Б) сочетание металла с неметаллом.
Сплавы превосходят простые металлы по прочности, твердости, обрабатываемости и т.д. Например, железо – очень мягкий металл, почти не применяется в чистом виде. Зато широко применяют в технике сплавы с углеродом – стали и чугуны.
Простые металлы состоят из химически чистого элемента и незначительного количества примесей других элементов. Например, техническая медь содержит примеси свинца, висмута, сурьмы, железа, олова и др. элементов. Даже ничтожное содержание примесей значительно изменяет свойства металла, например, все примеси резко снижают электропроводность меди.
Сплавы – это сложные металлы, представляющие собой сочетание какого-либо простого металла (основы сплава) с другими элементами или неметаллами. Например, латунь-сплав меди с цинком. Здесь основу сплава составляет медь. Хромель – сплав никеля (основа сплава) с хромом. По числу компонентов сплавы делятся на двухкомпонентные, трехкомпонентные и т.д. Кроме основных элементов в сплавах содержится примеси других веществ.
а) простые латуни-сплавы, состоящие из двух компонентов: меди-цинка; хромель-сплав, состоящий из двух компонентов никеля и хрома
б) углеродистые стали и чугуны – сплавы металла железа с неметаллом углерода.
Опишите внутреннее строение металлов. Назовите типы элементарных кристаллических ячеек металлов. Сколько положительно заряженных ионов содержится в кристалле вольфрама, имеющего форму куба и состоящего из 27 элементарных ячеек пространственной кристаллической решетки?
Все твердые тела делятся на аморфные и кристаллические.
В аморфных телах атомы расположены хаотично. Примерами могут служить стекло, клей, воск, канифоль и др.
|
|
В кристаллических телах атомы расположены в строго определенном порядке, с определенной геометрической зависимостью. Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. К кристаллическим телам относятся также поваренная соль, кварц, сахарный песок и др.
Основными признаками металлов как кристаллических тел является их правильное внутреннее строение. Если атомы металла мысленно соединить прямыми линиями, то получится правильная геометрическая система, называемая пространственной кристаллической решеткой, из которой можно выделить элементарную кристаллическую ячейку; многократным повторением последней образуется вся решетка.
Порядок расположения атомов в кристаллических решетках может быть различным. Наиболее распространены три типа: 1) кубическая объёмно-центрированная; 2) кубическая гранецентрированная; 3) гексагональная
Вольфрам имеет форму куба, состоящего из 27 элементарных ячеек пространственной кристаллической решетки. Ребро кристалла вольфрама будет состоять из 3 элементарных ячеек и содержит 4 атома. Вся грань будет состоять их 
атомов, таких граней в данном кристалле вольфрама 4 следовательно во всем объеме кристалла будет 
атома. Еще есть по одному атому в центре каждой элементарной ячейки 
атомов. Итого общее кол-во атомов в данном кристалле вольфрама будет 
атом (положительно заряженный ион)
Назовите основные закономерности процесса кристаллизации. Влияние примесей и условий охлаждения на процесс кристаллизации металлов. Определите степень переохлаждения сурьмы, если ее теоретическая температура кристаллизации равна 6310С, а до начала процесса кристаллизации жидкая сурьма была переохлаждена до 5900С и при этой температуре перешла в твердое состояние.
|
|
В жидком металле при высоких температурах атомы находятся в беспорядочном движении. Правильное кристаллическое строение металлы приобретают в процессе затвердевания, т.е. при переходе из жидкого состояния в твердое. Процесс образования кристаллов при переходе вещества из жидкого состояния в твердое называется первичной кристаллизацией. Первичная кристаллизация оказываете большое влияние на свойства металлов, на его структуру.
Если кристаллическое строение вещества изменяется в твердом состоянии, то такой процесс называется вторичной кристаллизацией. Железо, кобальт, титан и др. металлы в твердом состоянии могут изменять свое кристаллическое строение при определенных температурах, при этом происходит перегруппировка атомов (перекристаллизация), что приводит к изменению свойств металлов.
