Общие сведения о материалах, их строении и свойствах

Общие сведения о материалах, их строении и свойствах

Общие сведения о материалах.

Все материалы по химической основе делятся на две основные группы — металлические и неметаллические.

К металлическим относятся металлы и их сплавы. Металлы составляют более 2/3 всех известных химических элементов. Металлические материалы делятся на черные и цветные. К черным относятся железо и сплавы на его основе — стали и чугуны. Все остальные металлы относятся к цветным. Чистые металлы обладают низкими механическими свойствами по сравнению со сплавами, и поэтому их применение ограничивается теми случаями, когда необходимо использовать их специальные свойства.

К неметаллическим материалам относятся различные пластмассы (слоистые, волокнистые, порошковые, газонаполненные), резиновые материалы, древесные материалы (пиломатериалы, древесный шпон), текстильные материалы, неорганические (керамика, стекло) и композиционные материалы.

Практическое значение различных материалов не одинаково. Наибольшее применение в технике приобрели черные металлы. На основе железа изготавливают более 90% всей металлопродукции. Однако цветные металлы обладают целым рядом ценных физико-химических свойств, которые делают их незаменимыми. В промышленности занимают место и неметаллические материалы, но их использование невелико (около 10%) и предсказание тридцатилетней давности о том, что неметаллические материалы к концу века существенно потеснят металлические, не оправдалось. В других же областях применение различных неметаллических материалов развивается в настоящее время опережающими темпами по сравнению с металлическими материалами.

Строение материалов.

Все твёрдые тела делятся на аморфные и кристаллические.

В аморфных телах атомы расположены хаотично, т. е. в беспорядке, без всякой системы, поэтому тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Примерами аморфных тел могут служить стекло, клей, воск, канифоль, т. е. аморфное строение присуще в основном неметаллам.

В кристаллических телах атомы расположены в строго определённой последовательности. Тела остаются твердыми, т. е. сохраняют приданную им форму до определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Переход из одного состояния в другие протекает при определенной температуре плавления. К телам с кристаллическим строением относят поваренную соль, кварц, сахарный песок, металлы и сплавы.

Атомно-кристаллическая структура — взаимное расположение атомов в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решётку, называют элементарной ячейкой. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки.

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке.

Различают три типа дефектов кристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные. Точечные дефекты характеризуются малыми размерами, величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся: а) свободные места в узлах кристаллической решетки — вакансии (дефекты Шоттки); б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки — дислоцированные атомы (дефекты Френкеля); в) атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки — примесные атомы. Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов — дислокации (лат. dislocation — смещение). Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть границы зерен, границы фрагментов внутри зерна, границы блоков внутри фрагментов.

От строения и дефектов напрямую зависят свойства материалов.

Свойства материалов.

Физические свойства определяют поведение материалов в в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. Из важных физических свойств можно выделить теплопроводность, плотность, коэффициент линейного расширения.

Плотностью называется отношение массы однородного материала к единице его объема. Это свойство важно при использовании материалов в авиационной и ракетной технике, где создаваемые конструкции должны быть легкими и прочными.

Температура плавления — это такая температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чем ниже температура плавления металла, тем легче протекают процессы его плавления, сварки и тем они дешевле.

Электропроводностью называется способность материала хорошо и без потерь на выделение тепла проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают металлы и их сплавы, особенно медь и алюминий. Большинство неметаллических материалов не способны проводить электрический ток, что также является важным свойством, используемом в электроизоляционных материалах.

Теплопроводность — это способность материала переносить теплоту от более нагретых частей тел к менее нагретым. Хорошей теплопроводностью характеризуются металлические материалы.

Магнитными свойствами т. е. способностью хорошо намагничиваться обладают только железо, никель, кобальт и их сплавы.

Коэффициенты линейного и объемного расширения характеризуют способность материала расширяться при нагревании.

Химические свойства характеризуют склонность материалов к взаимодействию с различными веществами и связаны со способностью материалов противостоять вредному действию этих веществ. Способность металлов и сплавов сопротивляться действию различных афессивных сред называется коррозионной стойкостью, а аналогичная способность неметаллических материалов — химической стойкостью.

Механические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться действию внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.

