Задача Типы кристаллов
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-29Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………...3
Вопрос 1. Типы кристаллов в зависимости от образующих химических
связей, их механические свойства…………………………………4
Вопрос 13. Кристаллизация как фазовый переход; необходимые
практически условия кристаллизации……………………………6
Вопрос 25. Понятие о сплавах их роли в технике……………………………8
Вопрос 37. Понятие о деформации и причинах, ее вызывающих. Роль
концентраторов напряжений……………………………………..9
Вопрос 49. Полиморфизм железа – термограмма, критические температуры
и свойства модификаций………………………………………..10
Вопрос 61. Суть, назначение и определяющие условия процессов термооб-
работки…………………………………………………………....12
Вопрос 72. Технология и выбор режима закалки…………………………...13
Вопрос 82. Полимерные материалы, их классификация……………………14
Вопрос 95. Основные материалы в горном деле…………………………….15
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………..16
ВЕДЕНИЕ
Материаловедение – наука, изучающая связь между строением (структурой) и свойствами материала, а также их изменения при внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом).
Материаловедение позволяет правильно выбрать материал и технологию его переработки для обеспечения эксплуатации изделия в течение заданного времени.
Материаловедение условно разделяют на теоретическое и прикладное. Теоретическое рассматривает общие закономерности строения материалов и процессов, происходящих в них при внешних воздействиях. Она базируется на достижениях естественных наук (физики, химии, механики), от развития которых зависят использование материалов в технике и эффективность методов переработки их в изделия.
Задача прикладного материаловедения – определить оптимальные структуры и технологии переработки материалов при изготовлении конструкций, деталей машин и других технических изделий.
Вопрос 1. Типы кристаллов в зависимости от образующих химических связей, их механические свойства
Природа сил, удерживающих ионы, атомы или молекулы в определенных местах кристаллической решетки, определяет строение кристалла и его свойства. Характер связи, возникающий между элементарным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Элементарные частицы в кристалле сближаются на определенное расстояние, которое обеспечивает кристаллу наибольшую термодинамическую стабильность. Расстояние, на которое сближаются частицы, определяются взаимодействием сил, действующих в кристалле. Силы притяжения возникают благодаря взаимодействию электронов с положительно заряженным ядром собственного атома, а так же с положительно заряженными ядрами соседних атомов. Силы отталкивания возникает в результате взаимодействия положительно заряженных ядер соседних атомов при их сближении.
Все кристаллы по характеру по характеру превалирующей связи подразделяют на молекулярные и ионные:
· Молекулярные кристаллы – это кристаллы, в которых преобладает связь Ван – дер – Ваальса, такая связь возникает между любыми элементарными (ионами, атомами, молекулами), но для многих кристаллов она мала по сравнению с другими более значительными силами. К этому типу кристаллов относятся: инертные газы, Н2, N2, Cl2, I2, H2O, CO2, CH4. Энергия связи сил Ван – дер – Ваальса невелика, поэтому молекулярные кристаллы имеют низкие температуры плавления и испарения. Молекулярные кристаллы – диэлектрики, так как кристалл построен из электрически нейтральных атомов (молекул), кристаллы прозрачны для электромагнитного излучения;
· Ковалентные кристаллы – это кристаллы, в которых преобладает ковалентный тип связи, их образуют элементы IV, V, VI, VII подгруппы В. В этих элементах преобладают неметаллические свойства, они электроотрицательны, вступая во взаимодействие с элементами других групп, атомы склонны отбирать валентные электроны, достраивая свою валентную зону. Ковалентная связь характеризуется направленностью. Вследствие этого атомы в ковалентных кристаллах укладываются не компактно и образуют кристаллические структуры с небольшим координационным числом. Направленность межатомных связей и неплотно упакованные кристаллические структуры приводят к низкой пластичности, но высокой твердости (алмаз – самый твердый материал). Температурный коэффициент электросопротивления у ковалентных кристаллов имеет отрицательное значение, т.е. при нагреве сопротивление снижается. К ковалентным кристаллам относятся многие сложные кристаллические вещества, состоящие из разнородных атомов: карбид кремния SiC, нитрид алюминия AlN3;
· Металлические кристаллы – это кристаллы, в которых преобладает металлический тип связи, их образуют элементы всех подгрупп А и I, II, III подгруппы В, в которых преобладают металлические свойства. Металлическая связь в отличие от остальных типов связи ненаправленная, поэтому каждый атом стремится притянуть к себе как можно больше соседних атомов. Следствием этого является высокая координационное число и большая компактность кристаллических структур металлов. В следствие ненаправленности металлической связи и образования плотноупакованных структур металлические кристаллы более пластичны и менее тверды, чем ковалентные кристаллы. Хорошая электропроводность обеспечивается наличием свободных подуровней в валентной электрической зоне. Температурный режим электросопротивления у металлических кристаллов имеет положительное значение, то есть электоросопротивление при нагреве растет. Металлы в отличие от молекулярных кристаллов не прозрачны для электромагнитных волн от самых низких частот до середины ультрафиолетовой области спектра. Металлические кристаллы не только не прозрачны, но и хорошо отражают излучения, то есть обладают блеском;
