Контрольная работа по "Материаловедение"

Министерство образования и науки российской федерации

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Уральский государственный экономический университет

 

Центр дистанционного образования

 

 

Контрольная работа

по дисциплине: Материаловедение. Технология конструкционных материалов

Задание 9.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Отличие ковалентной и металлической химической связи

 

Признаки отличия	Ковалентная	Металлическая
Определение	Связь, образованная за счет общих электронных пар	Связь в металлах между ионами за счет обособленных электронов.
Соединяющие частицы	Атомы	Ион-атом и электрон
Схема образования связи
Частицы в узлах кристаллической решетки
Тип  кристаллической решетки	Атомная, молекулярная	Металлическая
Характер связи между частицами	Атомная – ковалентные связи Молекулярная – силы молекулярного взаимодействия	Металлическая связь между ион-атомами и свободными электронами.
Прочность связи	Атомная – очень прочная Молекулярная - слабая	Разная прочность
Характерные физические свойства	Атомная:  очень твердые, очень тугоплавкие, нерастворимые в воде. Молекулярная: при обычных условиях – любое агрегатное состояние, невысокая твердость, легкоплавкие, многие растворимые в воде	Твердое агрегатное состояние ( кроме ртути) Металлический блеск Тепло- и электропроводность пластичность
Примеры	Атомная- C (алмаз) Молекулярная- CO2, H2O.	Fe, Cu

 

 

 

2. Механические свойства материалов

Механические свойства определяются способностью материала противостоять различным внешним физическим воздействиям: прочность при сжатии, изгибе, ударе, кручении; твердость, пластичность, упругость, истираемость и другие.

Прочность – способность материала сохранять свою структуру и свойства под действием сжимающих, растягивающих, скручивающих, изгибающих, ударных и других сил.

Прочность материала зависит от его плотности, влажности, структуры и направления приложения нагрузки. Каменные материалы хорошо сопротивляются силам сжатия, другим видам (растяжению, удару и изгибу) они сопротивляются хуже в несколько раз (в 5 – 50 раз). Другие материалы, например древесина лучше сопротивляются силам растягивания, поэтому и используются там, где эти качества необходимы.

Пределом прочности, измеряемой в паскалях, называется сила, разрушающая материал площадью поперечного сечения один квадратный метр. В реальных условиях материал никогда не должен подвергаться силам, близким к его пределу прочности, так, при расчете строительных конструкций обязательно должен быть заложен запас прочности. Чем менее однороден материал, тем больше должен быть запас прочности. Предел прочности может определяться приложением усилия до разрушения образца, или же без разрушения с использованием высокотехнологичного оборудования (импульсный и резонансный метод) по косвенным признакам, без разрушения материала.

Твердость определяется величиной сопротивления материала при вдавливании в него более твердого тела. Твердость определяется по шкале Мооса, таким образом, что один из материалов чертит, а другой чертится испытуемым образцом. Шкала Мооса:

• Тальк или мел
• Гипс или каменная соль
• Кальцит или ангидрит
• Плавкий шпат
• Апатит
• Полевой шпат
• Кварц
• Топаз
• Корунд
• Алмаз

Твердость имеет большое значение для материалов, подверженных трению: полов, дорожных покрытий, лестниц. Более твердые материалы меньше подвержены истиранию.

Истираемость – потерянная масса материала с одного квадратного метра площади.

Износ – разрушение материала при одновременном действии ударных и истирающих сил. Износ оценивается в процентном отношении потерянной массы к общей массе материала

Сопротивление удару определяется работой, затраченной на разрушение единицы объема материала

Деформацией называется изменение геометрических форм и линейных размеров материала под действием внешних сил. Разделяют упругую и пластическую деформацию:

Упругая деформация наблюдается у материалов, которые восстанавливают свою первоначальную форму и размер после снятия нагрузки (например, минеральная вата обладает свойством упругой деформации)

Пластическая деформация не позволяет полностью восстановить исходную форму.

Упругость – свойство материала восстанавливать первоначальную форму после снятия действия внешних сил. Пределом упругости считается величина силы, после которой исходная форма уже не может полностью восстановиться. В зависимости от типа материала, при расчете его предела упругости допускается различная величина остаточной деформации.

Пластичность материала определяет его способность изменять форму при действии внешних сил, не трескаясь и не разрушаясь. По свойству пластичности разделяют хрупкие (при давлении материал разрушается уже при очень малых деформациях) и пластичные материалы. К хрупким материалам относят камень, к пластичным – металл.

Определение твердости вдавливанием стального шарика (метод Бринелля)

Твердость — это способность металла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.

Твердость металла является весьма важной характеристикой, так как тесно связана с такими основными характеристиками металлов и сплавов, как прочность, износостойкость и др.

Стальной шарик, изготовленный из закаленной шарикоподшипниковой стали, под действием усилия вдавливается в поверхность металла. С помощью специальной лупы измеряется диаметр лунки. По таблицам, приложенным к прибору, определяется значение твердости НЕ.

Для испытания применяют специальный пресс типа Бринелля, внешний вид которого показан на рисунке: стальной шарик крепится в оправке 2. Исследуемый образец ставится на предметный столик 1 и поднимается к шарику штурвалом 4. При включении мотора 5 грузы пресса 3 опускаются и вдавливают стальной шарик в образец.

