Вопросы для самоконтроля

№4 Химические свойства

1. Чем обусловлена высокая хим. стойкость ТМ VA-VIIIA групп по отношению к большинству газовых и жидких сред в обычных условиях (при t_комн)?

Малой хим.активностью. Они не взаимодействуют с компонентами воздуха, имеют высокую кор.стойкость при длительном пребывании в воде.

2. Какие вам известны общие особенности ТМ по хим.свойствам и коррозионной стойкости?

1) Металлы одной группы имеют близкие химические свойства. Это относится как к металлам VА группы –V, Nb, Ta, так и к металлам VIА группы – Cr, Mo, W.

2) Тугоплавкие переходные металлы могут изменять валентность в химических реакциях.

3) При переходе в пределах группы от металлов I-го большого периода к III-му (сверху вниз) в рядах V→Nb→Ta и Cr→Mo→W наблюдается уменьшение химической активности и увеличение коррозионной стойкости.

3. Какими свойствами обладают металлы одной группы VA – V, Nb, Ta и VIA – Cr, Mo, W и как изменяются эти свойства при переходе от первого периода к третьему, чем обусловлены эти изменения?

Тугоплавкие переходные металлы могут изменять валентность в химических реакциях. Однако производные высших валентностей всегда соответствуют номеру группы: для группы V – это 5 (Me₂O₅); для группы Cr – это (MeO₃), для группы Re – (Me₂О₇).

В пределах одной группы при переходе от первого большого периода к третьему наблюдается усиление тенденции к образованию производных высших валентностей. Например, Cr – элемент I большого периода в различных соединениях может менять валентность от 3-х до 6-ти (Cr₂O₃, CrO₃).

В то время для Mo и W характерные соединения, где эти металлы 6-ти валентны: MoO₃, WO₃.

4. Какой элемент среди ТМ VA и VIA групп обладает наиболее высокой кор.стойкостью и почему? В какой области промышленности он широко применяется?

Ta. Он обладает совершенной устойчивостью в минеральных кислотах всех концентраций при t_комн и при нагревании; для изготовления ответственных деталей химической аппаратуры.

5. Чем обусловлена высокая хим.активность металлов IVA-VIA групп в воздушной атмосфере при повышенных температурах?

При повышенных температурах химическая активность ТМ резко возрастает.

6. До каких рабочих температур можно эксплуатировать изделия металлов большой четверки на воздухе без защитных покрытий?

До 500 ℃

7. Каков механизм окисления Мо на воздухе без защитных покрытий?

Молибденовый лист, например, при 1200 - 1400°С окисляется насквозь за несколько минут. Следует отметить, что промышленные жаропрочные сплавы на основе молибдена имеют практически такое же низкое сопротивление окислению, как и нелегированный молибден.

Например, при нагреве на воздухе при 1300°С потеря массы за время 10 мин для жаропрочного молибденового сплава ВМ2 составляет 7,5 кг/м²

8. Каков механизм окисления ТМ IVA-VIA групп при высоких температурах?

1) Образование оксидной пленки в результате непосредственного взаимодействия металла с окислительной средой на поверхности, которая изолирует металл от непосредственного контакта с кислородом;

---

2) Взаимодействие кислорода с пленкой, через которую он и проникает вглубь металла, вызывая внутреннее окисление. Кинетика окисления на второй стадии во многом определяется физико-химическими свойствами оксидной пленки.

9. Каков механизм взаимодействия при контакте конструкционного ТМ с жидкими или газообразными щелочными металлами, как влияет примесь кислорода в щелочных металлах на кор.стойкость конструкций из ТМ?

1) растворение металла в расплаве, в том числе селективное компонентов сплава;

2) перенос массы вещества сплава при высокой скорости теплоносителя;

3) межкристаллитная коррозия.

Присутствие примеси кислорода в щелочном металле (выше 0,01%) резко повышает скорость коррозии. Считается, что ионы кислорода химически взаимодействуют с компонентами ТМ, в частности, с примесями на границах зерен, вызывая МКК.

11. Каков механизм взаимодействия металлов IV, VA групп с водородом?

Металлы IVA и VA групп активно взаимодействуют с водородом с образованием твердых растворов и гидридов.

Нагрев металлов VA группы даже кратковременный в водороде приводит к их резкому охрупчиванию из-за выделения гидридов по границам зерен. Водород растворяется в Nb и Ta обратимо. Нагрев гидрированных металлов в вакууме при 800-900°С и выше приводит к полному удалению водорода.

Металлы VIA группы и Re с водородом в твердом состоянии почти не взаимодействуют. Растворимость водорода в этих металлах ничтожно мала, гидриды неустойчивы.

Инертность этих металлов к водороду имеет важное практическое значение, т.к. позволяет проводить различные технологические нагревы в относительно дешевой водородной атмосфере.

12. Какие способы защиты ТМ от взаимодействия с газами воздуха существуют?

1) создание с помощью легирования специальных окалиностойких сплавов;

2) нанесение на изделие из ТМ окалиностойких ЗП.

