Элементарная ячейка кристаллической решетки и ее характеристики. Полиморфизм, анизотропия, их использование в технике.
Кристаллическое тело характеризуется правильным расположением атомов в пространстве. У аморфных веществ расположение атомов случайно. Кристаллические вещества образуют кристаллическую решётку. 14 типов кристаллических решёток. Крист. решётка характеризуется элементарной ячейкой. Эл. ячейка – кристаллич. решётка наименьшего объёма, воспроизведение которой в пространстве множество раз создаёт пространственную крист. решётку. Атомы в пространстве располагаются упорядоченно, образуя кристаллическую решётку. Основные типы:
1. Простая кубическая решётка: в узлах кубика атомы касаются друг друга. Параметры: Период решётки (расстояние между атомами a =d), d – диаметр атома. 1/8·8 =1 атом на элемент, ячейку. Для химического соединения данный тип решётки.
2. Кубическая объёмно-центрированная решётка 
характерна для тугоплавких металлов. a =1,21·d. 1/8·8 +1 =2. Feα, Ti, W, Nb.
3. Кубическая гранецентрированная решётка 
. 1/8·8 +1/2·6 =4. Характерна для пластичных металлов. Cu, Feγ, Au.
3. Анизотропия кристалла и изотропия кристаллических тел.
Анизотропия – это различие свойств в разных направлениях в кристалле. В монокристалле – анизотропия. Поликристаллические вещества – где много кристаллов. В поликристаллическом теле – изотропия (одинаковые свойства по разным направлениям).
Билет 9
1. Закалка сталей. Оптимальная температура закалки углеродистых сталей. Влияние легирующих элементов на критическую скорость закалки. Внутренние напряжения в закаленных сталях.
Закалка
Конструкционные стали подвергают закалке и отпуску для повышения прочности и твердости, получения высокой пластичности, вязкости и высокой износостойкости, а инструментальные – для повышения твердости и износостойкости.
Основными параметрами являются температура нагрева и скорость охлаждения. Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства, по опытным данным на 1 мм сечения затрачивается: в электрической печи – 1,5…2 мин.; в пламенной печи – 1 мин.; в соляной ванне – 0,5 мин.; в свинцовой ванне – 0,1…0,15 мин.
По температуре нагрева различают виды закалки:
– полная, с температурой нагрева на 30…50oС выше критической температуры А3
.
Применяют ее для доэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:
.
Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, так как в структуре остается мягкий феррит. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:
– неполная с температурой нагрева на 30…50 oС выше критической температуры А1
Применяется для заэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:
.
После полной закалки заэвтектоидных сталей получают дефектную структуру грубоигольчатого мартенсита.
Заэвтектоидные стали перед закалкой обязательно подвергают отжигу – сфероидизации, чтобы цементит имел зернистую форму.
Охлаждение при закалке.
Для получения требуемой структуры изделия охлаждают с различной скоростью, которая в большой степени определяется охлаждающей средой, формой изделия и теплопроводностью стали.
Режим охлаждения должен исключить возникновение больших закалочных напряжений. При высоких скоростях охлаждения при закалке возникают внутренние напряжения, которые могут привести к короблению и растрескиванию.
Внутренние напряжения, уравновешиваемые в пределах макроскопических частей тела, называются напряжениями I рода. Они ответственны за искажение формы (коробление) и образование трещин при термообработке. Причинами возникновения напряжений являются:
· различие температуры по сечению изделия при охлаждении;
· разновременное протекание фазовых превращений в разных участках
Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке.
Закаливаемость определяется содержанием углерода. Стали с содержанием углерода менее 0,20 % не закаливаются.
Прокаливаемость – способность получать закаленный слой с мартенситной и троосто-мартенситной структурой, обладающей высокой твердостью, на определенную глубину.
За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до середины слоя, где в структуре одинаковые объемы мартенсита и троостита.
Билет 28
2. Титан и сплавы на его основе. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана и свойства a, a + b и псевдо-b сплавов.
Титан серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см3. Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в пределах 1660…1680oС.
Чистый иодидный титан, в котором сумма примесей составляют 0,05…0,1 %, имеет модуль упругости 112 000 МПа, предел прочности около 300 МПа, относительное удлинение 65%. Наличие примесей сильно влияет на свойства. Для технического титана ВТ1, с суммарным содержанием примесей 0,8 %, предел прочности составляет 650 МПа, а относительное удлинение – 20 %.
При температуре 882oС титан претерпевает полиморфное превращение, α–титан с гексагональной решеткой переходит в β– титан с объемно-центрированной кубической решеткой. Наличие полиморфизма у титана создает предпосылки для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки.
Титан имеет низкую теплопроводность. При нормальной температуре обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, в воде, в органических и неорганических кислотах (не стоек в плавиковой, крепких серной и азотной кислотах), благодаря тому, что на воздухе быстро покрывается защитной пленкой плотных оксидов. При нагреве выше 500oС становится очень активным элементом. Он либо растворяет почти все соприкасающиеся и ним вещества, либо образует с ними химические соединения.
Титановые сплавы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими: сочетание высокой прочности (σв=800…1000 МПа) с хорошей пластичностью (δ=12…25%); малая плотность, обеспечивающая высокую удельную прочность; хорошая жаропрочность, до 600…700oС;
высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.
Однородные титановые сплавы, не подверженные старению, используют в криогенных установках до гелиевых температур.
В результате легирования титановых сплавов можно получить нужный комплекс свойств. Легирующие элементы, входящие в состав промышленных титановых сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру аллотропического превращения. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана показано на рис. 21.1.
Рис.21.1. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана:
Элементы, повышающие температуру превращения, способствуют стабилизации α— твердого раствора и называются α–стабилизаторами, это – алюминий, кислород, азот, углерод.
Элементы, понижающие температуру превращения, способствуют стабилизации β– твердого раствора и называются β– стабилизаторами, это – молибден, ванадий, хром, железо.
Кроме α– и β–стабилизаторов различают нейтральные упрочнители: олово, цирконий, гафний.
В соответствии с влиянием легирующих элементов титановые сплавы при нормальной температуре могут иметь структуру α или α+β.
Билет 20
2 Цементуемые и азотируемые стали, их состав, марки, термическая обработка и применение.
Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 oС.
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).
Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита ( h. = 1…2 мм).Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %).Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.
В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким отпуском. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.Комплекс термической обработки зависит от материала и назначения изделия.
Графики различных комплексов термической обработки представлены на рис. 15.2.
Рис. 15.2. Режимы термической обработки цементованных изделий
Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые кольца, червяки, оси, ролики.
Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.
Впервые азотирование осуществил Чижевский И.П., промышленное применение – в двадцатые годы.
При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость.
При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH3 c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции: 2NH3>2N+3H2. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.
Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердость, и образующийся слой хрупкий.
Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.
Типовые азотируемые стали: 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю.
Билет29
2. Конструкционные материалы малой плотности: пластмассы, их состав, применение. Преимущества и недостатки пластмасс как конструкционных материалов.