Реферат: Основы материаловедения

МЕЖРЕГИОНАЛЬНЫЙЗАОЧНЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ

(МЗЭТ ГОУ СПО ИЭК)

Барнаульский филиал

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1

По теме «Материаловедение»

Деркач Николай Николаевич шифр Д—2170

(фамилия, имя, отчество студента)

3 курса, специальности 140206-01 .

Вопрос № -1

Опишите типы кристаллических решёток металлов и дефекты ихстроения

Дляметаллов характерна металлическая кристаллическая решетка. В ней имеетсяметаллическая связь между атомами. В металлических кристаллах ядра атомоврасположены таким образом, чтобы их упаковка была как можно более плотной.Связь в таких кристаллах является нелокализованной и распространяется на веськристалл. Металлические кристаллы обладают высокой электрической проводимостьюи теплопроводностью, металлическим блеском и непрозрачностью, легкойдеформируемостью.

/>/>

Классификация кристаллических решеток отвечает предельным случаям.Большинство кристаллов неорганических веществ, принадлежит к промежуточнымтипам — ковалентно-ионным, молекулярно-ковалентным и т.д. Например, в кристаллеграфита внутри каждого слоя связи ковалентно-металлические, а между слоями — межмолекулярные.

За редким исключением, металлы в твёрдом состоянии представляютсобой тела, состоящие из огромного количества мелких, различимых только в микроскопзёрен кристалликов.

В свою очередь эти зёрна состоят из атомов упорядоченно расположенныхотносительно друг друга в пространстве.

Располагаясь в пространстве, ближайшие друг к другу атомы образуютконтур какого-нибудь геометрического тела.

Т.О каждое зерно металла состоит из множества таких одинаковоориентированных геометрических тел, называемых элементарными ячейками.

В соседних зёрнах металла эти ячейки ориентированы по-другому.

Находясь в узлах кристаллической решётки, атомы колеблютсяотносительно своего среднего

Положения с частотой около 10 в 13 степени Гц, не покидая (за исключением некоторых особых случаев) своихмест.

Известно, что атом любого метала, состоит из положительнозаряженного ядра и окружающих его, несущих отрицательный заряд несколькихэлектронных оболочек. Каждая оболочка заполнена строго определённым количествомсильно связанных с ядром электронов, и только на последней оболочке находятсянесколько электронов, слабо связанных с ядром.

Из числа равно валентности металла.

С помощью этих электронов, называемых валентными, атомы металловустанавливают связи, взаимодействуют с атомами других элементов, в том числе иметаллов, а также друг с другом.

По современным научным воззрением, расположенные в узлахкристаллической решётки атомы металла связываются со своими ближайшими соседямипри помощи валентных электронов, находящихся на их внешней оболочке. Связьтакого вида называется металлической.

Тип кристаллической решётки металла определяется формой тогогеометрического тела, которое составляет основу его элементарной ячейки.Наиболее распространенными типами кристаллических решёток металлов являются:

А- Кубическая объёмно центрированная. (О.Ц.К.)

/>/>

Б-Кубическая гранецентрированная (Г.Ц.К.)

В-гексагональная плотноупакованная. ( Г.П.У.)

О.Ц.К.- решётку имеет железо при обычных температурных условиях,хром, вольфрам, ванадий, молибден, калий, натрий и другие.

О.Ц.К.- решётку имеет никель, медь, алюминий, свинец, серебро,железо при температуре 911 – 1392 градуса Цельсии и другие металлы.

Г.П.У. – решётку имеет цинк, а так же кобальт, цирконий и метанпри комнатной температуре.

Как видно из перечислений, некоторые металлы в зависимости оттемпературных условий существуют при разных способах расположение атомов впространстве относительно друг друга.

Например, железо при температуре до 911 градусов Цельсии имеетО.Ц.К – решётку, далее до 1392 градусов Цельсии существует в аллотропическойформе Г.Ц.К, а затем вплоть до температуры плавление снова принимает формуО.Ц.К.

Способность метала изменять тип своей кристаллической решётки взависимости от температуры называется аллотропией (полиморфизмом).

Полиморфные превращение свойственны так же титану, цирконию, оловуи другим металлом.

Аллотропические превращение имеют важное значение в технике,благодаря им, например оказываются возможным производить термическую обработкустали и других сплавов, имеющую целью изменять их структуру и свойство.

Если в отдельных ячейках кристаллической решётки между её узламипо каким – либо причинам оказывается как бы «лишние атомы» данного им другогоэлемента, то образующие при этом дефекты называются внедрёнными атомами.

Внедрённые атомы так же искажают кристаллическую решётку и создаютвнутреннее напряжение.

При внедрении в междоузлие решётки атомов других элементов этинапряжение оказываются тем больше, чем значение разницы между размерами атомоввнутренние и данного метала.

