Процес кристалоутоврення. Механічні властивості та дефекти матеріалів

Наступний ріст температури приводить до другої стадії процесу - збірної рекристалізації, що полягає в зростанні нових зерен, що знову утворилися. При укрупненні зерен загальна поверхня їхніх границь ставатиме меншою, що сприятиме переходу металу в більш рівноважний стан. Рушійною силою збірної рекрестализації є зниження поверхневої енергії. Розміри зерен дуже впливають на властивості металу. Утворення крупних зерен при нагріванні знижує механічні властивості. Величина зерен залежить від температури нагрівання, ступеню пластичної деформації й меншого ступеню - тривалості витримки при нагріванні.

Лекція 8. Фізико-хімічні властивості

1. Класифікація фізико-хімічних властивостей

До фізико-хімічних відносяться властивості, прояв яких супроводжується фізичними й хімічними явищами умов середовища. Найважливішими фізико-хімічними властивостями є сорбційні властивості, що характеризують водопро- никність, паропроникність, повітропроникність і ін..

Від фізико-хімічних властивостей залежить призначення й поводження матеріалів у різних умовах виробництва й експлуатації.

Сорбційні властивості. Матеріал, що поглинає гази, воду, а також розчинені у ньому речовини, називається адсорбентом, а речовина, що поглинається - адсорбатом. Процес, зворотний - десорбція. Види сорбцій, що зустрічаються в природі діляться на адсорбцію й абсорбцію. Адсорбцією називається процес поглинання речовини поверхнею, включаючи пори й тріщини твердого тіла. Абсорбція - це процес поглинання речовини за рахунок його дифузії. Ці процеси супроводжуються утворенням у капілярах води й хімічних сполук. В останньому випадку процес називається хемосорбцією.

Процеси сорбції протікають при фарбуванні волокон, тканин, трикотажу. Вони лежать в основі очищення вод, масел і газів від домішок, посвітління розчинів, а також використаються в хроматографії.

Для характеристики матеріалів, готових виробів важливо знати не тільки яка кількість газу, пари, розчинених речовин поглинається даним адсорбентом у різних умовах зовнішнього середовища, але й головне, як впливає поглинання речовини на властивості абсорбенту. Найбільше практичне значення має абсорбція вологи матеріалами. Зміна вмісту вологи в таких матеріалах, як деревина, шкіра, текстильні вироби, деякі пластичні маси й ін. призводить до зміни їхнього об'єму, ваги, міцності, пластичності, теплопровідності й ін. Зі збільшенням вмісту вологи в органічних матеріалах знижується їхня протигнильна стійкість, тому що гнильні процеси у вологому матеріалі розвиваються більш інтенсивно.

Механізм сорбції детальніше вивчається в курсах фізичної й колоїдної хімії. Основними факторами, що впливають на величину адсорбції, є природа компонентів, концентрація адсорбованої речовини й температури.

Залежність величини адсорбції (а) від рівноважної концентрації (с) газу або розчиненої речовини при певній температурі (т) виражається кривими, які називаються ізотермами адсорбції. При певному значенні концентрації адсорбованої речовини досягається гранична величина адсорбції. Адсорбція тим вище, чим більш питома поверхня адсорбенту. Однак при великій питомій поверхні абсорбенту адсорбція може не відбутися або відбутися в невеликих кількостях, якщо розміри молекул абсорбата більше діаметра пор адсорбенту. З підвищенням температури адсорбція зменшується до певних рівнів. Крива ізотерми може бути виражена рівняннями х/м=кс^1/n де х/м - кількість адсорбованої речовини, с - кінцева концентрація адсорбата, до,,1/n - постійного.

Ізотерми адсорбції добре співпадають з даними дослідів з розведеними розчинами, але не дають уявлення про межу адсорбції, тобто повне насичення поверхні.

Поглинання адсорбованої речовини завжди супроводжується виділенням тепла, а десорбція, навпаки, поглинанням тепла.

Адсорбція вологи. Тому що повітря практично завжди містить вологу, то явище сорбції матеріалами відбувається завжди. Вологість повітря характеризується різними величинами. Найпоширенішими характеристиками є: абсолютна й відносна вологість. Під абсолютною вологістю розуміють масу водяної пари в одиниці об'єму (г/см³) або тиск водяної пари в мм. рт. стовпа. При одній і тій же абсолютній вологості повітря може бути вологим або сухим залежно від температури (сухіше, при більш високій температурі), чим вище температура, тим більша кількість пари може перебувати в повітрі. Якщо абсолютна вологість досягає максимально можливої величини при даній температурі, то повітря стане насиченою водяною парою. Так, при температурі 0^о абсолютна вологість насиченого повітря становить 4,84 г/м³, при 10^про - 4,38 г/м³, а при 25^про - 22,8 г/м³. Відношення вмісту пари води в одиниці об'єму повітря до максимально можливого при даній температурі називається відносною вологістю повітря. Під відносною вологістю розуміють відношення тиску водяних парів, що втримуються в повітрі, до тиску водяних парів, що насичують цей об'єм при тій же температурі. Виражають відносну вологість повітря у відсотках. Середня відносна вологість кімнатного повітря звичайно дорівнює 60%. Про ступінь насичення повітря водяною парою можна також судити по точці роси, тобто по температурі, до якої необхідно остудити повітря, не міняючи вмісту вологи, щоб воно досягло стану насичення. При крапці роси відбувається утворення крапельок води. Кількість адсорбованої вологи, що втримується в матеріалі, залежить від виду матеріалу , відносної вологості й температури повітря.

