Технология конструкционных материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный  экономический университет»

 

Центр дистанционного образования

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

по дисциплине: Материаловедение. Технология конструкционных материалов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

 

Вариант 5

 

 

1. В чем состоит отличие органических и неорганических материалов.

 

Органические и неорганические материалы получают химическим путем, то есть многократное повторения определенных групп атомов. Связи в таких макромолекулах могут быть, как химическими, так и координационными,  а также полимерная химическая основа, которая входит в состав органических и неорганических веществ.

        К органическим материалом относят – вещества органического происхождения, обладающие способностью под влиянием физических или химических процессов переходить из пластичного состояния в твердое или мало пластичное. С помощью специальных технологий и переработки получают вяжущие материалы.   

   Вяжущие материалы делятся на две группы битумные и полимерные смолы. Кроме того к вяжущим материалам иногда относят клеи. Битуминозные материалы бывают (природные и нефтяные битумы) и дегтевые (дегти каменноугольные торфяные, сланцевые, буроугольные).

Битумные вяжущие материала  по химическому составу – сложные смеси углеводородов и их неметаллических производных. Битумные вяжущие отличаются большей долговечность. Битумные материалы используют в строительстве или при отделочных работах (бетон, растворы и тд).

Вторая группа органических вяжущих материалов – полимерные смолы – в разогретом или растворенном состоянии обладают вяжущими свойствами и применяются для изготовления различных пластмассовых строительных материалов. Наиболее широко распространены следующие виды полимерных смол: полиэтилен (трубы пленки), поливинилхлорид (трубы, пленки, линолеум, гидроизоляционный материал, и тд).

К неорганическим материалам относят – твердые, реже жидкие или пастообразные вещества, функциональные свойства зависящие от способа получения. Различают неорганические материалы металлические, неметаллические, композиционные которые могут содержать как металлические, так и неметаллические фазы (полимерная основа). По структуре неорганические материалы подразделяют на монокристаллические, поликристаллические (литье, керамика, порошки.)  аморфные в т.ч стеклообразные.

По свойствам и областям применения различают неорганические материалы с особыми  электрическими свойствами – полупроводниковые  материалы, электропроводящие  сверхпроводники, изоляционные диэлектрики и тд. Кроме того выделяют материалы для энергетики – ядерное топливо, аккумуляторы водорода для термоядерных установок и тд.

Без неорганических материалов не возможен например прогресс областей связанных с информатикой и электронной  вычислительной техникой.

    Таким образом отличие органических и неорганических материалов отличаются рядом своих характеристик.

Так неорганический материал обладает большей термической и  химической стойкостью, нежели органические. Кроме того они являются твердым, но хрупким материалом благодаря  своей кристаллической структуре и ионной химической связи. На сегодняшний день органические и неорганические материалы имеют огромное значение, проникая практически во все сферы жизнедеятельности человека.

 

 

 

 

2. Опишите процессы  кристаллизации металлов при охлаждении расплавов.

 

 

Любое вещество может  находиться в трех агрегатных состояниях - газообразном, жидком и твердом. Изменение  агрегатного состояния происходит при определенных температурах. Температура  перехода зависит от давления, но при  постоянном давлении они вполне определенны. Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Плавление - процесс, обратный кристаллизации.

В природе все самопроизвольно  протекающие превращения (кристаллизация и плавление) обусловлены тем, что новые состояния в новых условиях являются энергетически более устойчивыми, обладают меньшим запасом энергии.

Энергетическое состояние  системы, имеющее огромное число  охваченных тепловым движением частиц (атомов, молекул), характеризуется особой термодинамической функцией F, называемой свободной энергией. В условиях постоянного давления:

= U-TS,1

 

где - U - внутренняя энергия  системы (вещества) - полная энергия, равная сумме кинетической и потенциальной  энергии частиц, составляющих данную систему;

Т -

Чем больше свободной  энергии системы, тем система  менее устойчива. С изменением внешних  условий свободная энергия системы  изменяется по сложному закону, но различно для жидкого и кристаллического состояний. Схематический характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний в зависимости от температуры показан на рис. 1.