Линейные несовершенства кристаллической решётки называетсядислокациями.

Дислокации можно представить таким образом: если надрезатьидеальный кристалл и сместить края надреза на величину, кратную периодурешётки, то внутри кристалла у края надреза возникает некоторое искажение,которое и является дислокацией.

Если края надреза сдвинуть параллельно надрезу, то образующаядислокация называется винтовой.

Если же края надреза раздвинуть и внутрь образовавшийся щеливставить (или удалить из неё) лишнюю атомную плоскость того же материала(экспро плоскость), это приведёт к образованию дислокации другого типа –«краевой» .

Чем больше имеется в зерне таких дефектов, тем сильнее искажениеего кристаллической решётки и тем более значительны в ней внутренниенапряжение.

Дислокации возникают при кристаллизации, особенно на границахзёрен при пластической деформации металла, при его резких нагревах иохлаждениях.

Ознакомившись с вакансиями, внедрёнными атомами и дислокациями,очень важно для понимание прочности металлов уяснить, что все эти дефектыприносят в зёрна металла, в их кристаллическую решётку искажение.

Вопрос № 2

Что такое карбид кремния? Каковы его свойства и области применения?

/>

Карбид кремния — абразивный материал,представляющий собой химическое соединение кремния с углеродом (SiC); твердостьпо Моосу 9,1; микротвердость 3300-3600 кГс/мм2. Получают его в электрическихпечах сопротивления силицированием частиц углерода парами кремниевой кислоты.Сырьем служат материалы, богатые кремнеземом: жильный кварц, кварцевые пески икварциты, содержащие не менее 99,0-99,5%, SiO2, а также углеродистый материал — нефтяной кокс. Для улучшения хода реакции к шихте добавляют некотороеколичество опилок, а при производстве зеленого карбида кремния еще и повареннуюсоль. Нагревательным элементом печи является токопроводящий керн изуглеродистых материалов. Карбид кремния образуется при температуре 1500-2300°С. Наиболее вредной примесью является углерод, который понижает абразивнуюспособность карбида кремния и адгезию его со связкой.

Хрупкость карбида кремния является следствием кристаллическойструктуры и типа химической связи и сочетается в нем с высокой твердостью.Карбид кремния имеет три полиморфные модификации: гексагональную и тригональную(α-SiC), а также кубическую (β-SiC). Мелко- и крупнокристаллическийкарбид кремния абразивного назначения относится к α-SiC-структуре (политипы4Н, 6Н, 15R и др.). В этом типе карбида кремния полностью отсутствуетмодификация β-SiC. Микротвердость монокристаллов наиболее высокая уполитипа 15R, ниже у политипа 6Н и еще ниже у политипа 4Н.

Химически чистый карбид кремния бесцветен и прозрачен, атехнический окрашен от светло-зеленого до черного цветов, в зависимости отсостава и содержания примесей.

Промышленность производит два вида карбида кремния промышленногоназначения: зеленый и черный. В процессе производства наиболее часто встречаютсяструктурные типы 6Н (бесцветные или светло-зеленые кристаллы), 4Н (темно-синие,черные, почти непрозрачные кристаллы), реже 15R (кристаллы желтоватогооттенка). Промышленный зеленый карбид кремния почти целиком состоит изα-SiС 6H; черный на 60% представлен политипом 6Н и на 40% политипом 4Н. Похимическому составу и физическим свойствам зеленый и черный карбиды кремнияотличаются незначительно, однако зеленый карбид кремния содержит меньшепримесей, имеет несколько большую хрупкость и более высокую абразивнуюспособность.

Свойства карбида кремния

Отличительной особенностью монокристаллов карбида кремния являетсясуществование большого числа политипных модификаций, которые представляют собойсуперпозицию структур типа сфалерита и вюрцита. Кубическую модификацию карбидакремния ( 3С ) принято обозначать буквой?, остальные модификации -буквой?..Благодаря политипизму карбид кремния фактически представляет собой наборполупроводниковых материалов с различными физико-химическими свойствами.Различия в порядке расположения слоев в политипах карбида кремния определяютразличия не только в общей симметрии структуры и параметров элементарных ячеек,но и различия в периодах решетки и межслойного расстояния для разных политипов.Изменение размеров элементарной ячейки политипов приводит к изменению ширинызапрещенной зоны в карбиде кремния от 2,39 для 3С -SiC до 3,33 для 2Н-SiС.

Полярность направления [0001] для карбида кремния проявляется вразличии физических, химических и других свойств для граней противоположных направлений???( различные скорости роста граней, различные скорости травления, различие впоглощении примесей).

Основными акцепторными примесями в карбиде кремния являютсяалюминий и бор, основной донорной примесью- азот. Энергия активации примесейне зависит от политипа и составляет: Аl -0,28 эВ, В- 0,39 эВ, N-0,1 эВ.

