Контрольная работа по "Материаловедение"

Вариант 3

 

1. В чем состоит отличие  изотропных и анизотропных материалов?

 

2. Укажите форму, размеры образцов и виды испытания при определении предела  прочности металлических и каменных материалов

 

 

 

2. Способность некоторых веществ существовать в нескольких кристаллических фазах, отличающихся друг от друга по симметрии структуры и по свойствам, называется полиморфизмом. Каждая из таких фаз полиморфная модификация стабильна в определенной области температур и давлений, за пределами которых наблюдается фазовый переход процесс превращения одной модификации в другую. Скорость протекания фазового перехода определяется целым рядом факторов: температурой, давлением и т. д. Наибольшее число полиморфных модификаций образуют из простых веществ − углерод

Некоторые полиморфные модификации углерода.

Алмаз (рис. 1.) имеет неплотно упакованную структуру, где каждый атом углерода окружен четырьмя такими же атомами, располагающимися по вершинам тетраэдра, поэтому координационное число   n=4. Атомы углерода занимают все узлы ГЦК-ячейки, а также центры половины октантов, на которые можно разбить куб, причем заполненные и незаполненные октанты чередуются в шахматном порядке: рядом с заполненным октантом − незаполненный, под незаполненным − заполненный. В структурном типе алмаза тенденция атомов углерода образовывать направленные связи столь высока, что алмазная структура оказывается более энергетически выгодной, нежели плотно упакованная.

Рис. 1. Структура алмаза (кружками обозначены атомы углерода)

Графит (рис. 1.2) существует в двух модификациях − гексагональной и ромбоэдрической. Гексагональная модификация термодинамически устойчива при температурах ниже 1000 C. Структура графита слоистая, причем каждый их чередующихся слоев построен по одному и тому же закону из гексагональных ячеек. Каждый слой смещен по отношению к двум другим соседним слоям на половину большой диагонали гексагона. Поэтому структура двухслойная с чередованием слоев АВАВАВ… В элементарной ячейке содержится 4 атома. Кратчайшее межатомное расстояние в слое 1,42 Å и на этом расстоянии каждый атом углерода соседствует с тремя другими. Кратчайшее расстояние между слоями 3,347 Å и у некоторых атомов на этом расстоянии находится 2 соседа, а у других имеется 12 соседей на расстоянии 4,151 Å. Структура графита является примеров слоистой структуры: периоды решетки по оси с и по осям, лежащим в плоскости слоев, различаются очень сильно. Внутри слоя действуют прочные ковалентные связи, между слоями − слабые ван-дер-ваальсовы связи. В кристаллах со слоистой структурой очень сильно различие физических свойств вдоль и поперек плоскостей слоев. Так, в графите электропроводность вдоль слоев в 105 раз больше, чем в поперечном направлении. Вследствие слоистости структуры кристаллы графита легко деформируются смещением одного слоя относительно другого, что позволяет применять графит в качестве смазки, грифелей карандашей и др.

Рис. 1.2. Кристаллическая решетка графита

Способность атомов углерода образовывать структуры в виде сеток ярко проявляется в таких интересных объектах, как фуллерены. Как уже было сказано выше, фуллерены представляют собой семейство шарообразных молекул, содержащих различное число атомов углерода. Их поверхность состоит из соприкасающихся шестиугольников (гексаэдров) и пятиугольников (пентагонов), в вершинах которых располагаются атомы углерода (1.3, а).

Наиболее изучены структура, свойства и технология получения фуллерена С60, который состоит из 20 гексаэдров и 12 пентагонов. Атомы углерода в вершинах многоугольников соединены ковалентными связями, причем каждый атом в молекуле связан с тремя соседними атомами одной короткой (1,39 Å) и двумя длинными (1,493 Å) связями.

Центр молекулы фуллерена представляет собой свободную сферу (пору), в которой могут размещаться атомы других элементов. Они играют роль легирующих примесей. В фуллеренах больших размеров могут размещаться, в частности, даже молекулы других фуллеренов меньших размеров. Кроме того, атомы примесей могут замещать атомы углерода на поверхности молекул.

Рис. 1.3. Кристаллческие модификации углерода:

а − молекулы фуллерена C24 и C60; б − однослойная нанотрубка

 

Практический интерес представляют фуллерены в кристаллическом состоянии, которые представляют собой еще одну полиморфную модификацию углерода. В этом случае они носят название фуллериты. Например, фуллерит C60 при температуре 300 К обладает гранецентрированной кубической решеткой, в узлах которой размещены молекулы фуллерена. Между этими молекулами в решетке действуют слабые ван-дер-ваальсовы связи. С понижением температуры до 255 К происходит превращение ГЦК решетки в простую кубическую. Фуллерит C60 проявляет полупроводниковые свойства, причем атомы примеси могут играть в нем роль доноров или акцепторов.

