Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Матеріалознавство. Дайте визначення. Пояснити взаємозв'язок між будовою, кристалічною структурою матеріалу і його властивостями. Наведіть приклади

Матеріалознавство - це наука, що вивчає в загальному зв'язку склад, будову, структуру і властивості матеріалів, а також закономірності їх зміни під тепловими, хімічними, механічними та іншими впливами.

В інженерній практиці для розв'язання багатьох технічних задач необхідно засвоїти основні поняття матеріалознавства.

Матеріал - речовина, призначена для виготовлення будь чого.

У виробничих процесах матеріали розглядають в залежності від їх призначення як основні та допоміжні.

Основні матеріали безпосередньо витрачаються на виготовлення продукції і складають її головний речовий склад.

Допоміжні матеріали застосовуються для виробництва продукції, але які не входять до її складу.

Склад матеріалу - кількісна характеристика вмісту в ньому компонентів. Склад розрізняють за природою компонентів. Так розглядають хімічний, мінеральний склад.

Хімічний склад - кількісна характеристика вмісту в матеріалі хімічних елементів чи їх сполук.

Мінеральний склад - кількісна характеристика вмісту мінералів в матеріалі чи корисних копалинах.

Будова матеріалу - сукупність стійких зв'язків речовини, що забезпечують його цілісність і тотожність самому собі, тобто забезпечення його властивостей.

Структура матеріалу - форма, розміри та характер взаємного розташування утворюючих матеріал компонентів.

Властивості матеріалу - признак, який складає відмітну особливість даного матеріалу.

Метою вивчення "Матеріалознавства" є встановлення зв'язків складу, будови і структури матеріалів з їх властивостями і на цій основі формування і забезпечення необхідних властивостей. Основна практична задача матеріалознавства в галузі гірничої справи - вибір матеріалу, що має заданий комплекс властивостей, та його раціональне використання для підвищення ефективності технологічних процесів гірничого виробництва.

2. Матеріалознавство. Структура та будова матеріалів. Макроструктура, мікроструктура. Тонка структура, пориста структура. Дати визначення

Властивості будь-якої речовини чи матеріалів обумовлені не тільки хімічним складом, природою складових атомів, але значною мірою вони залежать від особливостей з'єднання атомів, молекул між собою, типом зв'язку тощо.

Існують поняття «хімічна будова» і «структура» речовин і мате-ріалів.

Будова - характер зв'язку чи послідовність з'єднання атомів у мо-лекули як структурні первинні одиниці речовини.

Структура - просторове розташування структурних одиниць (молекул), характер їхнього об'єднання в більш великі структурні елементи. Відомо, що основними елементарними частками, з яких складаються речовини, є протони, нейтрони й електрони. З про-тонів і нейтронів складаються атомні ядра, а електрони заповнюють оболонки атома. Будова ядер атомів, періодичність заповнення обо-лонок електронами відображаються в таблиці Д. Менделєєва.

Аналіз матеріалів і готових виробів звичайно починають з розгля-ду їхньої зовнішньої будови, форми, кольору й характеру поверхні,тобто з вивчення макроскопічних ознак. Потім установлюють хіміч-ний склад і внутрішню структуру матеріалів, що дозволяє зрозумі-ти сутність формування і зміни споживних властивостей виробу під впливом різних факторів. Залежно від структурних елементів про-водять градацію структури твердих тіл: макроструктура, мікрострук-тура, тонка (внутрішня) структура. Первинні струк-турні одиниці (атоми й молекули), поступово поєднуючи, утворять усе більш великі структурні елементи. Так відбувається поступовий перехід від тонкої структури до макроструктури.

Макроструктура - сполучення великих структурних елементів (ниток, пучків волокон, шарів тощо) матеріалу, що можна бачити неозброєним оком чи через лупу (зі збільшенням приблизно до 10 разів). Вивченню макроструктури надають великого значення при органолептичній оцінці якості матеріалів і товарів: визначення, на-приклад, форми й густини ниток і виду їх переплетення в тканинах, характеру розташування шарів у деревині, пучків волокон шкіри, густини черепка порцеляни, наявності великої пористості й різних дефектів (подряпини, тріщини, сторонні включення й ін.). Про характер макроструктури пластмас можна судити по їхньому зламі: у ненаповнених пластмас макроструктура однорідна, злам склоподіб-ний, а наповнені пластмаси, навпаки, мають неоднорідну структуру.

Мікроструктура - це сполучення структурних елементів, види-мих за допомогою оптичного мікроскопу (зі збільшенням у десятки й сотні разів). При вивченні мікроструктури встановлюють характер сполучення волокон, форму зерен кристалів і клітинних утворень. Визначають розмір видимих структурних елементів, використову-ючи окулярмікрометри й об'єктмікрометри, вимірюють кути нахилу волокон у шкірі тощо.

Вивчення кристалічної мікроструктури металів і сплавів за до-помогою мікроскопів допомагає виявити залежність їх механічних і ряду фізичних властивостей від характеру термічної обробки виро-бів. Мікроскопічним дослідженням установлюють ступінь упоряд-кованості розташування структурних елементів, зокрема ступінь їх орієнтації, що дозволяє судити про ізотропності та анізотропності властивостей матеріалів і створювати оптимальні види структур.

Тонка (внутрішня) структура характеризується певним сполученням між собою атомів чи іонів молекул, а також більш великих структурних елементів, що не вдається спостерігати за допомогою оптичних мікроскопів. Останні дозволяють розрізняти частки з роз-міром лише не менш 300 нм, тобто того ж порядку, що і довжини хвиль видимої частини світлового спектра. Більш дрібні частки (ато-ми, молекули, пачки молекул, фібрили й ін.) виявляють методами рентгеноструктурного аналізу, електронної мікроскопії й електроно-графії, застосовуючи випромінювання з більш короткою довжиною хвилі. Довжина хвиль рентгенівських променів - від сотих часток до декількох ангстремів.

Методами дифракції рентгенівських променів і електронів уста-новлюють тип кристалічних решіток речовини. З його допомогою встановлюють ступінь кристалічності полімерів, характер орієнтації структурних елементів у волокні й ін.

