Макро- и микроструктуры материалов

Министерство образования и науки

ФГБОУ ВПО Уральский государственный экономический университет

Центр дистанционного образования

Контрольная работа

по дисциплине: Материаловедение.

по теме: ____________________

Исполнитель: студент

Направление__________

Профиль

Группа

Ф.И.О

Екатеринбург

2011

Вариант 4

1.В чем состоит отличие макро- и микроструктуры материалов? Опишите методы изучения и примеры  макроскопического и микроскопического строения металлов.

Внутренняя структура и состав металлов неоднородны, так как обычно они состоят из многочисленных зёрен в виде прилегающих друг к другу кристаллитов. Чаще всего эти неоднородности имеют микроскопические размеры, поэтому соответствующие разновидности внутренней структуры называются микроструктурами.

Макроструктура  металла, строение металла, видимое невооружённым глазом или с помощью лупы ,то есть при увеличениях до 25раз.

Для изучения микроструктуры металлов используют металлографические микроскопы. Оптическим микроскопом можно исследовать и фотографировать детали микроструктуры, размеры которых не превышают 0,4-0,6 мкм. Полученное изображение микроструктуры можно увеличивать, но новые детали структуры при этом не выявляются. Для того чтобы более глубоко и подробно изучить строение мелкодисперсных структур и границ зерен, блочное строение и дислокационную структуру, применяют метод электронной микроскопии. Применение метода рентгеноструктурного анализа позволяет определить степень совершенства кристаллов, их ориентировку, глубоко изучить структурные изменения.

Макроструктуру изучают на плоских образцах , вырезанных из изделия или заготовки, а также на изломах изделия. Для выявления макроструктуры поверхность тщательно шлифуют, затем травят растворами кислот или щелочей. При исследовании макроструктуры можно обнаружить нарушения сплошности металла (раковины, рыхлость, газовые пузыри, расслоения, трещины и т.д.), выявить распределение примесей и неметаллических включений, форму и расположение кристаллитов (зёрен) в разных частях изделия, а иногда даже особенности строения отдельных зёрен металла Изучение  макроструктуры позволяет сделать заключение о качестве заготовки и правильности ведения технологического процесса при литье, обработке давлением или сварке изделия. В некоторых случаях качество металла характеризуется видом излома, позволяющим установить, как проходит поверхность разрушения (по телу или по границам зёрен), выяснить причины разрушения и т.д.

2. Какие свойства относятся к теплофизическим? Сравните  теплопроводность древесины, керамического кирпича, стали.

Свойства материалов, связаны с изменением температуры, относят к теплофизическим. Они важны для теплоизоляционных и жаростойких материалов, для материалов ограждающих конструкции и изделий, твердеющих при тепловой обработке.

Тепловое расширение - свойство материалов расширятся при нагревании и сжиматься при охлаждении, оно характеризуется линейным изменением размеров, и объема материалов важен температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), показывающий, на какую долю первоначальной длины расширяется материал при повышении температуры на 1 С. Так, для стали ТКЛР составляет (11...11,9)*10-6, для бетона - (10...14)*10-6, для древесины вдоль волокон - (3..5)*10-6. В конструкциях, объединяющих несколько материалов, необходимо учитывать ТКЛР каждого; например, в железобетоне хорошо сочетаются сталь и бетон, так как ТКЛР этих материалов почти одинаков. В результате значительного различия ТКЛР в композиционных материалах возникают напряжения, которые могут привести не только к появлению микротрещин и короблению, но и к разрушению материалов.

Теплоемкость - свойства материала поглощать при нагревании и отдавать при охлаждении определенное количество теплоты. Теплоемкость - мера энергии, необходимой для повышения температуры материала.

Теплоемкость, отнесенную к единице массы, называют удельной теплоемкостью С (Дж/ (кг*С)). Удельная теплоемкость равна количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 кг материала на 1 С. У органических материалов она обычно выше, чем у неорганических (кДж/(кг*С)): древесина - 2,38....2,72; сталь - 0,46, вода - 4,187. Наибольшую теплоемкость имеет вода, поэтому и с повышение влажности материалов их теплоемкость возрастает.

Теплопроводность - свойство материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях. Это свойство имеет важное значение для строительных материалов, применяемых при устройстве ограждающих конструкций (стен, перекрытий, покрытий) и материалов, предназначенных для теплоизоляции. Теплопроводность зависит от его строения, химического состава, пористости и характера пор, от влажности и температуры, при которой происходит передача теплоты.

