Технология конструкционных материалов
Процесс кристаллизации расплавленных материалов, его физико-химические основы. Влияние скорости охлаждения на свойства металлов. Аппараты процесса кристаллизации. Влияние влажности материалов на теплопроводность. Керамические электротехнические материалы.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.04.2016 |
| Размер файла | 358,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВПО "Уральский государственный экономический университет"
Центр дистанционного образования
Контрольная работа
по дисциплине: Материаловедение
На тему: Технология конструкционных материалов
Исполнитель: студент (ка)
Сургина Е.А.
Первоуральск
2015
План
- 1. Опишите процесс кристаллизации расплавленных материалов. Как влияет скорость охлаждения на свойства металлов?
- 1.1 Физико-химические основы процесса кристаллизации
- 1.2 Аппараты процесса кристаллизации
- 2. Укажите химические и физико-химические свойства материалов. В чем заключается старение металлов?
- 2.1 Старение металлов
- 3. Какие свойства относятся к гидрофизическим? Как влияет влажность материалов на их теплопроводность?
- 4. Марка стали: Р18К5
- 5. Электротехнические материалы. Особенности получения, свойства и применение керамических электротехнических материалов
- Список литературы
1. Опишите процесс кристаллизации расплавленных материалов. Как влияет скорость охлаждения на свойства металлов?
Кристаллизация - это переход вещества из газообразного (парообразного), жидкого или твердого аморфного состояния в кристаллическое, а также из одного кристаллического состояния в другое (рекристаллизация, или вторичная кристаллизация); фазовый переход первого рода.
Кристаллизация из жидкой или газовой фазы - экзотермический процесс, при котором выделяется теплота фазового перехода, или теплота кристаллизации; при этом изменение энтропии в большинстве случаев составляет [в Дж/ (моль. К)]: для простых веществ 5-12, для неорганических соединений 20 - 30, для органических соединений 40-60. Рекристаллизация может протекать с выделением либо поглощением теплоты. В промышленности и лабораторной практике кристаллизацию используют для получения продуктов с заданными составом, содержанием примесей, размерами, формой и дефектностью кристаллов, а также для фракционного разделения смесей, выращивания монокристаллов и др.
1.1 Физико-химические основы процесса кристаллизации
Условия, при которых возможна кристаллизация, определяются видом диаграммы состояния. Чтобы кристаллизация протекала с конечной скоростью, исходную фазу необходимо переохладить (перегреть), пересытить кристаллизующимся веществом или внести во внешнее поле, снижающее растворимость кристаллизующейся фазы. В переохлажденной (перегретой) либо пересыщенной фазе происходит зарождение новой фазы - образуются центры кристаллизации, которые превращаются в кристаллы и растут, как правило, изменяя форму, содержание примесей и дефектность. Центры кристаллизации возникают гомогенно в объеме начальной фазы и гетерогенно на поверхностях посторонних твердых частиц (первичное зародышеобразование), а также вблизи поверхности ранее сформировавшихся кристаллов новой фазы (вторичное зародышеобразование). Общее число центров кристаллизации, возникших в единице объема раствора или расплава в 1 с, или суммарную интенсивность их первичного и вторичного образования.
При росте кристаллов сначала кристаллизующееся вещество адсорбируется на поверхности сформировавшегося кристаллика, а затем встраивается в его кристаллическую решетку: при сильном переохлаждении равновероятно на любом участке поверхности (нормальный рост), при слабом - слоями тангенциально на ступенях, образованных винтовыми дислокациями или двухмерными зародышами (послойный рост). Если переохлаждение, ниже некоторого значения, называют пределом морфологической устойчивости, нормально растущий кристалл повторяет форму (обычно округлую) теплового, либо концентрационного поля вокруг него, а послойно растущий кристалл имеет форму многогранника. При превышении указанного предела растут древовидные кристаллы (дендриты). Количественно рост кристаллов характеризуют линейной скоростью, равной скорости перемещения их поверхности в нормальном к ней направлении. В промышленности используют эффективную линейную скорость роста (увеличение в 1 с радиуса шара, объем которого равен объему кристалла):
Iэфф=bSnехр (Eр/RT), (ф.1)
где b - кинетический коэффициент роста (10-5-10-14 м/с), n-параметр роста (обычно 1-3), Ер - энергия активации роста (10-150 кДж/моль).
Параметры b, n и Eр находят, измеряя Iэфф при разных температурах и пересыщениях раствора или переохлаждениях расплава.
