КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине
«Материаловедение и технология конструкционных материалов»
Вариант №24
Выполнил: студент
Курс: 3
Форма обучения: заочная
Группа: б-НФГДипу31
Шифр: 162455
Ф.И.О.: Смирнов Алексей Владимирович
Проверил: Протасова Н.В.
Саратов 2019
Задание 1
Опишите строение и основные характеристики кристаллической решетки цинка (параметры, координационное число, плотность упаковки).
Кристаллическая решетка это присущее твердым кристаллическим телам расположение атомов, которое характеризуется периодической повторяемостью в пространстве. Представление о виде кристаллической решетки любого химического вещества можно сделать по расположению атомов в его элементарной ячейке.
Существуют следующие типы кристаллических решеток – кубическая, которая в свою очередь делится на объемно-центрированную и гранецентрированную, и гексагональная.
Рисунок 1. Кристаллические решетки: а – кубическая объемно центрированная, б – кубическая гранецентрированная, в – гексагональная плотноупакованная
Тип решетки определяется формой элементарного геометрического тела, многократное повторение которого по трем пространственным осям образует решетку данного кристаллического тела.
Например, основу объемно центрированной решетки составляет элементарная кубическая ячейка, в которой положительно заряженные ионы металла находятся на вершинах куба, и еще один атом в центре его объема, т.е. на пересечении его диагоналей. У гранецентрированной решетки элементарной ячейкой служит куб с центрированными гранями. Гексагональная плотноупакованная решетка имеет ячейку, состоящую из отстоящих друг от друга на параметр параллельных центрированных гексагональных оснований, три атома находятся на средней плоскости межу основаниями.
Важной характеристикой кристаллической решетки является ее компактность, иными словами заполненность ее объема атомами. Компактность определяется такими показателями как параметр решетки, число атомов в каждой элементарной ячейке, координационное число и плотность ее упаковки.
Параметр решетки это расстояние между атомами по ребру элементарной ячейке. Параметры решетки измеряются в нанометрах. Параметры кубических решеток характеризуются длиной ребра куба и обозначаются буквой а. Буквой с обозначают высоту призмы. Когда соотношение а/с больше единицы решетка является плотноупакованной и относится к гексагональной. Измерение параметров кристаллических решеток производится при помощи рентгеноструктурного анализа.
Число атомов, принадлежащих каждой элементарной ячейке, является базисом кристаллической решетки. Для объемно центрированной, гранецентрированной и гексагональной плотноупакованной решеток базис равен два, четыре и четыре атома соответственно.
При подсчете числа атомов в каждой элементарной ячейке надо помнить, что каждый атом входит в несколько ячеек.
Под координационным числом понимается количество ближайших соседей данного атома. Для объемно центрированной, гранецентрированной и гексагональной плотноупакованной решеток координационное число равно восемь, двенадцать и двенадцать соответственно.
Плотность упаковки представляет собой отношение суммарного объема, занимаемого собственно атомами в кристаллической решётке к ее полному объему. Различные типы кристаллических решеток имеют разную плотность упаковки атомов. В гранецентрированной решетке атомы занимают 74% всего объема кристаллической решетки, а межатомные промежутки 26%. В объемно центрированной решетке атомы занимают 68% всего объема, а межатомные 32%.
У некоторых металлов кристаллическая решетка может изменяться при изменении температуры. Это явление называется полиморфизмом или аллотропией. Полиморфизм может вызывать изменение свойств.
Цинк имеет гексагональную решетку с плотной упаковкой атомов и параметрами решетки а= 2,6595Е (~0,266 нм) и с= 4,9368Е (~0,494 нм), соотношение с/а=1.856. Число атомов этого типа решётки четыре, координационное число двенадцать.
Цинк - не полиморфен и по сравнению со многими элементами имеет более отрицательный электродный потенциал, благодаря которому является хорошим протектором для защиты от коррозии, в частности стальных изделий.
Задание 2
Каким способом можно восстановить пластичность холоднокатанных медных лент? Назначьте рижим термической обработки и опишите физическую сущность происходящих процессов.
Технологический процесс производства холоднокатаных листов, полос и лент из меди включает следующие операции.
После горячей прокатки производят сварку горячекатаных заготовок встык на специальных сварочных агрегатах, что позволяет значительно увеличить производительность станов и выход годного металла. После сварки производят травление, а заготовки, предназначенные для производства ответственных изделий, подвергают двухсторонней фрезеровке на специальных агрегатах со съемом с каждой стороны слоя металла толщиной 0,5 мм. Далее ведется заготовительная холодная прокатка, которую производят на непрерывных реверсивных станах кварто с диаметром рабочих валков 350-500 мм.
При холодной прокатке медных полуфабрикатов применяют большие степени деформаций, как единичные, так и суммарные, что позволяет получать листы, полосы и ленты без промежуточных отжигов. Однако прокатка с большой суммарной степенью деформации приводит к анизотропии структуры и свойств металла, которая выявляется при дальнейшей холодной листовой штамповке в виде фестонов. Поэтому в процессе прокатки вводят промежуточные отжиги в печах сопротивления с защитной или восстановительной атмосферой при температуре 650 °С.
После второй холодной прокатки часть полуфабрикатов поступает на отделочные операции по изготовлению листов, где осуществляется резка, правка, маркировка и упаковка. Другая часть полуфабрикатов поступает на третью отделочную прокатку в ленты, после чего они направляются на линию продольной резки на готовые ленты.
С увеличением степени холодной деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации повышается, а способность к пластической деформации уменьшается. Это явление получило название наклепа, т.е. происходит упрочнение металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации. Наклёп сопровождается выходом на поверхность образца дефектов кристаллической решётки, увеличением прочности и твёрдостии снижением пластичности, ударной вязкости, сопротивления металлов деформации противоположного знака.
Восстановление пластичности и уничтожение наклепа может быть достигнуто обычным фазовым отжигом, но чаще используют рекристаллизацию.
Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности как первоначальную операцию перед холодной обработкой давлением, для придания материалу наибольшей пластичности, как промежуточной процесс между операциями холодного деформирования для снятия наклепа, и как окончательную выходную термическую обработку для придания полуфабрикату или изделию необходимых свойств.
При нагреве наклепанного металла не восстанавливается старое зерно, а появляется совершенно новое зерно, размеры которого могут существенно отличаться от исходного. Происходит образование новых, равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла.
Температура отжига для достижения рекристаллизации по всему объёму и сокращения времени процесса превышает температуру порога рекристаллизации. Температура нагрева связана с температурой плавления: ТН ≈ 0,4 тпл для чистых металлов.
Для меди ТН=0,4(1083+273)-273≈2700С.
Задание 3