Контрольная работа по «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Металлический магний был  впервые получен в 1828 г. А. Бюсси. Основной способ получения магния - электролиз расплавленного карналлита или MgCl2. Металлический магний имеет  важное значение для народного хозяйства. Он используется при изготовлении сверхлегких сплавов для авиационной и ракетной техники, как легирующий компонент в алюминиевых сплавах, как восстановитель при магниетермическом получении металлов (титана, циркония и т.п.), в производстве высокопрочного “магниевого” чугуна со включенным графитом. Другие соединения магния - окись, карбонат, сульфат и т.п. - совершенно необходимы при изготовлении огнеупорных материалов, цементов и прочих строительных материалов.

Магний кристаллизуется  в гексагональную плотноупакованную решетку, на каждой ячейке которой - по 6 атомов, из них 3 - в вершинах и в центре базисных граней, а 3 - в центрах трех тригональных призм. Занятые и свободные призмы чередуются.

Судьбу магния как  конструкционного материала решила авиационная техника. Магний отличается мало плотностью; он в 1,6 раза легче алюминия, что обеспечивает высокую удельную прочность магнитных сплавов. Магниевые сплавы хорошо поглощают механические вибрации, что так же имеет важное значение при их применении в авиации, ракетной технике транспорте.

Вместе с тем магний и его сплавы обладают рядом недостатков. Они достаточно уступают алюминию по пластичности, технологичности, особенно при температурах ближе к комнатным  и ниже ее. Модуль нормальной упругости магния невысок, он примерно в 1.5 раза меньше, чем у алюминия, и почти в 5 раз меньше. Чем у стали.

Коррозийная стойкость  магния и его сплавов также  ниже по сравнению с алюминием  и сплавами на его основе. При  высоких температурах магний активно  взаимодействует с газами. В частности с кислородом. Поэтому при извлечении магний из руд, плавке и горячей обработке давлением встречаются существенные трудности. Вследствие этого магний производят и применяют в меньших масштабах, чем можно ожидать от его распространенности в природе.

По распространению  в природе(2,4% массы земной коры) магний среди конструкционных металлов занимает третье место после алюминия(7,5%) и железа (5,1%).

Общие сведения

Магний относиться ко второй группе периодической системе  Д.И. Менделеева. Атомная масса его 24,32; магний - щелочноземельный металл.

Атомный радиус,	1,6
Радиус иона Mg2+,	0,74
Энергия ионизации, эв, для Mg0 Mg+	7,64
для Mg+ Mg2+	15,03
Плотность (20 oC), г/см3	1,739
Температура плавления., oC	651
Температура кипения, oC	1107
Теплота плавления, кал/г-атом	2100
Теплота испарения, кал/г-атом	31000
Теплота возгонки (при 25 oC), кал/г-атом	35000
Удельная теплоемкость (20 oC), кал/г-град	0,248
Теплопроводность (20 oC), кал/смсек. град	0,37
Удельное электрическое сопротивление, Омсм	4,510-6
Поперечное сечение  захвата тепловых электронов, барн	0,059
Электропроводность (Hg=1)	22

Магний плавиться при 650°С и кипит при 1107°С, полиморфных  модификаций не имеет и во всем интервале температура ниже точки плавления сохраняет гексагональную плотноупакованную структуру с соотношением осей с/а, почти равному теоретическому значению (1,62354). Размеры атома магния, достаточно велики. Его атомные диметр, приведенный к координатному числу 12, равен 0,320нм. Плотность магния 1,74г/см3 при 20°С.Удельная теплоемкость магния примерно такая же как и у алюминия (у магния 1,03 кДж/(кг*С°) , у алюминия 0,90 кДж/(кг*С°) при 20°С), а скрытая теплота плавления в 2 раза меньше. Теплопроводность магния в полтора раза меньше чем у алюминия, но больше чем у стали. Термические коэффициенты линейного расширения магния и алюминия примерно одинаковы. Электросопротивление магния почти в 2 раза больше чем у алюминия. Магний парамагнитный металл.

Магний незначительно  захватывает тепловые нейроны. Сечение захвата нейтронов для магния равно 0,059*10-24 см2.

Модуль Юнга и сдвига магния невелики и составляют всего 45 и 17 ГПа соответственно. Однако значение этих характеристик, отнесенные к плотности, почти так же как и алюминия. Модуль упругости магния обнаруживают заметную анизотропию. Магний при низких температурах обладает невысокой пластичностью, поскольку у него гексагональная плотноупакованная структура с соотношением осей близки к идеальному значению (1,633).Сдвиг в нем при низких температурах, в том числе и комнатной, происходит лишь по базису (0001). При нагреве 200-300°С в магнии проявляются дополнительные плоскости скольжения {1011} и {1120} в результате чего пластичность сильно возрастает.

Во всех случаях скольжения осуществляется в направлениях <1120>. Пластическая деформация происходит не только скольжением, но и двойникованием по плоскостям {1012}. Основные плоскости и направления скольжения в магнии, характерны и для других гексагональных металлов. Прочностные свойства магния при комнатной температуре (ув=180 МПа) выше, чем у алюминия (ув=70Мпа).