С увеличением переохлаждения Iэфф проходит через максимум аналогично Im. Скорость роста может лимитироваться массой - и теплообменом кристаллов со средой (соответственно внешнедиффузионный и теплообменный режимы роста), скоростью химического взаимодействия кристаллизующегося компонента с другими компонентами среды (внешнекинетический режим) или процессами на поверхности кристаллов (адсорбционно-кинетический режим). Во внешнекинетическом режиме Iэфф возрастает с повышением концентраций реагентов и катализаторов, во внешнедиффузионном и теплообменном режимах - с увеличением интенсивности перемешивания, в адсорбционно-кинетическом режиме - с возрастанием поверхностной дефектности кристаллов и уменьшением концентрации ПАВ. При высоких скоростях роста кристаллы приобретают, число неравновесных дефектов (вакансий, дислокаций и др.). При превышении предела морфологической устойчивости в объем кристаллов попадают трехмерные включения среды, замурованные между ветвями дендритов (окклюзия). Состав кристаллов из-за окклюзии приближается к составу среды тем больше, чем выше Iэфф.
При своем росте кристаллы захватывают любую присутствующую в среде примесь, причем концентрация захваченной примеси зависит от скорости роста. Если кристаллизация происходит в растворе и кристаллы после завершения роста продолжают контактировать со средой, то неравновесно захваченная примесь выбрасывается из кристаллов в среду, а их структура совершенствуется (структурная перекристаллизация). Одновременно в перемешиваемой среде при столкновениях кристаллов друг с другом и со стенками кристаллизатора возникают дополнительные структурные дефекты. Поэтому в системе постепенно устанавливается стационарная дефектность кристаллов, которая зависит от интенсивности перемешивания.
В наиболее распространенном случае образования при кристаллизации множества кристаллов (массовая кристаллизация) выделяющаяся фаза полидисперсна, что обусловлено неодновременностью зарождения кристаллов и флуктуациями их роста. Мелкие кристаллы более растворимы, чем крупные, поэтому при убывающем пересыщении наступает момент, когда среда, оставаясь пересыщенной относительно последних, становится насыщенной относительно мелких кристаллов. С этого момента начинаются их растворение и рост крупных кристаллов (освальдoво созревание), в результате чего средний размер кристаллов возрастает, а их число уменьшается. Одновременно в перемешиваемой среде кристаллы раскалываются при соударениях и через некоторое время приобретают стационарную дисперсность, определяемую интенсивностью механического воздействия. Основная количественная характеристика массовой кристаллизации - функция распределения кристаллов по размеру:
f (r,t) =dN/dr, (ф.2)
где N - число кристаллов, размер которых меньше текущего размера r, в единице объема в момент t. Эта функция часто имеет колоколообразный вид. Восходящая ее ветвь чувствительна в основном к зародышеобразованию, росту, раскалыванию и растворению (при созревании) кристаллов, нисходящая к росту и образованию их агрегатов. Если среднее квадратичное отклонение размера кристаллов от среднего не превышает половины, последнего, упомянутая функция называется узкой, если превышает - широкой.
Система уравнений материального и теплового балансов, а также уравнения, связывающие размеры и скорость роста кристаллов с их формой, дефектностью и содержанием примесей, - основа моделирования и расчета массовой кристаллизации и выбора оптимальных условий ее реализации.
Массовую кристаллизацию осуществляют периодически или непрерывно. При периодической кристаллизации охлаждают расплав или насыщенный раствор (пар), испаряют растворитель, добавляют высаливающие агенты или смешивают порции реагентов, образующих продукционные кристаллы.
При непрерывной кристаллизации в кристаллизатор вводят потоки расплава, пересыщенного раствора либо реагентов и непрерывно отводят кристаллический продукт.
В периоды индукции и увеличения скорости кристаллизации в системе преобладают зарождение и рост кристаллов, в период уменьшения скорости - их рост, агрегация и раскалывание и далее - освальдово созревание и структурная перекристаллизация. Период индукции сокращается под влиянием факторов, которые ускоряют зародышеобразование и рост кристаллов. Так, при охлаждении расплавов этот период с повышением интенсивности охлаждения сначала уменьшается, а затем возрастает из-за экстремальной зависимости скоростей зарождения и роста кристаллов от переохлаждения; если темп охлаждения достаточно велик, расплав твердеет, оставаясь аморфным.
Для сокращения периода индукции в систему добавляют кристаллы продукта (затравку), которые растут, что приводит к увеличению скорости кристаллизации.
В результате выделения при росте кристаллов теплоты кристаллизации снижается переохлаждение и замедляется зародышеобразование. При малых переохлаждениях (пересыщениях) зародыши вообще не возникают, и затравка, введенная в систему в виде единичных кристаллов, может вырасти в монокристалл, а введённая в виде порошка - в так называемый монодисперсный продукт с узкой функцией f (r, t).