Важнейшее значение в настоящее время приобретают наноразмерные углеродные трубки (сокращенно − нанотрубки). По механизму своего образования они близки к фуллеренам. В простейшем случае нанотрубку можно представить, как свернутый в цилиндр лист графита толщиной в один атомный слой (рис. 1.3, б). В отличие от фуллерена, атомы углерода в нанотрубке расположены только в виде соприкасающихся шестиугольников. На концах нанотрубок образуются «шапочки» конической или сферической формы. Нанотрубки могут быть как однослойными, так и многослойными, иметь различный диаметр и отличаться размещением шестиугольников по длине трубки. Многослойные трубки обычно имеют внешний диаметр 40−50 Å и состоят из вставленных одна в другую трубок все меньшего диаметра.

Области эффективного применения фуллеритов и нанотрубок находятся сейчас в стадии активного изучения. Имеются прогнозы, по которым эти материалы будут иметь большое значение в области электроники, машино- и приборостроения, медицины и в других областях. Особое значение здесь может иметь использование фуллеренов для повышения быстродействия электронных приборов, предназначенных для работы в условиях высоких температур, а также для существенного повышения теплопроводности, которое необходимо для дальнейшей миниатюризации элементов интегральных схем. Широкое использование в медицине связано с хорошей совместимостью фуллеренов с тканями человеческого организма. Нанотрубки обладают хорошими механическими свойствами и перспективны для создания материалов, обладающих высокой прочностью.

 

 

 

 

На рис. 1 приведена кривая охлаждения железа, имеющего аллотропические превращения.

 

                                         Рис. 1 . Кривая охлаждения чистого  железа

До температуры 1539 °С происходит охлаждение жидкого железа. При 1539 °С на кривой охлаждения появляется площадка. При этой температуре железо затвердевает, и выделяется скрытая теплота кристаллизации. По окончании кристаллизации и до температуры 1392 °С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (Fea ).

При 1392 °С на кривой появляется вторая площадка, связанная с аллотропическим превращением a-железа (Fea) в g-железо (Feg), имеющее гранецентрированную кубическую решетку.

При аллотропическом превращении исчезают старые зерна и появляются новые. Такое превращение аналогично процессу кристаллизации: вначале образуются зародыши, а затем идет рост зерен новой модификации. Такое превращение является перекристаллизацией.

Следующая площадка наблюдается на кривой охлаждения при температуре 911 °С по причине превращения Feg в Fea. Кристаллическая решетка превращается из гранецентрированной опять в объемно-центрированную кубическую, которая сохраняется до самых низких температур.

Площадка на кривой охлаждения, соответствующая температуре  
768 °С, связана не с перестройкой кристаллической решетки, а с перестройкой электронных оболочек атомов и изменением магнитных свойств. Ниже 768 °С железо магнитно, а выше – немагнитно.

Иногда немагнитное железо Fea называют Feβ, а высокотемпературную модификацию Fea (в интервале 1392…1539 °С) – Fed.

Полиморфные превращения протекают как в чистых металлах, так и в сплавах.

Металлы, имеющие только один тип кристаллической решетки, называются изоморфными (никель, медь, хром, вольфрам и другие).

 

3.Сталь 12Х18Н9Т

Группа: Хромоникелевые стали аустенитного класса

Применение стали 12Х18Н9Т    

Сталь 12Х18Н9Т применяется в сварных конструкциях, работающих в контакте с азотной кислотой и другими средами окислительного характера; в некоторых органических кислотах средней концентрации, органических растворителях, атмосферных условиях и т.д. Изготавливают емкостное, теплообменное и другое оборудование.  
    Для изготовления сварных конструкций в криогенной технике при температуре до —269 °С.  
    Сталь выплавляют в дуговых электропечах.

