Атомно-кристалічна будова металів

Питання №9

Атомно-кристалічна будова металів

Дослідження свідчать, що атоми (іони) в металах просторово розташовуються в суворому порядку, утворюючи кристалічну решітку. Форма і тип кристалічної решітки визначаються характером взаємного розташування атомів у кристалі. Кожний тип кристалічної решітки може бути охарактеризований елементарною коміркою, під якою розуміють мінімальне угруповання атомів, яке відображає повну симетрію кристалу, і переміщуючи, яку паралельно саму собі в просторі, можна побудувати весь кристал.

Кристалічні решітки, в яких частинки розташовані тільки у вершинах елементарної комірки, називаються простими (наприклад, куб). У складних кристалічних решітках з щільною упаковкою атомів частинки знаходяться не тільки у вершинах, але і в середині комірок чи на їх гранях.

Розміри елементарної комірки характеризують періодом, під яким розуміють відстань між паралельними атомними площинами, утворюючими елементарну комірку.

Іншими важливими характеристиками кристалічної решітки елементарної комірки є: координаційне число К, коефіцієнт компактності h і базис Б.

Під координаційним числом розуміють число атомів, мінімально рівновіддалених від даного атома.

Коефіцієнт компактності решітки визначається як відношення об’єму, зайнятого атомами в решітці, до усього об’єму решітки. Величини К і h характеризують щільність упаковки атомів у решітці. (Чим більша К і h, тим більша щільність решітки).

Під базисом решітки розуміють число атомів, яке припадає на одну елементарну комірку. Базис характеризує складність решітки.

Метали можуть мати різні типи кристалічних структур (решітка), але частіше інших зустрічаються слідуючи: об’ємноцентрована кубічна, гранецентрована кубічна і гексагональна щільно упакована.

Об’ємноцентрована кубічна (ОЦК) решітка  має в елементарній комірці вісім іонів, розташованих у вершинах куба і один іон в його центрі. Характеризується ця решітка одним періодом – відстанню між центрами іонів, розташованих по одному ребру (період а ). Величина а для кожного металу має своє власне значення.

У гранецентрованій кубічній (ГЦК) решітці іони розташовані у вершинах куба і в центрі кожної грані. Центр куба залишається вільним. Кубічна гранецентрована решітка також характеризується одним періодом – довжиною ребра куба а. Цей тип решітки мають такі метали як мідь, нікель, алюміній, свинець, срібло, залізо при Т від 911оC до 1392оC та ін. У ГЦК кристалів К=12, h=0,74 і Б=4.

Період решітки металів, які кристалізуються у кубічній сингонії, знаходиться у межах (2,85 – 6,06)*10-10м.

Елементарна комірка гексагональної щільно упакованої (ГЩУ) решітки являє собою шестигранну призму. Іони розташовані у вершинах шестикутників і в їх центрах. У середині призми утворено правильний трикутник з іонами в вершинах.

Гексагональна щільно упакована решітка характеризується двома періодами решітки: стороною шестикутника а і довжиною ребра с. Найбільша щільність упаковки досягається при співвідношенні параметрів с/а=1,633 (наприклад, титан, кобальт, цинк та інші метали). У гексагональній системі а ≈(2,26 – 3,97)*10-10м і с ≈(3,56 – 6,51)*10-10м, К=12, h=0,74 і Б=6.

Питання №46

Маркування сталей і сплавів

Для обозначения марок стали и сплавов разработана система, принятая в стандартах. Обозначения состоят из небольшого числа цифр и букв, указывающих на примерный состав стали. Каждый легирующий элемент обозначается буквой: А - азот (буква А в конце марочного обозначения высококачественной стали указывает, что в стали ограничено содержание серы и фосфора (S и P<0,03% ), а также соблюдены все условия металлургического производства; буква А в начале марки означает - сталь автоматная); Б - ниобий; В - вольфрам; Г - марганец; Д - медь; К - кобальт; М - молибден; Н - никель; П - фосфор; Р - бор; С - кремний; Т - титан; Ф - ванадий; Х - хром; Ц - цирконий; Ч - редкоземельные металлы; Ю - алюминий.

Первые цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (у высокоуглеродистых инструментальных сталей в десятых долях процента). Цифры, следующие после буквы, указывают на примерное содержание данного легирующего элемента (при содержании элемента менее 1 % цифра отсутствует; при содержании около 1 % - цифра 1 и около 2 % - цифра 2 и т.д.).

      Так, марка стали 15ГС содержит С 0,12-0,18 %; Mn 0,9-1,3 %; Si 0,7-1,0 %.