При непрерывной кристаллизации функция f (r,t) в сопоставимых условиях перемешивания шире, чем при периодической кристаллизации, что объясняется разбросом времен пребывания кристаллов в кристаллизаторах непрерывного действия. Чтобы сузить эту функцию, режим кристаллизации приближают к режиму идеального вытеснения, чтобы расширить - к режиму идеального перемешивания. При малом пересыщении системы непрерывная кристаллизация устойчива к флуктуациям внешних условий; при высоком пересыщении его значение и размер кристаллов колеблются в ходе кристаллизации. В химической и смежных отраслях промышленности, а также в лабораториях преимущественно применяют кристаллизацию из расплавов и растворов, реже - кристаллизацию из паровой и твердой фаз. Кристаллизацию из расплавов используют главным образом для отверждения расплавленных веществ и, кроме того, для их фракционного разделения и выращивания монокристаллов. Отверждение веществ в виде отливок (блоков) осуществляют в специальных формах.
В малотоннажных производствах (например, реактивов) обычно применяют отдельные формы определенных размеров или конфигурации, в которых расплав охлаждается путем естественного теплообмена с окружающей средой; в крупнотоннажных производствах (нафталина и др.). Кристаллизацию проводят в секционированных, трубчатых, конвейерных и иных кристаллизаторах со встроенными формами, принудительно охлаждаемыми водой, жидким NH3, хладонами и т.п.
1.2 Аппараты процесса кристаллизации
Для получения продуктов в виде тонких пластинок или чешуек используют непрерывно действующие ленточные, вальцевые и дисковые кристаллизаторы, где отверждение происходит значительно интенсивнее, чем в формах. В ленточном кристаллизаторе исходный расплав тонким слоем подается на движущуюся металлическую ленту, на которой он охлаждается до полного затвердевания.
В вальцевом аппарате продукт кристаллизуется на наружной поверхности охлаждаемого изнутри вращающегося полого барабана (вальца), частично погруженного в ванну с расплавом; кристаллы снимаются с барабана неподвижным ножом. В дисковых аппаратах отверждение продуктов происходит на поверхности охлаждаемых изнутри вращающихся дисков.
конструкционный материал кристаллизация керамический
При приготовлении гранулирующих продуктов расплав диспергируют непосредственно в поток хладагента газообразного, в основном воздуха (производство аммиачной селитры, карбамида и др.), или жидкого, например воды либо масла (производство пластмасс, серы и т.п.) в полых башнях или аппаратах с псевдоожижeнным слоем, где кристаллизуются мелкие капли расплава). Кристаллизацию из растворов используют преимущественно для выделения ценных компонентов из растворов, а также их концентрирования и очистки веществ от примесей.
Вещества, растворимость которых сильно зависит от температуры (например, KNO3 в воде), кристаллизуют охлаждением горячих растворов, при этом исходное количество растворителя, который содержится в маточной жидкости, в системе не изменяется (изогидрическая кристаллизация). В малотоннажных производствах применяют емкостные кристаллизаторы периодического действия, снабженные охлаждаемыми рубашками. В таких аппаратах раствор охлаждают при непрерывном перемешивании по определенной программе. Для предотвращения интенсивной инкрустации поверхностей охлаждения разность температур между раствором и хладагентом должна быть не более 8-10°С.
В крупнотоннажных производствах используют, как правило, скребковые, шнековые, дисковые, барабанные и роторные кристаллизаторы непрерывного действия. Скребковые аппараты обычно состоят из нескольких последовательно соединенных трубчатых секций, в каждой из которых имеется вал со скребками и которые снабжены общей или индивидуальными охлаждающими рубашками. При вращении вала скребки очищают внутреннюю поверхность охлаждаемых труб от осевших на них кристаллов и способствуют транспортированию образовавшейся сгущенной суспензии из секции в секцию. В шнековых кристаллизаторах раствор перемешивают и перемещают с помощью сплошных или ленточных шнеков. Дисковые кристаллизаторы снабжены неподвижными либо вращающимися дисками.
В первом случае по оси аппарата расположен приводной вал со скребками для очистки поверхностей дисков от осаждающихся кристаллов; исходный раствор подается в кристаллизатор сверху, а образующаяся суспензия последовательно проходит в пространстве между охлаждаемыми дисками и выгружается через нижний штуцер. Во втором случае вал с дисками размещен внутри корыта или горизонтального цилиндрического сосуда; кристаллы снимаются с поверхности дисков неподвижными скребками.
