Контрольная работа: Подготовка руд к плавке

Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке.

При кристаллизации чистого металла в системе имеются две фазы: жидкая (расплавленный металл) и твердая (зерна затвердевшего металла). В твердых сплавах фазы - это зерна чистого металла, зерна твердого раствора и зерна химического соединения.

Все металлы в жидком состоянии растворяются один в другом в любых соотношениях. В результате растворения образуется однородный жидкий раствор с равномерным распределением атомов одного металла среди атомов другого металла.

Некоторые металлы, сильно различающиеся размерами атомов, не растворяются в жидком состоянии, а немногие металлы растворяются в жидком состоянии ограниченно.

При образовании сплавов в процессе их затвердевания возможно различное взаимодействие компонентов.

Если в процессе кристаллизации сила взаимодействия между однородными атомами окажется больше силы взаимодействия между разнородными атомами, то после кристаллизации образуется механическая смесь, состоящая из зерен чистых металлов. В этом случае в твердом сплаве будут присутствовать зерна одного чистого металла и рядом с ними зерна другого чистого металла. Такая форма взаимодействия возникает при большом различии в свойствах входящих в сплав металлов.

Другой формой взаимодействия между веществами, входящими в состав сплава, является образование твердых растворов.

Твердыми растворами называют такие твердые фазы, в которых соотношения между компонентами могут изменяться. В твердом растворе так же, как и в чистых металлах, атомы в пространстве расположены закономерно, образуя кристаллическую решетку. Этим они и отличаются от жидких растворов. В твердом растворе одно из входящих в состав сплава веществ сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а второе вещество, утратив свое кристаллическое строение, в виде отдельных атомов распределяется в кристаллической решетке первого. Первое вещество является растворителем, а второе - растворимым. В зависимости от характера21б распределения атомов растворимого элемента различают твердые растворы внедрения, замещения и вычитания. Независимо от типа твердого раствора общим для них является то, что они однофазны и существуют в интервале концентраций. Для твердых растворов характерны металлические связи. В твердых растворах внедрения атомы растворимого элемента распределяются в кристаллической решетке металла-растворителя, занимая места между его атомами.

Ранее было отмечено, что у металлов атомы в кристаллической решетке располагаются близко один к другому и пустоты между ними имеют малые размеры. Разместиться в таких пустотах могут только атомы с очень малыми размерами.

Наименьшие размеры атомов имеют некоторые металлоиды - водород, азот, углерод, бор, которые и образуют с металлами твердые растворы внедрения. Но и у этих элементов размер атомов несколько превышает размер межатомных промежутков в кристаллической решетке металлов, поэтому при образовании твердых растворов внедрения решетка искажается, и в ней возникают напряжения. При этом концентрация твердого раствора внедрения не может быть высокой: она редко превышает 1-2%.

В твердых растворах замещения атомы растворимого элемента занимают места атомов основного металла. Посторонние атомы могут замещать атомы растворителя в любых местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами. Размеры атомов растворимого элемента отличаются от размеров атома растворителя (они больше или меньше), поэтому при образовании твердого раствора замещения кристаллическая решетка металла-растворителя немного искажается, не утрачивая при этом своего основного строения.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченными и неограниченными. Одно из условий неограниченной растворимости - размерный фактор: чем больше различие в атомных радиусах, тем меньше растворимость.

С понижением температуры в твердых растворах замещения может произойти процесс перераспределения атомов, а в результате которого атомы растворенного элемента займут строго определенные места в решетке растворителя. Такие твердые растворы называют упорядоченными твердыми растворами, а их структуру - сверхструктурой.

Температуру перехода неупорядоченного состояния в упорядоченное называют точкой Курнакова. Упорядоченные твердые растворы характеризуются большей твердостью, меньшей пластичностью и электросопротивлением. Их можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями.

4. Методы исследования строения металлов: микро и макроанализ

Структурой называют строение металлов и сплавов в виде мелких обособленных частиц, имеющих форму зерен, дендритов, пластинок или других характерных составляющих. Многие свойства металлов и сплавов (например, прочность, пластичность) зависят от структуры материалов.

Различают макро- и микроструктуру металлов и сплавов:

Макроструктура - строение металлов или сплавов, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении под микроскопом до 40 раз. Микроструктура - строение металлов или сплавов, видимое с помощью металлографического микроскопа. Назначение макроструктуры. Макроструктуру изучают двумя способами: по излому образца или на макро-шлифах. Излом образцов - наиболее простой способ исследования структуры металлов и сплавов. По излому обычно определяют крупность зерна и взаимное расположение дендритов в металлах и сплавах. Как правило, чем крупнее зерно, тем ниже механические свойства металлов. Макрошлиф-специальный образец, который изготовляют следующим образом. Из крупной поковки заготовки или слитка вырезают образец в виде пластины (темплет). Затем одну из плоскостей шлифуют и полируют на станках. После чего отполированную поверхность подвергают травлению специальными реактивами, которые по-разному вступают в химическое взаимодействие с каждой структурной составляющей металла.

В результате испытания каждая структурная составляющая имеет определенный оттенок черно-белого цвета. По этим оттенкам определяют форму и расположение зерен и дендритов в структуре отливок, волокон или деформированных зерен в поковках и прокате. Кроме того, можно увидеть невидимые невооруженным глазом дефекты, возникающие при технологической обработке изделия, - трещины, запутавшиеся в металле пузырьки воздуха или другого газа, всевозможные неметаллические включения, химическую неоднородность сплава. Изучение микроструктуры.