Магний химически активный металл. Свежая поверхность металла  имеет серебристо- белый цвет, но она быстро тускнеет из - за окисления  магния на воздухе с образованием окисной пленки из MgO.При низких температурах окисная пленка амфотерна, но при нагреве выше 200°С приобретает кристаллическое строение. При температурах ниже 450°С, толщина окисной пленки невелика, но сравнительна плотная и обладает определенными защитными свойствами против окисления. При более высоких температурах резко возрастает скорость окисления магния, окисная пленка становиться рыхлой, пористой, вследствие чего облегчается доступ кислорода к поверхности металла. При нагреве на воздухе до температуры выше 632°С магний воспламеняется и горит, излучая ослепительно яркий свет. Таким образом, окисная пленка на магнии не обладает достаточно защитными свойствами. Это связанно с тем, что плотность MgO (3,15 г/см2) значительно больше, чем магния.

Взаимодействие магния с легирующими элементами и примесями

Магний в таблице  Д.И. Менделеева занимает промежуточное  положение между щелочами и типичными  переходными металлами. Он не смешивается  в жидком состоянии, с одной стороны, со многими щелочными (Na,K,Rb,Cs) а с  другой стороны, со многими тугоплавкими металлами (V,Nb,Fe,Ta,Mo,W). Указанные металлы практически не растворяются в твердом магнии.

Хотя и щелочноземельные структуры и щелочные металлы  находятся в соседних группах  периодической системы, у них  сильно различаются размеры атомов, температура плавления, поверхность натяжения. Так в частности, атомный диаметр магния равен 0,379 нм, а калия 0,463 нм.ОТ тугоплавких металлов магний отличается значительно более низкой температурой плавления и большими размерами атома.

Некоторые переходные металлы (Mn, TI, Zr) частично растворяются и не только в жидком, но и в твердом магнии, хотя и не в больших количествах. Эти переходные элементы дают с магнием диаграммы состояния перитектического типа.

Магний образует непрерывные  твердые растворы лишь с одним элементом - кадием, с которым у него одинаковые кристаллические решетки, близкие атомные диаметры, температуры плавления электрохимические свойства.

Магний не смешивается  даже в жидком состоянии с бериллием, элементом той же группы, что и  он сам. В то же время у элемента первой группы системы Д.И.Менделеева лития, наоборот, растворимость магния достигает 5,7%.

Магний в литии растворяется еще больших количествах.

В указанных закономерностях  находят отражение так называемые диагональные свойства элементов первых групп системы Д.И.Менделеева. Так, например, алюминий имеет большее физико-химическое сходство с бериллием. Атомные диаметры магния и лития различаются на 4,7%, а магния и бериллия на 30,4%; поверхность натяжения магния в 1,45 раза больше, чем у лития и в 1,9 раза меньше чем у бериллия.

Одновалентные металлы  подгруппы IB (Cu,Ag,Au) полностью смешиваются  с магнием и в жидком состоянии. Серебро к тому же обладает значительной растворимостью и в твердом магнии [15,5% (по массе) или 4% (ат) при 471°С]. В этих системах образуется с магнием по эвтектической реакции.

Двухвалентные металлы  подгруппы IIA (Ca,Sr,BA) практически не растворяются в твердом магнии, но в жидком состоянии смешиваются полностью. В этих системах так же образуется интерметаллиды, которые взаимодействуют с магнием по эвтектическим реакциям.

Хорошо растворяются в магнии соединения с ним по периодической  таблице металлы, такие как алюминий, индий, галлий, цинк. Так, например, в  магнии при температуре нонвариантного равновесия растворяется 12,6% ( по массе) Al, 8,4% (по массе) Zn.

Заметной растворимостью в твердом магнии обладает иттрий, торий, церий, неоим, образующие с магнием  эвтектические системы с растворимостью при температуре плавления эвтектики 2-5% (по массе).

Магний с элементами IVB группы образуют редкую группу интерметаллидов, которые подчиняются правилу валентности (Mg2Si,Mg2Ge,Mg2Sn,Mg2Pb). Электронных соединений с магнием известно немного (MgAg,MgAu).

Влияние легирующих элементов  на механические свойства магния

При выборе легирующий элементов прежде всего необходимо учитывать их влияние на механические свойства магния. К числу упрочнителей магния относиться иттрий, кремний, алюминий, цинк. Ранее считалось, что марганец слабо влияет на временное сопротивление разрыву магния. Это заключение оказалось справедливым лишь для литых сплавов; в деформированы материалах марганец не менее сильно упрочняет магний, чем алюминий, цинк, иттрий. В области малой концентраций довольно сильно упрочнение оказал кандий до4%, в затем существенно его разупрочняет.

