2 Билет

1)Кристаллические решётки (виды + все числа). Кристаллическая решетка – это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Элементарная ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл. Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

– размеры рёбер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решётки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определёнными.

– углы между осями (альфа, бета, гамма).

– координационное число (К), указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.

– базис решетки (количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки).

– плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74).

Схема кристаллической решетки

Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа:

– примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;

– базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;

– объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;

– гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней.

а – объемно-центрированная кубическая; б – гране-центрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная.

Основными типами кристаллических решёток являются:

1) Объемно-центрированная кубическая (ОЦК), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Fe (с индексом альфа вроде));

2) Гранецентрированная кубическая (ГЦК) атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Ag, Au, Fe), с индексом гамма вроде;

3) Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник: бывает простая и плотноупакованная.

2)Диаграмма состояния железо-углерод. Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники. Производство чугуна и стали по объему превосходит производство всех других металлов вместе взятых более чем в десять раз.

Диаграмма состояния железо – углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – около 1539°C. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911°C и 1392°C. При температуре ниже 911°C существует с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392°C устойчивым является с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392°C железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется или высокотемпературное . Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911°C превращения обозначают точкой , а температуру 1392°C превращения – точкой .

При температуре ниже 768°C железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768°C обозначается . Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – МПа, предел текучести – МПа) и высокими

характеристиками пластичности (относительное удлинение – , а относительное сужение – ). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов. Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500°C, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000°C). В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

3. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67% углерода. Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550°C). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217°C. Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки. Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом. Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов. В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит (Ф) (C) – твердый раствор внедрения углерода в α-железо. Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006% при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02% при температуре 727°C (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки. Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности – МПа) и пластичен (относительное удлинение – ), магнитен до 768°C.

3. Аустенит (А) (С) – твердый раствор внедрения углерода в железо. Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8% при температуре 727°C (точка S), максимальную – 2,14% при температуре 1147°C (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение – ), парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4. Цементит – характеристика дана выше. В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

3)Сплавы на основе алюминия.  Алюминий - металл серебристо-белого цвета. Температура плавления 600°С. Алюминий имеет кристаллическую ГЦК решетку с периодом а=0.4041нм. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность - 2.7г/см3 против 7.8г/см3 для железа и 8.94г/см3 для меди. Алюминий обладает электрической проводимостью, составляющей 65% электрической проводимости меди. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты: А999 (99.999% Al); высокой чистоты: А995 (99.995% Al), А99, А97, А95 и технической чистоты: А85, А8, А7, А6, А5, А0 (99.0% Al). Технический алюминий изготавливают в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов и маркируют АДО и АД1.

Классификация алюминиевых сплавов

Наибольшее распространение получили сплавы Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg  и другие.

Все сплавы алюминия можно разделить на деформируемые, предназначенные для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков и т. д.), а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки, и литейные, предназначенные для фасонного литья. Сплавы алюминия, обладая хорошей технологичностью во всех стадиях передела, малой плотностью, высокой коррозийной стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и вязкости нашли широкое  применение в авиации, судостроении, строительстве и других отраслях народного хозяйства.

Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой

Дуралюмины.  Дуралюминами называются сплавы Al-Cu-Mg, в которые дополнительно вводят марганец. Типичным дуралюмином является сплав Д1.

Марганец повышает стойкость дуралюмина против коррозии, а присутствуя в виде дисперсных частиц фазы Т, повышает температуру рекристаллизации и улучшает механические свойства.

Дуралюмин, изготовляемый в листах, для защиты от коррозии подвергают плакированию, т.е. покрытию тонким слоем алюминия высокой чистоты.

Из сплава Д16 изготовляют обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова грузовых автомобилей и т.д. Сплав Д16 - s0.2=400МПа, sв=540МПа, d=11%.