Найважливішим методом вивчення тонкої структури речовин є електронна мікроскопія, заснована на застосуванні електронного мі-кроскопа, що особливо просвічує. Електронний мікроскоп дозволяє безпосередньо бачити й вивчати дрібні частки в інтервалі розмірів 10~4-10~8 див (агрегати атомів і молекул).

Структура багатьох матеріалів пронизана порами, що є проміжка-ми між структурними елементами, що порушують однорідність мате-ріалу. Вони мають різноманітні розміри і форму (осередку, капіляри й ін.).

Розрізняють пори:

- наскрізні (капіляри), що проходять через усю товщу матеріалу;

- замкнуті (ізольовані), що не сполучаються з зовнішнім середови-щем і заповнені повітрям чи іншим газом;

- напівзамкнуті (не наскрізні), що ідуть у глиб матеріалу;

- поверхневі, чи відкриті (невеликі западини), які обумовлюють нерівності поверхні матеріалу.

Характер пористості матеріалів обумовлює ряд їхніх властивос-тей. Так, основні властивості (гігієнічні) багатьох одягово-взуттєвих матеріалів пов'язані з їх мікропористою структурою. У деяких випад-ках наявність пор є наслідком неправильного підбору сировинних матеріалів, порушення режиму технологи (наприклад, пористість по-рцелянового черепка), при цьому пори погіршують якість виробів.

3. Методи дослідження макроструктури. Наведіть приклади органолептичної оцінки якості та властивостей товарів

Методика дослідження

1. Вивчення зламів.

зламі називається поверхня, що утворюється внаслідок руйнування металу. В Залежно від складу, будови металу, наявності дефектів, умов обробки і експлуатації виробів злами можуть мати в'язкий, крихкий і втомних характер.

В· Крихке руйнування протікає без помітною попередньої пластичної деформації. Форма зерна не спотворюється і на зламі видно вихідний розмір зерен металу. Поверхня крихкого зламу (рис. 1, а) блискуча, кристалічна. Руйнування може відбуватися через зерна (транскрісталліческій злам), або по границях зерен (інтеркрісталліческій або межкристаллической злам). Крихке руйнування найбільш небезпечно, так як відбувається найчастіше при напругах нижче межі текучості матеріалу. <

В· В'язкий (волокнистий) злам (Рис. 1, б) має горбисто-згладжений рельєф і свідчить про значної пластичної деформації, що передує руйнуванню. Поверхня зламу матова, з дрібним, нерозрізненим оком, зерном. По виду в'язкого зламу не можна судити про форму і розміри зерен металу.

В· втомної злам (рис. 2) утворюється в результаті тривалого впливу на метал циклічно змінюються у часі напруг і деформацій. Руйнування починається на поверхні (або поблизу неї) локально, в місцях концентрації напружень (Деформації). Втомна тріщина виникає в місцях, де є концентратори напружень або дефекти. Злам складається з вогнища руйнування і двох зон - втоми і доломіт.

Метод візуального спостереження зламів називають фрактографіей. На зламах макроструктуру оцінюють шляхом порівняння з нормативними макроструктурами, наведеними в ГОСТ 10243-75, по 25 параметрам.

2. Вивчення макрошліфов макрошліфах - це зразок з плоскою шліфованої і протравлене поверхнею, вирізаний з досліджуваної ділянки деталі або заготовки. Його одержують у такий спосіб. На металорізальному верстаті або ножівкою вирізають зразок, одну з плоских поверхонь якого рівняють напилком або на пласко верстаті. Потім зразок шліфують вручну або на шліфувально-полірувальні верстати. Шліфування однією шкіркою потрібно проводити в одному напрямку, після чого слід змити залишки абразиву водою. Переходячи на більш дрібну шкірку, повертають зразок на 90 про і проводять обробку до повного зникнення рисок, утворених попередньої шкіркою. Зразок промивають водою, просушують і піддають глибокому або поверхневому труїть. Перед травленням зразок знежирюють і очищають. Травлення здійснюють, занурюючи у них зразок. Реактив, активно взаємодіючи з ділянками, де є дефекти і неметалеві включення, протравлює їх більш сильно і глибоко. Поверхня макрошліфах виходить рельєфною. Таке травлення називається глибоким.

Поверхневе труїть, проведене менш агресивними реактивами, дозволяє виявити в сталях, чавунах і кольорових сплавах ликвацию (хімічну неоднорідність матеріалу) макроструктуру литого або деформованого металу, структурну неоднорідність матеріалу, підданого термічній або хіміко-термічній обробці.

3. Вивчення дендритной макроструктури литого металу після глибокого травлення.

Форма і розмір зерен в зливку залежать від умов кристалізації: температури рідкого металу, швидкості і напрямки відводу тепла, домішок в металі. Зростання зерна відбувається по дендритной (деревовидної) схемою (рис. 3).

Розміри утворилися кристалів залежать від співвідношення числа утворилися центрів кристалізації і швидкості росту кристалів при температурі кристалізації.

При рівноважної температурі кристалізації Т пл число утворилися центрів кристалізації і швидкість їхнього зростання дорівнюють нулю, тому процесу кристалізації не відбувається.

Якщо рідина переохолодити до температури, відповідної DТ 1 , то утворюються великі зерна (число утворилися центрів невелике, а швидкість зростання - велика). При переохолодженні до температури відповідної DТ 2 - дрібне зерно (утвориться велика кількість центрів кристалізації, а швидкість їх росту невелика).

Якщо метал дуже сильно переохолодити, то число центрів і швидкість росту кристалів дорівнюють нулю, рідина не кристалізується, утворюється аморфне тіло.

Кристалізація корковою зони йде в умовах максимального переохолодження. Швидкість кристалізації визначається великим числом центрів кристалізації. Утворюється дрібнозерниста структура.

Зростання кристалів у другій зоні має спрямований характер. Вони ростуть перпендикулярно стінкам виливниці, утворюються деревоподібні кристали - дендрити. Зростають дендрити в напрямку, близькому до напрямку тепловідводу. Так як тепловідвід від не закристаллизовавшегося металу в середині зливка в різні боки вирівнюється, то в центральній зоні утворюються великі дендрити з випадковою орієнтацією.