2.1) плакирование более жаростойкими металлами и сплавами (хромирование, цинкование)

2.2) нанесение термодиффузионным путем многослойных покрытий, в состав которых входят Cr, Si, а также оксиды и силициды Al₂O₃, ThO₂,ZrO₂, MoSi₂ и др.

2.3) нанесение металлических покрытий электролитическим осаждением

2.4) металлизация напылением или погружением в расплавленный металл

13. Какова кор.стойкость ТМ в жидких щелочных и других легкоплавких металлах?

Высокая по отношению к другим конструкционным металлам, но только если теплоноситель хорошо очищен от кислорода.

№5 Механические свойства

1. Какие факторы определяют разную склонность ТМ VA и VIA групп к хладноломкости?

Величина Тхр широко используется для оценки склонности металла к хрупкому разрушению: чем выше Тхр, тем больше склонность металла к хрупкому разрушению.

2. Как влияют ЛЭ на склонность к хрупкому разрушению Cr, Mo и W?

Большинство легирующих элементов, образующие твердые растворы замещения, вызывают дополнительные искажения кристаллической решетки, затрудняют движение дислокаций, что вызывает повышение Т_хр и соответствующее снижение пластичности по сравнению с нелегированными ТМ.

---

3. Какая структура металлов VIA группы обеспечивают их минимальную склонность к хрупкому разрушению?

Полигонизованная структура, которая образуется в процессе дорекристаллизационного отжига. Снижение Тхр при возникновении такой структуры связывают с резким повышением эффективной площади поверхности границ (здесь роль границ выполняют стенки ячеек или субзерен). Это ведет к снижению удельного количества выделений избыточных фаз и сегрегаций примесей внедрения по границам – основной причины хрупко-вязкого разрушения металлов VIA гр. с ОЦК-решеткой.

4. Как влияют примеси внедрения на низкотемпературную хрупкость ТМ с ОЦК-решеткой?

увеличение концентрации примесей, растворяющихся в ОЦК металлах по способу внедрения (H, O, N, C и др.), вызывает повышение Тхр.

В состоянии высокой чистоты (при суммарном содержании примесей < 10-5-10-6%) ТМ пластичны вплоть до глубоких отрицательных температур.

Например:

Mo с повышенным содержанием примесей (0,02%О) имеет Т_хр=300°С

Mo технической чистоты (0,002%О) имеет Т_хр=+20°С

Mo, очищенный зонной плавкой, (≤0,0001%) имеет Т_хр≤-196°С

Однако в технических металлах их Тхр резко повышается.

5. Какие существуют методы количественной оценки показателя хладноломкости – температуры хрупковязкого перехода – Т_хр?

Определяют по температурной зависимости какого-либо показателя пластичности при механических испытаниях (δ, ψ, KCU, угол загиба при испытаниях на изгиб и др.) Берется средняя температура в интервале а-b, где резко меняется пластичность (ΔТ_хр). Иногда Тхр определяют по крайним точкам (а, b).

6. Какие факторы называют внешними и какие внутренними и как они влияют на температуру хрупко-вязкого перехода?

Внешние:

• условия испытаний: динамические или статические, схема напряженного состояния, скорость деформации.

• геометрия образцов

• состояние поверхности

Увеличение жесткости при механических испытаниях и увеличение скорости деформации приводит к повышению Т_хр.

Наиболее неблагоприятной для пластической деформации является схема всестороннего растяжения, наиболее благоприятной – всестороннего неравномерного сжатия.

Внутренние:

• концентрация примесей внедрения

• микроструктура

Увеличение концентрации примесей, растворяющихся в ОЦК металлах по способу внедрения (H, O, N, C и др.), вызывает повышение Т_хр.

7. Какова природа низкотемпературной хрупкости ТМ с ОЦК-решеткой?

Существенное разупрочнение нелегированных ТМ VА и VIА групп при относительно низких гомологических температурах обусловлено особенностями их ОЦК решеток. С повышением температуры облегчается поперечное скольжение винтовых дислокаций, уменьшаются силы трения решетки, обусловленные наличием примесей внедрения, растет число действующих систем скольжения.

Субструктура с гомогенным распределением дислокаций в ОЦК металлах формируется при низкотемпературной деформации с высокими скоростями. Она дает минимальную пластичность и максимальную Тхр.

---

8. Какие известны способы снижения хладноломкости ТМ с ОЦК-решеткой?

1. Снижение концентрации примесей внедрения различными технологическими способами: повышение степени вакуума и использование без-масляных вакуумных насосов в печах для плавки ТМ

2. Создание оптимальной структуры (в деформированном состоянии – полигонизованной, в рекристаллизованном – мелкозернистой без сплошных прослоек избыточных фаз на границах).

3. Использования монокристаллов (где это возможно) в качестве заготовок для изготовления деталей или последующей деформации.

4. Рациональное легирование с целью понижения Тхр.