Основной элемент барабанного кристаллизатора - полый барабан с опорными бандажами, установленный под углом 15° к горизонтальной оси и вращающийся с частотой 5-20 мин-1. Раствор, охлаждаемый водяной рубашкой или воздухом (который нагнетают вентилятором через внутреннюю полость барабана), поступает с одного его конца, а суспензия отводится с другого. Вязкие растворы (например, жирных кислот) часто охлаждают в роторных кристаллизаторах - цилиндрических аппаратах, внутри которых с большой скоростью вращается ротор с ножами. Последние под действием центробежной силы прижимаются к внутренней поверхности кристаллизатора, очищая ее от осевших кристаллов. Раствор обычно подастся в аппарат под избыточным давлением. Для увеличения времени пребывания в кристаллизаторе раствора и большего его переохлаждения последовательно соединяют несколько аппаратов. При использовании скребковых, шнековых, роторных и иногда дисковых кристаллизаторов часто образуются мелкие кристаллы (0,1-0,15 мм), что приводит к увеличению слеживаемости и адсорбционного загрязнения продукта, а также ухудшает его фильтруемость. Поэтому для укрупнения кристаллов продукта после упомянутых аппаратов устанавливают так называемые кристаллорастворители, в которых концентрируется суспензия, выдерживается при медленном охлаждении, что приводит к росту кристаллов до 2-3 мм. Для получения крупнокристаллических однородных продуктов часто применяют кристаллизаторы с псевдоожиженным слоем.
Исходный раствор вместе с циркулирующим осветленным маточником подается насосом в теплообменник, где в результате охлаждения раствор пересыщается и поступает по циркуляционной трубе в нижнюю часть кристаллорастворителя, в котором кристаллы поддерживаются во взвешенном состоянии восходящим потоком раствора. Кристаллизация происходит в основном на готовых центрах кристаллизации, при этом крупные кристаллы осаждаются на дно аппарата, откуда удаляются в виде сгущенной суспензии. Осветленный маточник разделяется на две части: одна отводится из верхней части аппарата, другая подается на рециркуляцию.
В ряде случаев кристаллизацию растворов осуществляют непосредственным смешением их с жидкими, газообразными и испаряющимися хладагентами в смесительных, барботажных, распылительных и других аппаратах. Если растворимость вещества мало изменяется с изменением температуры (например, NaCl в воде), кристаллизацию проводят частичным или практически полным испарением растворителя путем выпаривания насыщенного раствора при почти постоянной температуре (изотермическая кристаллизация). По конструкции выпарные кристаллизаторы в значительной степени напоминают выпарные аппараты и могут иметь внутреннюю или выносную греющие камеры. В таком кристаллизаторе исходный и циркулирующий растворы, проходя через камеру, нагреваются до температуры кипения. Образовавшаяся парожидкостная смесь поступает в сепаратор, где пар отделяется от раствора. Кристаллы, осаждающиеся в сепараторе, вместе с маточной жидкостью направляются в специальный аппарат, в котором отделяются от нее и выводятся в виде концентрированной суспензии.
Осветленный маточник возвращается в камеру. Для предотвращения инкрустации (обрастания) поверхностей нагрева раствор должен циркулировать в кристаллизаторе с достаточно большой скоростью (до 3 м/с), что часто достигается применением осевых насосов. При одновременном охлаждении и выпаривании растворителя кристаллизацию осуществляют в вакуум-кристаллизаторах периодического или непрерывного действия, с принудительной либо естественной циркуляцией раствора. Раствор охлаждается вследствие адиабатического испарения части растворителя при создании в таком аппарате определенного разрежения. Количество испаренного растворителя обычно составляет 8-10% от общей массы раствора. В кристаллизаторе с естественной циркуляцией исходный раствор подается в нижнюю часть циркуляционной трубы и вместе с циркулирующей суспензией поднимается вверх, где в результате понижения давления вскипает. Образовавшиеся пары проходят через сепаратор и поступают в барометрический конденсатор. Пересыщенный раствор и выделившиеся кристаллы движутся вниз по барометрической трубе, откуда кристаллы, вместе с частью маточной жидкости выводятся в гидрозатвор. Для поддержания разрежения используют вакуум-насосы или пароструйные инжекторы. В крупнотоннажных производствах широко распространены многокорпусные вакуум-кристаллизационные установки с числом корпусов 4-24, в которых глубина разрежения постепенно возрастает от первого корпуса к последнему. Вакуум-кристаллизаторы более производительны и экономичны, чем выпарные кристаллизаторы. Кристаллизацию некоторых веществ можно осуществить высаливанием. При выделении неорганических соединений используют органические вещества (например, Na2SO4 кристаллизуют, добавляя к его водному раствору метанол, этанол либо NH3) или содержащие одинаковый ион с выделяемым соединением (например, FeSO4 кристаллизуют из травильных растворов добавкой концентрированной H2SO4);
Кристаллизация из паровой фазы позволяет кристаллизовать вещества, обладающие высоким парциальным давлением паров над твердой фазой и способные непосредственно переходить из газообразного состояния в кристаллическое (например, йод, фталевый ангидрид). Такую кристаллизацию используют для выделения ценных компонентов из парогазовых смесей, получения аэрозолей, нанесения тонких кристаллических слоев на поверхность различных тел (например, в производстве полупроводниковых материалов) и т.д.