Для изучения микроструктуры изготовляют металлографический шлиф, представляющий собой образец материала произвольной металлографический формы, плоскость сечения которого шлиф, находится в пределах от 2 до 6 см2. Образец вырезают холодным способом из заготовки, поковки или детали. Одну из плоскостей микрошлифа шлифуют, затем полируют до зеркальной поверхности. Отполированный шлиф промывают, сушат и обезжиривают. Подготовленный микрошлиф рассматривают с помощью металлографического микроскопа, дающего увеличение до 2000 раз, и определяют неметаллические включения, мелкие трещины.

Чтобы выяснить микроструктуру, обезжиренный шлиф подвергают травлению специальными реактивами, действие и назначение которых такое же, как и при изучении макроструктуры. В качестве реактива применяют: для углеродистых сталей и чугунов - 4%-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте, для медных сплавов--8%-ный аммиачный раствор хлористого кальция, для алюминиевых сплавов - 0,5%-ный водный раствор фтористой кислоты.

После травления структуру шлифа рассматривают с помощью металлографического микроскопа. Лучи света от электрической лампы накаливания 4 через призму 3 направляются в увеличительную сменяемую линзу, называемую объективом 2. Проходя через объектив, лучи света направляются под некоторым углом к обработанной поверхности шлифа 1, отражаются от нее под тем же углом, еще раз проходят через объектив, в результате чего получается увеличенное изображение.

После объектива лучи света проходят через вторую призму 5 и через увеличительную сменную линзу, называемую окуляром 6, в которую непосредственно наблюдается структура. От оптических параметров объектива и окуляра зависит увеличение микроскопа. Меняя объективы и окуляры, выбирают необходимое увеличение микроскопа. Наряду с металлографическим применяют электронный микроскоп, который дает увеличение до 100 000 раз и более. Рентгеновский анализ применяется в промышленности для изучения кристаллического строения металлов и выявления в них внутренних пороков.

У рентгеновских лучей длина волны в 10 000 раз меньше световых, что позволяет им глубоко проникать внутрь непрозрачных тел и отражаться от атомов. Это позволяет выявить их расположение в пространстве, т. е. установить тип пространственной решетки. Длина волны рентгеновских лучей того же порядка, как и параметр кристаллической решетки металлов (0,1--10 Е).

Рентгеновское просвечивание применяется для контроля литых, сварных, катаных, штампованных, кованых и других деталей с целью выявления внутренних дефектов, раковин, непроваров, трещин, неметаллических включений. Современные аппараты могут просвечивать стальные детали толщиной

80-100 мм и детали из алюминиевых сплавов толщиной до 300--400 мм. Для глубокого просвечивания применяют в настоящее время гамма-лучи, у которых длина волны 10-11 см. Источником излучения этих лучей является пушка, заряженная ампулой, содержащей радиоактивное вещество (обычно смесь радия и 34% мезатория). Срок службы такой ампулы около 60 лет.

Магнитным методом исследуют дефекты в магнитных металлах (стали, никеле и др.) на глубине до 2 мм (непровар в сварных швах, трещины и т. д.).

С помощью ультразвукового метода (ультразвуковая дефектоскопия) выявляют дефекты, расположенные глубоко в толще металла. Для этого используются ультразвуковые дефектоскопы, с помощью которых через толщу металла пропускают пучок ультразвуковых волн и контролируют их прохождение. Любая несплошность металла нарушает нормальное распространение волн, что можно увидеть на экране имеющегося в приборе осциллографа.

5. Алюминиевые сплавы, их маркировки и применение

Алюминий - металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 660оС, имеет плотность 2,7 г/см3, хорошо проводит электрический ток и тепло - четвертое место после серебра, меди и золота.

Промышленность выпускает алюминий особой чистоты: А999 (99,999 %); высокой чистоты: А995, А99, А97, А95 (99,95 %) и технической чистоты: А85, А8, А7, А6, А5, А0 (99,0 %). Технический алюминий изготавливается марок АД0 (99,5 %), АД1 (99,3 %) и др. Помимо электропроводности, чистые сорта алюминия обладают высокой коррозионной стойкостью (благодаря наличию прочной окисной пленки на поверхности), хорошо свариваются, легко обрабатываются давлением и по этим причинам широко используются для изготовления электрических кабелей, шин и проводов, тонкостенных труб, радиаторов, фольги, конденсаторов, различных сосудов и банок, посуды, рам и дверей из сложных профилей и других конструкций, не несущих больших нагрузок. Алюминий нередко называют «крылатым металлом» т. к. без сплавов на его основе было бы невозможно создание современной авиации.

Классификация алюминиевых сплавов

Деформируемые сплавы поставляются в виде листов, плит, прутков, профилей, труб, поковок и штамповок.

Литейные сплавы, предназначенные для фасонного литья, как правило, поставляются в виде чушек.

Благодаря высокой удельной прочности, коррозионной стойкости, технологичности алюминиевые сплавы нашли широкое применение в авиации, ракето-, судо- и автостроении, строительстве и др. отраслях хозяйства. Так, например, из дуралюминов, авиаля, высокопрочных и ковочных сплавов изготавливают обшивки, шпангоуты, силовые каркасы, лопасти винтов и др. ответственные конструкции самолетов, ракет, вагонов и автомобилей.