Контрольная работа по "Металлургии"

 

Вопрос 1

 

 

Объясните сущность принятого метода обозначения 

кристаллографических  направлений.

 

 

   Кристаллографические направления и плоскости принято обозначать индексами Миллера.

  Для определения индекса какого-либо направления следует найти координаты ближайшего к точке отсчета атома, лежащего на этом направлении, выраженные через параметр решетки.

   Например, координаты ближайшего атома вдоль оси ох выразятся через 100. Этими цифрами принято обозначать индекс направления вдоль оси ох и параллельных ему направлений: [100].

Индексы направлений  вдоль осей оу , oz и параллельных им направлений выразятся соответственно через [010] и [001], а направления вдоль диагоналей граней хоz, хоу, уоz и диагонали куба получат индексы соответственно [101], [110], [011] и [111] (см. рис. 1.2, а).

    Для определения индекса кристаллографической плоскости следует вначале найти координаты ближайших точек ее пересечения с осями координат, проведенными из точки отсчета о. Затем обратные величины найденных координат следует записать в обычной последовательности в круглых скобках.

 Например, координаты точек пересечения  с осями координат интересующей  нас ближайшей плоскости, параллельной плоскости хоу (т. е. плоскости верхней грани куба, рис. 1.2, б), являются числа 00, 00, 1. Поэтому индекс этой плоскости можно записать так: (001).

         Индексы плоскостей, параллельных плоскостям хоz и уоz, запишутся в виде (010) и (100)

(рис. 1.2, б). Индекс вертикальной диагональной плоскости куба выразится через (110), а индекс наклонной плоскости, пересекающейся со всеми тремя осями координат на удалении одного параметра, примет вид (111) (рис. 1.2, в, г).

Использование понятий о кристаллографических направлениях и плоскостях , а так же их индексов позволяет описывать различные явления, происходящие в кристаллических телах, а также особенности свойств кристаллических тел вдоль различных направлений и плоскостей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос 2.

 

 Опишите влияние степени переохлаждения на кристаллизационные параметры (число центров и линейную скорость роста).

 

 

 

     Кристаллизацией называется процесс образования твердых кристаллов из жидкости или газа. Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое является фазовым превращением. Д. К. Чернов установил, что механизм кристаллизации заключается в образовании центров кристаллизации и росте кристаллов из образовавшихся центров. Количественно кинетика процесса описывается скоростью зарождения центров кристаллизации (с.з.ц.) - числом центров кристаллизации, возникающих в единице объема за единицу времени, и линейной скоростью роста кристаллов (л.с.р.) - скоростью перемещения какой-либо грани кристалла параллельно самой себе. Тепловое движение атомов приводит к тому, что в жидкости постоянно образуются и разрушаются группы атомов с упорядоченным строением. При охлаждении жидкой фазы ниже температуры Тп, некоторые наиболее крупные из них могут стать устойчивыми. Они и являются самопроизвольно возникшими зародышами или центрами кристаллизации. Размер критического зародыша уменьшается по мере увеличения степени переохлаждения.

  Образование критического зародыша обеспечивается за счет флуктуации энергии, и такой процесс называют гомогенным зарождением. Чем больше степень переохлаждения, тем меньше критический зародыш и тем меньше работа его образования. Поэтому увеличивается число критических зародышей, возникающих в единице объема за единицу времени. Вместе с тем, увеличение степени переохлаждения привод к тому, что подвижность атомов снижается, и вероятность образования устойчивого зародыша кристалла снижается. Таким образом, при увеличении степени переохлаждения с.з.ц. сначала возрастает, проходит через максимум и снижается. При температурах, когда диффузионные процессы не могут происходить, центры кристаллизации не образуются, и вещество переходит в аморфное состояние.