Кристаллизацию аморфной твердой фазы и рекристаллизацию осуществляют, как правило, при температурах, близких к температурам плавления кристаллизуемых веществ. При этом в результате термодиффузионных процессов изменяется первичная кристаллическая структура вещества либо происходят зарождение и рост кристаллов из аморфной фазы.
С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации.
Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов зависят от степени переохлаждения. Число зародышей скорость роста их при равновесной температуре кристаллизации Тs равны нулю. При увеличении степени переохлаждения они возрастают и достигают максимума. При больших степенях переохлаждения число центров кристаллизации и скорость роста равны нулю, так как при низких температурах диффузионная подвижность атомов мала, а тем самым уменьшена способность системы к превращению.
Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость их роста, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.
При небольшой степени охлаждения Т (малой скорости переохлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается, и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.
2. Укажите химические и физико-химические свойства материалов. В чем заключается старение металлов?
Дисперсность - характеристика размеров твердых частиц и капель жидкости. Многие строительные материалы /гипсовые вяжущие, цемент, глины, пигменты и т.п. /находятся в тонкоизмельченном /дисперсном/ состоянии и обладают большой суммарной поверхностью частиц. Величина, характеризующая степень раздробленности материала и развитости его поверхности, называется удельной поверхностью (Sуд) - поверхность единицы объема см2/см3 или массы материала /см2/г/ материала.
С увеличением удельной поверхности вещества возрастает его химическая активность например, цемент с уд. Поверхностью 3000…3500 см2/г через I твердения связывает 10…13% воды, а с удельной поверхностью 4500…5000 см2/г - около 18%.
Часто дисперсность материала оценивается ситовым анализом - по остатку на сите например: гипс, цемент.
Тиксотропия - способность пластично-вязких смесей обратимо восстанавливать свою структуру, разрушенную механическими воздействиями. Физическая суть тиксотропии - разрушение структурных связей внутри пластично-вязкого материала, при этом материал теряет структурную прочность и превращается в вязкую жидкость, а после прекращения воздействий материал восстанавливает структурную прочность. Явление тиксотропии используют при виброуплотнения бетонных и растворных смесей, при нанесении мастичных и окрасочных составов шпателем или кистью и т.п.
Когезия - Свойство материала быть прочным вследствие сил внутреннего сцепления /когезия - сцепление частиц самого материала/
Адгезия - Свойства одного материала прилипать к поверхности другого /адгезия - сцепление, возникающее между двумя приведенными в соприкосновение разнородными материалами/. Адгезия измеряется прочностью сцепления при отрыве одного материала от другого.
Кристализация - свойство материала образовывать кристаллы при переходе из одного состояния в другое.
Растворимость - способность материала образовывать однородные растворы с водой или другими жидкостями
Экзо - И Эндотермичность - способность материала при участии в химической реакции выделять или поглощать тепло.
Гидратация И Дегидратация - свойство материала присоединять или отдавать воду при химических превращениях.
Расширение И Сжатие /Контракция/ - свойство продуктов химической реакции занимать больший или меньший объем по сравнению с объемом вступающих в реакцию веществ
Таксичность - свойство некоторых материалов вызывать отравление и нарушение здоровья людей, работающих с ними.
Скорость Отверждения - свойство некоторых материалов при изменении температуры или введении отвердителя переходить из пластичного состояния в упругое /твердое/.
Горючесть - свойства ряда материалов сгорать т.е. принимать участие в быстропротекающей химической реакции, сопровождающейся выделением тепла света. Различают материалы: сгораемые, несгораемые, трудно - и легкосгораемые.
Кислотостойкость И Щелочеустойчивость - свойства материала сопротивляться действию агрессии среды, содержащей кислоты, или щелочи.