ГОСТы и ТУ на сталь 12Х18Н9Т    

ГОСТ 1133-71 "Сталь кованая круглая и квадратная. Сортамент. 
    ГОСТ 18143-72 "Проволока из высоколегированной коррозионно-стойкой и жаростойкой стали. Технические условия. 
    ГОСТ 18907-73 "Прутки нагартованные, термически обработанные шлифованные из высоколегированной и коррозионно-стойкой стали. Технические условия." 
    ГОСТ 25054-81 "Поковки из коррозионно-стойких сталей и сплавов. Общие технические условия." 
    ГОСТ 4986-79 "Лента холоднокатаная из коррозионно-стойкой и жаростойкой стали. Технические условия" 
    ГОСТ 5582-75 "Прокат тонколистовой коррозионностойкий, жаростойкий и жаропрочный. Технические условия" 
    ГОСТ 5632-72 "Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки" 
    ГОСТ 5949-75 "Сталь сортовая и калиброванная коррозионностойкая, жаростойкая и жаропрочная. Технические условия" 
    ГОСТ 7350-77 "Сталь толстолистовая коррозионностойкая, жаростойкая и жаропрочная. Технические условия" 
    ГОСТ 9940-81 "Трубы бесшовные горячедеформированные из коррозионностойкой стали. Технические условия" 
    ГОСТ 9941-81 "Трубы бесшовные холодно- и тепло деформированные из коррозионностойкой стали. Технические условия" 
    ТУ 14-1-377-72 ; 
    ТУ 14-1-416-72 ; 
    ТУ 14-1-565-84 ; 
    ГОСТ 4405-75 "Полосы горячекатаные и кованые из инструментальной стали. Сортамент." 
    ГОСТ 14955-77 "Сталь качественная круглая со специальной отделкой поверхности. Технические условия." 
    ГОСТ 2590-2006 "Прокат сортовой стальной горячекатаный круглый. Сортамент." 
    ГОСТ 2591-2006 "Прокат сортовой стальной горячекатаный квадратный. Сортамент." 
    ГОСТ 7417-75 "Сталь калиброванная круглая. Сортамент." 
    ГОСТ 4405-75 "Полосы горячекатаные и кованые из инструментальной стали. Сортамент." 
    ГОСТ 8559-75 "Сталь калиброванная квадратная. Сортамент." 
    ГОСТ 8560-78 "Прокат калиброванный шестигранный. Сортамент." 
    ГОСТ 1133-71 "Сталь кованая круглая и квадратная. Сортамент." 
    ГОСТ 5632-72 "Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки." 
    ГОСТ 103-2006 "Прокат сортовой стальной горячекатаный полосовой. Сортамент." 
    ГОСТ 5949-75 "Сталь сортовая и калиброванная коррозионно-стойкая, жаростойкая и жаропрочная. Технические условия." 
    ГОСТ 2879-2006 "Прокат сортовой стальной горячекатаный шестигранный. Сортамент." 
     ТУ 14-11-245-88 "Профили стальные фасонные высокой точности. Технические условия." 
    ОСТ 3-1686-90 "Заготовки из конструкционной стали для машиностроения. Общие технические условия.";

Химический состав стали 12Х18Н9Т

C	Cr	Fe	Mn	Ni	P	S	Si	Ti
≤0,12	17-19,0	Осн.	≤2,0	8-9,5	≤0,035	≤0,020	≤0,8	5·С-0,8

Механические свойства стали 12Х18Н9Т

Нормированные механические свойства сталей при 20 °С 

 

ГОСТ	Вид продукции	σв, Н/мм²	σ0,2, Н/мм²	δ5, %	ψ, %
		не менее
ГОСТ 5949-75	Пруток	520 (550)	200	40	55
	Лист:
ГОСТ 7350-77	-толстый	530 (530)	215 (235)	38 (38)	-
ГОСТ 5582-75	-тонкий	540	200	40	-
ГОСТ 4986-79	Лента мягкая	540	-	35	-
	Труба:
ГОСТ 9940-81	-горячедеформированная	529	216	40	-
ГОСТ 9941-81	-холоднодеформированная	549	216	35	-
ГОСТ 18143-72	Проволока	550-900	-	55-90	-
Примечание. В случае различия в свойствах в скобках указаны свойства стали 12Х18Н9Т.

 

Механические свойства стали 12Х18Н9Т при низких н повышенных температурах (пруток Ø18-25 мм, закалка с 1050 °С в воде)

tисп, °С	σв, Н/мм²	σ0,2, Н/мм²	δ5, %	ψ, %	KCU, Дж/см2
-253	1790	600	25	-	120
-196	1610	460	38	56	200
-70	1130	360	40	64	250
20	620	280	41	63	250
300	460	200	31	65	-
400	450	180	31	65	-
500	450	180	29	65	-
600	400	180	25	61	-
700	280	160	26	59	-
800	180	100	35	69	-

 

Механические свойства стали 12Х18Н9Т при высоких температурах

tисп, °С	σв, Н/мм²	δ5, %	ψ, %	KCU, Дж/см2	n, об
900	91/84	36,3/34,8	69,6/61,4	230/240	-
1000	55/44	43,0/38,3	71,3/68,8	200/230	59/-
1100	38/29	37,0/57,5	70,6/74,0	150/190	67/19
1150	29/19	49,6/68,0	82,4/82,4	140/160	75/21
1200	18/18	76,7/52,6	98,0/72,4	100/140	61/13
1250	-	-	-	-	58/16
Примечание. В числителе - содержание 6-феррита в структуре после термической обработки <3%, в знаменателе - 35-40 % (закалка с 1150 °С в воде).