Применения.

Из карбида кремния получают шлифзерно, шлиф — и микропорошки,которые применяются для изготовления абразивного инструмента на твердой игибкой основах, а также паст. Для производства многих видов шлифовальной шкуркикарбид кремния черный предпочитают зеленому.

Абразивный инструмент из зеленого карбида кремния используется длятонкого шлифования металлообрабатывающего инструмента, твердых сплавов,керамики, камня и для правки шлифовальных кругов. Инструмент из черного карбидакремния применяется для шлифования твердых сплавов, чугуна, цветных металлов,стекла, пластмасс, кожи, резины. Пасты из карбида кремния применяются длядоводочных работ. Отдельные разновидности карбида кремния используются вэлектротехнической, металлургической и огнеупорной промышленности. В зерне ипорошках карбид кремния применяется в промышленности стройматериалов дляизготовления аэродромных покрытий, нескользких плиток, лестничных ступеней идругих изделий.

Карбид кремния используется как полупроводниковый материал дляизготовление выпрямительных полупроводниковых диодов, сферодиодов (индикаторы сзелёно – синим свечением), как жаростойкий и химически стойкий материал длязащитных покрытий, высокотемпературных нагревательных и других.

Физика – химические свойства карбида кремния.

Молекулярный вес 40,09

Содержание углерода в весе 29,05

Плотность, г/см(кубический) 3,2

Температура плавления в градусах Цельсии     2600

Теплоёмкость при 20градусах Цельсии в кал/моль 12,13при 1000 градусах Цельсии

Теплопроводность в кал/см при 20 градусах Цельсии 0,098

Термический коэффициент +0,264

Электросопротивление в градус (900-1500градусов Цельсии)

в степени -1 умноженное на 10 в 6степени

Коэффициент термического линейного 5,77 (1000 градус Цельсии)

расширение а*10в 6 степени * на градус

в -1степени (20-t*на градус Цельсии)

Вопрос № 3

Расскажитеоб электропроводности жидких диэлектриков и влиянии на неё различных факторов

Внеполярных жидких диэлектриках диссоциация молекул на ионы незначительна,поэтому число носителей заряда в единице объёма невелико и проводимость малаисточникам ионов в неполярной жидкости могут быть примеси: влага, различныеполярные жидкости, частицы твёрдых веществ молекулы которые диссоциируют на ионы.Молекулы полярных жидкостей диссоциируют на ионы в большой степени, поэтому ихпроводимость большая. Если в полярной жидкости содержится даже небольшоеколичество полярной примеси, то её молекулы практически все диссоциируют,возрастает и количество диссоциировавших молекул жидкости и проводимость сильноувеличивается. Ион совершает тепловые колебание, в положении временногозакрепления с частотой:10в 12 – 10в 13 степени Гц. В результате ионпреодолевает силы взаимодействия с соседними молекулами и перемещается в новоеположение временного закреплено, которое отстоит на расстояние, равномумежмолекулярному расстоянию.

Вэлектрическом поле перемешение становится направленным и обуславливает переносзаряда. Электропроводимость, удельная проводимость жидких диэлектриков с ростомтемпературы увеличиваются, а удельное сопротивление уменьшается поэкспоненциальному закону. Увеличение проводимости с ростом температуры связанос увеличением подвижности. Подвижность увеличивается так как растет скоростьупорядоченного движение иона, что связано с уменьшением вязкости жидкости.

Ещё вбольшей степени проводимость увеличивается за счёт роста числа носителейзаряда. С увеличением температуры по экспоненциальному закону растётдиссоциация молекул жидкостей и примесей. Тщательно очищенные жидкиедиэлектрики имеют большое удельное сопротивление. В неочищенных жидкихдиэлектриках удельная сопротивление сильно уменьшается при увеличениитемпературы.

Жидкиеметаллы, непрозрачные жидкости с характерным блеском, обладающие большойтеплопроводностью, электропроводностью и др. особенностями, свойственнымитвёрдым металлам. Ж. м. являются все расплавленные металлы и сплавы металлов, атакже ряд интерметаллических соединений. Некоторые полуметаллы и полупроводникив жидком состоянии превращаются в типичные металлы: одни — сразу послеплавления (Ge, Si, GaSb и др.), другие — при нагревании выше температурыплавления (Te — Se, PbTe, PbSe, ZnSb и др.). Некоторые неметаллы (Р, С, В)становятся Ж. м. при высоких давлениях.

Приатмосферном давлении и комнатной температуре в жидком состоянии находится лишьртуть (температура плавления — 38,9°С).

