Ответы на вопросы к экзамену по металлам, страница 2

Ликвация – химическая неоднородность.

Химическая неоднородность по зонам слитка. Самая грязная часть – внутренняя.

а) зональную ликвацию можно частично устранить обработкой давлением.

б) междентдритное пространство загрязнено примесями. Устраняется диффузионным высокотемпературным отжигом.

в) Pb-Sb. Устраняется перемешиванием или добавляют эти элементы.

1. Основы теории строения сплавов. Типы сплавов: смеси, твердые растворы, химические соединения. Диаграммы строения сплавов. Их основные виды, связь между видом диаграммы и изменением свойств сплавов. (правило Курнакова).

ОТВЕТ:

Сплавом называю вещество, полученное из двух или более компонентов.

Компонент – вещество, образующее систему, взятое в наименьшем числе.

Система – группа тел, выделенная для наблюдения и изучения.

В металловедении системы: металлы и металлические сплавы.

Металлы – простые однокомпонентные системы.

Фаза – однородная часть системы, имеющая границы раздела, при переходе через которую скорость меняется скачком (могут быть жидкими и твёрдыми).

Существует три типа сплавов:

1. механическая смесь

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, тогда когда они не способны к взаимному растворению в твёрдом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

а) сохраняется решётка обоих компонентов

б) двухфазная смесь

в) отличительное свойство: металлический тип связи между атомами

г) свойства изменяются по прямолинейному закону

д) можно выделить чистый компонент

1. химическое соединение

При образовании химического соединения:

а) соотношение чисел атомов элементов соответствует стехиометрической пропорции, что может быть выражено простой формулой (в общем виде химическое соединение двух элементов можно обозначить ),

б) образуется специфическая (отличная от элементов, составляющих химическое соединение) кристаллическая решётка с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов.

Химическое соединение также характеризуется определённой температурой плавления (диссоциации), скачкообразным изменением свойств при изменении состава (так называемой сингулярностью свойств).

При образовании химического соединения металла с неметаллом возникает ионная связь.

1. твёрдый раствор

Образуется тогда, когда сохраняется решётка одного из компонентов, а второй компонент либо внедряется в решётку растворителя, образуя твёрдые растворы замещения, либо замещая атомы растворителя решётки.

а) твёрдый раствор на основе одного из компонентов сплава

Твёрдый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решётку. Твёрдый раствор существует не при определённом соотношении компонентов, а в интервале концентраций.

Строение твёрдых растворов на основе одного из компонентов сплава таково, что в решётку основного металла-растворителя входят атомы растворённого вещества. Здесь возможны два принципиально различных случая.

= Твёрдые растворы замещения.

Могут быть ограниченными и неограниченными. При неограниченной растворимости любое количество атомов А может быть заменено атомами В.

= Твёрдые растворы внедрения.

При образовании твёрдого раствора сохраняется решётка одного из элементов и этот элемент называется растворителем.

б) твёрдый раствор на основе химического соединения

В этих случаях сохраняется решётка химического соединения , но избыточное количество атомов, например атомов В, растворяется, заменяя в решётке какое-то количество атомов А. Возможно также растворение и третьего элемента С в химическом соединении.

Твёрдые растворы на базе химических соединений, образование которых сопровождается появлением пустых мест в узлах решётки, называется растворами вычитания.

Не всякое соединение может растворять избыточное количество элементов, его составляющих, то есть существуют соединения, которые не образуют твёрдых растворов из компонентов их составляющих, но вместе с тем имеются и такие соединения, которые существуют только в виде твёрдых растворов и не существуют как чистое химическое соединение при стехиометрическом соотношении атомов. Так, например, точный состав соединения CuAl₂ соответствует 54,1% (по массе) Cu. В действительности это соединение существует при наличии от 53,25 до 53,9% Cu, то есть существует лишь при условии замены части медных атомов алюминиевыми. Без этой замены решётка CuAl₂ не может существовать. Такие химические соединения, существующие лишь как твёрдые растворы и не существующие при точном стехиометрическом соотношении, называются бертоллидами, в отличие от дальтонидов существующих при стехиометрическом отношении компонентов.

Существование бертоллидов и дальтонидов было впервые обнаружено академиком Н.С.Курнаковым, который и дал эти названия в честь знаменитых учёных-химиков начала прошлого века Дальтона и Бертолле, которые спорили о том, что понимать под химическим соединением. Спор полностью не разрешён и в настоящее время.