Рис.1. Изменение свободной  энергии жидкого (1) и кристаллического (2) состояний в зависимости от температуры

 

Из графика видно, что при температуре  Тs свободные  энергии жидкого и твердого состояний равны, металл находится в равновесии. Тs - равновесная или теоретическая температура кристаллизации, при которой Fж = Fтв. Для начала кристаллизации необходимо уменьшение свободной энергии системы. Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением. Разница между равновесной Тs и реальной Тк температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения ∆Т. Степень переохлаждения зависит от природы металла, она увеличивается с повышением частоты металла и ростом скорости охлаждения. Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах «время-температура» (рис. 2).

 

Рис. 2 Кривые охлаждения при кристаллизации

 

Охлаждение металла  в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры. При  достижении температуры кристаллизации на кривой «температура-время» появляется горизонтальная площадка, так как  отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. Жидкий металл обладает большей внутренней энергией, чем твердый, поэтому при кристаллизации выделяется теплота. По окончании кристаллизации, температура снова начинает снижаться и твердое кристаллическое вещество охлаждается. По мере развития процесса кристаллизации в нем участвует все большее и большее число кристаллов. Поэтому процесс вначале ускоряется, пока в какой-то момент взаимное столкновение растущих кристаллов не начинает заметно препятствовать их росту; рост кристаллов замедляется. Тем более, что и жидкости, в которой образуются новые кристаллы, становится все меньше.

В процессе кристаллизации, пока кристалл окружен жидкостью, он имеет правильную форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается, внешняя форма оказывается в зависимости от условий соприкосновения растущих кристаллов. Кристаллы неправильной формы называются кристаллитами или зернами. Скорость процесса и окончательный размер кристаллов при затвердевании определяется соотношением между скоростью образования центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов (рис. 3.).

 

Рис. 3. Изменение скорости образования зародышей Vз  и скорости роста кристаллов Vр в зависимости  от степени  переохлаждения ∆Т

 

При небольших степенях переохлаждения, когда зародыш критического размера велик, а скорость образования зародышей мала, при затвердевании образуется крупнокристаллическая структура. Чем больше степень переохлаждения, тем больше центров кристаллизации и меньше размер зерна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства сплава.

Небольшие степени переохлаждения достигаются при заливке жидкого  металла в форму с низкой теплопроводностью (земляная, шамотовая) или в подогретую металлическую форму. Увеличение переохлаждения происходит при заливке жидкого металла в холодные металлические формы, а также при уменьшении толщины стенок отливок. Поскольку при этом скорость образования зародышей увеличивается более интенсивно, чем скорость их роста, получается более мелкий кристалл.

В реальных условиях процессы кристаллизации и характер образующейся структуры  в значительной мере зависят от имеющихся  центров кристаллизации. Такими центрами являются частицы тугоплавких неметаллических  включений, оксидов, интерметаллических соединений, образуемых примесями. При кристаллизации атомы металла откладываются на активированные поверхности примеси как на готовом зародыше.

Наличие готовых центров кристаллизации приводит к уменьшению размеров кристалла  при затвердевании. Рост зерна чаще всего происходит по дендритной схеме. Это связано с тем, что развитие зародышей протекает главным образом в тех направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются ветви - оси первого порядка I. От осей первого порядка начинают расти оси второго порядка II, от них - оси третьего порядка III и т.д.

 

 

 

 

3.  Что такое само – и гетеродиффузия? Опишите диффузионные процессы на примере металлов.