Для стали значение твердости, определенное этим методом, связано с пределом прочности соотношением, которым на практике иногда пользуются:

Определение твердости по глубине вдавливания алмазного конуса (метод Роквелла)

Алмазный конус с углом при вершине 120  вдавливается в металл предварительной постоянной нагрузкой 10 кг, а затем полкой нагрузкой 60 или 150 кг.

Для испытания используют специальный пресс, внешний вид которого показан на рис. 25. Алмазный конус крепится воправке 4. Образец устанавливается «на столик 3 и поднимается с помощью штурвала 2 до нагрузки 10 кг. Ручка 1 освобождает грузы 6, которые создают усилие для вдавливания конуса в металл. Глубину вдавливания, т.е. значение твердости, отмечает индикатор 5.

Значения твердости этим методом определяются по разности глубины вдавливания алмазного конуса под действием полной и предварительной нагрузок.

Чем тверже металл, тем на меньшую глубину проникает алмаз при вдавливании, тем больше будет число твердости.

Стандартной нагрузкой при этом методе является 150 кг. Обозначается твердость НRC. В некоторых случаях, например при измерении твердости на тонком образце или при измерении твердости поверхностного слоя металла, нагрузку применяют до 60 кг.

Измерение твердости мягких материалов

На этом же приборе можно производить измерение твердости мягких материалов (цветные металлы, отожженная сталь).

В этом случае используют стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм. Стандартной нагрузкой является 100 кг, и величина твердости обозначается индексом НRB.

Определение твердости динамическим вдавливанием шарика

При изменении твердости массивных деталей и конструкций, когда нельзя использовать описанные выше приборы, применяют переносный прибор, показанный на рисунке: В прибор закладывают эталонный образец 1. При ударе по прибору молотком специальный шарик 2 наносит отпечатки на исследуемый предмет и эталонный образец, твердость которого известна.

Сопоставляя значения диаметров лунок образца и детали по таблицам, определяют твердость детали.

Определение твердости методом упругой отдачи

В тех случаях, когда нельзя применять методы вдавливания, чтобы не испортить поверхности изделия, используется прибор, определяющий твердость металла методом упругой отдачи.

На рисунке показан внешний вид прибора:

С постоянной высоты на металл падает определенного веса боек и отскакивает. По величине отскока судят о твердости. Чем больше твердость, тем больше отскок бойка.

Производительность этого метода испытаний очень велика (несколько сот измерений в час). Однако применять его можно только для сравнения между собой твердости изделий из одного и того же металла или из металлов, имеющих одинаковые упругие свойства.

Твердость каменных материалов, например, оценивают по шкале Мооса, состоящей из десяти минералов, расположенных по степени возрастания их твердости. Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух соседних минералов, из которых один чертит, а другой чертится этим материалом. Твердость металла, бетона, пластмасс определяют вдавливанием в испытуемый образец под определенной нагрузкой и в течение определенного времени стандартного стального шарика. За характеристику твердости в этом случае принимают отношение нагрузки к площади отпечатка. От твердости материала зависит его истираемость. Это свойство материала важно при его обработке (дробление, распиловка, теска, шлифовка), а также при использовании его для полов и дорожных покрытий.

3. Дислокация

Дислокация - это линейный дефект, заключающийся в смещении плоскостей кристаллической решетки относительно друг друга. Различают два основных типа дислокаций:

Линейная (краевая) дислокация представляет результат неполного сдвига кристаллической решетки. В итоге появляется незаконченная полуплоскость атомов (рис. 1.11, а); Винтовая дислокация возникает вследствие полного сдвига некоторого участка решетки (рис. 1.11, б).

Дислокации возникают как в процессе выращивания монокристаллов, так и в результате их механической и термической обработки. Границы кристаллитов в поликристаллических телах также имеют дислокационную природу.

Выходы дислокаций на поверхность кристалла можно обнаружить по результатам травления кристалла в специальном травителе. В результате травления на поверхности кристалла появляются ямки травления, хорошо видимые под микроскопом.

Образования винтовой дислокации можно представить таким образом. Мысленно надрежем кристалл по плоскости и сдвинем одну его часть относительно другой по этой плоскости на один период решётки параллельно краю надреза. При этом линия искажения пойдёт вдоль края разреза. Эту линию и называют винтовой дислокацией. Искажение пространственной решётки кристалла состоит в том, что атомные ряды изгибаются и меняют своих соседей.

 

Дислокации могут сравнительно легко передвигаться через кристалл. Предположим, что дислокация с единичным вектором оси дислокации и вектором Бюргерса передвигается в плоскости с нормалью (рис. 3.18) (положительное направление нормали выбирается произвольно). Тогда скалярное произведение векторов

. (3.21)

Пусть − единичный вектор направления движения дислокации, который определяется из соотношения:

. (3.22)

Пусть положительная сторона плоскости скольжения связана с направлением вектора , другую сторону плоскости назовем отрицательной. Когда дислокация движется по плоскости в направление , часть кристалла, расположенная с положительной стороны плоскости, сдвигается на вектор относительно части кристалла, находящейся с отрицательной стороны. Рассмотрим случай:

Пусть вектор лежит в плоскости перемещения дислокации, т. е.

 

Такое движение дислокации называют скольжением, а плоскость движения – плоскостью скольжения (рис. 3.19). Скольжение осуществляется за счет незначительной перестройки атомов вблизи линии дислокации. Скольжение дислокации не сопровождается переносом массы и происходит под действием небольших касательных напряжений t.