Теплопроводность характеризируется коэффициентом теплопроводности, показывающим, какое количество теплоты (Дж) способен пропустить материал через 1 м2 поверхности при толщине материала 1 м и разности температур на противоположных поверхностях 1 С в течении 1 ч . Коэффициент теплопроводности (Вт/м*С): древесины вдоль волокон - 0,35 и поперек волокон - 0,175, керамического кирпича -0,82, стали - 5,1. Следовательно, воздушные поры в материале резко снижаются его теплопроводность, а увлажнение - сильно увеличивает, так как коэффициент теплопроводности воды в 25 раз выше, чем у воздуха.

При замерзании воды в порах материала еще больше увеличивается теплопроводность, так как лед примерно в 4 раза теплопроводнее воды и в сто раз теплопроводнее воздуха. Чем меньше пор, т.е. чем плотнее материал, тем он теплопроводнее. При повышение температуры теплопроводность большинства материалов возрастает и лишь у немногих (особенно у металлов) уменьшается.

3. Приведите классификацию дефектов кристаллического строения. Объясните причины появления точечных дефектов

Для металловедения наиболее существенно то, что стало возможно экспериментально определять количество и расположение разного типа дефектов кристаллического строения непосредственно в промышленных сплавах, изучать появление, исчезновение и перераспределение дефектов в кристаллах при литье, обработке давлением, термической обработке и эксплуатации изделий. Это не только позволило глубже понять поведение металлических материалов в разных условиях обработки и эксплуатации, но и открыло новые возможности для целенаправленного формирования оптимальной структуры, обеспечивающей заданные свойства материала. Вот почему учение о дефектах кристаллического строения металлов, начиная с пятидесятых годов, пронизывало уже многие разделы металловедения и теории термической обработки металлов. Сейчас без использования представлений о дефектах реальных металлических кристаллов немыслимо изучать пластическую деформацию металлов и сплавов, упрочнение, разрушение, рекристаллизацию, мартенситные превращения, процессы старения сплавов и др. Решение проблем прочности и пластичности «на атомном уровне» целиком зависит от успехов учения о дефектах кристаллов. Если в начальный период развития металловедения внимание исследователей было обращено на эксперименты, доказывающие геометрически правильное атомное строение твердых металлов, то в настоящее время важнейшая задача металловедения — исследование неправильностей (дефектов) атомнокристаллической структуры металлических зерен и установление связи этих дефектов с процессами, происходящими в металлах и сплавах, и их свойствами. Классификация дефектов кристаллической решетки Дефекты (несовершенства) кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные) и объемные (трехмерные).                               Точечные дефекты малы во всех трех измерениях; их размеры по всем направлениям не больше нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы, примесные атомы и их комплексы.                                                                                                                                                          Линейные дефекты малы (имеют атомные размеры) в двух измерениях, а в третьем они значительно большего размера, который может быть соизмерим с длиной кристалла. К линейным дефектам относятся цепочки вакансий, межузельных атомов и дислокаций. Дислокации могут быть достаточно протяжёнными в одном направлении, и иметь небольшое протяжение в противоположном направлении. От наличия дислокаций напрямую зависят прочность и пластичность металлов.                                                                      Поверхностные дефекты малы только в одном измерении, ими являются границы зёрен,  субзёрен и двойников, границы доменов, поверхность раздела фаз и тому подобные двумерные объекты.                                          Точечные, линейные и поверхостные дефекты считаются микроскопическими, т.к. (по крайней мере в одном направлении) их протяжённость измеряется лишь несколькими атомными диаметрами. В противоположность этим дефектам объемные несовершенства принято относить к типу макроскопических , поскольку имеют во всех трёх измерениях сравнительно большие размеры, совершенно несопоставимые с величиной атомного диаметра. В определённых случаях эти дефекты можно наблюдать и невооружённым глазом. К объёмным дефектам обычно относят поры, трещины, царапины.                                                                                                                                            Вместе с тем такое толкование объемных дефектов следует рассматривать как достаточно условное, объёмные дефекты могут быть и микроскопических размеров. Поэтому более корректным является определение их как дефектов, имеющих соразмерные размеры во всех направлениях и представляющих собой трёхмерные полости.                            Точечные дефекты - самые мелкие дефекты, обычно связаны с "ненормальной" ситуацией вокруг одного атома (отсутствием одного атома, замещением одного атома другим или же появлением "лишнего" атома). Рассмотрим различные точечные дефекты, схематически изображенные на рис. 2.1.                                                                                                                                                           Вакансия. Атом может отсутствовать в некотором узле кристаллической решетки (см. рис. 2.1 (1)). Такое пустое место называют вакансией. Часто вакансия появляется при кристаллизации - случайно один узел оказывается пустым, и, если следующий слой атомов закрывает подход атомов из раствора или расплава к пустому узлу-вакансии, то узел может оказаться пустым. Вакансию часто называют - дефект по Шотки.                            Междоузельный атом. Атом может разместиться не в узле кристаллической решетки, а в промежутке между атомами - междоузлии (см. рис. 2.1 (2)), такой дефект называют междоузельным атомом. Появляется междоузельный атом, как и вакансия, часто при кристаллизации - случайно один из атомов в результате теплового движения попадет в промежуток между соседними атомами, и, если его место займет какой либо другой атом, то междоузельный атом так и останется в новом ненормальном положении.              Дефект по Френкелю. Часто вакансия и межузельный атом возникают парами (см. рис. 2.1 (3)), в этом случае один из атомов перескакивает из узлового положения в соседнее междоузлие. Причиной такого перескока может быть тепловое движение при сравнительно высоких температурах, порядка температуры плавления, или выбивание атома быстродвижущейся частицей (радиационный дефект). Такая пара дефектов называется дефектом по Френкелю.                                                                                                                                                          Атом примеси. Один из атомов может быть замещен атомом примеси (см. рис. 2.1 (4)), при этом также получается дефект, называемый примесным атомом замещения. Примесный атом может разместиться и в междоузлии (см. рис. 2.1 (5)), как бы внедрившись в него. Такой дефект, называемый примесным атомом внедрения, часто появляется в случае, когда атом примеси значительно меньше атомов кристалла и в решетке кристалла имеются междоузлия достаточного размера; часто примесями внедрения оказываются атомы водорода, бора, углерода. Если атом примеси превосходит по размерам атомы кристалла, то, как правило, он замещает атомы кристалла.