В 1914 г. Н.С.Курнаковым было обнаружено явление упорядочивания. При изучении электросопротивления сплавов меди и золота было найдено изменение их свойств без видимого изменения микроструктуры. Впоследствии применением рентгеновского анализа было показано, что изменение свойств связано с перераспределением атомов внутри кристаллической решётки. В обычных твёрдых растворах атомы растворённого элемента распределяются в решётке растворителя беспорядочно. Однако при известных условиях атомы занимают определённые места в узлах решётки, то есть от неупорядоченного расположения переходят в упорядоченное. Подобный процесс носит название упорядочивания, а растворы с упорядоченным расположением атомов растворённого элемента – упорядоченными твёрдыми растворами.

1. Железо и его сплавы. Железо и его соединения с углеродом. Диаграмма железо-цементит. Компоненты, фазы и структурные составляющие сталей и белых чугунов, их характеристики, условия образования и свойства. Стали. Влияние углерода и примесей на структуру и свойства стали. Классификация углеродистых сталей по структуре, качеству и назначению. Маркировка. Чугуны. Свойства и назначение чугунов. Чугуны серые, ковкие и высокопрочные. Их свойства, получение и маркировка.

ОТВЕТ:

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники.

Диаграмма железо-углерод, как ясно из названия, должна распространяться от железа до углерода.

Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит - .

Каждое химическое соединение можно рассматривать как компонент, и диаграмму можно рассматривать по частям.

Рассмотрим только часть системы от железа до химического соединения ( - цементит). Это не только упрощает задачу знакомства с системой, но оправдано ещё и тем, что на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода не более 5% (цементит содержит углерода 6,7%).

Следовательно, рассматривая диаграмму железо-углерод в участке от железа до цементита, компонентами системы можно считать железо и цементит. В таком случае до рассмотрения системы следует ознакомиться со свойствами и строением этих компонентов.

Температура плавления железа 1539ºС (±5ºС).

В твёрдом состоянии железо может находиться в двух модификациях – α (ОЦК) и γ (ГЦК).

Существенным и принципиально важным фактором является то обстоятельство, что α-железо существует в двух интервалах температур ниже 911ºС и от 1392ºС до 1539ºС. Объяснение этому следует искать в определённом изменении величины свободной энергии в зависимости от температуры.

Свободная энергия α-железа ( ) меньше свободной энергии γ-железа ( ) при температуре ниже 911ºС и выше 1392ºС. В интервале 911-1392ºС меньшей свободной энергией обладает гранецентрированная упаковка атомов железа. Вот почему при нагреве при 911ºС происходит α→γ-превращение. Высокотемпературная модификация α-железа (иногда называемая δ-железом) не представляет собой новой аллотропической формы.

При 768ºС железо испытывает магнитное превращение; выше 768ºС железо становится немагнитным.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

Особо следует рассмотреть образование растворов углерода в железе. Растворимость углерода в железе существенно зависит от того, в какой кристаллической форме существует железо. Растворимость углерода в α-железе ничтожно мала (менее 0,02%) и в сто раз больше (до 2%) в γ-железе.

Твердый раствор углерода и других элементов в α-железе называется ферритом, а в γ-железе – аустенитом.

Цементит – это химическое соединение углерода с железом (карбид железа) . Состав цементита 75% (атомн.) Fe и 25% (атомн.) С или 6,67% (по массе) С – остальное железо. Так как растворимость углерода в α-железе мала, то при нормальных температурах в большинстве случаев в структуру стали входят высокоуглеродистые фазы в виде цементита и другого карбида.

Температура плавления цементита – около 1250ºС. Аллотропических превращений цементит не испытывает, но при низких температурах он слабо ферромагнитен. Магнитные свойства цементит теряет при 217ºС. Цементит имеет высокую твёрдость (>800 НВ, царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Эти свойства являются, вероятно, следствием сложного строения кристаллической решётки цементита.

У всех сплавов, содержащих менее 2,14% С, в результате первичной кристаллизации получается структура аустенита; у всех сплавов, содержащих более 2,14% С, структура состоит из ледебурита с избыточным аустенитом или цементитом.

Железоуглеродистые сплавы, содержащие менее 2,14% С, называются сталями, а более 2,14% С – чугунами.

Различают три группы сталей:

= эвтектоидные, содержащие около 0,8% С, структура которых состоит не только из перлита;

= доэвтектоидные, содержащие меньше 0,8% С, стрктура которых состоит из феррита и перлита;