Величина, форма и расположение зерен оказывают существенное влияние на свойства металлов и сплавов. При крупнозернистом строении связь между отдельными зернами будет меньше, чем при мелкозернистом. Также слабая связь между зернами, если в металле присутствуют различные нерастворимые примеси. Эти примеси располагаются по границам зерен в виде пленок и нарушают связь между зернами.
Степень переохлаждения n представляет собой разность между теоретической (Ткр) и фактической (Тп) температурами кристаллизации. Поэтому для данного случая степень переохлаждения сурьмы определяется разностью 
0С.
|
|
Объясните условия получения мелкозернистой и крупнозернистой структуры при кристаллизации металлов. Как величина зерен влияет на свойства металлов и сплавов. Почему перегорает нить лампочки накаливания?
Важным фактором определяющим величину зерна, является степень переохлаждения, которая тесно связана со скоростью охлаждения. От степени переохлаждения, и от скорости охлаждения зависит число центров кристаллизации, возникающие в единицу времени, и скорость роста каждого кристалла.
При медленном охлаждении металлы получают крупнозернистую структуру. При быстром охлаждении металлы получают мелкозернистую структуру. Особенно большое влияние на величину зерна оказывают посторонние примеси в металлах, играющие рояль дополнительных центров кристаллизации
От величины образовавшихся зерен, их формы и расположения зависят свойства металлов. Металлы и сплавы с мелкозернистым строением в отличие от металлов и сплавов с крупнозернистым строением имеют более высокую прочность и лучшую сопротивляемость ударным нагрузкам.
Как известно, при крупнозернистом строении металлов связь между отдельными зернами будет меньше, чем при мелкозернистом. В электрических лампочках под действием высокой температуры происходит рост зерен и ослабление связи между ними, что приводит к обрыву нити накаливания, сделанной обычно из вольфрама
Назовите, какими физическими, химическими, механическими и технологическими свойствами характеризуются металлы? Как можно изменять ряд этих свойств? Чем объясняется высокая электропроводность металлов?
По свойствам металлы делятся на:
1.физические – определяются цветом, удельным весом, плотностью, температурой плавления, тепловым расширением, тепло- и электропроводностью, а также магнитностью.
2. химические – это способность металлов сопротивляться химическому или электрохимическому воздействию различных сред (коррозии) при нормальных и высоких температурах.
3. механические – это совокупность свойств, характеризующих способность металлических материалов сопротивляться воздействию внешних нагрузок
(прочность, твердость, пластичность, упругость, вязкость, хрупкость)
4. технологические - характеризуют способность металлов поддаваться различным методам горячей и холодной обработки.
Свойства металлов можно изменять при введении легирующих элементов в состав сплавов, термической и химико-термической обработки.
Высокая электропроводность металлов объясняется слабой связью свободных электронов с положительно зараженными ионами. Достаточно приложить к концам металлического тела небольшую разность потенциалов, чтобы вызвать перемещение электронов – электрический ток.
Дайте характеристику физических свойств металлов - плотности и удельного веса. Объясните значение плотности и удельного веса металлических материалов связи с их применением в технику. Определите (без взвешивания) вес медной полосы сечением 2,5 см2 и длиной 2 м.
Различные вещества одного и того же объема имеют различную массу и различный вес. Отношение массы тела к его объему является постоянной величиной для данного вещества и называется плотностью. Плотность вещества связана с удельным весом. Удельным весом называется отношение вещества к его объему. Зная удельный вес металла и его объем, можно без взвешивания определить вес.
Плотность и удельный вес имеют большое значение при выборе металлических материалов для изготовления различных деталей. Детали и конструкции в приборостроении, в авиа и вагоностроении наряду с высокой прочностью должны обладать малым удельным весом. Из металлов наиболее широко применяемых наименьший удельный вес имеют магний и алюминий. Поэтому широко применяются сплавы на основе алюминия и магния.
Плотность и удельный вес также играют роль в технике добычи тяжелых металлов и обогащения руд, а также получения сплавов. Большая разница в удельных весах металлов вызывает иногда затруднения при получении сплавов.
