфную модификацию, устойчивую при более  низкой температуре, для большинства  металлов принято обозначать буквой б, при более высокой температуре в, затем г и т.д.

Полиморфное превращение протекает при постоянной температуре (например, при нагреве  идет поглощение теплоты).

Известные полиморфные превращения: Fe_б ↔ Fe_в; Co_б ↔ Co_в; Ti_б ↔ Ti_в; Mn_б ↔ Mn_в ↔ Mn_г ↔ Mn_д; Sn_б ↔ Sn_в, а также для Ca, Li, N, Cs, Sr, Te, Zr, V и др.

Металл  с данной кристаллической решеткой должен обладать меньшим запасом  свободной энергии.

Рисунок 3. Полиморфизм железа и его связь  со свободной энергией системы

 

Полиморфизм железа. Из рис. 3, видно, что в интервале  температур 911 – 1392°С устойчивым является г-железо (К 12) (имеет min свободную энергию), а при температурах ниже 911°С и выше 1392°С устойчиво б-железо (К 8).

В твердом  металле полиморфные превращения  происходят в результате зарождения и роста кристаллов аналогично кристаллизации из жидкого состояния. Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зерна исходных кристаллов.

В результате полиморфного превращения образуется новые кристаллические зерна, имеющие  другой размер и форму, поэтому превращение  также называют перекристаллизацией.

Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов и  сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств, механических и  химических свойств и т.д.

Высокотемпературная модификация имеет высокую пластичность.

В таблице  № 1 показан интервал температур существования  различных аллотропических форм некоторых, имеющих практическое значение металлов, у которых обнаружена температурная  аллотропия.

 

2. Дайте определение сплава,компонента фазы.Способы получения сплавов.Виды взаимодействий, компонентов в сплавах. Приведите примеры

Сплавы – это вещества, состоящие из двух или более элементов  периодической системы. Получают их с помощью спекания или сплавлением.

Компонент – вещество, образующее сплав.

Фаза – пространственно  ограниченная и отличная от других часть системы, имеющая свою кристаллическую  решётку и свои свойства.

Осн. метод получения сплавов-смешение и расплавление составляющих его компонентов с послед. затвердеванием в кристаллич. или аморфном состоянии. Сплавы можно получать и без расплавления осн. компонента-методами порошковой металлургии. Др. способы получения - осаждение из р-ров и газовой фазы, диффузионное насыщение одного компонента другим, совместное электрохим. осаждение из р-ров и др. Для получения сплавов в виде тонких пленок и покрытий используют осаждение из газовой фазы, напыление, конденсацию паров, электролиз.

 

Большинство сплавов, получаемых обычными способами, при затвердевании  кристаллизуются. При быстром охлаждении расплава (скорость охлаждения 1-10 млн. градусов в с), напр. при контакте расплавленной капли металла  с быстро-вращающейся охлажденной пов-стью, распылении расплава холодной струей газа или конденсации паров металлов в тонкие пленки на охлаждаемой подложке, получают аморфные сплавы. Мелкодисперсные порошки таких сплавов затем м. б. спрессованы путем горячей экструзии в заготовки или с помощью плазменного факела нанесены на разл. детали в виде тонких покрытий. Аморфные сплавы по сравнению с кристаллическими обладают повыш. св-вами-износостойкостью, прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью, сопротивлением усталости.

При понижении температуры  и кристаллизации из жидкой фазы выделяются твердые фазы. Твердые растворы бывают трех видов: замещения, внедрения и вычитания.

Замещение  - фазы, в которых часть узлов кристаллической решетки заполнены атомами одного сорта, а часть узлов атомами другого сорта.

Внедрение  - фазы, в которых атомы растворенного компонента внедрены между атомами второго компонента - растворителя.

Вычитание - фазы на основе химических соединений.

При полной взаимной растворимости  компонентов в твердом состоянии  микроструктура всех сплавов представляет собой зерна твердого раствора. При  ограниченной растворимости, которая  характерна для многих сплавов, структура  состоит из смеси двух фаз.

 

 

3. Инструментальные  углеродистые стали качественные и  высококачественные. Характеристика. Маркировка по ГОСТу. Примеры применения.

Углеродистой  сталью называется сплав железа с  углеродом (содержание углерода до 2%) с  примесями кремния, серы и фосфора, причем главной составляющей, определяющей свойства, является углерод. Процентное содержание элементов в стали  примерно следующее: Fe - до 99,0; С - 0,05-2,0; Si – 0,15-0,35; Mn – 0,3-0,8; S – до 0,06; P – до 0,07. В зависимости от содержания углерода углеродистые стали подразделяют на низкоуглеродистую (до 0,25% С), среднеуглеродистую (0,25-0,6% С) и высокоуглеродистую (более 0,6% С). Различают углеродистые стали обыкновенного качества и качественную конструкционную. К первой группе относится горячекатаная (сортовая, фасонная, толстолистовая, тонколистовая, широкополосная) и холоднокатаная (тонколистовая) сталь; во вторую входят горячекатаные и кованые заготовки диаметром (или толщиной) до 250 мм, калиброванная сталь и серебрянка. Углеродистая сталь - наиболее распространённый вид чёрных металлов.

