Кристаллическое строение металлов. Кристаллические решетки металлов. Реальное строение металлов. Полиморфизм металлов

Содержание

10. Доменное производство. Выплавка чугуна. 3

20 Кристаллическое строение металлов. Кристаллические решетки металлов. Реальное строение металлов. Полиморфизм металлов. 5

30 Испытания металлов на растяжение. Диаграмма растяжения. Определение продела прочности. 9

40 Основы термообработки стали. Превращения в стали при нагреве. 15

50 Технический титан и его сплавы.. 24

60 Пластические массы. Форма молекул полимеров. 27

70 Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом, показать на ней структуры по всем ее зонам, а также характерные линии (ликвидус, солидус, АI, A3, Am). Справа от диаграммы построить схематическую кривую медленного охлаждения от 1600 до 600°С сплава с содержанием углерода согласно таблицы 2, описать превращения, происходящие в заданном сплаве, и охарактеризовать скорости его охлаждения на каждом участке кривой, дать определение всем образующимся по ходу охлаждения структурам. 30

80 Указать назначение, определить температуры нагрева, время прогрева, скорость охлаждения и охлаждающие среды для отжига, закалки и отпуска образцов из углеродистой стали с содержанием углерода согласно таблицы 3. 33

90 Расшифровать марки и указать назначение конструкционных материалов, заданных в таблице 4, согласно варианту. 35

100 Подобрать марку сплава и материала для изготовления. 44

Список используемой литературы.. 45

Доменное производство. Выплавка чугуна.

Производство чугуна. Сырьем для производства черных металлов является железная руда. Для производства чугуна служат доменные печи (рис. 1), которые по принципу действия не отличаются от шахтных печей.

Рисунок 1. Доменная печь: 1 — верхняя часть печи (колошник), 2 — загрузочный аппарат, 3 — газоотводные трубы, 4 — шахта печи, 5 — цилиндрическая часть печи (распор), 6 — нижняя конусная часть печи (заплечики), 7 — горн, 8 — отверстие для выпуска шлака, 9 — отверстие для выпуска чугуна, 10 — кольцевая труба для подачи воздуха

Железные руды представляют собой природную смесь окислов железа, например Ре20з (красный железняк), с горной породой. Задача доменного процесса сводится к тому, чтобы из окислов железа получить чистое железо, т.е. восстановить его. Роль восстановителя выполняет углерод (кокс).

Восстановленное железо в нижних слоях печи вступает во взаимодействие с углеродом, образуя карбид железа — основной химический компонент чугуна.

Одновременно углерод восстанавливает и другие вещества: марганец, кремний, фосфор, серу, -содержащиеся в руде. Карбид железа вместе с этими веществами и представляет собой чугун.

Для понижения температуры плавления пустой породы в печь загружаются флюсы (обычно известняк).

В результате взаимодействия пустой породы с флюсами образуются легкоплавкие соединения (шлаки). Обладая меньшим удельным весом, шлаки располагаются выше жидкого чугуна и по мере накопления удаляются через шлаковую летку, после чего сливают чугун.

В результате доменного процесса получают чугун, шлак и доменный (колошниковый) газ, который используется в качестве топлива на металлургических заводах.

Чугуны в зависимости от свойств и назначения подразделяют на белые и серые. В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии с железом, а в серых — часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита.

Белые чугуны в основном переплавляются на сталь, поэтому их называют еще передельными — Серые чугуны (или литейные) обладают высокими литейными свойствами и их используют для отливки строительных изделий.

Кристаллическое строение металлов. Кристаллические решетки металлов. Реальное строение металлов. Полиморфизм металлов.

Основные типы кристаллических решеток. Металлы являются телами кристаллическими. Это означает, что атомы в занимаемом ими пространстве расположены строго упорядоченно. Если соединить атомы воображаемыми линиями в трех взаимно перпендикулярных направлениях, то получится пространственная кристаллическая решетка. Ее наименьшим структурным образованием является элементарная ячейка. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки. Величина их в металлах 0,1 – 0,7 нм. На рис. 2 показаны три типа элементарных ячеек кристаллических решеток, наиболее характерные для металлов: объемно-центрированная кубическая–ОЦК (V, Fe, Cr), гранецентрированная кубическая – ГЦК (Ni, Al, Ag), гексагональная плотноупакованная – ГПУ (Zn, Mg, Ti).