Определяем объем медной полосы V 
см2
Р 
γV 
Г 4,45 кг
Дайте определение электропроводности металлов? Чем она характеризуется и каково ее практическое применение? Из каких металлических материалов изготавливают трубки радиаторов двигателей внутреннего сгорания, детали холодильных установок, паяльники?
Из металлических проводниковых материалов изготавливают обмоточные и монтажные провода и кабели. Поэтому такие материалы должны обладать большой проводимостью, чтобы не допускать больших потерь электрической энергии. В некоторых устройствах проводниковые материалы выполняют роль нагревателей и в этом случае такие материалы должны обладать малой проводимостью, т.е. более высоким электрическим сопротивлением. Отсюда ясно, что электропроводность металлов предназначенных для проводников, является основным их свойством. Значительная электропроводность металлических проводников обусловливается наличием в них большого количества свободных электронов. Величина проводимости или величина электрического сопротивления металлов при изменении напряжения остается постоянной, что и является характерным свойством всех металлических проводников. Свойство различных металлов, в том числе и проводниковых, проводить электрически ток часто оценивается величиной удельной проводимости. Эта характеристика есть величина, обратная удельному электрическому сопротивлению.
Радиаторные трубы изготавливают из латуни, а детали холодильных установок и паяльники из меди, т.е. из металлических материалов обладающих высокой теплопроводностью
Дайте определение тепловому расширению металлов и укажите его значение в технике. Что произойдет с двумя разнородными пластинками из меди и стали, если их склепать при комнатной температуре, а потом нагреть?
Различные вещества, в том числе и металлы, при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Изменение линейных размеров теа при нагревании называется те6пловым линейным расширением. Линейное расширение различных металлических материалов при одном и том же повышении температуры различно. Неодинаковость величины теплового расширения материалов характеризуется коэффициентом линейного расширения, который показывает степень увеличения первоначального размера металла при повышении температуры на один градус. Зная коэффициент линейного расширения, можно рассчитать длину изделия при любой температуре. Тепловое расширение металлов необходимо учитывать, при изготовлении и эксплуатации точных измерительных приборов и инструментов, изготовления литейных форм, горячей обработке металлов давлением и в других случаях, связанных с нагреванием и охлаждением изделий.
При нагревании пластинки искривятся, так ка медь расширяется в большей мере, чем сталь
Назовите, в каких средах может протекать коррозия металлов. Дайте определение коррозии металла. Какие металлы и сплавы обладают коррозионной стойкостью при высоких температурах?
Коррозией называется разрушение металлов и сплавов под влиянием химического или электрохимического воздействия внешней среды.
В зависимости от механизма процесса различают:
1. Химическую – возникает в результате химического взаимодействия металлов со средой, не являющейся проводником электрического тока. Химическая коррозия протекает в сухих газовых средах при высоких температурах или в жидкостях, не проводящих электрического тока (нефть, бензин, керосин, масла и т.д.)
2. Электрохимическая коррозия – возникает при воздействии на металл жидкостей, приводящих электрический ток (растворы солей, кислот, щелочей) Электрохимическая коррозия является наиболее распространённым видом. Она сопровождается возникновением не только химических, но и электрических процессов
Высокой коррозионной стойкостью во многих средах обладают благородные металлы (золото, серебро, металлы платиновой группы). К жаростойким материалам относятся жаростойкие и жаропрочные стали, сплавы титана, никеля, кобальта и др. Эти материалы применяются в ракетной технике, в турбо-котлостроении и других отраслях машиностроения. Кислотостойкие стали, кислотостойкие легированные чугуны, никелевые сплавы, титан и его сплавы, применяются в химической, нефтяной, пищевой отраслях промышленности.
Объясните, в чем заключается сущность термической обработки? Что обеспечивает этот процесс? Какую структуру будут иметь стали марок 20, 30, 45, 60, У8, У10, У12 при комнатной температуре?