У верхній частині злитка утворюється усадочная раковина, яка підлягає відрізку і переплавки, так як метал більш пухкий (близько 15 ... 20% від довжини злитку).

Злитки сплавів мають неоднаковий склад. У процесі кристалізації все легкоплавкі домішки відтісняються в центр злитка. Хімічна неоднорідність по окремих зонах злитка називається зональної Ліквація.

4. Вивчення волокнистої макроструктури деформованого металу після глибокого травлення

Продукцією металургійних підприємств, як правило, є метал, витерпить гарячу обробку тиском - кування, штампування, прокатку і т.д. При деформировании дендрити, спочатку дезорієнтовані, поступово повертаються і витягуються уздовж напрямку деформації. Витягуються і неметалеві включення. У результаті цього формується типова для деформованого металу волокниста структура (рис. 6).

Рис. 6 Макроструктура металу після глибокого травлення. Волокнисту будову

При визначенні механічних властивостей необхідно пам'ятати, що метал з волокнистої структурою володіє анізотропією, тобто розходженням властивостей в залежності від напрямки. Пластичність, ударна в'язкість і міцність матеріалу впоперек волокна вище, ніж уздовж. Тому відповідальні деталі, особливо працюючі при високих динамічних навантаженнях (колінчаті вали, шестерні, шатуни, молотові штампи, клапани, гаки), виготовляють так, щоб волокна в них не перерізалися, а відповідали конфігурації виробу. При обробці різанням деталі з деформованої сталі, її волокна перерізаються, що різко знижує міцність деталі. Макроаналіз дозволяє встановити спосіб виготовлення деталей - обробка тиском або різанням (рис. 7 а, б).

Методи товарної експертизи -- це способи теоретичного або практичного дослідження товару з метою одержання результатів експертизи.

Під час проведення експертизи визначають критерії методу, який використовується в процесі аналізу та оцінки властивостей товарів. Вони поділяються на загальні і конкретні.

Загальні критерії ґрунтуються на сучасних, існуючих у суспільстві якісних і кількісних градаціях та уявленнях про товар.

Конкретні критерії ґрунтуються на даних нормативної національної і міжнародної документації, яка характеризує якість продукції, що випускається.

Залежно від мети і об'єкта досліджень застосовують загальні для всіх видів експертиз методи і властивості для окремих видів експертиз. Методи дослідження мають специфічний характер для санітарно-токсикологічної, фітосанітарної, екологічної експертиз.

Методи, які використовуються під час проведення товарних експертиз, за способом і джерелами отримання інформації поділяються на:

-- органолептичні;

-- вимірювальні;

-- реєстраційні;

-- розрахункові;

-- експертні

-- соціологічні.

Органолептичний метод ґрунтується на використанні інформації, яку отримують в результаті аналізу відчуттів, сприйнятих органами чуття -- зору, слуху, нюху, дотику і смаку. Цей метод є одним з основних методів оцінки якості товарів. Застосовується під час контролю якості сировини, напівфабрикатів, готових продуктів на харчових підприємствах, під час приймання товарів на торговельних підприємствах від виробника, під час перевірки якості товарів при транспортуванні, зберіганні, в процесі проведення експертизи якості з метою ідентифікації товарів, визначення споживчих властивостей товару, рівня зниження якості.

Для деяких товарів (чай, кава, алкоголь, слабоалкогольні, безалкогольні напої, сири, коров'яче масло) використовується метод балової оцінки. Сутність методу полягає у встановлені залежності між якісною оцінкою показника і відповідною оцінкою в балах. На основі балової оцінки окремих показників визначається загальна балова оцінка товару, яка дозволяє провести градацію його якості.

Вимірювальний метод ґрунтується на використанні інформації, яку одержують з використанням технічних вимірювальних засобів. Він найбільш поширений при експертизі плодів, овочів, м'яса,риби, яєць тощо.

Реєстраційний метод ґрунтується на використанні інформації, яку одержують шляхом підрахунку кількості подій, предметів або затрат на створення, експлуатацію продукції, кількість частин складного виробу (стандартних, уніфікованих).

Розрахунковий метод ґрунтується на використанні інформації, яку одержують за допомогою теоретичних або емпіричних залежностей. Використовується для визначення показників продуктивності, довговічності, придатності для ремонту виробу тощо.

Експертний метод використовується для визначення номенклатури показників якості, коефіцієнтів їх вагомості, для вимірювання показників якості і їх оцінки органолептичним методом.

Соціологічний метод ґрунтується на знаходженні показників якості шляхом вивчення попиту фактичних або потенціальних споживачів продукції за допомогою усних опитувань або спеціальних анкет.

Оцінка показників якості вимірювальним, реєстраційним, розрахунковим методами застосовується для визначення комплексних показників якості різних рівнів ієрархії.

4. Формування тонкої структури матеріалів. Методи дослідження. Пори. Розміри і форма пор. Наведіть приклади взаємозв'язку між пористістю матеріалу і його властивостями

Тонка (внутрішня) структура характеризується певним сполу-ченням між собою атомів чи іонів молекул, а також більш великих структурних елементів, що не вдається спостерігати за допомогою

оптичних мікроскопів. Останні дозволяють розрізняти частки з роз-міром лише не менш 300 нм, тобто того ж порядку, що і довжини хвиль видимої частини світлового спектра. Більш дрібні частки (ато-ми, молекули, пачки молекул, фібрили й ін.) виявляють методами рентгеноструктурного аналізу, електронної мікроскопії й електроно-графії, застосовуючи випромінювання з більш короткою довжиною хвилі. Довжина хвиль рентгенівських променів - від сотих часток до декількох ангстремів.

Методами дифракції рентгенівських променів і електронів уста-новлюють тип кристалічних решіток речовини. Рентгеноструктурний аналіз дає важливі зведення і при дослідженні тіл (матеріалів) з менш упорядкованою структурою (кристалічних і аморфних полімерів, рі-дин тощо). З його допомогою встановлюють ступінь кристалічності полімерів, характер орієнтації структурних елементів у волокні й ін.