9. Какие способы упрочнения чистых ТМ VA и VIA групп для работы при высоких температурах? Как изменяются характеристики прочности и удельной прочности у этих металлов при достижении рабочих температур?

Единственный способ упрочнения чистых металлов – это деформационное упрочнение.

ТМ VA и VIA Гр. при достижении рабочих температур разупрочняются более чем в 5-7 раз по сравнению с комнатной.

Cr по удельной прочности в диапазоне температур 400-800 ℃ превосходит другие ТМ, в диапазоне температур 800-1200 ℃ наибольшую удельную прочность имеет Mo и только выше 1300-1400 ℃ у самого тяжелого, но и самого тугоплавкого W по абсолютной и удельной прочности и жаропрочности нет конкурентов. Характерно, что тугоплавкий, но и очень тяжелый Та уступает по удельной прочности другим тугоплавким металлам во всем диапазоне рабочих температур.

Существенное разупрочнение нелегированных ТМ VА и VIА групп при относительно низких гомологических температурах обусловлено особенностями их ОЦК решеток. С повышением температуры облегчается поперечное скольжение винтовых дислокаций, уменьшаются силы трения решетки, обусловленные наличием примесей внедрения, растет число действующих систем скольжения.

10. Дайте определение жаропрочности металлических материалов

Жаропрочность – это способность материалов работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной деформации и разрушения.

11. Какие методы мех.испытаний используются для определения жаропрочности металлических материалов?

испытание на длительную прочность и ползучесть. проводятся по схеме одноосного растяжения.

12. Что такое длительная прочность? Расшифруйте запись (например, ) при испытаниях на длительную прочность.

Предел длительной прочности – это условные напряжения(), под действием которого материал разрушается при данной температуре(t) за заданный промежуток времени().

Предел длительной прочности обозначается буквой() с двумя индексами: верхний – температура(t,С) испытания, нижний – время(, часы) до разрушения.

13. Что такое ползучесть? Дайте определение ползучести при испытаниях металлических материалов. Расшифруйте запись (например, ).

---

Ползучесть – самопроизвольная пластическая деформация образца во времени при постоянной температуре и при постоянном приложенном напряжении. Проявляется при T=0,4 Т_плав (К), напряжение предела ттекучести.

Ползучестью называют явление непрерывной деформации под действием постоянного напряжения при повышенной температуре.

Основной целью стандартных испытаний на ползучесть при растяжении является определение явления ползучести.

Существует два ограничения для критерия ползучести:

1. Ограничения по скорости(V(%/ч)) на установившейся стадии ползучести

В этом случае предел ползучести – это условное напряжение, при котором скорость ползучести достигает определённой величины. Предел ползучести обозначается буквой  с двумя индексами: нижний соответствует заданной скорости ползучести(V(%/ч)), верхний – температура испытания

2. Ограничение по деформации ползучести

В этом случае предел ползучести обозначается буквой  с тремя индексами: верхний определяет температуру испытания(t_исп), два нижних – деформацию () и время ():

Расшифровка записи: предел ползучести 100 МПа при 800℃, когда деформация ε = 1% достигается за 1000 ч.

14. Что такое длительная жаропрочность и как определяется? В каких случаях ее определение является обязательным?

№6 Принципы легирования

1. Какой существует способ упрочнения нелегированных ТМ с целью создания жаропрочных материалов?

Деформационное упрочнение

2. Как сильно разупрочняются металлы VA и VIA групп при достижении рабочих температур?

ТМ с ОЦК решёткой при достижении рабочих температур разупрочняются более чем в 5-7 раз по сравнению с Т_комн. Разупрочнение нелегированных ТМ VА и VIА групп обусловлено особенностями их ОЦК решеток. С повышением температуры облегчается поперечное скольжение винтовых дислокаций, уменьшаются силы трения решетки, обусловленные наличием примесей внедрения.

3. Назовите примерный диапазон рабочих температур для металлов VA и VIA групп. Как он изменяется при расчете жаропрочности на характеристиках удельной прочности?

По характеристикам удельной прочности из-за разной плотности металлы VА и VI А групп в определенном диапазоне температур меняются местами по сравнению с пределом прочности и 100-часой прочностью.

• Cr по удельной прочности в диапазоне температур 400-800С превосходит другие ТМ

• При 800-1200С наибольшую удельную прочность имеет Mo

• Выше 1300-1400С у W по абсолютной и удельной прочности и жаропрочности нет конкурентов

• Та уступает по удельной прочности другим ТМ во всем диапазоне рабочих температур.

4. Как создаются жаропрочные сплавы на основе ТМ VA и VIA групп с использованием метода твердорастворного упрочнения? Каковы достоинства и недостатки этих материалов? Какова роль диаграмм состояния при создании таких сплавов?

---

Смотрите также файлы

• Практическая работа №1.docx

• Практическая работа №2.docx

• Практическая работа №3 Физ.св-ва.docx

• Практическая работа №4 Хим.св-ва.docx

• Практическая работа №5 Мех.св-ва.docx