Термическая обработка заключается в нагреве сплава до определённой температуры (выше критических точек), выдержке его при этой температуре до окончания процесса перекристаллизации и охлаждении с определенной скоростью до нормальной температуры. При термической обработке перекристаллизация сплавов происходит в твердом состоянии. Существуют следующие виды термической обработки стали и чугуна: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
Данный процесс улучшает физико-механические свойства стали и чугуна в зависимости от их химического состава, с уменьшением величины зерна улучшаются свойства металлов и сплавов. Существенное значение имеет также однородность структуры металлических материалов.
Структура стали марок 20, 30, 45, 60 – феррит + перлит. Стали марок У10, У12- перлит + цементит. Сталь марки У8 имеет структуру перлита
Назовите отличия химико-термической обработки от термической обработки. Виды химико-термической обработки. Чем объясняется высокая твердость цементированного слоя?
Высокие физические, химические и механические свойства стали и чугуна достигаются сочетанием тепловой обработки с изменением химического состава поверхностного слоя за счет насыщения его каким-либо химическим элементом. Такой процесс называется химико-термическая обработка. В результате химико-термической обработки повышается поверхностная твердость, износоустойчивость, усталостная прочность, коррозионная стойкость, окалиностойкость, кислотоупорность.
Известны следующие основные виды химико-термической обработки стали: цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом), азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом), цианирование (насыщение поверхностного слоя углеродом и азотом).
Высокая твердость цементированного слоя объясняется большим содержанием углерода. Его твердость соответствует твердости инструментальной стали. После закалки структура поверхностного слоя будет мартенсит + цементит. Как известно, она обладает высокой твердостью
Назовите характерные особенности белого и серого чугуна. Где они применяются? Выразите пределы прочности на растяжение и на изгиб чугунных отливок в Мн/м2.
Белый чугун отличается высокой твердостью и износостойкостью, хрупок и плохо обрабатывается режущим инструментом, в изломе имеет мелкозернистое строение с зеркальной серебристо-белой поверхностью, легко плавится, но плохо заполняет форму и быстро застывает, при остывании дает большую усадку.
Белый чугуны выплавляются для переделки их в сталь и получения ковкого чугуна.
Серый чугун применяется для получения отливок. Цвет его в изломе от светло-серого до темно-серого, углерод в нем находится в свободном состоянии в виде пластинок графита. Серый чугун отличается от белого меньшей твердостью и хрупкостью, хорош сопротивляется износу и обрабатывается режущим инструментом. В расплавленном состоянии обладает жидкотекучестью и хорошо заполняет форму, имеет малую усадку.
Между кг/мм2 и Мн/м2 имеется такая зависимость 1кг/мм2 = 9,8 Мн/м2. Необходимо сделать перерасчет с точностью до целых чисел.
Назовите чугуны, которые относятся к легированным, высокопрочным и специальным. Их основные свойства и применения. Из каких чугунов можно изготавливать коленчатые валы?
В легированных чугунах, кроме обычных примесей, содержаться легирующие элементы – хром, молибден, никель, ванадий, титан, улучшающие механические свойства чугуна и придающие ему особые физико-химические качества. Содержание серы и фосфора в этих чугунах минимально. Легирующие элементы повышают прочность, твердость, износостойкость, коррозионную стойкость.
Высокопрочные чугуны получаются специальной обработкой – модифицированием жидкого чугуна. Модифицирование заключается в добавлении в жидкий чугун перед его разливкой в формы порошков-модификаторов.
Специальные чугуны содержат больше кремния и марганца по сравнению с обычными чугунами, а также хром, титан, вольфрам и др. элементы. Они применяются в основном в качестве добавок при получении ответственного легированного чугунного литья и как раскислители при переделке чугуна в сталь
Коленчатые валы можно изготавливать из высокопрочного, а также из легированного чугуна.
Объясните процесс получения стали, и какие существуют способы производства стали? Какова продолжительность бессемеровского процесса получения стали?
Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода. Значит, чтобы получить сталь, необходимо удалить из чугуна углерод. Это достигается путем окисления углерода. Одновременно с углеродом выгорают и другие элементы- кремний и марганец. Как известно, чистое железо плавится при более высокой температуре, чем чугун. Следовательно, чтобы поддержать металл в жидком состоянии во время окислительного процесса, необходимо повысить температуру. Этому способствует тепло, которое выделяется при выгорании примесей чугуна.