 

Конструкционной углеродистой сталью называется сталь, содержащая углерода до 0,65-0,70% (в виде исключения производят конструкционные  стали с содержанием 0,85% углерода). Конструкционная сталь идет для  изготовления деталей машин и  конструкций. Она должна обладать достаточной  прочностью, хорошо сопротивляться удару  и в то же время хорошо обрабатываться.

 

По  качеству конструкционная сталь  делится на три группы:

 

- обыкновенного  качества;

 

- повышенного  качества;

 

- качественная.

 

Сталь обыкновенного качества – сталь  широкого потребления, идет для строительных конструкций, крепежных деталей, листового  проката, заклепок, труб, арматуры, мостов, профильного проката.

 

Сталь повышенного качества идет для паровозных и вагонных осей, бандажей, котлов, проволоки  и т.д.

 

Качественная  сталь идет для деталей, требующих  более высокой пластичности, сопротивления  удару, работающих при повышенных давлениях: для зубчатых колес, труб, винтов, болтов, для деталей, подлежащих цементации, для сварных изделий.

 

Инструментальной  углеродистой сталью называется сталь  с содержанием углерода от 0,7% и  выше. Эта сталь отличается высокой  твердостью и прочностью и применяется  для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную. Содержание серы и фосфора в качественной инструментальной стали – 0,03% и 0,035%, в высококачественной – 0,02% и 0,03% соответственно.

 

Выпускается по ГОСТ 1435-90 следующих марок: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У13; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А; У13А. Стандарт распространяется на углеродистую инструментальную горячекатаную, кованую, калиброваную сталь, серебрянку.

 

К группе качественных сталей относятся марки  стали без буквы А, к группе высококачественных сталей, более чистых по содержанию серы и фосфора, а также примесей других элементов - марки стали с буквой А. Буквы и цифры в обозначении этих марок стали означают: У - углеродистая, следующая за ней цифра - среднее содержание углерода в десятых долях процента, Г - повышенное содержание марганца.

 

К недостаткам  углеродистой стали относятся:

 

- отсутствия  сочетания прочности и твердости  с пластичностью; 

 

- потеря  твердости и режущей способности  при нагревании до 200°C и потери  прочности при высокой температуре; 

 

- низкая  коррозионная устойчивость в  среде электролита, в агрессивных  средах, в атмосфере и при высоких  температурах;

 

- низкие  электротехнические свойства;

 

- высокий  коэффициент теплового расширения;

 

- увеличение  веса изделий, удорожание их  стоимости, усложнение проектирования  вследствие невысокой прочности  этой стали.

У7, У7А	Для обработки дерева: топоров, колунов, стамесок, долот; пневматических инструментов небольших размеров: зубил, обжимок, бойков; кузнечных штампов; игольной проволоки; слесарно-монтажных инструментов: молотков, кувалд, бородок, отверток, комбинированных  плоскогубцев, острогубцев, боковых  кусачек и др.
У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А	Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева  режущей кромки; обработки дерева: фрез, зенковок, поковок, топоров, стамесок, долот, пил продольных и дисковых; накатных роликов, плит и стержней для  форм литья под давлением оловянно-свинцовистых сплавов. Для слесарно-монтажных инструментов: обжимок для заклепок, кернеров, бородок, отверток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек. Для калибров простой формы и пониженных классов точности; холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двоильных ножей, конструкционных мелких деталей, в т. ч. для часов и т. д.
У10А, У12А	Для сердечников.
У10, У10А	Для игольной проволоки.
У10, У10А, У11, У11А	Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева  режущей кромки; обработки дерева: пил ручных поперечных и столярных, пил машинных столярных, сверл спиральных; штампов холодной штамповки (вытяжных, высадочных, обрезных и вырубных) небольших  размеров и без резких переходов  по сечению; калибров простой формы  и пониженных классов точности; накатных роликов, напильников, шаберов слесарных  и др. Для напильников, шаберов  холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двоильных ножей, конструкционных мелких деталей, в т. ч. для часов и т. д.
У12, У12А	Для метчиков ручных, напильников, шаберов  слесарных; штампов для холодной штамповки обрезных и вырубных небольших  размеров и без переходов по сечению, холодновысадочных пуансонов и  штемпелей мелких размеров, калибров простой формы и пониженных классов  точности.
У13, У13А	Для инструментов с пониженной износостойкостью при умеренных и значительных удельных давлениях (без разогрева  режущей кромки); напильников, бритвенных лезвий и ножей, острых хирургических  инструментов, шаберов, гравировальных инструментов.