По влиянию на пластичность магния легирующие элементы можно разбить  на 2 группы:

А) элементы, уменьшающие  пластичность (Марганец, кремний)

Б) элементы, повышающие пластичность магний при их введении, до определенной концентрации (литий, цинк, алюминий, скандий, церий)

Алюминий и цинк - наиболее распространенные легирующие элементы и в магниевых сплавов общего назначения, поскольку они значительно  более доступны и менее дороги, чем остальные. К сожалению, упрочняющие  действия алюминия и цинка сохраняется лишь до температуры 150-200°С.

При 150-200°С наиболее сильно повышается жаропрочные свойств  магния неодим и в несколько меньшей  степени торий.

При 250-300°С, наоборот, торий  обеспечивает более высокую твердость, чем неодим. При высоких температурах торий как легирующий элемент, обеспечивающий жаропрочность, не имеет конкурентов.

Необходимые механические свойства магниевых сплавов достигается  не только растворным упрочнением, но и формирование оптимальных многофазных  структур, также механическими, термическими и термомеханическим воздействием. Максимальная прочность магниевых сплав при комнатной температуре отмечена при концентрациях легирующих элементов, близкий к пределу насыщения твердых растворов при температурах их максимальной растворимости. В сплавах магния растворимость большинства легирующих элементов в твердом растворе резко уменьшается с понижением температуры, что создает предпосылки их упрочнения закалкой и старением. Эффект старения в общем растет с увеличением разницы в растворимости легирующих элементов при высоких и низких температурах, хотя четкой корреляции между этими параметрами нет из за разно упрочняющего действия выделяющихся при старении фаз.

Для высокой жаропрочности  важно, чтобы интерметаллидные дисперсные фазы слабо разупрочнялись с повышением температуры, медленно коагулировали. Фазы, которые образуют магний с соединениями с ним по таблице Д.И. Менделеева элементами, обычно нежаропрочные. Действительно, такие фазы, как Mg4Al3,MgZn,Mg2Ca, при нагреве до 3000°С теряют более 70-90% исходной твердости. Фазы, которые магний образует с переходными и редкоземельными элементами, как правило, жаропрочны. Наиболее жаропрочны фазы Mg4Th,Mg9Ce и Mn, которые при нагреве до 300°С теряют менее 50% исходной твердости. Интерметаллид Mg9Nd занимает промежуточное положение между указанными двумя группами фаз.

Наиболее перспективными легирующими элементами жаропрочных  магниевых сплавов считают церий, неодим, марганец, скандий и иттрий. За рубежом распространены так же сплавы, легированные торием, но в нашей стране эти сплавы не применяют в связи с радиоактивностью тория.

Термическая обработка  магниевых сплавов

Термическая обработка  магниевых и алюминиевых сплавов  имеет много общего, что объясняет  отсутствие в них полиморфных  превращений.

Магниевые сплавы, как и алюминиевые, подвергаются гомогенизация для повышения технологичности при горячей обработке давлением. При литье магниевых сплавов происходит ликвация легирующих элементов, понижающая технологичность слитков.

Гомогенизацию деформируемых магниевых сплавов часто совмещают с их нагревом под обработку явлением. Нагрев металла при такой совмещенной операции бывает достаточно длительным, но меньшим, чем при гомогенизации, и большим, чем при нагреве под обработку давлением.

Магниевые сплавы подвергают также рекристаллизационному отжигу. Температура начала рекристаллизации чистого маний равна примерно 150°С, магниевых сплавов 150-300°С. Поэтому магниевые сплавы обычно отжигают при температурах 250-350°С.При более высоких температурах происходит прост зерна, ухудшающие механические свойства магниевых сплавов.

Рекристаллизациооный  отжиг понижает прочность магниевых  сплавов, но повышает их пластичность и существенно уменьшает различие в свойствах полуфабрикатов вдоль  и поперек волокна.

Деформируемые полуфабрикаты из магниевых сплавов отживают так же для уменьшения остаточных напряжений. Эту обработку проводят при более низких температурах, чем рекристаллизационный отжиг, сразу же после технологической обработки, создающее остаточное напряжение. При длительном действии остаточного напряжения может произойти нежелательное коробление изделия.

Магниевые сплавы так  же подвергаются закалке и старению. Эти виды термической обработке  магниевых сплавов отличаются рядом  особенностей, которые обусловлены, прежде всего, небольшой скоростью распада перенасыщенных твердых растворов. Перенасыщенные растворы на основе магнии, за исключением сплавов магния с редкоземеотными металлами, фиксируются при сравнительно небольших скоростях охлаждения. Поэтому магниевые сплавы обычно закаливаются на воздухе и иногда в кипящей воде. Естественного старения в магниевых сплавах не происходит, т.е. выдержка закаленных сплавов при комнатной температуре не вызывает никаких изменений структуры и свойств. Исключение составляет сплавы на основе системы магний-литий.

После закалки сплавы подвергаются искусственному старению. Эффект упрочнения при этом старении магниевых сплавов систем Mg-Al и Mg-Al-Zn сравнительно невелик (25-30%), а сплавов  систем сравнительно невелик (25-30%), а  сплавов систем Mg-Nd и Mg-Nd-Mn-Ni, наоборот весьма значителен.