    Экспериментально установлено, что кристалл может расти лишь путем одновременного присоединения определенной группы атомов на какую-либо грань. Такая группа атомов называется двумерным зародышем. Следовательно, скорость роста кристаллов определяется вероятностью зарождения двумерного зародыша и вероятностью его присоединения к кристаллу за счет диффузии. Отсюда следует, что степень переохлаждения влияет на линейную скорость роста (л.с.р.) аналогично тому, как она влияет на скорость зарождения центров (с.ц.з.). Экспериментально установлено, что максимум Л.С.Р. чаще всего соответствует меньшим степеням переохлаждения, чем максимум С.З.Ц.. Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Тп. Разность между температурами Тп и Тк, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения:

 

                                          ΔТ=Тп-Тк.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью, показаны на рисунке 1.3

   При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре близкой к равновесной Тп. На термической кривой при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка в падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при охлаждении.

  С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые  2,3 рис.1.3) и                                     

 процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации.

Рисунок 1.3 Кривые охлаждения металла

                      при кристаллизации.

 

Чем больше скорость образования  зародышей и меньше скорость роста  их, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура  металла.

  При небольшой скорости переохлаждения ΔТ (малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается. Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос 3.

 

   Опишите процесс скольжения в металлических монокристаллах. Объясните роль дислокаций в этом процессе.

 

 

Пластическая деформация монокристалла может происходить путем скольжения (сдвига) и двойникования :

Рисунок 1.4  Схемы деформации монокристалла

 

 

Деформация путем скольжения - это смещение одной части кристалла относительно другой по некоторым плоскостям (рис. 1.4, а).

Обычно скольжение происходит одновременно по нескольким параллельным плоскостям, причем число этих плоскостей возрастает с увеличением деформирующего усилия. В результате такой деформации появляются многочисленные полосы скольжения (в виде тончайших слоев), хорошо видимых под микроскопом или даже визуально на полированной поверхности деформирующихся образцов. Скольжения в монокристалле происходит не только по определенным кристаллографическим плоскостям, носящих название плоскостей скольжения, но и по определенным направлениям. Плоскостями скольжения являются плоскости с густо расположенными атомами, а направлениями скольжения - направления, по которым межатомное расстояние имеет минимальное значение.

Количество плоскостей и направлений в значительной мере определяет пластичность металлов. Чем больше в монокристалле плоскостей скольжения, тем пластичнее металл. Для металлов с гранецентрированной кубической решеткой плоскостями скольжения являются плоскости октаэдра (111), а направлениями скольжения - направление по диагонали грани [101]. В металлов с объемно-центрированной кубической решеткой плоскостями скольжения (110), (112), (111), а преобладающими направлениями скольжения - направление по диагонали куба [111] (рис. 1.2). В металлах с гексагональной решеткой плоскостью скольжения является плоскость базиса (основания), а направления скольжения - направления, совпадающие с диагональю шестиугольника.

 

 

 

 

 

 

Таким образом:

- в объемно-центрированной кубической решетке плоскостей скольжения 14,

- в гранецентрированной 4,

- в гексагональной 2.

     Поэтому металлы, кристаллизуются в объемно-центрированную ( Cr, W, Mo, V) и гранецентрированную (Cu, Ni, Al) решетку, и обладают большей пластичностью, чем металлы с гексагональной решеткой (Mg, Zn, Cd).

В металлах с гексагональной решеткой при повышении температуры появляются дополнительные плоскости скольжения. В связи с этим металлы с гексагональной решеткой могут обрабатываться давлением только в горячем состоянии, а металлы с кубической, объемно-центрированной и гранецентрированной решеткой могут подвергаться как холодной, так и горячей обработке давлением.

Скольжение начинается тогда, когда действия максимального  движущего напряжения, превосходящего предел текучести, совпадут с плоскостями  скольжения. Максимальное движущее напряжение действует в плоскостях, расположенных в отношении усилия, действующего под углом 45°. По современным убеждениям, процессом скольжения является процесс последовательного смещения атомов в плоскости скольжения и объясняется наличием в реальных металлах и сплавах дислокаций и других несовершенств кристаллического строения.