Для характеристики кристаллических решеток вводят понятие координационного числа и коэффициента компактности. Координационным числом IК называется число атомов, находящихся на наиболее близком равном расстоянии от данного атома. Решетка ОЦК менее компактна IК = 8, чем решетки ГЦК и ГПУ для них IК = 12.

Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары (рис. 2), то не трудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности Q. Этот коэффициент равен отношению суммарного объема атомов, входящих в элементарную ячейку, к объему всей ячейки. Для простой кубической решетки Q = 52 %, для ГЦК и ГПУ Q = 74 %. Оставшийся объем ячейки приходится на поры.

Кристаллографические направления и плоскости.В кристаллографии ряды атомов называют атомными плоскостями. Положение атомных плоскостей в кристалле определяется отрезками, отсекаемыми этими плоскостями при их пересечении с осями координат X, Y, Z. Начало координат в этом случае условно совмещают с одним из узлов кристаллической решетки. За индексы плоскостей принято брать отрезки, обратные параметрам решетки a, b, c: h = 1/a, k = 1/b, l = 1/с. Эти числа заключают в круглые скобки и в общем случае называют индексами Миллера (h k l). Например: плоскость кубической решетки пересекает только ось Y, отсекаемые отрезки равны (¥, 1, ¥), а обратные им величины соответственно – (0,1,0), индексы Миллера в этом случае имеют вид (010). Для плоскости, пересекающей оси X, Y, Z, индексы будут (111), (рис. 3, а,б).

Рисунок 2. Схемы кристаллических решеток ОЦК, ГЦК, ГПУ (вверху) и их изображение в виде плотноупакованных шаров (внизу)

Кристаллографические направления проходят через начало координат и узлы кристаллической решетки. Для определения индексов направлений находят координаты узла решетки на соответствующей координатной оси: например, координаты ближайшего атома вдоль оси OX выразятся через 1,0,0 – это и будут индексы Миллера для направления [100], (рис. 3, в).

а) б) в)

Рисунок 3. Индексы кристаллографических плоскостей (а,б) и направлений (в) в ОЦК решетке

Анизотропия в кристаллах. Свойства материалов зависят от природы атомов, силы взаимодействия между ними. Аморфные материалы характеризуются хаотическим расположением атомов, поэтому их свойства в различных направлениях одинаковы. Такие материалы называют изотропными. В кристаллических материалах свойства вдоль различных кристаллографических направлений зависят от числа атомов, расположенных на соответствующих направлениях. Например, вдоль диагоналей куба ОЦК решетки [111] размещается больше атомов, чем по направлению вдоль ребер куба [100], [010], [001]. Это явление различия свойств вдоль кристаллографических направлений называют анизотропией свойств. Анизотропия проявляется только в пределах одного кристаллического зерна или монокристалла. Реальные металлы являются телами поликристаллическими, состоящими из огромного числа зерен, произвольно ориентированных друг к другу своими кристаллографическими направлениями, следовательно, недостаток свойств по одному направлению компенсируется избытком этого свойства по этому же направлению в других зернах. Поэтому реальные металлы являются изотропными телами, т. е. телами с примерно одинаковыми свойствами по всем направлениям.

Аллотропия металлов. Некоторые металлы (железо, титан, олово) способны по достижении определенных температур изменять свое кристаллическое строение, т. е. перестраивать тип элементарной ячейки. Так, ОЦК железо, будучи нагрето до 911 °С, перестраивается в ГЦК железо.

Данное явление получило название аллотропии или полиморфизма, а сами переходы от одного кристаллического строения к другому называются аллотропическими или полиморфными переходами. Разные аллотропические формы металлов обозначают буквами греческого алфавита: низкотемпературные модификации обозначают буквой a, последующие в порядке роста температуры – b, g. Наличие полиморфизма имеет важное практическое значение, так как сохраняется и в сплавах на основе таких металлов, например, a- и b-фазы в титановых сплавах.