2.1 Старение металлов
Изменение механических, физических и химических свойств металлов и сплавов, обусловленное термодинамической неравновесностью исходного состояния и постепенным приближением структуры к равновесному состоянию в условиях достаточной диффузной подвижности атомов. При быстром охлаждении от высоких температур при закалке или после кристаллизации и горячей пластической деформации, металлы и сплавы полностью или частично сохраняют атомную структуру, характерную для высокотемпературного состояния. В чистых металлах неравномерность этой структуры состоит в избыточной (для низких температур) концентрации вакансий (один из видов структурных дефектов кристаллической решетки узел кристаллической решетки, в котором отсутствует атом или ион) и наличии др. дефектов кристаллической структуры. В сплавах неравновесность структуры может быть связана с сохранением фаз, неустойчивых при низких температурах. Наиболее важно старение сплавов, обусловленное процессами распада пересыщенного твёрдого раствора (однородные кристаллические вещества (фазы), состоящие из двух или большего числа компонентов и сохраняющие однородность при изменении соотношений между компонентами в определенном интервале концентраций). Состояние пересыщения твёрдого раствора возникает после охлаждения сплавов от высоких температур, поскольку обычно с повышением температуры растворимость примесей (или специально вводимых легирующих элементов) растет.
Имеется большое число сплавов, для которых старение проводится как специальная операция термической обработки и обеспечивает получение комплекса важных механических или физических свойств. Старение, или "дисперсионное твердение", - основной способ упрочняющей термическую обработки сплавов на основе Al, Mg, Cu, Ni. Кроме высокой прочности, стареющие сплавы могут приобретать и др. ценные свойства, например высокую коэрцитивную силу.
При достаточно большой степени пересыщения твёрдый раствор оказывается полностью нестабильным и его расслоение идёт во всей массе материала с образованием сначала неоднородного твёрдого раствора с непрерывно меняющимся составом, а затем периодически расположенных частиц с чёткими границами раздела. Распад такого типа называется спинодальным и наблюдается в ряде технически важных сплавов (сплавы для постоянных магнитов типа кунифе). Более общим для стареющих сплавов является метастабильное состояние твёрдого раствора, распад которого должен идти путём образования и роста зародышей новой фазы, а процесс зарождения требует преодоления энергетического барьера. Этот барьер оказывается существенно пониженным при образовании когерентных частиц, т.е. частиц, у которых кристаллическая решётка упруго сопряжена с решёткой исходного твёрдого раствора. При сравнительно низких температурах распад твёрдых растворов часто останавливается на стадии образования зон - весьма дисперсных областей, обогащенных избыточным компонентом и сохраняющих кристаллическую структуру исходного раствора, впервые обнаруженных по эффектам диффузного рассеяния рентгеновских лучей (зоны Гинье - Престона). С помощью электронной микроскопии зоны Гинье - Престона наблюдали в сплавах Al - Ag в виде сферических частиц диаметром Старение металлов10Е, в сплавах Al - Cu - в виде пластин толщиной порядка периодов решётки (<10Е). Образование зон характерно для т. н. естественного старения, которое протекает при комнатных температурах в случае сплавов на основе Al, а также низкоуглеродистой стали или технического железа, где имеется твёрдый раствор (Феррит - магнитный материал, представляющий собой соединение окислов металлов), пересыщенный углеродом или азотом. В некоторых случаях зоны можно рассматривать как зародыши фазы выделения.
Понятию "естественное старение" противопоставляется "искусственное старение", которое в случае алюминиевых сплавов (исторически первых материалов, упрочняемых старением) проводилось при повышенных температурах (выше 100°С); в современной литературе вместо этих терминов чаще используются термины "низкотемпературное старение" и "высокотемпературное старение". В связи с различиями процесса распада в разных температурных интервалах для некоторых сплавов оптимальный комплекс свойств достигается после сложного старения в определенной последовательности при низкой и при более высокой температурах.
Различают 2 основных механизма распада пересыщенного твёрдого раствора: непрерывный, который идёт путём образования и роста отдельных зародышей - частиц фазы, содержащей избыточный компонент твёрдого раствора, и прерывистый (или ячеистый), при котором возникают и растут ячейки или колонии, состоящие обычно из равновесных фаз - новой фазы, обогащенной избыточным компонентом, и обеднённого (равновесного) твёрдого раствора. В первом случае частицы образуются по всему объёму и их рост сопровождается постепенным и непрерывным обеднением матричного твёрдого раствора. Во втором случае происходит движение границы раздела колония - непревращённая область твёрдого раствора. Колонии имеют обычно пластинчатое строение, зарождаются на границе зерна, и их движущийся фронт представляет собой подвижную высокоугловую границу с зерном исходного твёрдого раствора.
При распаде твёрдых растворов в условиях высокой концентрации дефектов кристаллического строения, которые создаются предварит. сильной холодной деформацией, получают особенно высокие значения прочности. Процессы распада твёрдых растворов могут приводить и к нежелательным изменениям свойств сплавов, например к ухудшению пластичности и охрупчиванию низкоуглеродистой котельной стали, к увеличению коэрцитивной силы и потерь на перемагничивание электротехнического железа. Некоторые сплавы склонны к т. н. "деформационному старению". Сравнительно слабая холодная пластическая деформация, сама по себе не очень сильно меняющая свойства материала, существенно ускоряет процессы размежевания компонентов твёрдого раствора, которые приводят к образованию сегрегатов (а затем выделений) возле дислокаций. Этот суммарный эффект деформации и старения ("деформационное старение") резко ухудшает вязкость и пластичность сплавов, что особенно нежелательно для материалов, подвергаемых глубокой штамповке (например, листовая сталь для автомобилестроения). Специальным легированием и термической обработкой можно существенно снизить вредные эффекты старения.
