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

Вариант 7

 

 

 

 

 

 

 

            Исполнитель: студент 

            Направление УК

            Профиль

            Группа  УКп-13 КТ

            Ф.И.О.  Савин А.А.

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2014

1. Опишите процесс кристаллизации  расплавленных материалов. Как влияет  скорость охлаждения на свойства  металлов?

 

Кристаллизация, переход вещества из газообразного (парообразного), жидкого или твердого аморфного состояния в кристаллическое, а также из одного кристаллического состояния в другое (рекристаллизация, или вторичная кристаллизация).

Кристаллизация как технологический метод широко используется в химической и родственных отраслях промышленности, а также в лабораторной практике при различных научных исследованиях.

Методом кристаллизации осуществляются следующие процессы:

-получение  твердых продуктов в виде слитков, блоков, гранул, чешуек и т. п.;

-выделение  различных веществ из растворов;

-разделение  смесей на фракции, обогащенные  тем или иным компонентом;

-глубокая  очистка веществ от примесей;

-выращивание  монокристаллов.

Известны следующие варианты процесса кристаллизации: из расплавов, из растворов, из паровой фазы, в твердом состоянии. Каждый из указанных вариантов объединяет по несколько технологических разновидностей.

Кристаллизация из паровой фазы применима для веществ, обладающих высоким парциальным давлением паров над твердой фазой, т. е. для веществ, способных переходить непосредственно из паровой фазы в кристаллическую и наоборот. Этот вариант кристаллизации можно использовать для очистки от примесей таких веществ, как нафталин, фталевый ангидрид, йод, водородные соединения мышьяка и др.

Кристаллизация  в твердом состоянии осуществляется при термической обработке материалов с целью получения определенной кристаллической структуры. Данный вариант кристаллизации широко применяется в металлургической промышленности, а также при переработке термопластичных полимерных материалов.

Наибольшее распространение в промышленности и лабораторной практике получили кристаллизация из расплава и кристаллизация из раствора.

Кристаллизация из раствора применяется преимущественно при переработке неорганических веществ. Часто данный процесс используется с целью получения продуктов в виде кристаллов определенных размеров и формы. При кристаллизации из растворов появляется возможность значительно снизить температуру процесса в сравнения с кристаллизацией того же вещества непосредственно из расплава. Это особенно важно при переработке высокоплавких веществ. В ряде случаев использование кристаллизации из растворов вызвано высокой вязкостью веществ в расплавленном состоянии.

В химической промышленности и в лабораторной практике часто встречаются процессы кристаллизации, осложненные химическим взаимодействием. Чаще всего эти процессы протекают в жидкой фазе, причем в результате взаимодействия двух веществ образуется новое соединение, выпадающее в кристаллическом состоянии.

Кристаллизация расплавов включает в себя довольно большое число технологических методов, которые можно разделить на три группы: отверждение расплавов, фракционная кристаллизация и выращивание монокристаллов.

Отверждение расплавов широко применяется в химической и родственных ей отраслях промышленности для получения продуктов (удобрений, пластмасс, реактивов и т. д.) в виде отливок, пластинок, чешуек, гранул и т. п.

Фракционная кристаллизация используется с целью разделения исходных бинарных или многокомпонентных расплавов на фракции, обогащенные тем или иным компонентом, а также для глубокой очистки вещества от примесей. По сравнению с другими методами разделения веществ (ректификацией, экстракцией) фракционная кристаллизация расплавов имеет ряд преимуществ:

-низкие энергетические  затраты, обусловленные тем, что  теплота плавления веществ в 6—8 раз меньше теплоты испарения;

-низкие рабочие  температуры, что особенно важно  при разделении термолабильных  веществ;

-возможность  разделения смесей близкокипящих компонентов и азеотропных смесей;

-отсутствие  необходимости в растворителях.

Заметим, что большинство смесей при переходе от расплавленного состояния к кристаллическому имеют довольно высокие термодинамические коэффициенты разделения, благодаря чему методы фракционной кристаллизации расплавов относятся к числу высокоэффективных.