Зі збільшенням відносної вологості повітря при Т=const кількість адсорбованої вологи зростає.

При підвищенні температури й постійній відносній вологості кількість адсорбованої вологи зменшується й ізотерма абсорбенту розташовується нижче. При зниженні температури - навпаки.

Криві адсорбції при збільшенні ц і зменшенні (зневоднюванні) не збігаються між собою.

Для визначення гігроскопічності матеріалу необхідно знайти значення вологості при обводнюванні й зневоднюванні й взяти їх середнє значення. Для визначення максимальної гігроскопічності, матеріал витримують при 100% відносній вологості й температурі 20о до рівноважного з навколишнім середовищем стану.

2. Фізико-хімічні властивості

Термічне розширення характеризує здатність матеріалу змінювати свої розміри при зміні температури. Це важливо при оцінці якості виробів, що перебувають в умовах зміни температури. Це можуть бути вимірювальні прилади , точні механізми і т.д. При різній зміні розмірів може відбутися руйнування виробів, зміниться точність показання приладів. Термічне розширення враховується при характеристиці двошарових матеріалів і готових виробів. Показником термічного розширення матеріалів є відносний темпе -ратурний коефіцієнт, величину якого враховують при одержанні кольорового скла, емалюванні металевого посуду, нанесенні глазурі на порцелянові і фаянсові вироби, і т.д.

Відносний температурний коефіцієнт залежить від хімічної сполуки, ступеня однорідності речовини й наявності домішок.

Поглинають лінійний і об'ємний температурний коефіцієнт у певному інтервалі температури. Температурний коефіцієнт лінійного розширення обчислюється з відношення:

б - відносний температурний коефіцієнт лінійного розширення - зміни довжини тіла при зміні температури на 1^о С

Аналогічно обчислюється й температурний коефіцієнт об'ємного розширення :

Визначення температурного коефіцієнта на приладах дилатометрах. Наприклад, б для кварцу , при зміні температури від 0 до 100^ос має значення 0,55-1,0, скла - 5,2-1,0, алюмінію - 22,5-24,5 , гуми - 70. Температурний коефіцієнт розширення негативно впливає на термічну стійкість матеріалів. Матеріали з високим температурним коефіцієнтом розширення руйнуються при незначних коливаннях температур, наприклад скло, за винятком чистого кварцового й загартованого скла.

Термічна стійкість - це здатність матеріалу або виробу зберігати свої властивості при різких змінах температури в певних межах. Для ряду органічних матеріалів і готових виробів термічна стійкість ототожнюється з теплостійкістю, тобто здатністю витримувати дія високих температур. Термостійкість - важливий показник якості товарів, які в процесі служби піддаються то різкому нагріванню, то різкому охолодженню. Термостійкість характеризує довговічність виробу, від неї залежить режим технологічної обробки при виготовленні й можливість використання цих виробів у різних умовах. Термічна стійкість виробів залежить від хімічної й мінералогічної складу, однорідності, межі міцності, температурного коефіцієнту розширення, коеф. теплопровідності, коефіцієнта теплоємності, а також модуля пружності, пористості.

Більш термічно стійкими є тонкостінні вироби із плавними переходами й однаковою товщиною. Термічна стійкість тим вище, чим вище теплопровідність, механічна міцність і нижче модулі пружності й температурний коефіцієнт розширення. При високому температурному коефіцієнті розширення, при різких коливаннях температури в матеріалі виникають внутрішні напруження, що призводять до руйнування виробу. Матеріали, однорідні по сполуці, є більш термостійкими. З підвищенням пористості матеріалу, якщо при цьому не знижується міцність, термічна стійкість збільшується. Матеріали з низьким модулем пружності легше переносять різкі нагрівання й охолодження без руйнування.

Термічна стійкість виробів або матеріалів визначається в характерних умовах і характеризується кількістю теплозмін у певному інтервалі температур або величиною температури, що витримує виріб без руйнування й зниження основних властивостей. За теплозміну приймається один цикл нагрівання й охолодження виробу. Чим більше теплозмін витримує виріб, тим вище його термостійкість.

Для визначення термостійкості використається метод постійних або зростаючих інтервалів температури.

Менш стійкими до змін температур є товари силікатного походження, що пов'язані з переходом кремнезему з однієї модифікації в іншу, зі змінами об'єму.

Оптичні властивості - властивості предметів, що сприймаються людиною в зоровому відчутті. До них відносять кольори, блиск, переломлюваність світла й ін. оптичні властивості. Займають одне з основних місць в эстетичній оцінці якості товарів.

