1. Опишите явление полиморфизма в приложении к железу. Какое практическое значение оно имеет?

С изменением температуры параметры решеток могут изменяться. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах, называют аллотропией или полиморфизмом.
Перестройка кристаллических решеток при критических температурах, называется полиморфным превращением.
Аллотропические формы, в которые кристаллизуется металл, называется модификацией.
Полиморфизм распространен среди многих металлов и имеет большое значение для техники, так как оказывает влияние на поведение металлов и сплавов при их нагреве и охлаждении во время термической обработки и при эксплуатации деталей в машинах.
Полиморфные модификации, происходящие при самых низких температурах, обозначают символом α, при более высоких — символом β, при еще более высоких — символом γ и т. д.
Физическая суть полиморфного превращения заключается в том, что кристаллическое вещество при разных температурах переходит в состояние с меньшим запасом свободной энергии.
Переход металла из одной аллотропической модификации в другую сопровождается выделением теплоты при охлаждении металла и поглощением теплоты при его нагреве, а внешняя температура остается постоянной.
Полиморфные превращения сопряжены с изменением компактности кристаллической решетки и изменением объема вещества.
Рассмотрим полиморфизм на примере железа.
Железо, как и любой металл, имеет кристаллическое строение, то есть атомы железа расположены в пространстве в определенном порядке. При этом можно выделить группу атомов, которая повторяется в любом направлении, то есть элементарную ячейку кристаллической решетки.
Особенностью железа является тот факт, что при разных температурах оно имеет различную форму кристаллической решетки. При температуре ниже 911°С атомы располагаются в форме объемоцентрированной кубической решетки (ОЦК). Они образуют куб, внутри которого вмещается еще один атом железа (рис.1.1).

Рис.1.1 – Объемоцентрированный куб (ОЦК).
При повышении температуры до 1392°С происходит перестройка кристаллической решетки. И теперь она уже имеет структуру ГЦК, то есть гранецентрированный куб.
Здесь уже атомы железа не только образуют вершины куба, но и «втискиваются» между этими вершинами, раздвигая их и увеличивая тем самым размер элементарной кристаллической решетки. Между тем пространство внутри «кубика» остается пустым (рис.1.2).

Рис.1.2 – Гранецентрированная кубическая решетка.
Кстати, благодаря этому в ГЦК-форме железо обретает способность к повышенному растворению в себе других элементов, в том числе углерода, атом которого относительно невелик и без особого труда может поместиться внутри кубической «клетки».
Для железа характерен полиморфизм, оно имеет четыре кристаллические модификации:
— до 769 °C существует в α-модификации (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика;
— в температурном интервале 769—911 °C существует β-модификация, которая отличается от α-Fe только параметрами объёмоцентрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика;
— в температурном интервале 911—1392 °C существует γ-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой;
— выше 1392 °C устойчиво δ-Fe с объёмоцентрированной кубической решёткой.
Металловедение не выделяет β-Fe как отдельную фазу, и рассматривает её как разновидность α-модификации железа. При нагреве железа выше точки Кюри (769 °C ≈ 1043 K) тепловое движение ионов расстраивает ориентацию спиновых магнитных моментов электронов, ферромагнетик становится парамагнетиком — происходит фазовый переход второго рода, но фазового перехода первого рода с изменением основных физических параметров кристаллов не происходит.
Полиморфизм — это исключительное явление, присущее только твёрдому агрегатному состоянию вещества, в частности, веществам кристаллической структуры. Суть этого явления заключается в том, что под влиянием тех или иных процессов некоторые вещества способны изменять свою кристаллическую форму при сохранении химической природы, т.е. химического состава и молекулярного строения.
2. Что такое временное сопротивление разрыву (σв)? Как определяется эта характеристика механических свойств металла?