Найважливішим методом вивчення тонкої структури речовин є електронна мікроскопія, заснована на застосуванні електронного мі-кроскопа, що особливо просвічує. Електронний мікроскоп дозволяє безпосередньо бачити й вивчати дрібні частки в інтервалі розмірів 10~4-10~8 див (агрегати атомів і молекул). Електроноскопічні й елек-тронографічні дослідження кристалічних решіток і їхніх дефектів мають фундаментальне значення для фізики твердого тіла, матері-алознавства й товарознавства. Електронний мікроскоп незамінний при вивченні змін структури металів і сплавів у результаті терміч-них, механічних і інших обробок. Важливе значення при дослідженні матеріалів має метод рентгенівського просвічування, особливо для виявлення дефектів.

Структура багатьох матеріалів пронизана порами, що є проміжка-ми між структурними елементами, що порушують однорідність мате-ріалу. Вони мають різноманітні розміри і форму (осередку, капіляри й ін.).

Розрізняють пори:

- наскрізні (капіляри), що проходять через усю товщу матеріалу;

- замкнуті (ізольовані), що не сполучаються з зовнішнім середови-щем і заповнені повітрям чи іншим газом;

- напівзамкнуті (не наскрізні), що ідуть у глиб матеріалу;

- поверхневі, чи відкриті (невеликі западини), які обумовлюють

нерівності поверхні матеріалу.

Характер пористості матеріалів обумовлює ряд їхніх властивос-тей. Так, основні властивості (гігієнічні) багатьох одягово-взуттєвих

матеріалів пов'язані з їх мікропористою структурою. У деяких випад-ках наявність пор є наслідком неправильного підбору сировинних матеріалів, порушення режиму технологи (наприклад, пористість по-рцелянового черепка), при цьому пори погіршують якість виробів.

5. Агрегатний стан речовини. Характеристика газоподібного, рідкого і твердого стану речовини. Структура твердих тіл: монокристалічні, полікристалічні, аморфні

Характеристика аморфного і кристалічного стану речовини з позиції термодинаміки. Перехід з одного агрегатного стану в інший. Плазма.

Речовина може існувати в чотирьох агрегатних станах: твердому, рідкому, газоподібному і у вигляді плазми. Змінюючи умови, перш за все температуру і тиск, можна здійснити перехід речовини із одного агрегатного стану в інший. Агрегатні стани відрізняються один від одного величиною і природою сил, що діють між частинками, а також характером руху цих частинок речовини.

Твердий агрегатний стан речовини характеризується впорядкованістю розташування складових частинок (молекул, іонів, атомів). Середня відстань між частинками наближається до їх розмірів, а сили притягання між ними урівноважуються силами відштовхування. Основним видом руху частинок речовини в твердому стані є їх теплові коливання відносно рівноважного положення. Завдяки цьому тверді тіла мають певний об'єм і форму, характеризуються значною пружністю, тобто здатні відновлювати свою форму після зняття зовнішньої деформуючої сили.

В рідкий стан речовина може перейти внаслідок топлення твердого тіла або конденсації газоподібних речовин. Рідкий стан речовини характеризується відносно великими силами взаємодії між частинками. Проте, в порівнянні з твердим станом, кінетична енергія молекул, іонів, атомів в рідині дещо більша, а рух частинок в рідині і їх взаємна орієнтація має свої особливості. Є певна впорядкованість частинок, розташованих безпосередньо одна біля одної (ближній порядок). Ці частинки здійснюють теплові коливання, а деякі з них, які мають надлишок кінетичної енергії, можуть здійснювати поступальний рух за межі свого угрупування, переходячи до іншого. Для такого переходу (активованого стрибка) необхідно подолати деякий потенціальний бар'єр. Знаходячись в рідкому стані, речовина характеризується значною густиною, легко змінює свою форму (набуває форму посуду, а в умовах невагомості - форму кулі), але мало змінює свій об'єм. Між твердим і рідким станом речовини є багато спільного, а тому їх об'єднують загальним терміном конденсований стан.

В газоподібний стан рідина може переходити внаслідок випаровування, а тверде тіло -- внаслідок сублімації. При цьому фізико - хімічні характеристики системи здійснюють якісний стрибок. Молекули в газоподібному стані мають максимальну кінетичну енергію і мінімальну потенційну енергію взаємодії. Г оловним видом руху молекул є хаотичний, поступальний рух, при цьому вони зазнають величезної кількості зіткнень.

Перебування речовини у виді плазми відкрито порівняно недавно. Цей стан реалізується, коли на газоподібну речовину, подіяти надвисокою температурою (десятки тисяч градусів), або сильним електричним розрядом або електромагнітним полем. При цьому спостерігається розклад молекул і атомів на іони, ядра і електрони, що рухаються з величезною швидкістю.

Змінюючи температуру і тиск, можна здійснити поступовий перехід речовин із одного агрегатного стану в інший. Перехід речовини із рідкого стану в газоподібний, називають випаровуванням; із твердого в газоподібний - сублімацією; із твердого в рідкий -- топленням. Зворотні переходи відповідно називають: конденсація, десублімація і кристалізація (рис. 1.1.).



Рис. 1.1.

Агрегатні стани і фазові переходи речовин.

Слід зазначити, що не всі речовини можуть перебувати у трьох агрегатних станах. Наприклад, для карбонату кальцію можливий лише твердий агрегатний стан, при нагріванні СаСО3 розкладається на СаО і СО2. Для сахарози, полімерів, білків та багатьох інших речовин газоподібний стан взагалі неможливий: при нагріванні вони розкладаються. Деякі речовини за певних умов можуть знаходитись одночасно в двох і навіть трьох агрегатних станах. Так, вода при тиску 101,3 кПа і температурі 0,0075°С знаходиться в трьох станах: твердому (лід), рідкому і газоподібному.

Плазма

Якщо газ нагріти до температур більше 10 тисяч градусів, то енергія молекул настільки зростає, що вони частково розпадаються на іони і вільні електрони. Знаходячись в такому стані, газ починає світитись і проводити електричний струм. Світіння газу зумовлене збудженням атомів, в яких електрони, переходячи з вищих енергетичних рівнів на нижчі, випромінюють кванти енергії у вигляді світла. Електропровідність плазми пов'язана з появою вільних електронів і іонів. Іонізація газів може протікати і під дією сильного опромінення його ультрафіолетовим чи рентгенівським промінням, дією на газ потоком електронів і іонів, під дією сильного електромагнітного поля. Г аз для якого характерна електропровідність і світіння, є формою агрегатного стану речовини, що одержала назву плазми.