В настоящее время фракционная кристаллизация расплавов широко применяется в производстве таких крупнотоннажных продуктов, как нафталин, бензол, изомеры ксилола, а также при очистке нефтепродуктов от предельных углеводородов и т. п. Широкое распространение методы фракционной кристаллизации получили также в производствах высокочистых веществ, пользующихся непрерывно возрастающим спросом. Здесь сыграло большую роль появление новых методов фракционной кристаллизации расплавов: зонная плавка, противоточная кристаллизация, осуществление процесса в тонком слое и др.

Различными методами кристаллизации расплавов в настоящее время производят большую часть монокристаллов разнообразных веществ — как низкоплавких органических соединений, так и тугоплавких веществ (металлы, окислы, соли).

Различным аспектам процесса кристаллизации посвящена довольно обширная литература, большая часть которой относится, однако, к вопросам образования и роста кристаллов. Результаты исследований в этой области частично обобщены в работах [1—5]. Технологическая сторона процесса освещена в настоящее время крайне слабо; исключение составляют лить кристаллизация металлов [6—8], зонная плавка [9—11] и выращивание монокристаллов [1, 12]. Попытка обобщения литературной информации в этой области предпринята в нескольких монографиях [5, 13, 14].

Отсутствие изданий, посвященных проблеме кристаллизации расплавов в целом и особенно аппаратурно-технологическому оформлению и расчету типовых технологических процессов, естественно, сдерживает развитие и внедрение данного перспективного процесса. Учитывая сложившееся положение, авторы стремились в первую очередь рассмотреть технологические аспекты и закономерности процессов кристаллизации расплавов, а также аппаратурное оформление данных процессов. В силу этого вопросы термодинамики фазового перехода расплав — кристаллическая фаза, зарождения и роста отдельных кристаллов, формы и структуры кристаллических образований рассмотрены в ограниченном объеме.

 

 

 

 

2. Укажите химические и физико-химические  свойства материалов. В чем заключается  старение металлов?

Химические свойства

 

Они характеризуют способность материала к химическим превращениям или стойкость его к влиянию веществ, с которыми контактирует. Так, например, цемент, вступая во взаимодействие с водой (при приготовлении и твердении бетонной смеси), образует прочный цементный камень – главную составную часть бетона. В то же время под действием воды, содержащей сульфаты (соли серной кислоты), бетон разрушается из-за коррозии цементного камня.

 

Коррозия (от латинского коррозио – разъедание) – разрушение материалов в результате их физико-химического взаимодействия с окружающей коррозионной средой. Различают коррозию металлов (в том числе сталей, которую называют ржавлением), бетона, камня и др.

Коррозионная стойкость

 

Коррозионная стойкость – основное обобщенное химическое свойство многих материалов минерального происхождения, характеризующее их способность сопротивляться разрушающему воздействию кислот, щелочей и другой коррозионной среды. При этом кислотостойкость и щелочестойкость выделяют в самостоятельные свойства, которые определяют отношением массы измельченного материала, обработанного определенными растворами кислот или щелочей, к его массе до обработки, и измеряется в процентах.

Кислотостойкость

 

Кислотостойкость – способность материала противостоять разрушающему воздействию растворов кислот или их смесей. К кислотостойким (в различной степени) материалам относятся углеродистые стали, чугуны, содержащие более 2,5 % углерода, а также титан, кварцит, гранит, каменное литье из диабаза и базальта, силикатное стекло и др.

Щелочестойкость

 

Щелочестойкость – способность материала противостоять разрушающему воздействию водных растворов щелочей. К щелочестойким (в различной степени) материалам относятся специальные хромоникелевые сплавы, никелевые латуни, известняки, бетоны на основе портландцемента и глиноземистого цемента и др.