Сплавы авиаль (АВ).  Эти сплавы уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях. Авиаль удовлетворительно обрабатывается резанием (после закалки и старения) и сваривается контактной и аргонодуговой сваркой. Сплав обладает высокой общей сопротивляемостью коррозии, но склонен к межкристаллической. Из сплава АВ изготовляют различные полуфабрикаты (листы, трубы и т.д.), используемые для элементов конструкций, несущих умеренные нагрузки, кроме того, лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, рамы, двери, для которых требуется высокая пластичность в холодном и горячем состояниях.

Сплав АВ - s0.2=200МПа, sв=260МПа, d=15%.

Высокопрочные сплавы. Предел прочности этих сплавов достигает 550-700МПа, но при меньшей пластичности, чем у дуралюминов. Представителем высокопрочных алюминиевых сплавов является сплав В95.

При увеличении содержания цинка и магния прочность сплавов повышается, а их пластичность и коррозийная стойкость понижаются. Добавки марганца и хрома улучшают коррозийную стойкость. Сплавы обладают хорошей пластичностью в горячем состоянии и сравнительно легко деформируются в холодном состоянии после отжига. Сплав В95хорощо обрабатывается резанием и сваривается точечной сваркой, его применяют в самолетостроении для нагруженных конструкций, работающих длительное время при t<=100¸120°С. Сплав В95 рекомендуется для сжатых зон конструкций и для деталей без концентраторов напряжений.

Сплав В95 - s0.2=530-550МПа, sв=560-600МПа, d=8%.

Сплавы для ковки и штамповки. Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительным литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки.

Сплав АК6 используют для деталей сложной формы и средней прочности, изготовление которых требует высокой пластичности в горячем состоянии. Сплав АК8 рекомендуют для тяжелонагруженных штампованных деталей.

Сплав АК8 - s0.2=300МПа, sв=480МПа, d=10%.

Жаропрочные сплавы.  Эти сплавы используют для деталей, работающих при температуре до 300°С. Жаропрочные сплавы имеют более сложный химический состав, чем рассмотренные выше алюминиевые сплавы. Их дополнительно легируют железом, никелем и титаном.

Сплав Д20 - s0.2=250МПа, sв=400МПа, d=12%.

Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые

 термической обработкой

К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем или с магнием. Упрочнение сплавов достигается в результате образования твердого раствора и в меньшей степени избыточных фаз. Сплавы легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются и обладают высокой коррозийной стойкостью. Обработка резанием затруднена.

Сплавы (АМц, АМг2, АМг3) применяют для сварных и клепаных элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и требующие высокого сопротивления коррозии.

Сплав АМг3 - sв=220МПа, s0.2=110МПа, d=20%.

Литейные алюминиевые сплавы Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии и др.

Сплавы Al-Si (силумины). Отличаются высокими литейными свойствами, а отливки - большой плотностью. Сплавы Al-Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9) сравнительно легко обрабатываются резанием. Заварку дефектов можно производить газовой и аргонодуговой сваркой.

Сплав АЛ9 - sв=200МПа, s0.2=140МПа, d=5%.

Сплавы Al-Cu. Эти сплавы (АЛ7, АЛ19) после термической обработки имеют высокие механические свойства при нормальной и повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием. Литейные свойства низкие.

Сплав АЛ7 используют для отливки небольших деталей простой формы, сплав склонен к хрупкому разрушению.

Сплав АЛ7 - sв=240МПа,s0.2=160МПа, d=7%.

Сплавы Al-Mg. Имеют низкие литейные свойства. Характерной особенностью этих сплавов является хорошая коррозийная стойкость, повышенные механические свойства и обрабатываемость резанием.

Сплавы АЛ8, АЛ27, АЛ13 и АЛ22 предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере, например, в судостроении и авиации.

Сплав АЛ8 - sв=350МПа, s0.2=170МПа, d=10%.

Жаропрочные сплавы. Наибольшее применение получил сплав АЛ1, из которого изготавливают поршни, головки цилиндров и другие детали, работающие при температуре 275-300°С.

Сплав АЛ1 - sв=260МПа, s0.2=200МПа, d=0.6%.