Розрізняють два види плазми ізотермічну і газорозрядну. Ізотермічна плазма одержується при високих температурах і може існувати як завгодно довго. З такого виду плазми складається Сонце, зірки, кульова блискавка. При сильному електричному розряді в газовому середовищі утворюється газорозрядна плазма, яка може існувати лише при наявності електричного поля.

Різновидністю плазми є іоносфера Землі, в якій іонізація газу відбувається під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця. Для агрегатного стану плазми є характерним ряд особливостей. Плазма має високу електропровідність, яка збільшується з ростом температури. Через плазму можна пропускати струм в сотні тисяч ампер. При проходженні через плазму електричного струму утворюється сильне магнітне поле, яке стискує потік електронів і протонів в плазмовий шнур. Цим самим досягається теплова ізоляція плазми від стінок посуду. Тут роль стінки відіграє магнітне поле.

Пропускаючи через плазму струм значної величини, її можна нагріти до мільйона градусів і вище. В цих умовах і тиску в сотні мільярдів паскалів починають протікати термоядерні реакції з виділенням величезної енергії. Перед фізиками і хіміками стоїть завдання здійснити керований термоядерний синтез. У випадку успішного рішення цієї проблеми людство одержить майже невичерпне джерело енергії.

В останні десятиріччя плазма все ширше використовується в різних хімічних дослідженнях. Навіть виник новий розділ фізичної хімії - плазмохімія. Так, за допомогою плазми вдається проводити такі екзотичні реакції, як одержання хімічних сполук інертних газів. При утворенні в плазмі конденсованої фази з дуже швидким охолодженням продуктів реакції вдається добувати деякі матеріали незвичайного складу з цінними властивостями, наприклад карбіди і нітриди вольфраму і титану. Плазмохімічна обробка поверхні металів, полімерів і деяких інших сполук дозволяє одержувати матеріали з унікальними властивостями їх поверхні.

Тверді тіла діляться на дві великі групи -- кристалічні й аморфні.

1. Кристалічні тіла. У кристалічних тілах атоми або молекули здійснюють теплові коливання біля положення рівноваги, які утворюють так звані кристалічні решітки. Існують різні види кристалічний решіток, але всі вони характеризуються чіткою періодичністю в npoсторі. Тому говорять, що в кристалічних тілах існує далекий порядок в розташуванні атомів.

Наприклад, у кристалі кухонної солі атоми Натрію й Хлору суворо чергуються, розташовуючись у вершинах куба.

Властивості кристала значною мірою визначаються видом кристалічної решітки. Пояснимо це на прикладі графіту й алмаза. Кристалічні решітка графіту має шарувату структуру, тобто в кожному шарі атоми Карбону розташовані у вершинах правильних шестикутників (що нагадують стільники). Усередині шару атоми взаємодіють сильно, але самі шари слабко пов'язані один з одним. Тому кристал графіту легко розшаровується: коли ми пишемо олівцем, на папері залишаються тонкі шари графіту. А ось в кристалі алмаза атоми Карбону розташовані у вершинах і на серединах граней куба.

При цьому всі атоми сильно пов'язані зі своїми найближчими сусідами. Саме цим жорстким зв'язком атомів і зумовлена унікальна твердість алмаза.

Усі метали в твердому стані є кристалами.

Найважливішою властивістю будь-якого кристалічного тіла є наявність певної температури плавлення, за якої воно перетворюється в рідину, не розм'якшуючись перед цим. Наприклад, лід за температури 0 °С тане, перетворюючись на воду.

2. Монокристали й полікристали. Тіла, що складаються з одиночного кристала, називаються монокристалами (від грецького «моно» -- один

Тіла, що складаються з великого числа зрощених монокристалів, називаються полікристалами (від грецького «полі» -- багато).

3. Анізотропія й ізотропія. Характерною особливістю монокристалів

є те, що багато їхніх властивостей залежить від напряму. Наприклад кристал слюди легко розшаровується тільки в одному напрямі. Теплопровідність і електропровідність монокристалів у різних напрямах також може бути різною.

Залежність фізичних властивостей від напряму називається анізотропією.

Всі монокристали є анізотропними.

Полікристали, на відміну від монокристалів, ізотропні, тобто їх фізичні властивості не залежать від напряму. Це легко зрозуміти, якщо врахувати, що полікристал складається з великого числа маленький монокристалів, орієнтованих у довільних напрямах.

4. Аморфні тіла. В аморфних тілах атоми або молекули також коливаються біля положення рівноваги. Але ці положення не утворюють кристалічних решіток, хоча найближчі «сусіди» й зберігають деякий порядок у розташуванні (цей порядок називають близьким).

Прикладами аморфних тіл є смола та скло. На відміну від полікристалів, які можна розбити на маленькі монокристали, аморфні тіла розбиваються на частини довільної форми. Наприклад, розглядаючи під мікроскопом товчене скло, ми не помітимо шматочків, що мають геометрично правильну форму.

Аморфні тіла наділені текучістю, тобто із зростанням температури вони поступово розм'якшуються, перетворюючись на в'язку рідину. У цьому виявляється істотна відмінність їх від кристалічних тіл: аморфні тіла не мають певної температури плавлення.

Оскільки в розташуванні атомів або молекул аморфного тіла немає далекого порядку, фізичні властивості аморфного тіла не залежать від напряму, тобто аморфні тіла є ізотропними.

