Свинец кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке а

• Название: Свинец кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке а
• Дата: 04.10.2021
• Размер: 385.51 Kb.
• Имя файла: 9m.pdf
• Тип: Документы; #241255

1. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решетки свинца (параметры, координационное число, плотность упаковки).
Все металлы являются кристаллическими телами, имеющими определенный тип кристаллической решетки, состоящей из малоподвижных положительно заряженных ионов, между которыми движутся свободные электроны (так называемый электронный газ). Такой тип структуры называется металлической связью.
Свинец кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке (а
= 4,9389Å), аллотропических модификаций не имеет. Атомный радиус 1,75Å, ионные радиусы: Рb
2+
1,26Å, Рb
4+
0,76Å. Встречается в мелких округлых зёрнах, чешуйках, шариках, пластинках и нитевидных образованиях.
Рисунок 1. Кристаллическая решетка свинца
Свинец имеет довольно низкую теплопроводность, она составляет 35,1
Вт/(м•К), при температуре 0 °C. Металл мягкий, режется ножом, легко царапается ногтем. На поверхности он обычно покрыт более или менее толстой плёнкой оксидов, при разрезании открывается блестящая поверхность, которая на воздухе со временем тускнеет. Температура плавления — 600,61 K (327,46 °C), кипит при 2022 K (1749 °C). Относится к группе тяжёлых металлов; его плотность — 11,3415 г/см
3
(+20 °С). С повышением температуры плотность свинца падает. Предел прочности на

растяжение — 12—13 МПа (МН/м
2
). При температуре 7,26 К становится сверхпроводником.
Рисунок 2. Кристаллографические свойства свинца
2. Вычертите диаграмму состояния системы кадмий – цинк. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правил Курнакова.
Рисунок 3. Диаграмма состояния кадмий – цинк (Cd – Zn)
1) Данная диаграмма двойных сплавов Cd – Zn относится к диаграмме состояния с ограниченной растворимостью в твердом состоянии третьего типа

и характеризует сплавы, у которых оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно растворимы в твердом.
Образуют при кристаллизации эвтектику.
2) Выше линии A
2
BC
2
сплав свинца находится в жидком состоянии и представляет собой однофазный жидкий раствор (ж.р.) Эта линия называется линией ликвидус (с греч. – жидкий), линия A
1
ABCC
1
– линия солидус (с греч.
– твердый), ниже этой линии сплавы находятся в виде твердых растворов (т.р.).
Между линией ликвидус и солидус находятся кристаллы. В области BC
2
C находятся кристаллы жидкого бета раствора. В области A
2
BC
2
находятся кристаллы твердого альфа раствора. Растворимость магния в свинце меняется с изменением температуры.
3) Свойства сплава определяются его фазным составом, который показывает диаграмма состояния, поэтому между типом диаграммы состояния и составом сплава существует зависимость (правило Курнакова). На рисунке 4а и 4б соответствующие закономерности изменения свойств сплавов в зависимости от их состава (диаграммы состав – свойство). На оси абсцисс отложен состав сплава (содержание Zn%), а на оси ординат – свойства при постоянной температуре. Левая и правая крайние ординаты на этих диаграммах соответствуют свойствам чистых компонентов, а промежуточные – свойствам сплава в зависимости от его состава. На рис. 3a условно показано изменение твердости Н (аналогично из меняются показатели прочности и электрического сопротивления). На рис. 3б показано изменение электропроводности Е
(аналогично изменяются показатели пластичности). В данном случае при образовании твёрдых растворов (рис. 3в) свойства изменяются по прямолинейной зависимости.

а) б)
Рисунок 4. Связи между диаграммой состояния
3)

В чем различие между упругой и пластической деформацией?
Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений.
Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.
Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений.
При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места, и деформация исчезает.
Рисунок 5. Диаграмма зависимости деформации металла от напряжений
Упругая деформация на диаграмме деформации характеризуется линией ОА на рисунке 5.

