Контрольная работа по «Технологиям металлов и сварке»

     МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

     РЕСПУБЛИКИ  КАЗАХСТАН 
 

     Рудненский  индустриальный институт 
 

     Кафедра Менеджмента и Маркетинга 
 
 
 
 
 

     КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 

     По  дисциплине: «Технология металлов и сварка» 
 
 
 
 

 

                                                 
 
 
 
 
 
 
 

                                                       Рудный

                                                         2011г.

 Содержание 

 

 

1. Контрольное задание №1

 

1. Атомное строение металлов и сплавов

 
 

     Из 106 элементов периодической системы  Д. И. Менделеева,  известных в  настоящее время, 80 составляют металлы.  

     

     Рисунок. 1.1. Пространственные кристаллические  решетки и элементарная ячейка простей  кубической решетки

     В твердом состоянии все металлы  и металлические сплавы  обладают кристаллическим строением со строго определенным  расположением атомов. Кристаллические тела состоят из множества мелких зерен (кристаллитов), внутри которых атомы расположены  закономерно, образуя в пространстве правильную кристаллическую решетку. В идеальной кристаллической  решетке атомы находятся на  определенных расстояниях друг от друга  и располагаются в определенных местах. Такое упорядоченное расположение атомов отличает  кристаллическое  тело от аморфного, в котором атомы  расположены  беспорядочно.

     Пространственная  кристаллическая решетка любого металла  слагается из множества  сопряженных друг с другом элементарных ячеек, внутри которых в известном  порядке размещаются отдельные  атомы. Существует несколько основных типов кристаллических решеток.

     На  рис. 1.1а представлены кубические решетки металлов.

     Элементарная  ячейка простой кубической решетки (рис. 1.1б)  состоит из восьми атомов, расположенных в вершинах куба. Расстояние а между центрами соседних атомов, расположенных в узлах  ячейки, называют периодом решетки, и измеряют в ангстремах A (1А = 10^–8 см) или килоиксах (1кх = 1,00202 -КН см).

     Каждый  атом в вершине  куба принадлежит  одновременно восьми ячейкам, т. е. на  каждую ячейку в этой вершине  приходится 1/8 атома. На всю  ячейку в целом (8 вершин) приходится, таким образом, 1 атом. Кубическая кристаллическая  решетка сокращенно обозначается индексом Кб.

     В кубической объемно-центрированной решетке (рис. 1.1б и 1.2а) кроме восьми атомов, находящихся в вершинах куба, имеется один атом внутри  решетки, принадлежащий только одной элементарной ячейке. Таким образом, на каждую элементарную ячейку в этом случае приходится два атома. Эта решетка обозначается  индексом К8. Базисом кристаллической решетки называют число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Базис характеризует плотность решетки, ибо в каждой решетке кроме объема, занимаемого атомами, остается еще свободное пространство.

     Коэффициентом компактности называется  отношение  объема, занимаемого атомами, ко всему  объему решетки. Чем больше коэффициент  компактности, тем больше плотность  элементарной ячейки. Решетку К8 имеют  Fe_α, Сг, Ti_β, W, Mo и другие металлы.

     В кубической гранецентрированной решетке  К12 (рис. 1.1в и 1.2б) число атомов равно четырем: 1/8·8 = 1 атом от числа атомов,  расположенных в вершинах куба и плюс 1/2·6 =3 атома от числа атомов, расположенных в центре граней куба. Кубическую гранецентрированную решетку имеют Fe_γ, Ni, Al, Co_β и другие металлы.  

     

     Рисунок 1.2. Основные виды элементарных ячеек кристаллических решеток металлов: а – объемно-центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в –гексагональная (координационные числа для них соответственно равны 2, 4 и 12)

     Взаимную  связь атомов друг с другом характеризует  координационное число. Под координационным  числом понимают число атомов-соседей, находящихся на равном и наиболее близком расстоянии от избранного атома. Так, в простой кубической решетке  от атома А (рис. 1.1д) на таких расстояниях находятся атомы 1, 2 и 3 данной ячейки, а также симметрично расположенные 4, 5 и 6  соседних элементарных ячеек.

     Наименьшее  расстояние d между атомами в кубической объемно-центрированной решетке определяется формулой d = (а√3)/2. В  такой решетке коэффициент компактности равен 0,68, или 68%;  коэффициент компактности для кубической гранецентрированной решетки 0,74, или 74%, т. е здесь атомы более плотно упакованы (см. рис. 1.2б). Таким образом, чем больше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов. Основные виды элементарных ячеек кристаллических решеток показаны на рис. 1.2.

     Число атомов в различных сечениях пространственной  кристаллической решетки неодинаково. Вследствие этого механические,  электрические и другие свойства кристаллических тел в разных  направлениях будут различными. Это  явление называют анизотропией. Так, например, предел прочности монокристалла  чистой меди в различных кристаллографических направлениях изменяется от 140 до 360 МН/ма A4—36 кгс/мма), а относительное удлинение от 10 до 50%.