Сталь выплавляют из чугуна в конверторных, мартеновских и электрических печах.
Процесс получения стали бессемеровским способом состоит из трех периода. Периода искр, пламени и бурого дыма и общая продолжительность примерно 15-20 минут
Дайте классификацию углеродистых сталей. Чем отличается и где применяется сталь общего назначения обыкновенного качества? Какую нагрузку может выдержать нормальный образец из стали марки Ст 6 до раз-рушения, если диаметр 20 мм (площадь поперечного сечения F0= 314мм2), предел прочности σb= 66 кг/ мм2.
Углеродистые стали – это сплав железа с углеродом (содержание углерода до 2%), также в состав стали входят кремний, марганец, сера и фосфор.
Классифицируют по следующим признакам:
1.по применению – общего назначения, в свою очередь они делятся на стали обыкновенного качества и качественные, и инструментальные
2. по содержанию углерода – низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25-0,6% С), высокоуглеродистые (от 0,6 до 2% С)
Сталь обыкновенного качества делится на группы: А – поставляемую по механическим свойствам; Б – поставляемую по химическому составу; В – поставляемую по механическим свойствам и химическому составу. Применяются в машиностроении и строительстве, из них изготавливают профильный и листовой прокат, крепежные детали, заклепки, трубы и детали арматуры, неответственные поковки
σb = Рb/ F0, отсюда Рb= σbF0 Рb =66 
кг
Объясните различие между углеродистыми и легированными сталями. Как изменяют различные легирующие компоненты свойства стали? Укажите назначение и химический состав следующих марок легированных сталей: 40Х, 15ХН3, 9ХС, ХВГ, 50Г2, 40ХНМА, 38ХМЮА.
Углеродистые стали не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к материалам современной технике. Значительно улучшает физико-механические и химические свойства сталей введение в их состав легирующих компонентов. Стали, у которых наряду с обычными примесями имеются легирующие компоненты, называются легированными.
Хром увеличивает твердость, прочность, коррозионную стойкость при этом уменьшает пластичность; никель – придает высокую прочность, пластичность, повышает ударную вязкость, увеличивает прокаливаемость; алюминий – повышает жаростойкость и окалиностойкость; медь – увеличивает антикоррозионные свойства стали.
40Х - хромистая с содержанием 0,40% углерода и 1% хрома; 15ХН3 – хромоникелевая, содержит 0,015 % углерода,1% хрома и 3% никеля; 9ХС – хромокремнистая, 0,9% углерода, по 1% хрома и кремния; ХВГ – хромовольфрамомарганцевая, в ней по 1% углерода, хрома, вольфрама, марганца; 50Г2 – марганцовистая, углерода 0,50%, 2% марганца; 40ХНМА – хромоникельмолибденовая высококачественная, углерода 0,40% по 1% хрома, никеля, молибдена; 38ХМЮА – хромомолибденоалюминиевая углерода 0,38% и по 1% хрома, молибдена и алюминия. Эта сталь подвергается азотированию
Назовите группы сталей и сплавов с особыми физическими свойствами. Их отличительные особенности и применение. Какие химические элементы сообщают сплавам высокое электросопротивление? Укажите химический состав сплава марки Х20Н80.
Стали с заданным коэффициентом теплового расширения, к ним относятся сплавы железа с никелем.
Износоустойчивые стали используются для рабочих элементов испытывающих изнашивание деталей, к ним относятся высокомарганцовистые стали.
В электротехнике для изготовления постоянных магнитов, сердечников, трансформаторов применяют сплавы, имеющие большую магнитную проницаемость (магнитотвердые, магнитомягкие, немагнитные стали-заменители цветных металлов) Для элементов электронагревательных устройств нужны стали и сплавы с высоким омическим сопротивлением состоят из хрома и никеля
Сталь марки Х20Н80 содержит в среднем 20% хрома, никеля 80% и небольшое количество углерода, марганца и кремния