3. Какие свойства относятся к гидрофизическим? Как влияет влажность материалов на их теплопроводность?
Гидрофизические свойства материалов - характеризуют отношение материала к воде.
1. Гигроскопичность - это свойство копилярнопористых материалов поглощать (сорбция) влагу из влажного воздуха. Отдача влаги (десорбция)
2. Копилярное всасывание - это когда пористый материал находится в воде, а другая часть материала на воздухе.
3. Водопоглащение - это способность материала поглощать воду при его погружение в воду. Различают объемное водопоглощение и массовое водопоглощение.
4. Водопроницаемость - это свойство материала пропускать влагу под давлением. (для гидротехнических сооружений)
5. Газо и паропроницаемость - когда у поверхностей разное давление. (для стеновых материалов).
6. Усатка (усушка) - это уменьшение размеров при его высыхании. (от 30 до 100 мм/м)
7. Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала выдерживать по переменное замораживание и оттаиванье. За марку материала по морозостойкости принимают максимальное число циклов по переменного замораживания - оттаивания, которые выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15%. Мрз=50. (50 раз замораживали и размораживали. Для стен =100; для гидро. тех. сооружений = 300)
С увеличением влажности материала теплопроводность резко увеличивается, т.е. снижаются показатели теплоизоляционных свойств материала.
4. Марка стали: Р18К5
Класс: Сталь инструментальная быстрорежущая
Из группы высоколегированных сталей для изготовления режущих инструментов широко используются быстрорежущие стали с высоким содержанием W, Mo, Co, V.
Сталь марки Р18К5 - относится к группе повышенной теплостойкости.
Р18Ф2К5 имеет повышенное содержание кобальта.
Легирование W и Cr сохраняет твердость и увеличивает теплостойкость. Со увеличивает теплостойкость до 650оС и вторичную твердость до 67-70 HRCэ Ванадий увеличивает износостойкость, но ухудшает шлифуемость. Для этих сталей после закалки применяют обработку холодом для повышения эксплуатационных свойств. Более высокая твердость и теплостойкость даёт возможность применять инструмент из этих сталей для обработки жаропрочных и нержавеющих сталей и сплав, а также закалённых и конструкционных сталей повышенной прочности.
C 0,85 - 0,95
Si до 0,5
Mn до 0,5
Ni до 0,4
S до 0,03
P до 0,03
Cr 3,8 - 4,4
Mo до 1
W 17 - 18,5
V 1,8 - 2,2
Co 4,7 - 5,2
Fe - 67
5. Электротехнические материалы. Особенности получения, свойства и применение керамических электротехнических материалов
Электротехнические материалы представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и полупроводниковых материалов, предназначенных для работы в электрических и магнитных полях. Сюда же можно отнести основные электротехнические изделия: изоляторы, конденсаторы, провода и некоторые полупроводниковые элементы. Электротехнические материалы в современной электротехнике занимают одно из главных мест. Всем известно, что надежность работы электрических машин, аппаратов и электрических установок в основном зависит от качества и правильного выбора соответствующих электротехнических материалов. Анализ аварий электрических машин и аппаратов показывает, что большинство из них происходит вследствие выхода из строя электроизоляции, состоящей из электроизоляционных материалов.
Электрокерамические материалы представляют собой искусственные твердые тела, получаемые в результате термической обработки (обжига) исходных керамических масс, состоящих из различных минералов (глины, талька и др.) и других веществ, взятых в определенном соотношении. Из керамических масс получают различные электрокерамические изделия: изоляторы, конденсаторы и др.
В процессе высокотемпературного обжига данных изделий между частицами исходных веществ происходят сложные физико-химические процессы с образованием новых веществ кристаллического и стеклообразного строения.
Электрокерамические материалы делят на 3 группы: материалы, из которых изготовляют изоляторы (изоляторная керамика), материалы, из которых изготовляют конденсаторы (конденсаторная керамика), и сегнетокерамические материалы, обладающие аномально большими значениями диэлектрической проницаемости и пьезоэффектом. Последние получили применение в радиотехнике. Все электрокерамические материалы отличаются высокой нагревостойкостью, атмосферостойкостью, стойкостью к электрическим искрам и дугам и обладают хорошими электроизоляционными свойствами и достаточно высокой механической прочностью.