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация. В результате развития пластической деформации может произойти вязкое разрушение путем сдвига.
Процесс деформации при достижении высоких напряжений завершается разрушением. Тела разрушаются по сечению не одновременно, а вследствие развития трещин. Разрушение включает три стадии: зарождение трещины, ее распространение через сечение, окончательное разрушение.
4) Вычертите диаграмму состояния железо — карбид железа, укажите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 0 до
1600°С (с применением правил фаз) для сплава, содержащего 2,7%С. Для заданного сплава определите процентное содержание углерода в фазах при температуре 1250°С.
Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода меньше 2,14% называются сталями, с содержанием больше 2,14% - чугунами. В нашем случае, заданное содержание углерода 0,2%, следовательно, данный сплав является сталью.
Рисунок 6. Диаграмма состояния системы железо-углерод с кривой нагревания

На рисунке 6 представлена кривая нагревания при 2,7% содержания углерода.
Первая точка нагрева имеет температуру 727 градусов по Цельсию, вторая точка имеет температуру 1450 градусов, третья точка имеет 1325 градусов.
Что бы определить процентное содержание углерода в фазах при температуре
1250°С проведем горизонтальную линию на температуре 1250°С и в местах пересечения отложим вертикальные линии.
Из рисунка 7 видно, что при температуре 1250°С процентное содержание углерода составляет 1,5%, 3,2% и 4,5%.
Рисунок 7. Содержание углерода при 1250
°С
5) Почему для изготовления инструмента применяется сталь с исходной структурой зернистого перлита? В результате какой термической обработки можно получить эту структуру?
Углеродистые инструментальные стали У8 (У8А), У10 (У10А), У11 (У11А),
У12 (У12А) и У13 (У13А) вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость, и поэтому эти стали применяются для инструментов небольших размеров.
Для заэвтектоидных сталей полный отжиг с нагревом выше А
ст
(линия ES) вообще не используют, так как при медленном охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного

цементита, ухудшающая механические свойства. К заэвтектоидным углеродистым сталям широко применяют отжиг с нагревом до 740—780 °С и последующим медленным охлаждением. После такого нагрева в аустените остается большое число нерастворившихся включений цементита, которые служат центрами кристаллизации во время распада аустенита при охлаждении.
6) Плашки из стали У8 закалены: первая — от температуры 760°С, вторая — от температуры 850°С. Используя диаграмму состояния железо — карбид железа, объясните, какая из этих плашек закалена правильно, имеет более высокие режущие свойства и почему.
Исходная структура высокоуглеродистой инструментальной стали У11А до нагрева под закалку – перлит + карбиды.
Критические точки для стали У11А: Аc1=730ºС, Аcm=810ºС.
При нагреве до 700ºС в стали У12 не происходят аллотропические превращения, и мы имеем ту же структуру – перлит + карбиды, быстро охлаждая (т.к. закалка), имеем также после охлаждения перлит + карбиды с теми же механическими свойствами (примерно), что и в исходном состоянии до нагрева под закалку.
Оптимальный режим нагрева под закалку для заэвтектоидных сталей
(%С>0,8%) составляет АС1+(30÷50º), т.е. для У11А – 760–780ºС. При этом после закалки имеем мелкое зерно, обеспечивающее наилучшие механические свойства стали У11А.
Нагрев и выдержка стали У11А при температуре 850ºС перед закалкой приводит к росту зерна и ухудшению механических свойств стали после термической обработки. Крупнозернистая структура вызывает повышенную хрупкость стали, иногда приводит к трещинам.
Таким образом, первая плашка закалена правильно и имеет высокие механические свойства.
7) Для изготовления молотовых штампов выбрана сталь 4Х2Г3М: а) расшифруйте состав и определите, к какой группе относится данная сталь по