     Многие  физические свойства металлов и сплавов, например высокая электропроводность и теплопроводность, определяются  особенностью их внутриатомного строения. Известно, что атом любого  элемента имеет положительно заряженное ядро и движущиеся вокруг него отрицательно заряженные электроны. Число электронов в  нормальном атоме равно положительному заряду ядра и атом сам по себе электрически нейтрален.

     Напомним, что порядковый номер элемента в  периодической  системе Менделеева равен числу положительных зарядов  ядра (и числу электронов). Так, например, у алюминия (порядковый номер 13) числоположительных зарядов ядра и число электронов также равно 13. Принадлежащие атому  электроны разделяются на валентные,  движущиеся по внешним орбитам, и  внутренние, находящиеся на более  близких к ядру орбитах движения. Валентные электроны в атоме  металлов слабо связаны с ядром  и .могут подвергаться воздействию  положительно заряженных ядер близлежащих  атомов, поэтому их можно назвать  свободными электронами.  
 

2. Аллотропические превращения в металлах

 
 

     Некоторые металлы (железо, олово, титан, цирконий, кобальт и др.) способны испытывать превращения в твердом состоянии  при  изменении температуры, т. е. подвергаться так называемой вторичной  кристаллизации. Существование одного и того же металла в  нескольких кристаллических формах с различным расположением атомов в элементарной ячейке решетки называется аллотропией, а процесс изменения кристаллической решетки — аллотропическим, или полиморфным превращением. Аллотропические формы металла называют модификациями и обозначают начальными буквами греческого алфавита. При вторичной кристаллизации происходит перестройка кристаллической решетки из кристаллов прежней формации и образование новых кристаллов.

     Железо  может  существовать в различных  модификациях.  Аллотропические  превращения железа можно проследить по  кривым охлаждения и  нагревания (рис. 1.3). На  кривой охлаждения при температуре 1539° С появляется первая  горизонтальная площадка (остановка), отмечающая переход железа из жидкого состояния (ж) в твердое Fe_δ с выделением  значительного количества тепла.  Образующиеся кристаллы Fe_δ имеют кубическую объемно-центрированную кристаллическую решетку со стороной а = 2,93 А.

     Вторая  остановка наблюдается при 1401°  С (точка Ar₄). При этом Fe_δ переходит в Fe_γ, с более плотной кубической гранецентрированной кристаллической решеткой. Третья остановка происходит при 898° С (точка Ar₃), во время которой Fe_γ  переходит в Fe_β и имеет кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку.

     Последняя остановка наблюдается при 768°  С (точка Ar₂), что соответствует переходу из состояния Fe_β в Fe_α без изменения кристаллической решетки. 

     

     Рисунок 1.3. Кривые охлаждения и нагревания железа

     Выделение тепла при переходе Fe_β в Fe_α связано с внутриатомными изменениями, в результате которых у Fe_α появляются резко выраженные магнитные свойства. Таким образом, фактически имеются две модификации железа с разными кристаллическими решетками.

     Превращения, происходящие при нагревании железа,  сопровождаются поглощением тепла. Остановки чаще всего происходят при тех же или несколько более  высоких температурах, чем при  охлаждении. Критические температуры, при которых происходят  аллотропические  превращения железа, обозначаются А  с соответствующими индексами (при  нагревании применяют индекс с с цифрой, при охлаждении – r c цифрой).

     Реальная  кристаллическая решетка отличается от идеальной  схемы, приведенной на рис. 1.3, наличием кристаллических несовершенств.  
 

     1.3 Понятие о теории дислокации 
 

     Все реальные кристаллические твердые  тела (в частности, металлы) имеют  большее или меньшее количество дефектов кристаллической структуры, оказывающих влияние, нередко решающее, на  макроскопические свойства твердых  тел. Такими дефектами являются:

• точечные дефекты – вакансии (узлы кристаллических решеток, незаполненные атомами), межузельные атомы и др.
• одномерные (линейные) дефекты – дислокации;
• двумерные (поверхностные)  дефекты – границы зерен и двойников, дефекты упаковки и др.

     Успехи  учения о прочности и пластичности материалов связаны с развитием  представлений о роли  дефектов структуры при пластической деформации и разрушении  кристаллических  твердых тел.

     Дислокациями  называют линейные несовершенства или  одномерные  дефекты кристаллических  решеток  реальных металлов,  представляющие собой особые нарушения кристаллического строения, связанные с отклонениями реальных кристаллов от идеального их строения.

     Дислокации  бывают краевые, винтовые и смешанные  криволинейные. Возникают они в  металлах в процессе кристаллизации, пластической деформации и по другим причинам, вызывающим создание полей  напряжений в кристаллической решетке, приводящих к  соответствующим локальным  деформациям и смещениям.