Типы кристаллов

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.