Прочность — это способность материала сопротивляться разрушающему воздействию внешних сил Твердость — это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.

Вязкостью называется свойство материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок.

Упругость — это свойство материалов восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.

Хрупкость — это свойство материалов разрушаться под действием внешних сил без остаточных деформаций.

Технологические свойства определяют способность материалов подвергаться различным видом обработки. Литейные свойства характеризуются способностью металлов и сплавов в расплавленном состоянии хорошо заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить ее очертания (жидкотекучестыо), величиной уменьшения объема при затвердевании (усадкой), склонностью к образованию трещин и пор, склонностью к поглощению газов в расплавленном состоянии.

К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, радиационная стойкость, коррозионная и химическая стойкость и др.

Жаростойкость характеризует способность металлического материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре.

Износостойкость — это способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоев при трении.

Радиационная стойкость характеризует способность материала сопротивляться действию ядерного облучения.

Вопрос 2: Классификация текстильных волокон.

Текстильное волокно представляет собой протяженное тело, гибкое и прочное, с малыми поперечными размерами, ограниченной длины, пригодное для изготовления пряжи и текстильных материалов.

В основу классификации волокон положен их химический состав и происхождение.

В зависимости от происхождения текстильные волокна подразделяют на натуральные и химические.

К натуральным относят волокна растительного, животного и натурального происхождения, которые образуются в природе без непосредственного участия человека. Натуральные растительные волокна состоят из целлюлозы; их получают с поверхности семян (хлопок), плодов (койр), из стеблей (лен, рами, пенька, джут и др.) и листьев растений (абака, сизаль). Натуральные волокна животного происхождения состоят из белков — кератина (шерсть различных животных), или фиброина (шелк тутового или дубового шелкопряда).

К химическим относят волокна, созданные в заводских условиях путем формования из органических природных или синтетических полимеров или неорганических веществ. Химические волокна по составу делятся на искусственные и синтетические.

Искусственные волокна получают из высокомолекулярных соединений, встречающихся в готовом виде (целлюлоза, белки). Их получают путем химической переработки природных полимеров растительного и животного происхождения, из отходов целлюлозного производства и пищевой промышленности.

Полимер — вещество, молекулы которого состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Сырьем для полимеров служат древесина, семена, молоко и т. п. Наибольшее применение в швейной промышленности имеют текстильные материалы на основе искусственных целлюлозных волокон, таких как вискозное, полинозное, медно-аммиачное, триацетатное, ацетатное.

Синтетические волокна получают путем химического синтеза полимеров, т. е. создания имеющих сложную молекулярную структуру веществ из более простых, чаще всего из продуктов переработки нефти и каменного угля. Это полиамидные, поли эфирные, полиуретановые волокна, а также полиакрилонитрильные (ПАН), поливинилхлоридные (ПВХ), поливинилспиртовые, полиолефиновые. Также по составу синтетические волокна делятся на карбоцепные и гетероцепные. Гетероцепные волокна образуются из полимеров, в основной молекулярной цепи которых кроме атомов углерода содержатся атомы других элементов. Карбоцепными называют волокна, которые получают из полимеров, имеющих в основной цепи макромолекул только атомы углерода.

материал свойство строение дефект.

Используемая литература

• 1. Солнцев Ю. П. Материаловедение. Применение и выбор материалов: Учебное пособие / Солнцев Ю. П., Борзенко Е. И., Вологжанина С. А. — СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007. — 200 с.
• 2. Бузов Б. А. Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности (швейное производство): Учебник для студ. высш. учеб. заведений / Б. А. Бузов, Н. Д. Адыменкова: Под ред. Б. А. Бузова. — М.: Издательский центр «Академия», 2004 — 448 с.
• 3. Савостицкий Н. А. Материаловедение швейного производства: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / Н. А. Савостицкий, Э. К. Амирова. — 7-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2013. — 272 с.
• 4. Металлы и сплавы. Справочник / В. К Афонин и др. — НПО «Профессионал» СПб, 2003 — 200 с.
• 5. Солнцев Ю. П. «Материаловедение» / Ю. П. Солнцев, Е. И. Пряхин — СПб.: Химиздат, 2007, 783с.