Любой металл, а также дерево или пластмасса, находящийся под воздействием каких-либо нагрузок, не способен бесконечно их испытывать. Деформации и разрушения, происходящие под действием всевозможных неблагоприятных сред и различных условий эксплуатации, должны учитываться. Сила, производящая разрыв материала, называется разрушающей нагрузкой, а отношение этой нагрузки к площади поперечного сечения материала в момент разрушения, называется временным сопротивлением на разрыв.
σв – временное сопротивление или предел прочности.
Предел прочности – это максимальное механическое напряжение, выше которого происходит механическое разрушение материала, подвергаемого деформации. Предел прочности при растяжении обозначается σв и измеряется в килограммах силы на сантиметр квадратный (кгс/см2) или в мегапаскалях (Мпа). Определяется формулой:
σв=FA ,
где F — сила разрушающая, кгс/см2;
А – площадь поперечного сечения, испытывающее нагрузку, см2.
Также предел прочности можно определить экспериментальным путем – по условной диаграмме напряжений. Определяется как наивысшая точка диаграммы.

Рис.2.1 – Диаграмма напряжений.

Различают:
— предел прочности на растяжение,
— предел прочности на сжатие,
— предел прочности на изгиб,
— предел прочности на кручение.
И все-таки, понятия предел прочности и временное сопротивление разрыву не являются тождественными. Предел прочности относится к случаю, когда образец разрушается без образования шейки, что характерно для хрупких материалов. Временное сопротивление разрыву относится к пластичным материалам.
3. Вычертите диаграмму состояния железо — карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,7% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Fe3C – карбит железа или цементит (Ц), с содержанием углерода 6,67%. Это однофазная структура, химическое соединение.
Феррит (Ф) — это твердый раствор углерода в α-модификации железа, с максимальной растворимостью углерода при t = 727°C. Однофазная структура.
Аустенит (А) – это это твердый раствор углерода в γ-модификации железа, с максимальной растворимостью углерода при t = 1147°C. Однофазная структура.
Расплав жидкий (Ж) – однофазная структура.
Графит – это модификация углерода, однофазная структура.
При температуре 1147°C образуется эвтектическая смесь Аустенита и Цементита, называемая Ледебурит (Л). При температуре ниже 727°C Ледебурит состоит из Перлита и Цементита.
Перлит – это эвтектоидная смесь Феррита и Цементита, образуется при температуре 727°C.
Линия ABCD – ликвидус, линия начала кристаллизации. Выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии.
МО – линия магнитного превращения.
По линии ES – Цементит II растворяется в Аустените при нагреве, а при охлаждении – выделяется из Аустенита. Происходит полиморфное превращение, то есть изменение кристаллической решетки.
По линии NJ – происходит полиморфное превращение.
Линия АНNJECF – солидус – это линия конца кристаллизации, ниже этой линии сплав находится в твердом состоянии.
Для построения кривой охлаждения на диаграмме проводим вертикальную линию при концентрации углерода равной 0,7%, точки пересечения которой с линиями диаграммы, будут соответствовать точкам перегибов на линии охлаждения (рис.3.1).
Содержание углерода в количестве 0,7% соответствует доэвтектоидной стали.
До температуры T1 сплав находится в жидком состоянии, но при температуре Т1 из расплава начинают выделяться первые кристаллы Аустенита.
При температуре Т2 сплав представляет собой структуру Аустенита.
При температуре Т3 соответствующей полиморфному превращению, происходит перестроение кристаллической решетки и строение сплава соответствует структуре Феррит + Аустенит.
При эвтектоидной температуре Т4 Аустенит превращается в эвтектоидную смесь Перлит.
При дальнейшем понижении температуры структура сплава соответствует механической смеси Феррит + Перлит.
Под микроскопом такая смесь выглядит в виде светлых полигональных зерен. Соотношение светлых и темных зерен в доэвтектоидных сталях зависит от концентрации углерода. Чем выше, тем меньшая площадь в поле зрения микроструктуры будет находиться на долю Феррита.
4. Фенолоформальдегидные слоистые пластики (полиэтилен и винипласт). Их свойства и область применения в машиностроении.