Рідкі кристали. В останні десятиріччя XX ст. учені відкрили, що існують речовини з «подвійною природою» -- так звані рідкі кристали. У цих речовинах далекий порядок в розташуванні молекул спостерігається тільки н одному напрямі, а в двох інших -- є тільки близький порядок. Інакше кажучи, в таких речовинах існує ніби «ниткоподібна структура», хоча ці речовини текучі подібно до звичайних рідин (чому вони й називаються «рідкими»). Сьогодні штучним шляхом отримані тисячі різних речовин, які є рідкими кристалами. Особливість рідких кристалів полягає в тому, що їх властивості сильно залежать від зовнішніх умов (температури, тиску, електричного й магнітного полів). Тому їх використовують у різних приладах і датчиках. Крім того, оскільки під впливом електричного поля деякі рідкі кристали змінюють колір, вони знайшли широке застосуванні при виготовленні різних дисплеїв -- від годинників до комп'ютерів.

6. Основні властивості матеріалів: густина, пластичність, деформація. Види деформації: пружна, еластична, пластична. Теплопровідність, теплоємність, теплостійкість, термічне розширення, морозостійкість

Густинам (питомма мамса) -- маса тіла одиничного об'єму, є фізичною характеристикою будь-якої речовини, з якої складається тіло. Для випадку однорідних тіл густина визначається як відношення маси тіла до об'єму , який воно займає. Таким чином, густина для цього випадку запишеться як:

.

У випадку неоднорідних речовин, густина не є сталою в просторі тіла і визначається для кожної його точки окремо. Визначається за умови, що обрана частка речовини, що охоплює задану точку, є якомога меншою. При розгляді речовини в околі точки ми отримуємо густину у цій точці як границю маси віднесеної до її об'єму за умови, коли розміри частки прямують до нуля:

Загальна інформація

Густина вимірюється в кг/мі в системі СІ. В системі СГС одиниця вимірювання густини -- г/смі

Для сипких і пористих тіл розрізняють справжню густину -- без урахування порожнин і явну густину -- відношення маси речовини до всього займаного об'єму.

Як правило, в разі зменшення температури густина збільшується, але є речовини, чия густина в певних термпературних діапазонах веде себе інакше, наприклад, вода і чавун.

В разі зміни агрегатного стану густина змінюється стрибкоподібно.

Найбільшу густину у Всесвіті мають чорні діри (с ? 1014 кг/мі) і нейтронні зорі (с ? 1011 кг/мі). Найнижчу густину має міжгалактичне середовище (с ? 10-33 кг/мі).

В астрономії більше значення має середня густина небесних тіл, за нею можна приблизно визначити склад цього тіла.

Різновиди

Густина відносна

Густина відносна, (рос. плотность относительная, англ. relative density; нім. relative Dichte f) -- безрозмірна фізична величина, що дорівнює відношенню густини речовини, яка розглядається, до густини іншої речовини.

Наприклад, густина газу відносна (рос. плотность газа относительная; англ. relative density of gas; нім. relative Gasdichte f) -- відношення густини газу до густини сухого повітря за нормальних умов (нормальної температури 0 °C, нормального тиску 101 325 Па = 760 мм рт.ст.) або стандартних (20 °C; 101 325 Па) умов. Відносна густина газу перебуває в прямій залежності від його молекуляної маси і змінюється приблизно від 0,5 до 1,2 і більше.

Інший приклад: густина нафти відносна (рос. относительная плотность нефти; англ. relative density of oil; нім. relative Erdцldichte f) -- відношення густини нафти, визначеної при температурі 20 °C, до густини дистильованої води при температурі 4 °C.

Густина дійсна

Густина дійсна, (рос. истинная плотность; англ. real density, insitu density, inline density; нім. reall Dichte f) -- характеристика речовини, яка кількісно визначається відношенням маси до об'єму у абсолютно щільному стані (без урахування пор, тріщин).

Пластимчність (рос. пластичность, англ. plasticity, нім. Plastizitдt f) -- здатність матеріалу незворотно змінювати свою форму й розміри при деформації. Крім того -- здатність при замішуванні з водою утворювати тісто, яке під впливом зовнішньої дії може набирати будь-якої необхідної форми без проявів тріщин та зберігати надану форму після припинення цієї дії, при сушінні та випалюванні.

Тверді тіла змінюють свою форму й розміри лише при доволі великих навантаженнях. Відсутність або незначну пластичність називають крихкістю. Пластичного деформування зазнають деталі машин і будівель, заготовки при обробці тиском (вальцювання, штампування, пресування тощо), пласти земної кори та інші об'єкти.

На кривій залежності напружень від величини деформації область пластичної деформації лежить за межами області пружних деформацій.

Пластичність кристалічних твердих тіл зумовлена механізмом ковзання дислокацій.



Характеристики пластичності

При одновісному розтягуванні пластичність матеріалу оцінюється величиною відносного рівномірного (без врахування деформації у шийці) видовження ( -- початкова довжина зразка; -- довжина зразка, визначена на момент руйнування).

При розтягуванні циліндричного зразка з пластичного матеріалу руйнуванню передує втрата стійкості, при якій рівномірне видовження і зменшення поперечного перерізу змінюються утворенням так званої шийки, що проявляється на відносно невеликій ділянці зразка. Така локальна деформація оцінюється величиною відносного зменшення перерізу ( -- площа початкового перерізу зразка, -- площа перерізу зразка в шийці на момент руйнування). Настання втрати стійкості матеріалу залежить від чутливості напружень пластичної течії матеріалу до швидкості деформації .

Пластичність залежить від властивостей матеріалу -- від характеру міжатомних зв'язків, хімічного і фазового складу, кристалічної структури і мікроструктури, а також умов деформації -- температури, величини і схеми прикладених сил (напруженого стану) та швидкості їх прикладання. Пластичність не є фізичною чи механічною константою матеріалу, а характеризує його стан.

Деформамція (від лат. deformatio -- «спотворення») -- зміна розмірів і форми твердого тіла під дією зовнішніх сил (навантажень) або якихось інших впливів (наприклад, температури, електричних чи магнітних полів).

При деформації точки твердого тіла змінюють своє положення. Точка із радіус-вектором при деформації має нове положення , тобто здійснить переміщення . Поле переміщень є однією з характеристик деформації, але воно незручне для математичного опису, оскільки, наприклад, при видовженні стрижня точки біля його початку зміщуються зовсім мало, а в кінці -- доволі значно. Набагато важливіше те, наскільки точка тіла змістилася щодо сусідньої. Тому деформацію математично найзручніше описувати похідними від переміщення, які утворюють тензор, що отримав назву тензора деформації.