· Ионные кристаллы – при образовании сложных кристаллов, состоящих из элементов различной валентности, возможно образование атомов и перекрытии валентных энергетических зон между элементами происходит перераспределение электронов. Электроположительный элемент теряет валентные электроны, превращаясь в положительный ион, а электроотрицательный – приобретает его, достраивая свою валентную зону до устойчивой конфигурации. В узлах ионного кристалла располагаются ионы. Типичный представитель – NaCl. По величине энергия связи ионного кристалла близка к энергии связи ковалентных кристаллов. Обе энергии больше энергии связи металлических и тем более молекулярных кристаллов, поэтому ионные кристаллы имеют высокую температуру плавления и испарения, высокий модуль упругости и низкие коэффициенты сжимаемости и теплового расширения. Направленность связи приводит к высокой твердости и отсутствии пластичности.
Вопрос 13. Кристаллизация как фазовый переход; необходимые практические условия кристаллизации
Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое), называется, кристаллизацией. Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров. Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла нижеравновесной температуры кристаллизации, при которой жидкая и твердая фазы могут существовать одновременно и при том бесконечно долго. При переохлаждении сплава ниже температуры плавления во многих участках жидкого сплава образуют устойчивые, способные к росту кристаллические зародыши, называемые критическими.
Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. Рост продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкости. В результате растущие кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную внешнюю форму и поэтому называются кристаллическими или зернами.
Процесс кристаллизации протекает тем быстрее, чем больше образуются зародышей (центров кристаллизации) в единицу времени и в единице объема и чем больше скорость их роста. Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость их роста, тем меньше размер кристалла, выросшего из одного зародыша (зерно), и следовательно, более мелкозернистой будет структура металла. Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.
В технических металлах всегда присутствует большое количество примесей (окислов, неметаллических включений), которые облегчают образование зародышей, когда
· примесь имеет более высокую температуру плавления, чем основной металл;
· кристаллические решетки примеси основного металла одинаковы и примерно одинаковы параметры решеток. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зерно. Такое образование зародышей, называют, гетерогенным;
Для получения мелкого зерна создают искусственные центры кристаллизации. Для этого в жидкий металл вводят специальные примеси – модификаторы. Эти примеси, практически не изменяя химического свойства сплава, вызывают при кристаллизации изменение зерна и в итоге улучшение механических свойств.
Вопрос 25. Понятие о сплавах и их роли в технике
Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технических свойств и поэтому редко применяются для изготовления изделий. В большинстве случаев в технике применяют сплавы.
Металлическим сплавом называется вещество, состоящее из двух или более элементов (металлов или металлов с металлоидами), обладающие металлическими свойствами.
В большинстве случаев входящие в сплав элементы в жидком состоянии полностью растворимы друг в друге (жидкий раствор). В твердом виде сплавы способны образовать твердые растворы, химические соединения, механические смеси. Сплавы имеют преобладающие применение в технике. Это обусловлено более высокой конструкционной прочностью сплавов, наличием у них специфических свойств или их сочетаний, не встречающихся у чистых металлов. Кроме того, свойства сплавов можно изменять при помощи пластической деформации, термической или термомеханической обработки значительно сильнее, чем металлов.
Металлический сплав представляет собой кристаллическое тело, обладающее металлическими свойствами и полученное при взаимодействии двух и более компонентов. Основу всех металлических сплавов составляют металлы. В качестве компонентов используются чаще всего другие металлы, а также не металлы (углерод в сталях и чугунах) и устойчивые химические соединения. При изготовлении металлических изделий необходимо учитывать физические свойства сплавов: температуру плавления, удельный вес, теплопроводность, химические, технологические и другие свойства. Важное значение имеют следующие технологические свойства: литейные – они обуславливаются жидкотекучестью, усадкой, ликвацией (склонность к неоднородному распределению примесей в отливке); ковкость; обрабатываемость резанием.