Адгезионная способность

 

Адгезионная способность – также химическое свойство материалов. Адгезия (от латинского адхаезио – прилипание) – сцепление, или связь, между находящимися в контакте поверхностями разнородных по составу (твердых или жидких) тел (фаз), обусловленная межатомными силами притяжения. Оценивается она усилием отрыва, отнесенным к единице площади контакта. Это свойство имеет важное значение при сварке и пайке материалов, их склеивании, нанесении покрытий, когда одна из фаз в начальной стадии жидкая. Физико-химическая адгезия иногда дополняется механической, т. е. зацеплением затвердевшего клея или покрытия за неровности (шероховатости) твердой поверхности. Адгезия важна также при облицовочных работах в случаях, когда плиты крепятся к раствору только за счет сил сцепления без устройства специальных креплений.

 

 

3. Какие  свойства относятся к гидрофизическим? Как влияет влажность материалов на их теплопроводность?

 Гигроскопичность представляет собой свойство материала поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их на своей поверхности. Она зависит от вида, количества и размера пор, от природы материала, от температуры воздуха и его относительной влажности. Когда влажность снижается, часть гигроскопичной влаги испаряется. Чем мельче поры, тем больше общая площадь поверхности, и следовательно, выше гигроскопичность. Материалы, притягивающие своей поверхностью воду, называют гидрофильными; материалы, отталкивающие воду называют гидрофобными.

    Водопоглощение. Водопоглощение является способностью материала впитывать и удерживать воду. Величина водопоглощения характеризуется разностью между массой образца, насыщенного водой и массой сухого образца. Водопоглощение строительных материалов изменяется в зависимости от объема пор, их размеров и вида. Различают объемное водопоглощение, когда указанная разность отнесена к объему образца, и массовое водопоглощение, когда эта разность отнесена к массе сухого образца.

    Массовое водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах. Так, массовое поглощение обыкновенного кирпича составляет от 8 до 20 %, бетона – 2 – 3 %, торфоплит – 100 % и больше. Вода, попавшая в поры материала, увеличивает его объемную массу и теплопроводность, уменьшает морозостойкость и прочность. Некоторые материалы, в частности, затвердевшие глиняные растворы, разрушаются в воде.

    Водопроницаемость. Водопроницаемость  является свойством материала, характеризующим  его способность пропускать воду  под давлением. Она характеризуется  количеством воды, прошедшей в  течение 1 ч через 1 м кв. площади  испытуемого материала при давлении 1 МПа. Это свойство учитывают  при строительстве дамб, мостов, плотин и других гидротехнических  сооружений. Сталь, стекло, большинство  пластмасс, битум и другие плотные  материалы водонепроницаемы.

    Влагоотдача. Влагоотдача представляет  собой способность материала  отдавать влагу при снижении  влажности воздуха. Скорость влагоотдачи  зависит от разности между  влажностью материала и относительной  влажностью воздуха. Чем разность  больше, тем интенсивнее происходит  высушивание. На влагоотдачу влияют  свойства самого материала, характер  его пористости, природа вещества. Материалы с крупными порами, а также гидрофобные материалы  легче отдают воду, чем гидрофильные  и мелкопористые. Влагоотдача строительного  материала в естественных условиях  характеризуется интенсивностью  потери влаги при относительной  влажности воздуха 60 % и температуре 20 °С.

    Воздухостойкость. Воздухостойкостью называется способность материала длительно выдерживать многократное увлажнение и высушивание без деформаций и потери механической прочности. Бетон, керамика и другие природные и искусственные каменные материалы, а также надводные части гидросооружений, дорожные покрытия, сжимающиеся при высыхании и расширяющиеся при увлажнении, разрушаются из-за возникновения растягивающих напряжений.

С увеличением влажности материала теплопроводность резко увеличивается, т.е. снижаются показатели теплоизоляционных свойств материала.

Различные материалы проводят теплоту по - разному: одни - быстрее (например: металлы), другие - медленнее (теплоизоляционные материалы).

 Количественным  показателем теплопроводности различных  тел служит коэффициент теплопроводности  – λ (лямбда). Коэффициент теплопроводности  численно равен количеству тепла  в Джоулях (Дж), проходящему через 1м2