Марка стали 03Х18Н11 содержит не более С 0,03 %; Cr 17-19 %; Ni 10,5-12,5%.

Марка стали 9Х1 содержит не более С 0,80-0,95 %; Cr 1,4-1,7 %.

Некоторые марки в начале обозначения имеют три нуля и минимальное содержание углерода не более 0,030%. Например марка 000Х18Н12.

Один или два нуля в марке перед буквенным обозначением означает, что для данного химического состава легирующих элементов содержится минимальное количество углерода. Например марка 00Х18Н10Т (03Х18Н10Т) содержит С 0,030%; 0Х18Н10Т (08Х18Н10Т) - С 0,08%.

Особо высококачественная сталь обозначается буквами Ш, ВД, ВИ, ПД и т.д. в конце наименования марки, где ВД обозначает, что сталь или сплав получен вакуумно-дуговым переплавом, Ш - электрошлаковым переплавом, ВИ - методом вакуумно-индукционной выплавки, ПД - плазменно-дуговым и т.д.

Наименование многих марок сплавов состоит только из буквенных обозначений элементов, расположенных, как правило, в порядке убывания количества их содержания в сплаве. Исключение составляет никель, после обозначения которого указываются цифры его среднего содержания в процентах и некоторых других элементов.

Сплавы (некоторые сплавы) маркируются цифрами в начале обозначения значением не менее 27, указывающее на количество основного или основного легирующего элемента, обозначенного следующей буквой, кроме хрома. (Цифры в начале обозначения перед буквой Х «хром» означают количество углерода). Далее идет буквенное обозначение.

Однако в ряде случаев для сокращения числа знаков в обозначении несколько отступают от точного соблюдения системы ГОСТов (особенно это относится к сложнолегированным сталям). Нестандартные стали обозначают самым различным образом. Так, опытные марки, выплавленные на заводе "Электросталь", обозначаются буквой И (исследовательские) и П (пробные) и порядковым номером, например, ЭИ179, ЭИ276, ЭП398 и т.д. Опытные марки, выплавленные на металлургическом заводе "Днепроспецсталь", обозначают ДИ 80, где Д - завод-изготовитель, И - исследовательская, 80 - порядковый номер, присвоенный марке стали.

В инструментальных сталях, имеющих углерода более 1 %, цифры, обозначающие его содержание, полностью опускают. Так, инструментальная сталь Х6ВФ содержит С 1,05-1,15 %; Cr 5,5-7,0 %, W 1,1-1,5 %; V 0,4-0,7%.

При маркировке электротехнических сталей (типа 1211, 1313, 2211 и т.д.) в обозначении марки цифры означают: первая - класс по структурному состоянию и виду прокатки; вторая - содержание кремния; третья - группу по основной нормируемой характеристике. Вместе первые три цифры в обозначении марки означают тип стали; четвертая - порядковый номер типа стали.

Для изготовления строительных стальных конструкций со сварными и другими соединениями применяются марки стали типа С235, С245, С255, С345, С590К и т.д. Буква С означает сталь строительная, цифры условно обозначают предел текучести проката, буква К - вариант химического состава. По требованию потребителя массовая доля меди в стали С345, С375, С390, С440 должна быть 0,15 - 0,30 %, при этом к обозначению стали добавляется буква Д, например, С345Д.

Для изготовления рельсов широкой колеи типов Р75 (цифра указывает на вес одного метра - 75кг.), Р65 и Р50 применяются стали марок М76 и М74, где буква М указывает способ выплавки (мартеновский), цифры - среднее содержание углерода в сотых долях процента. Рельсы узкой колеи типа Р33 изготавливаются из спокойной углеродистой стали. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на нормальные (категория Н), твердые (категория Т) и повышенной твердости (категория ПТ).

Прокат из стали повышенной прочности изготовляют классов прочности: 265, 295, 315, 325, 345, 355, 375, 390 и 440, где цифры обозначают предел текучести.

Для изготовления конструкций, работающих при низких температурах, применяется сталь марок ОН9, ОН9-Ш, ОН6Б, ОН3, ОН6 и т.д. Содержание углерода в них не более 0,1 %, цифра после буквы Н указывает содержание никеля в целых единицах (например, ОН9 содержит около 9 % никеля).

Углеродистые литейные стали маркируются числом, обозначающим среднее содержание углерода (в сотых долях процента), и буквой Л.

Одна марка может иметь не сильно отличный химический состав в зависимости от способа получения.

К марке стали с гарантией свариваемости добавляются буквы св в конце марки. (Например Ст3сп3 св)

Сварочная проволока обозначается буквами Св- в начале марки.