Винипласт — непрозрачный термопластичный материал без запаха, который не горит и хорошо поддается разным способам обработки на простых станках. Он хорошо сваривается при помощи сварочного прутка и легко склеивается любым видом клея, приготовленным на основе перхлорвинила или поливинилхлорида; полученные прочные соединения с легкостью поддаются последующей механической обработке. Винипласт приклеивается к деревянным, бетонным и металлическим поверхностям. Это прекрасный диэлектрик. Винипласт имеет высокую химическую стойкость и в промышленности используется для транспортировки и хранения агрессивных газов и жидкостей, для обеспечения защиты металлической аппаратуры (электролизных ванн), для производства воздуховодов, вентиляторов, лабораторной и химической аппаратуры. Винипласт, благодаря своим высоким физическим свойствам, является конструкционным материалом, который широко применяется в строительстве (стеклопакеты, трубы, фитинги, погонаж и др.) и машиностроении. Винипласт не растворяется в этиловом, метиловом спирте, глицерине, высших и алифатических многочисленных алкоголях, растительных и смазочных маслах, алифотических углеводородах.
Полиэтилен – это пластичный материал, который имеет хорошие диэлектрические свойства и небольшую поглотительную способность. Он физиологически нейтрален, ударостоек, не ломается и не имеет запаха. Обладает низкой газопроницаемостью и паропроницаемостью. Полиэтилен не реагирует со всеми щелочами, растворами каких бы то ни было солей, концентрированной плавиковой и соляной кислотами. Материал устойчив к бензину, алкоголю, маслу, овощным сокам, воде. В органических растворителях не растворим, но может ограниченно в них набухать. Разрушающее действие на полиэтилен оказывают 50% азотная кислота, а также жидкие и газообразные галогены фтор и хлор.
В атмосфере инертного газа и при нагревании в вакууме полиэтилен весьма стоек, но на воздухе при нагревании он может деструктироваться уже при температуре 80°С. К низким температурам до –70 °С устойчив. Солнечная радиация и ультрафиолетовые лучи подвергают полиэтилен фотодеструкции, поэтому в качестве стабилизаторов используются производные бензофенов и сажа. Полиэтилен практически безвреден, так как опасные для здоровья людей вещества в окружающую среду не выделяются.
Переработка полиэтилена происходит легко и всеми методами переработки пластмасс. Очень легко модифицируется. Придать ему свойства каучука, улучшить химическую стойкость и теплостойкость можно с помощью хлорирования, фторирования, бромирования и сульфирования. Повысить эластичность, прозрачность, стойкость к растрескиванию и адгезионные характеристики можно посредством сополимеризации с полярными мономерами и другими олефинами. Для улучшения ударной вязкости и других физических свойств полиэтилен смешивают с сополимерами и другими полимерами.
Физические, эксплуатационные и химические свойства полиэтиленов зависят от молекулярной массы и плотности полимеров, поэтому отличаются друг от друга. Например, полиэтилен высокого давления (ПЭВД) значительно мягче, чем полиэтилен низкого давления (ПЭНД), у которого более плотные и жесткие пленки. Прочность при сжатии и растяжении у ПЭНД выше, а сопротивление удара и раздирания, а также проницаемость ниже, чем у ПЭВД.
Винипласт в машиностроении – это корпуса и сепараторы для аккумуляторных батарей, вентили, клапаны фитинги для трубопроводов, детали насосов и др.
Полиэтилен применяется в качестве электроизоляционного материала в электротехнике и радиоэлектронике, в кабельной промышленности, в строительстве, в качестве антикоррозионных покрытий и т. д. Полиэтилен всех марок является физиологически безвредным, поэтому получил широкое применение в производстве товаров народного потребления.
Основные области применения пластмасс в машиностроении:
Виды деталей, узлов машин и технологической оснастки и пригодные для их изготовления полимерные материалы: ролики, катки, бегуны, подшипники скольжения, трубы, детали арматуры, фильтры масляных и водных систем, рабочие органы вентиляторов, насосов и гидромашин, уплотнения, кожухи, корпуса, крышки, детали приборов и автоматов точной механики, болты, гайки, шайбы, электроизоляционные детали, панели, щитки, корпуса приборов.

1 Опишите явление полиморфизма в приложении к железу Какое практическое значение оно имеет