Ж. м. потаким свойствам, как вязкость, поверхностное натяжение и диффузия, сходны с др.жидкостями, но в то же время резко отличаются от них значительно большейтеплопроводностью, электропроводностью, способностью отражать электромагнитныеволны, а также меньшей сжимаемостью. По этим особенностям Ж. м. близки ктвёрдым металлам.

ЭлектропроводностьЖ. м., как и твёрдых металлов, является электронной. Для чистых металловэлектропроводность при плавлении уменьшается в 1,5—3 раза в зависимости от родаметалла и при дальнейшем нагревании убывает линейно с температурой. Исключениесоставляют двухвалентные Ж. м. — их электропроводность при повышении температурыслегка падает и проходит через минимум. Коэффициент термоэдс (см.Термоэлектрические явления) скачком меняется при Ж. м. является линейнойфункцией температуры (для многих Ж. м. он пропорционален абсолютнойтемпературе). Коэффициент Холла RH (cм. Холла эффект) при плавлении меняется;для Ж. м. он отрицателен и может быть вычислен с помощью модели свободныхэлектронов по формуле RH = (ne)-1 где n — электронная плотность (вычисленная поплотности и валентности), е — заряд электрона (из этих общих правил имеютсяисключения). Электрические свойства Ж. м. могут быть поняты только на основестрогой квантовомеханической теории кинетических электронных процессов вжидкостях, однако разработка такой теории пока только начата.

Приплавлении металлов теплопроводность изменяется почти так же какэлектропроводность. Это справедливо также и для Bi, теплопроводность иэлектропроводность которого при плавлении увеличиваются, а не уменьшаются, каку др. металлов. Свободные электроны переносят большую часть теплового потока;поэтому Ж. м. имеют более высокую теплопроводность, чем жидкие диэлектрики.Некоторые Ж. м. соединяют значительную теплопроводность с высокойтеплоёмкостью. Это позволяет использовать Ж. м. в теплотехнике в качестветеплоносителей. Наиболее подробно изучены одноатомные Ж. м. — натрий и калий.Они обладают достаточно низкими точками плавления и применяются либо отдельно,либо в виде сплавов для отвода теплоты в ядерных реакторах.

Ж. м., также как и твёрдые металлы, мало сжимаемы (значительно хуже, чем др. жидкости),т. к. для уменьшения объёма в обоих случаях нужно сконцентрировать электроны вменьшем объёме. Поэтому скорость звука в Ж. м. обычно выше, чем в др.жидкостях. Ж. м., как и др. жидкости, неспособны оказывать сопротивлениестатическим сдвигам, однако ультразвуковые волны очень высокой частоты могутраспространяться в Ж. м. как сдвиговые возмущения (см. Жидкость).

Вопрос №4

По какимпризнакам можно систематизировать электротехнические материалы? Приведитеклассификацию основных групп и подгрупп

Электротехническиминазываются материалы, характеризуемые определёнными свойствами по отношению кэлектромагнитному полю и применяемые в технике с учётом этих свойств. Напрактике различные материалы подвергаются воздействием как отдельноэлектрических и магнитных полей, так и их совокупности.

Электротехническиематериалы в магнитном поле подразделяются на сильномагнитные и слабомагнитные (магнитные и немагнитные).

Вэлектрическом поле на проводниковых, диэлектрические и полупроводниковые.

В нутрииэтих групп есть ещё подгруппы. Например — слабомагнитные делятся надиамагнитные и парамагнитные. Сильномагнитные на ферромагнитные и ферримагнитные.Ещё сильномагнитные материалы делятся на магнитомягкие и магнитотвёрдые.

Магнитомягкиематериалы должны иметь высокую магнитную проницаемость, большую индукциюнасыщение, узкую петлю гистерезиса и малую коэрцитивную силу.

Магнитотвёрдыематериалы имеют существенно большую коэрцитивную силу.

К проводниковымматериалам относятся твёрдые тела, жидкости и газы. Проводники бывают с малым ибольшим.

Диэлектрикаминазывают вещества, основным электрическим свойством которых являетсяполяризоваться в электрическом поле.

Диэлектрикиразделяются на диэлектрические материалы и электроизоляционные материалы.

Вопрос № 5

Расскажитео видах, свойствах и областях применения неметаллических проводниковыхматериалов

К твёрдымнеметаллическим проводниковым материалом относится электротехнический уголь.Сырьём для его производства могут служить сажа, графит, антрацит. Электротехническийуголь хорошо проводит электрический ток, не окисляется и не пригорает.

Онприменяется для изготовления щёток электрических машин; электродов дляпрожекторов; дуговых электрических печей и электролитических ванн; анодовгальванических элементов.

Угольные порошкииспользуются в микрофонах для создание сопротивление.

Используютуголь при изготовлении непроволочных высокоумных резисторов, различныхразрядников для телефонных сетей, электровакуумных приборов.

Основа сажии графита используется для экранирования жил силовых кабелей.