 

Самодиффузия - частный случай диффузии в чистом веществе или растворе постоянного состава, при котором диффундируют собственные частицы вещества. При С. атомы, участвующие в диффузионном движении, обладают одинаковыми химическими свойствами, но могут различаться по своим физическим характеристикам.   При различии изотопного состава вещества за процессом С. можно наблюдать, применяя радиоактивные изотопы или анализируя изотопный состав при помощи масс-спектрометров.   Изменение концентрации данного изотопа в рассматриваемом объёме вещества в зависимости от времени описывается обычными уравнениями диффузии, а скорость процесса характеризуется соответствующим коэффициентом С. Диффузионные  перемещения частиц твёрдого тела  могут приводить к изменению его формы и к другим явлениям, если на образец длительно действуют такие силы, как поверхностное натяжение, сила тяжести, упругие силы, электрические силы и т. д. При этом может наблюдаться сращивание двух пришлифованных образцов одного и того же вещества, спекание порошков, растягивание тел под действием подвешенного к ним груза (диффузионная ползучесть материалов) и т. д. Изучение кинетики этих процессов позволяет определить коэффициент С. вещества.

 

Гетеродиффузия - диффузия инородных распределительных  атомов в основание кристаллической решетке многокомпонентного сплава (фазы), которое происходит от мест высокой концентрации к местам низкой концентрации распределительного  атома, где протекает самопроизвольно, т. к. при неравномерной концентрации свободная энергия   атомов больше, чем при их равномерном распределении. Если концентрация  выравнивалась, то гетеродиффузия., подобно самодиффузии, становится хаотичной  по направлению. Известны случаи так называемой  восходящей гетеродиффузии, от мест с низкой концентрацией к местам с высокой концентрацией. Причины восходящей гетеродиффузии — неравномерное распределение  диффундированного элемента или неравномерное распределения внутренних напряжений, в основе которых стремление системы к уменьшению свободной энергии.

 

Описать диффузионный процесс на примере  металлов.

В основе процесса диффузии лежит атомный механизм, при котором каждый атом совершает  более или менее случайные  блуждания. Диффузионные превращения в металлах происходят при различных химико—термических обработках (диффузионная металлизация).

Диффузионная металлизация – процесс диффузионного насыщения  поверхности изделий металлами  или металлоидами. Диффузионное насыщение  проводят в порошкообразной смеси, газовой среде или расплавленном металле (если металл имеет низкую температуру плавления). 
Борирование – диффузионное насыщение поверхности металлов и сплавов бором для повышения твердости, коррозионной стойкости, износостойкости проводят путем электролиза в расплавленной соли бора.  Борирование обеспечивает особенно высокую твердость поверхности, сопротивление износу, повышает коррозионную стойкость и теплостойкость.  Борированные стали обладают высокой коррозионной стойкостью в водных растворах соляной, серной и фосфорной кислот.  Борирование применяют для чугунных и стальных деталей, работающих в условиях трения в агрессивной среде (в химическом машиностроении). 
Алитирование – это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя алюминием, проводят в порошкообразных смесях алюминия или в расплавленном алюминии. Цель – получение высокой жаростойкости поверхности стальных деталей. Алитирование проводят в твердых и жидких средах. 
Силицирование – диффузионное насыщение кремнием проводят в газовой атмосфере. Насыщенный кремнием слой стальной детали имеет не очень высокую твердость, но высокую коррозионную стойкость и повышенную износостойкость в морской воде, азотной, соляной в серных кислотах.  Силицированные детали применяют в химической, целлюлозно-бумажной и нефтяной промышленности. Для повышения жаростойкости силицирование применяют для изделий из сплавов на основе молибдена и вольфрама, обладающих высокой жаропрочностью. 
Процессы диффузии в металлах играют значительную роль. Если два металла приводятся в тесное соприкосновение лучом наплавления или спрессовывания порошка одного металла с другим и подвергаются действию достаточно высоких температур, то каждый из этих двух металлов диффундирует в другой. Если один из металлов жидкий, то он одновременно диффундирует в твердый и растворяет его.