Вопрос 37. Понятие о деформации и причинах, ее вызывающих. Роль концентраторов напряжения
Деформацией, называется, изменение размеров и форм тела под действием приложенных сил. Деформация вызывается действием внешних сил, приложенных к телу, или различными физико-механическими процессами, возникающими в самом теле (изменением объема отдельных кристаллов при фазовых превращениях или вследствие температурного градиента). Наличие в испытуемом изделии механических подрезов, трещин, внутренних дефектов металла (металлургического, технологического или эксплуатационного происхождения), сквозных отверстий, резких переходов от толстого к тонкому сечению и приводит к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений, называются, концентраторами напряжений.
Нормальные напряжения подразделяют на растягивающие (отрицательные). Пик напряжений тем больше, чем меньше радиус (отверстие) концентратора напряжения, поэтому все конструкционные концентраторы напряжений нужно выполнять с должными закруглениями.
Различают временные напряжения, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах тела без действия внешней нагрузки. Внутренние напряжения наиболее часто возникают в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла вследствие неоднородного расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев. Эти напряжения, называются, тепловым. Кроме того, напряжения возникают в процессе кристаллизации, при неоднородной деформации, при термической обработке вследствие неоднородного протекания структурных превращений по объему, которые называются фазовыми или структурными. Внутренние напряжения различают по признаку:
· напряжения I рода, уравновешивающиеся в объеме всего тела или отдельных его макрочастей, возникают в результате технологических процессов, которым подвергают деталь в процессе ее изготовления;
· напряжение II рода, уравновешивающиеся в объеме зерна (кристаллита), или нескольких блоков (субзерен) возникают в процессе фазовых превращений и деформации металла, когда разные кристаллиты и блоки внутри них оказываются в различном упруго-напряженном состоянии;
· напряжения III рода, локализирующиеся в объемах кристаллической решетки, представляют собой статистические искажения решетки. Все эти виды напряжений взаимосвязаны между собой.
Вопрос 49. Полиморфизм железа – термограмма, критические температуры и свойства модификаций
Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или, как их называют, в разных полиморфных модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющая решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа. Полиморфную модификацию, устойчивую при низкой температуре, для большинства металлов обозначают буквой α, при высокой температуре β и γ.
Схема зависимости величины свободной энергии от температуры для α – Fe.
Полиморфное превращение протекает в том случае, если при данной температуре может существовать металл с иной кристаллической решеткой и меньшим запасом свободной энергии. Из схемы видно, что в интервале температур 910 – 13920С устойчивым является γ – Fe с кристаллической структурой, имеющей свободную энергию меньше, чем α – Fe, а при температуре ниже 9100С и выше 13920С устойчиво α – Fe, так как его свободная энергия меньше чем γ – Fe. Переход чистого металла из одной полиморфной модификации в других условиях равновесия протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением теплоты, если превращение идет при охлаждении, или поглощении теплоты – в случае нагрева. Как и при кристаллизации из жидкой фазы, для того чтобы полиморфное превращение протекало, нужно некоторое переохлаждение (или перенагрев) относительно равновесий температуры, для возникновения разности свободных энергий между исходной и образующейся новой модификациями. В твердом металле в отличие от жидкого возможно достижение очень больших степеней переохлаждения.
Полиморфное превращение по всему механизму – кристаллический процесс осуществляется путем образования зародышей и последующего их роста. При полиморфном превращении кристаллиты (зерна) новой полиморфной формы растут в результате неупорядоченных, взаимно не связанных переходов атомов через границу фаз. Отрываясь от решетки исходной фазы (β), атомы по одиночке или группами присоединяется к решетке новой фазы (α), и как следствие этого, граница зерна α предвигается в сторону зерна β, «поедая» исходную фазу. Зародыш новой модификации наиболее часто возникают на границах зерна исходных кристаллов или в зонах с повышенным уровнем свободной энергии. Вновь образующиеся кристаллы закономерно ориентированны по отношению к кристаллам исходной модификации. В результате полиморфного превращения образуются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому такое превращение называют перекристаллизацией. Полиморфные превращения происходят не только чистых металлах, но и в сплавах. Они сопровождаются скачкообразным изменением всех свойств металлов или сплавов: удельного объема, теплоемкости, тепло- и электропроводности, магнитных, механических и химических.
Вопрос 61. Суть, назначение и определяющие условия процессов термообработки
Термической обработкой, называется, совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры.
Термическая обработка используется в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости резанием, давлением и как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень физико-механических свойств детали.