Наряду с электрокерамическими материалами, многие типы изоляторов изготовляют из стекла. Для производства изоляторов применяют малощелочное и щелочное стекло. Большинство типов изоляторов высокого напряжения изготовляют из закаленного стекла. Закаленные стеклянные изоляторы по своей механической прочности превосходят фарфоровые изоляторы.
Список литературы
1. Скаков Ю.А., Старение металлических сплавов, в сборнике: Металловедение (Материалы симпозиума), М., 1971;
2. Захарова М.И., Атомно-кристаллическая структура и свойства металлов и сплавов, М., 1972; Новиков И.И., Теория термической обработки металлов, М., 1974:
3. Тяпкин Ю.Д., Гаврилова А.В., Старение сплавов, в сборнике: Итоги науки и техники. Серия Металловедение и термическая обработка металлов, т.8, М., 1974.
4. Центральный металлический портал РФ.
5. 1. Материаловедение. Б.Н. Арзамасов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.
6. Металловедение.А.П. Гуляев. М.: Металлургия, 1986.
7. Материаловедение и технология металлов. / Под ред.П.Г. Фетисова
8. М.: Машиностроение, 2002. - 638 с.
9. Технология конструкционных материалов. / Под ред.А.М. Дальского - М.: Машиностроение, 1985. - 448 с.
10. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П., Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990. - 493 с.
11. Материаловедение. Технология конструкционных материалов [Текст]: учеб. - метод. комплекс для студентов направления "Управление качеством" / [сост. И.К. Доманская; отв. за выпуск В.Е. Кучинская]; Федер. агентство по образованию, Урал. гос. экон. ун-т, Центр дистанционного образования. - Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. экон. ун-та, 2010. - 40 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Условия получения крупнозернистой структуры при самопроизвольно развивающейся кристаллизации. Диаграмма состояния системы свинец-олово. Линейные несовершенства кристаллического строения и их влияние на свойства металлов. Устранение остаточного аустенита.
контрольная работа [2,0 M], добавлен 11.01.2011Классификация композиционных материалов, их геометрические признаки и свойства. Использование металлов и их сплавов, полимеров, керамических материалов в качестве матриц. Особенности порошковой металлургии, свойства и применение магнитодиэлектриков.
презентация [29,9 K], добавлен 14.10.2013Параметры процесса кристаллизации, их влияние на величину зерна кристаллизующегося металла. Влияние явления наклепа на эксплуатационные свойства металла. Диаграмма состояния железо-цементит. Закалка металла, состав, свойства и применение бороволокнитов.
контрольная работа [79,3 K], добавлен 12.12.2011Физико-химические закономерности формирования; строение и свойства материалов. Типы кристаллических решёток металлов. Испытания на ударный изгиб. Термическая и химико-термическая обработка, контроль качества металлов и сплавов. Конструкционные материалы.
курсовая работа [3,7 M], добавлен 03.02.2012Свойства материалов, предназначенных для изготовления деталей машин, аппаратов, приборов, конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам. Классификация материалов: металлические, электротехнические, магнитные, проводники, полупроводники, диэлектрики.
презентация [670,7 K], добавлен 18.05.2019Особенности поликристаллических и тонкопленочных металлов. Функции металлов в радио-, опто- и микроэлектронике. Проводники толстопленочных геоинформационная систем – стеклоэмали и пленочные материалы. Сверхпроводниковые материалы, их основные свойства.
контрольная работа [529,4 K], добавлен 15.12.2015Химический состав чугуна, характеристика его элементов. Влияние значения марганцевого эквивалента на эксплуатационную стойкость чугунных изделий. Процесс кристаллизации металлов и сплавов. Способы защиты металлов от коррозии. Область применения прокатки.
контрольная работа [30,5 K], добавлен 12.08.2009Классификация, маркировка, состав, структура, свойства и применение алюминия, меди и их сплавов. Диаграммы состояния конструкционных материалов. Физико-механические свойства и применение пластических масс, сравнение металлических и полимерных материалов.
учебное пособие [4,8 M], добавлен 13.11.2013Исследование процесса кристаллизации расплавов металлов. Влияние температуры на свободную энергию жидкой и твердой фазы процесса кристаллизации. Охлаждение расплава и образование кристаллов. Регулирование размеров зерен кристаллов. Обзор строения слитка.
реферат [102,2 K], добавлен 16.12.2014Изменение термодинамического потенциала твердого и жидкого металла. Механизм и закономерности кристаллизации металлов. Зависимость параметров кристаллизации от степени переохлаждения. Получение мелкозернистой структуры. Строение металлического слитка.
презентация [358,7 K], добавлен 14.10.2013