Світловий потік падаючи на непрозоре тіло, частково поглинається, а частково відбивається. Прозорі тіла не тільки відбивають і поглинають промені, але й пропускають світловий потік. Кількісно відбиття, поглинання й пропускання світлового потоку оцінюється відповідним коефіцієнтом - відбиття, поглинання й пропускання. Сума всіх цих коефіцієнтів дорівнюють одиниці. Ці коефіцієнти широко застосовують при оцінці оптичних властивостей виробу.

Залежно від характеру відбиття світла, тіла набувають ахроматичного або хроматичного кольору. Ахроматичні кольори (від білого до чорного) тіло здобуває в тому випадку, якщо воно відображає промені всіх довжин видимого спектра в однаковому співвідношенні. Якщо відбиття світла відбувається вибірково, тобто коефіцієнт відбиття світлових променів різних довжин хвиль неоднаковий, то тіло набуває хроматичних кольорів. Ахроматичні кольори розрізняють по ступеню відбиття світла. Поверхні тіл повністю відбивають світло ідеально білих кольорів. Практично до них наближаються спресовані пластинки сірчанокислого берію й окису магнію, що відбивають 98% падаючого світла. Вони приймаються як еталони при визначенні.

Ідеально чорне тіло поглинає всі падаючі промені. До нього наближаються кольори чорного оксамиту, що поглинає 99,5% падаючих променів. Вся шкала ахроматичних кольорів включає до 300 щаблів світла. Розподіл на щаблі зумовлений межею чутливості ока людини. У товарознавстві при зоровій оцінці ахроматичних кольорів, звичайно використають сім укрупнених кольорів: Яскраво-білі, білі, ясно-сірі, середньо сірі, темно-сірі, чорні й глибоко-чорні.

Характер і ступінь відбиття світла графічно виражається на спектрофотометрі в діаграмах.

Як видно з Рис 1 ахроматичний колір позначений горизонтальною прямою, яка вказує, що відбиття світла відбувається в рівному співвідношенні незалежно від довжини хвилі, а хроматичний у вигляді кривих, вершини яких лежать в області тих довжин хвиль, які відбиваються (у не матеріалів, що просвічуються) або пропускаються(у матеріалів, що просвічуються) або пропускаються (у тих , що просвічуються в більшому ступені вибірково, що відбивають поверхні, або вибірково проникне світло тіло будуть представляти пофарбованими в ті кольори, що відповідає максимуму відбиваних або спектральних квітів, що пропускають).

3. Фізичні властивості

Основні фізичні властивості, показники яких враховуються при оцінці яко сті матеріалу підрозділяються на наступні підгрупи: вагові, механічні, термічні, оптичні, акустичні й електричні властивості. Властивості що характеризують водо -, газо -, пило -, повітропроникність.

Вагові показники матеріалів застосовують при оцінці якості ряду товарів. Для тканин, паперу, шпалер, картону, спортивних, будівельних і інших товарів деякі вагові показники нормуються. За ваговими показниками іноді судять про природу матеріалу, особливості будови, пористості й побічно про водопоглинання, теплопровідність, міцність. Вага матеріалу характеризує витрати сировини. Якщо наприклад, вага 1 м2 тканини буде більше норми, то при тій самій кількості сировини буде недовиконаний план по метражу, якщо менше, то буде погіршена якість виробу.

Найважливішим з вагових показників є щільність . Вона визначається як відношення маси до одиниці об'єму й обчислюється по формулі :

Щільність є параметром, що залежить від хімічного складу, ступеня чистоти, наявності домішок. Величина щільності характеризує пористість матеріалу, якщо він пористий .

Об'ємна маса залежить від природи, характеру будови речовини і його вологості. По величині об'ємної маси, можна орієнтовно судити про механічну міцність, теплопровідність, водопоглинання, пористість й інші показни виробу. Для щільних матеріалів об'ємна маса дорівнює щільності, а для пористих - завжди менше її. Величина об'ємної маси для різних матеріалів не однакова: шкіра 0,4 - 1,2; тканина бавовняна 0,25 - 0,5; поролон 0,01 - 0,03.

Для сипучих матеріалів об'ємна маса заміняється поняттям насипної маси, величиною якої користуються при дозуванні й відпуску речовини, при зберіганні й транспортуванні, для визначення завантаженості транспорту й заповнення об'єму сховища. Об'ємна маса залежить від величини пористості речовини, з підвищенням якої, за інших рівних умов, вона зменшується.

Питома вага. Це всі одиниці об'єму тіла, дорівнює відношенню ваги тіла до його об'єму. обчислюють по формулі г=С/V. У практиці питома вага використовується значно менше ніж щільність. Величина його змінна й залежить від прискорення сили ваги а застосовується, наприклад для визначення тиску стовпа рідини на дно або стінки посудини.

Вага 1м² - це маса матеріалу, віднесена к/м. застосовується для характеристики площинних і листових матеріалів: тканин, паперу.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на Allbest.ru