Различают три основных вида термической обработки металлов:
· собственно термическая обработка, которая предусматривает только температурное воздействие на металл;
· химико-термическая обработка, при которой в результате взаимодействия с окружающей средой при нагреве меняется состав поверхностного слоя металла и происходит его насыщение различными химическими элементами;
· термомеханическая обработка, при которой структура металла изменяется за счет термического и деформационного воздействия. Основными факторами любого вида термической обработки являются температура, время, скорость нагрева охлаждения.
Вопрос 72. Технология и выбор режима закалки
Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.
Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционные – для повышения прочности, твердости, достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда деталей также и высокой износостойкости.
Выбор температуры закалки: доэвтектондные стали нагревают до температуры на 30–500С выше 8000С. Сталь структурной перлит – феррит при нагреве приобретает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической превращается в мартенсит. Заэвтектоидные стали под закалку нагревают выше 7000С. При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого количества вторичного цементита. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворимых частиц карбидов, обладающих высокой твердостью.
Для многих сталей температура нагрева под закалку значительно превышает кристаллические температуры, что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получение требуемой легированности аустенита.
Выбор среды для нагрева при термообработке: при нагреве в пламенных или электрических печах взаимодействие печей атмосферы с поверхностью нагреваемого изделия приводят к окислению и обезуглероживанию стали. Окисление создает невозвратимые потери металла, ухудшает состояние поверхностных слоев и требует последующей очистки от окалины. Обезуглероживание снижает твердость, износостойкость и сопротивление усталости. Для предохранения изделий пространство печи вводят защитную газовую среду. Режущие инструменты, а также некоторые детали машин небольших размеров чаще нагревают в расплавленных солях.
Вопрос 82. Полимерные материалы, их классификация
Основу неметаллических материалов составляют высокомолекулярные соединения (полимеры) – сложные вещества с большой молекулярной массой. Различают полимеры природные (натуральный каучук, целлюлоза, белки, природные смолы, искусственные (полученные переработкой природных полимеров) и синтетические (фенолформальдегидные и карбамидные смолы, полиэтилен, полистирол, полиамиды, эпоксидные смолы). Полимеры классифицируют по составу, форме макромолекул, по фазовому состоянию. По составу полимеры подразделяются на органические, отличающиеся эластичностью и прочностью; элементорганические (в составе основной цепи встречаются атомы неорганических элементов – Ti, Si, Al, придающие полимеры теплостойкость); неорганические – силикатные стекла, слюда (их основу составляют окислы кремния, алюминия, щелочных и щелочноземельных металлов). По форме макромолекул различают полимеры линейные (цепные); разветвленные; лестничные; пространственные; пространственные или сетчатые. По структуре (фазовому состояния) полимеры делятся на аморфные и кристаллические.
Аморфные полимеры состоят из нерегулированно-распределенных мономерных единиц (полистирол, полибутодиен).
Кристаллические (полиэтилен), имеют упорядоченное расположение мономеров. Кристалличность способствует повышению прочности, жесткости и теплоемкости полимеров.
По отношению к нагреву полимеры делятся на термопласты и реактопласты. Первые способны обратимо размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении (подвергаются повторному формованию); вторые при нагреве претерпевают химические изменения и непригодны для повторного формирования.
Вопрос 95. Основные материалы в горном деле
Основные материалы в горном деле – это материалы долговременного пользования – материалы, обслуживающие процессы производства продолжительный период. На горных предприятиях в эту группу входят: металлическая и железобетонная крепи, решетки в цепи, кабель гибкий, трубы, рельсы, стрелочные переводы. Отпуск материалов долговременного пользования на производство осуществляется только после сдачи на склад аналогичных износившихся или пришедших в негодность предметов.
Основные фонды – средства труда, составляющие материально-техническую базу горного предприятия, а так же объекты длительного непроизводственного потребления. Основные фонды делятся на производственные и непроизводственные. Структура основных фондов характеризует относительную величину расходов на постройку или приобретение тех или иных видов средств труда в общем итоге всех затрат. В горнодобывающей промышленности большая доля в основных фондах приходится на горные выработки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Материаловедение и технология металлов под редакцией Фетисова, Карпмана, Соколова и др. – И.: Высшая школа, 2000г.
2. Ю.Т. Гумаченко Материаловедение и слесарное дело. – И.: Феникс, 2005г.
3. В.М. Никифоров Технология металлов и конструкционные материалы. – М.: Высшая школа, 1968г.
4. Б.А. Кузьмин, А.И. Сомохоцкий, Т.Н. Кузнецова Металлургия, материаловедение и конструкционные материалы. – М.: Высшая школа, 1977г.
5. С.И. Алан, П.М. Григорьев, А.Н. Ростовцев Технология конструкционных материалов. – М.: Просвещение, 1986г.
6. Гуляева А.П. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1986г.