4. Марка стали У8А

Буквой У  маркируются инструментальные качественные углеродистые стали (углеродистая инструментальная сталь).

Числом 8 указывающим содержание углерода в десятых долях процента(содержание углерода соответственно 0,8 %).

Буквау  А в конце марки ставят для обозначения высокого качества стали (инструментальная высококачественная углеродистая сталь).

По содержанию углерода данная сталь относится к высокоуглеродистым C >0,6% 

По содержанию легирующих   элементов к высоколегированным легирующих элементов  > 10%             

              Назначение имеет инструментальное для изгатовления режущего инструмента, штампов.

              По качеству (по содержанию серы и фосфора)              является высококачественной

                            По степени раскисления кипящая.

5. Электротехнические материалы. Особенности получения, свойства и применение резин.

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.

Не менее важное значение для электротехники имеют магнитные материалы. Потери энергии и габариты электрических машин и трансформаторов определяются свойствами магнитных материалов. Довольно значительное место занимают в электротехнике полупроводниковые материалы, или полупроводники. В результате разработки и изучения данной группы материалов были созданы различные новые приборы, позволяющие успешно решать некоторые проблемы электротехники.                                                                                                                                                                                                                                                                                                      Электротехническая промышленность должна расширить производство теплостойких эмаль-проводов, малогабаритных энергоемких аккумуляторных батарей, тонких фольгированных диэлектриков, а также освоить серии новых типов миниатюрных источников электропитания, электрических двигателей, кабелей связи, наладить серийный выпуск установок для лазерной обработки материалов и плазменного напыления порошков. Электротехническое предприятие, как и любое государственное производственное предприятие, представляет собой самостоятельную хозяйственную единицу. Ряд родственных предприятий с целью внедрения более прогрессивных форм централизации производства входят в состав производственного объединения. Например, широко известно производственное объединение «Электросила». Получили широкое распространение территориально-производственные комплексы. Братско-Усть-Идимский территориально-производственный комплекс включает в себя Усть-Илимскую ГЭС и крупный целлюлозный завод, в создании которого приняли участие страны —члены СЭВ. Производственно-территориальные комплексы позволяют наиболее эффективно использовать материальные, финансовые и трудовые ресурсы, дают огромную экономию народному хозяйству, создают благоприятные условия для использования природных богатств, развития межотраслевых, специализированных производств и благоустроенных жилищных и культурно-бытовых объектов. Основные задачи социалистического производственного предприятия—обеспечение выпуска нужной обществу высококачественной продукции, повышение эффективности производства путём систематического его совершенствования, улучшения организации и условий труда. В планировании, которое является центральным звеном управления народным хозяйством, будут шире использоваться целевые комплексные программы экономического и социального развития страны; особое внимание будет уделено применению сбалансированных плановых заданий по всем показателям, которые стимулируют рост производительности труда, повышение эффективности производства и качества продукции, экономию рабочего времени, материалов, энергии и других ресурсов.