Для перемещения дислокаций в плоскости скольжения требуется  значительно меньшее напряжение, чем для сдвига всей плоскости, поскольку  дислокации могут передвигаться  за счет единичных перемещений атомов, тогда как при сдвиге всей плоскости должны быть преодолены силы связи всех атомов, лежащих в данной плоскости. Таким образом, наличие дислокаций в плоскости скольжения облегчает сдвиги отдельных слоев кристалла.

В процессе пластической деформации монокристалла наблюдают также искажения плоскостей скольжения. Вследствие этого деформация по старым плоскостям скольжения прекращается, а новые сдвиги происходят в направлениях, параллельных первым сдвигам, или в других благоприятных плоскостях скольжения. Деформация происходит, пока образуются сдвиги в разных направлениях, и прекращается при использовании всех свободных для сдвигов направлений; дальнейшее увеличение напряжения приводит к разрушению металла. При значительных степенях пластической деформации монокристалл измельчается на отдельные кристаллические образования и тем самым превращается в поликристалл.

          Вторым механизмом пластической деформации является двойниковая. Что является смещением одной части кристалла по отношению к другой, с последующим поворотом частей кристалла, в результате поворота получается зеркальное отражение одной части кристалла по отношению к другой.

        На рисунке 1.4.б, штриховой линией показан двойник, образовавшийся в результате деформации. Двойникование чаще наблюдается в случае деформации при пониженных температурах, а также при динамической деформации. Однако пластическая деформация металлов в основном протекает за счет скольжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос 4.

 

Опишите, в  чем заключается испытание на ударный изгиб. Дайте определение ударной вязкости.

 

 Ударная вязкость. Определение ударной вязкости.

 

    Очень часто детали в процессе работы испытывают действие не только плавно возрастающих нагрузок, но одновременно подвергаются и ударным (динамическим) нагрузкам. Поэтому необходимо знать, насколько хорошо сопротивляется металл действию на него этих нагрузок.

    Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению. Испытание проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту.   В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе (работу удара), или ударную вязкость (рис. 1.5).

 

 

 

Рис. 1.5. Схема положения образца при испытании

                на  ударную вязкость

 

 Под ударной вязкостью  следует понимать работу удара,  отнесенную к начальной площади  поперечного сечения образца  в месте концентратора.

Ударную вязкость КС, Дж/см, (кгс·м/см) вычисляют по формуле:

 

                                              КС=S0/H1

 

           Где: К – работа удара, Дж (кгс·м);

                  S0– начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, см, вычисляемая по формуле:

 

                                              S0 = Н1 · B,

 

Где: Н1 – начальная высота рабочей части образца, см;

        B – начальная ширина образца

 

 

 

  

 

 

 

 

  В соответствии с ГОСТ 9454 – 78 предусмотрены испытания образцов с концентратором напряжений трёх видов:

 

 U – образным (радиус надреза r = 1мм);

V – образным (r = 0,25мм)

 Т – образным (трещина  усталости, созданная в основании надреза).

 

 Соответственно ударную  вязкость обозначают: KCU, КСТ, KCV.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос 5.

  

  Детали, изготовленные из прутков меди диаметром 20 мм, должны иметь предел прочности не ниже 300 МПа. Между тем на заводе имеются прутки меди большего диаметра с пределом прочности 200–250 МПа. Укажите, как можно повысить предел прочности меди. Дайте пояснения.

 

 Для изготовления деталей деформированием при температуре выше 500oС используют  двухфазные латуни. Из двухфазных латуней изготавливают листы, прутки и другие заготовки, из которых последующей механической обработкой изготавливают детали. Обрабатываемость резанием улучшается присадкой в состав латуни свинца, например, латунь марки ЛС59-1, которую называют “автоматной латунью”.