У залежності від поведінки тіла після зняття навантаження розрізняють деформації:

· пружну (або оборотну) , якщо тіло після усунення впливів, що спричинили деформацію, повністю відновлює свою початкову форму і розміри (внаслідок накопиченої потенціальної енергії);

· залишкову (або необоротну), коли після усунення прикладених сил або інших впливів тіло не відновлює свою початкову форму і розміри (робота зовнішніх сил переходить у теплоту). Залишкові деформації у свою чергу поділяються на пластичні, викликані зростанням напруження і в'язкі (повзучість), що відбуваються під навантаженням з перебігом часу.

Деформації виникають з причин різної фізичної природи. Пружні деформації однозначно пов'язані з напруженням. Прирощення пластичних деформацій також пов'язано зі зміною напруження, але неповоротно. Разом ці обидві деформації, які пов'язані зі зміною напруження, називаються "миттєвими". Температурні деформації пов'язані зі зміною температури тіла. Деформації повзучості є такими, зміна яких пов'язана з прирощенням часу. Деформації радіаційного розпухання пов'язані з отриманою матеріалом дозою радіації.

У кристалах пружна деформація проявляється в зміні відстаней між вузлами і перекосі кристалічної решітки без зміни порядку розташування атомів; і початкова конфігурація відновлюється при знятті навантаження (див. Пружність). Одним з механізмів пластичного деформування в кристалі є рух і розмноження дислокацій. При напруженні вищому за границю пружності рух дислокацій викликає безповоротну перебудову кристалічної структури, тобто деформація стає пластичною. У полікристалічному матеріалі, яким є метали, як правило, одна частина зерен деформується пружно, інша -- пластично. При цьому в макромасштабі необоротна деформація може виявитися суттєво малою (і тіло вважається пружним), але її наявність проявляється в пружному гістерезисі (внаслідок розсіяння енергії, що витрачається на пластичне деформування множини зерен). Для виникнення руху і розмноження дислокацій вимагається певний час. З цим пов'язана динамічна чутливість матеріалу до появи залишкових деформацій. Якщо напруження, що перевищує границю пружності, діє короткочасно, то рух і розмноження дислокацій не встигає розвинутися то пластична деформація не виникає. Деформація повзучості пов'язана з рухом дислокацій, дифузією втілених атомів, перебудовою міжзеренних зв'язків і проявляється з плином часу.

Термічні властивості характеризують поведінку матеріалу при дії на нього теплової енергії. Вони мають практичне значення при оцінці якості матеріалу, що піддається в процесі експлуатації нагріванню та охолодженню.

Теплоємкість - характеризує кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання матеріалу на 1°С в певному інтервалі температур.

Теплопровідність - здатність матеріалу передавати теплоту з середини, чи від однієї поверхні матеріалу до іншої, чи назовні. Залежить від хімічного складу, структури, пористості, вологості. Теплопровідність має практичне значення при виборі теплоізоляційних матеріалів, трубопроводів, багатьох будівельних матеріалів.

Термічне розширення характеризує здатність матеріалу змінювати свої розміри при збільшенні (зменшенні) температури. Враховується для вогнестійких матеріалів, силікатних, керамічних. Поділяється на лінійне та об'ємне розширення.

Термічна стійкість - здатність матеріалу зберігати свої властивості при різких коливаннях температури. Має значення при оцінці якості вогнестійких матеріалів, скла, кераміки, надає значного впливу на їх довговічність.

Морозостійкість -- здатність матеріалу в насиченому водою стані витримувати багатократне поперемінне заморожування і відтавання без видимих ??ознак руйнування і без значного пониження міцності. Основна причина руйнування матеріалу під дією низьких температур - розширення води, що заповнює пори матеріалу, при замерзанні. Морозостійкість залежить головним чином від структури матеріалу: чим вище відносний обсяг пір, доступних для проникнення води, тим нижче морозостійкість.

7. Основні властивості матеріалів: світловий потік, колірний тон, насиченість, яскравість, білість, блиск, абсорбція, змочування, капілярність, вологість, проникність. Повітропроникність, водопроникність, водостійкість, пило проникність

Світловимй потімк -- кількісна характеристика випромінювання, яке випромінюється джерелом світла. Одиниця вимірювання СІ: люмен.

або

Світловий потік - фізична величина, що чисельно дорівнює енергії світлового потоку, який проходить через деяку поверхню за одиницю часу

Світловий потік відрізняється від потоку електромагнітної енергії тим, що враховує різну чутливість людського ока до випромінювання на різних частотах, тобто до світла різного кольору.

Відтінок або тон кольору -- відносна темність або світлість кольору, незалежно від його локального кольору.

Тон кольору визначається характером розподілу випромінення в спектрі видимого світла, причому, в першу чергу, положенням піку випромінення, а не його інтенсивністю і характером розподілу випромінення в інших областях спектру.

Саме тон визначає назви кольорів: червоний, синій, зелений.

У теорії кольору насиченість -- це інтенсивність певного тону, тобто ступінь візуальної відмінності хроматичного кольору від рівного по світлості ахроматичного (сірого) кольору. Насичений колір можна назвати соковитим, глибоким, менш насичений -- приглушеним, наближеним до сірого. Повністю ненасичений колір буде відтінком сірого. Насиченість (saturation) -- одна з трьох координат в колірних просторах HSL та HSV. Насиченість (колірна насиченість, {chroma) в колірних просторах CIE 1976 L*a*b* та L*u*v* є неформалізованою величиною, яка використовується в поданні CIE L*C*h (lightness (світлість), хрому (chroma, насиченість), hue (тон)).

У фізичному плані насиченість кольору визначається характером розподілу випромінювання в спектрі видимого світла. Найбільш насичений колір утворюється при існуванні піку випромінювання на одній довжині хвилі, в той час як більш рівномірний по спектру випромінювання буде сприйматися як менш насичений колір. В субтрактивній моделі формування кольору, наприклад при змішуванні фарб на папері, зниження насиченості буде спостерігатися при додаванні білих, сірих, чорних фарб, а також при додаванні фарби додаткового кольору.