назначению; б) назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали; в) опишите структуру и главные свойства стали после термической обработки.
А) 4Х2Г3М – содержит 0,4% хрома, 0,2% марганца, 0,3% молибдена.
Легированная сталь.
Сталь инструментальная штамповая.
Б) Для предупреждения образования флокенов поковки после ковки медленно охлаждают до 150— 200° С. Поверхность штампов должна быть чистой, без рисок, мелких трещин и неровностей, чтобы не происходило налипание и приваривание деформируемого металла. Чтобы не образовывались трещины в процессе работы, необходим предварительный нагрев до 300—350° С. В процессе работы штампы необходимо охлаждать для предупреждения перегрева. Можно применять наружное охлаждение, но лучшие результаты дает внутреннее водяное охлаждение. Во всех случаях необходимо применять смазки. Для предотвращения износа штампов необходимо сбивать окалину с деформируемого металла или нагревать заготовки в печах с защитной атмосферой. В процессе работы в поверхностных слоях штампов появляются внутренние напряжения, которые могут привести к образованию трещин.
Поэтому после определенного срока эксплуатации штампы отпускают при
300—400° С (1—2 ч) или кипятят в масле.
В) После термической обработки стали главным свойством является повышенная пластичность стали, что является необходимым фактором для молотовых штампов. Так же, однородная структура стали повышает вязкость металла, что так же отражается на возможной деформации при работе.
8) Назначьте марку жаропрочной стали (сильхром) для клапанов автомобильных двигателей небольшой мощности. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки. Опишите микроструктуру и основные 18 свойства стали после термической обработки.
Сталь 40Х9С2. Эта сталь содержит 4% хрома, 0,9% кремния.

Высоколегированная жаропрочная сталь 40Х9С2 мартенситного класса используется для изготовления деталей – клапаны выпуска/ впуска двигателей, колосники, теплообменники, трубки рекуператоров, крепежные элементы, другие изделия.
Важным критерием подбора стали для автомобильных клапанов является жаропрочность и устойчивость к коррозии. Данная сталь отлично справляется с поставленными нагрузками.,
Для получения оптимальной жаропрочности детали из этих сталей подвергают закалке в масле с температуры 100-150гр С и отпуску при 700-800 С (в зависимости от стали). Сталь 40Х9С2 после закалки имеет структуру мартенсита и твердость НRС

60, а после отпуска -структуру сорбита, твердость НRC30. Жаростойкость сталей мартенситного класса до температуры 750-850 гр.С.
Жаростойкие стали характеризуют по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так при 15% Cr температура эксплуатации изделий составляет 950°С, а при 25% Cr - 1300°С.Жаростойкость зависит от состава стали, а не от её структуры, поэтому жаростойкость ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова.
9) Для деталей самолетов выбраны сплавы ВТ14 и ВТ22. Укажите состав и определите группу сплавов по назначению. Обоснуйте выбор этих сплавов для данных условий работы и укажите способы их упрочнения.
Марка ВТ14 соответствует титановому деформируемому сплаву с высокими прочностными и антикоррозионными свойствами.
По структуре кристаллической решетки эта марка титана относится к смешанному классу.
Конфигурация (α + β) объединяет в себе полезные свойства других сплавов.
Основными легирующими элементами для титана ВТ14 являются алюминий, молибден и ванадий. Также в его состав входит незначительное количество железа, циркония, кислорода, кремния, углерода, азота и водорода.

После закалки и старения сплав ВТ14 приобретает удовлетворительную пластичность и способность к механической обработке. Он хорошо режется и сваривается, причем прочность и пластичность сварного шва соответствует основному металлу. Из него изготавливают детали, работающие в условиях высоких температур: сварные конструкции, штампосварные узлы и прочие.
Химический состав марки ВТ14 в % согласно ГОСТ 19807-91:
Достоинством титановых сплавов по сравнению с титаном являются более высокие прочность и жаропрочность при достаточно хорошей пластичности, высокой коррозионной стойкости и малой плотности, что является незаменимыми свойствами для сплава в авиастроении. После закалки сплав хорошо повергается всем видам сварки.
Важным параметром в авиастроении является высокая точность при изготовлении деталей. Данные сплавы отлично подходят для обработки на станках, так как получают определенную мягкость после закалки.
10) Преимущества и недостатки клеевых соединений пластмасс. Методы контроля.
Склеивание различных материалов синтетическими полимерными клеями значительно расширяет возможности применения пластмасс. Синтетические клеи – это своеобразные расплавы или растворы полимерных композиций, и поэтому склеивание по праву относится к технологии переработки пластмасс.
Преимущества:

1. Способность соединять самые разнообразные металлы, которые могут существенно отличаться по свойствам, модулю упругости и толщине.
Склеиванием можно соединять тонколистовые детали, тогда как другие способы соединения обычно неприемлемы.
2. Более равномерное распределение напряжений в склеиваемых элементах, чем при сварке, клепке, резьбовых соединениях. Это обусловлено значительной концентрацией напряжений, возникающих при сварке, а также отсутствием отверстий под заклепки и болты.
3. Возможность экономичной и быстрой сборки, замены нескольких видов сборки единым способом склеивания, одновременной сборки многих элементов конструкции.
4. Многообразие адгезивных материалов по форме и способам нанесения позволяет приспособить их ко многим производственным процессам.
5. Прочность клееной конструкции часто выше, а стоимость ниже, чем прочность и стоимость той же конструкции, выполненной альтернативными методами сборки. Применение клееных соединений вместо заклепочных и болтовых может привести к значительному снижению веса конструкции.
6. Деформационная способность многих адгезивных материалов обеспечивает возможность поглощать, перераспределять или более равномерно передавать напряжения от одного элемента конструкции к другому.
7. Возможность соединять чувствительные к нагреву материалы, деформирующиеся или разрушающиеся от сварки или пайки.
8. Клеи могут служить герметизирующим средством, предотвращающим воздействие влаги и химических реагентов. Во многих случаях клеевой шов является тепло-, звуко- и электроизолятором, а также может существенно уменьшить электролитическую коррозию между разнородными материалами.
9. Специальные клеи позволяют выполнять работы по склеиванию в различных климатических условиях без применения сложного оборудования и подвода тепла.
Недостатки:

1. Процесс склеивания может оказаться сложным из-за необходимости осуществлять тщательную подготовку поверхности склеиваемых элементов и сохранять их в чистоте, приготавливать и наносить клей на склеиваемую поверхность, поддерживать определенную температуру, давление и влажность в процессе склеивания, а также вследствие длительного времени отверждения (иногда с обеспечением длительного нагрева и приложения нагрузки) и применения различных приспособлений.
2. Необходимо весьма тщательно проектировать клеевое соединение, устранять воздействие на него отслаивающих и растягивающих нагрузок, а также напряжений, возникающих в результате различия в коэффициентах термического расширения склеиваемых элементов и клеевого шва.
3. Недостаточная теплостойкость клеевого шва ограничивает применение клеевых конструкций до определенных температур, в то время как клепанные, сварные и паянные соединения удовлетворительно работают при более высоких температурах. Некоторые клеи недостаточно стойки к тепловому и механическому удару.
4. Невозможно сразу получить оптимальную прочность соединения, как это, например, можно сделать при сварке. Часто очень трудно обеспечить требуемый уровень контроля качества клеевых соединений.
5. Возможное ухудшение прочностных характеристик соединения при действии тепла, холода, биосреды, химических реагентов, пластификаторов, радиационного облучения и других эксплуатационных факторов, несовместимость клея с материалом склеиваемых элементов и, как следствие, возможность появления коррозии.
6. Трудность демонтажа соединения при необходимости полной разборки или ремонта конструкции.
7. Тенденция к ползучести под постоянной нагрузкой, характерная для термопластичных клеев; низкая прочность при отслаивании, присущая многим термореактивным клеям; часто неизвестная величина долговечности

клеевых соединений в условиях воздействия жестких эксплуатационных факторов.
8. Некоторые конструкции более экономично изготавливать, используя другие методы сборки, особенно в тех случаях, когда для этих целей имеется необходимое оборудование
Для контроля качества клеевых соединений применяются главным образом методы, основанные на возбуждении в исследуемом изделии упругих колебаний звукового или ультразвукового диапазона. К этим методам относятся вакуумный, метод свободных колебаний, сквозного прозвучивания, многократных отражений и, ультразвуковой резонансный. метод, основанный на использовании резонансных явлений, наблюдаемых в контролируемом изделии при возбуждении в нем продольных упругих волн. Дефект склеивания в этом случае отмечается либо по изменению
(уменьшению) фиксируемой прибором общей толщины проверяемого изделия в зоне нарушения соединения, либо по резкому изменению амплитуд резонансных пиков на экране дефектоскопа, обусловленному влиянием дефекта на коэффициент отражения упругих волн от границы раздела соединяемых элементов конструкции.