Яскрбвість -- світлова характеристика тіл, які є джерелами світла. Відношення сили світла, що випромінюється поверхнею в одиницю тілесного кута до площі її проекції в площині, перпендикулярній напряму спостереження. Одиниця вимірювання СІ: ніт. Існують також інші одиниці вимірювання яскравості -- кд/м2 , стильб.

Розрізняють фотомеричну яскравість (англ. luminance) і яскравість, яка сприймається оком людини (англ. luminous intensity).

Фотометрична яскравість визначається, як

,

де F - світловий потік, - елемент площі поверхні, - елемент тілесного кута, - кут між напрямом до спостерігача й нормаллю до поверхні.

Для того, щоб визначити яскравість, яка сприймається оком людини, необхідно врахувати чутливість людського ока до світла різного кольору (див. крива спектральної чутливості ока).

Блиск - здатність поверхні спрямовано відбивати світловий потік. Найбільш блискучими є гладеньки відполіровані поверхні, а найменш блискучі поверхні, які мають нерівності і тому більш розсіюють відбитий світловий потік.

Абсорбція (рос. абсорбция, англ. absorption, нім. Absorption f, Absorbieren f, Aufsaugen f, Einsaugen f, Aufnahme f) -- вибіркове поглинання речовини з газового чи рідкого середовища усім об'ємом твердого тіла чи рідини. Наприклад рідини -- твердою речовиною (чорнила -- промокальним папером) чи газу -- рідиною (аміаку -- водою). Абсорбція зумовлена ван-дер-ваальсовими, або електростатичними, силами притягання частинок адсорбованої речовини до частинок адсорбенту.

Оборотність процесу фізичної абсорбції створює сприятливі умови для послідовного проведення процесів абсорбції (поглинання речовини абсорбентом) та десорбції (вилучення з абсорбенту поглиненої речовини). Абсорбція широко застосовується в абсорбційній техніці, лежить в основі очищення, розділення газів та рідин тощо.

а границі дотику твердих тіл з рідинами спостерігається явище змочування, яке полягає у викривленні вільної поверхні рідини біля твердої поверхні. Поверхня рідини, викривлена на границі з твердим тілом, називається меніском. Вид змочування залежить від співвідношення сил взаємодії між молекулами поверхневих шарів поділу середовищ. Якщо сили притягання між рідиною-твердим тілом є більшими за сили притягання між молекулами рідини, то відбувається збільшення поверхні дотику і ми маємо змочування (рис. 4.24,а). У випадку, якщо сили взаємодії між молекулами рідини є більшими, ніж між молекулами твердого тіла і рідини, то відбувається зменшення поверхні дотику, рідина збирається у вигляді кульки (рис. 4.24, б), а саме явище має назву незмочування.

Явище змочування характеризується крайовим кутом між поверхнею твердого тіла та меніском в точках їх перетину (рис. 4.24). Рідина буде змочувати, якщо крайовий кут гострий . Для рідин, які не змочують тверде тіло, крайовий кут є тупим . Наприклад, вода змочує чисте скло та не змочує парафін, ртуть не змочує скло, але вона змочує чисті мідь та цинк.

Явище змочування знаходить широке застосування у виробництві, наприклад, при флотації (спливання) - методі збагачення порід, тобто відділенні гірських порід від пустої породи та домішок. Він полягає в наступному. Руду подрібнюють, отриманий порошок змішують із спеціально підібраною маслянистою рідиною та збовтують до утворення пінистої суміші. Гідрофільні (змочувані) частинки кам'яних порід (кварц, силікати) змочуються водою та осідаються на дно посудини. Частинки цінних порід, які містять метал, краще змочуються маслом, ніж водою. Масляна плівка сприяє їх налипанню до пухирців повітря, з якими ці частинки спливають на поверхню.

Якщо рідина має криву поверхню, то під цією поверхнею за рахунок сил поверхневого натягу ство-рюється додатковий тиск, який визначається формулою Лапласа (рис. 4.25):

,

де і - радіуси кривини поверхні у двох взаємно перпендикулярних перерізах поверхні рідини.

Капілямрність (рос. капиллярность; англ. capillarity; нім. Kapilaritдt f) -- явище зміни висоти рівня рідини в капілярах, що пов'язане із змочуванням поверхні мікропор і капілярів рідиною. Виявляється в русі рідини по них (підняття при змочуванні, відштовхування при незмочуванні) завдяки додатковим силам під криволінійним меніском. Висота h підняття змочувальної рідини в капілярі залежить від коефіцієнта поверхневого натягу рідини; крайового кута змочування; r -- радіусу трубки; густини рідини; прискорення вільного падіння.

Рідина в капілярі піднімається або опускається на таку висоту h, при якій тиск стовпа рідини (гідростатичний тиск) зрівноважується надлишковим, капілярним тиском. Висота підняття (опускання) рідини в капілярі обернено пропорціональна його радіусу. В тонких капілярах рідина піднімається досить високо. Так, при повному змочуванні вода в капілярі діаметром 10 мкм піднімається на висоту h = 3 м.

Вологість - міра насиченості речовини водою. Вологість визначається вмістом у матеріалі вологи, віднесеної до маси матеріалу в сухому стані.

Проникність - властивість матеріалу пропускати крізь себе гази або рідини. Проникність виражається кількістю флюїду (газу, рідини), що переходить в одиницю часу крізь одиницю поверхні зразка матеріалу певної товщини при заданому рівномірному перепаді тиску. Проникність будівельних матеріалів змінюється в широких межах; вона зростає зі збільшенням площі проникної поверхні, перепаду тиску, пористості, кількості й розміру пор, питомої кількості наскрізних пор (при незмінній загальній пористості), зі зменшенням товщини зразка матеріалу й в'язкості флюїду. Залежно від виду флюїду розрізняють газопроникність і водопроникність будівельних матеріалів.

Проникність: повітропроникність характеризує здатність пропускати через себе повітря. Оцінюють (в дм3 / м2 * з) за кількістю повітря, який пройшов через 1 м2 тканини протягом 1 с при постійному перепаді тиску по обидві сторони тканини, головним чином від пористості і товщини;

...