Практические занятия по материаловедению -1

АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

1. Чем преимущественно обусловлены различия в свойствах элементов в периодической системе Д. И. Менделеева?

2. Какова электронная формула атома магния (№ 12)?

Ответ: 1) ls²2s²2p⁶3s²; 2) ls²2s²2p⁸; 3) 1 s²2s²3s²3p⁶.

3. Какова электронная формула атома фтора (№ 9)

Ответ: 1) ls²2s²2p⁵; 2) ls²2s'2p⁶; 3) s²2s²3s²3p³.

4. Как подразделяют металлы по характеру электронного строения их атомов?

5. Как подразделяются элементы в таблице Менделеева по электропроводности (электросопротивлению) ?

6. Напишите электронную формулу атома титан* (№ 22).

7. Чем отличается электронное строение атомов переходных металлов от такового у простых металлов?

8. Какие из приводимых в ответах элементы относят к переходным металлам? Ответ: 1) Сu (29); 2) Fe (26); 3) Na (11); 4) Сr (24).

9. Какой из приводимых ответов соответствует электронной модели атома железа (№ 26)? Ответ: I) ls²2s²3s²3p⁶4s²4p⁶4d⁶; 2) ls²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²4p^s; 3) ls²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s².

10. Чем объясняется высокая электропроводность металлов?

11. Исходя из электронного строения атомов, установите, какими характерными свойствами обладают металлы?

12. Какой тип связи имеется в кристаллах серы?

13. Какой тип связи имеется между макромолекулами в кристаллах полимеров?

14. Какой тип связи имеется в металлических кристаллах?

15. Что характеризует прочность связи между атомами в кристаллическом теле?

16. Ответ: 1) температура плавления; 2) ионизационный потенциал; 3) теплота сублимации.

17. Какие типы связей возможны между частицами в твердых телах?

18. Каков тип связей между атомами в кристаллах элементов V, VI, VII в группе периодической системы Менделеева?

19. Взаимодействие каких частиц обусловливает связь между атомами в металлах?

20. Чем можно объяснить высокую температуру плавления и повышенную прочность многих переходных металлов?

21. Каков характер связей между атомами в макромолекуле полимеров?

22. Что определяет тип связи между частицами твердых телах?

23. Что характеризует координационное число решетки?

24. Что характеризует базис в кристаллической решетке?

25. Каков базис решетки ГЦК?

26. Каков базис решетки ОЦК?

27. Чему равно координационное число решетки ГПУ?

28. Какая из решеток ГЦК, ОЦК или ГПУ имеет максимальную плотность упаковки?

29. Чем отличаются координационные числа металлических и неметаллических кристаллов?

30. Как изменяется плотность твёрдых тел с увеличением с увеличением координационного числа?

31. Что показывают индексы кристаллографических плоскостей?

32. Как проходит через элементарную ячейку плоскость 231?

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

1. Каков физический смысл энтропии S в уравнении термодинамического потенциала G=U-TS?

2. В каких фазовых состояниях могут быть любые вещества?

3. Какой из приведённых материалов медь, поваренная соль, стекло в твёрдом агрегатном состоянии находится в жидком фазовом состоянии?

4. Что обуславливает переход вещества из одного фазового состояния в другое?

5. На рисунке 1 показаны кривые изменения термодинамического потенциала металла в твёрдом и в жидком фазовом состояниях с изменение температуры. Какие температурные условия обеспечивают процесс кристаллизации?

Рисунок 1 - Схема изменения термодинамического потенциала твёрдой Gт и жидкой Gж фаз от температуры T.

6. При каких температурных условиях процесс кристаллизации в соответствии с рисунком 1 должен протекать наиболее интенсивно?

7. Как называется величина Т₂-Т_s=n (рисунок 1)?

8. Как определяют температуру кристаллизации?

9. Какие процессы происходят при кристаллизации?

10. В чём принципиальное различие между жидким и твёрдым фазовыми состояниями?

11. Каков характер расположения частиц тела в твёрдом агрегатном состоянии?

12. Какие процессы при кристаллизации чистого металла обуславливают рост кристаллов?

13. На рисунке 2 показаны кривые изменения ч.ц. и с.к. в зависимости от степени переохлаждения n системы при кристаллизации. Какая образуется структура, если степень переохлаждения n₁?

    Рисунок 2 - Кривые зависимости числа центров и скорости роста кристаллов от степени переохлаждения системы при кристаллизации.

14. Какая образуется структура, если степень переохлаждения системы при кристаллизации равна n₂ (рисунок 2)?

15. Какая образуется структура при кристаллизации металлического тела, если степень переохлаждения системы n₃ (рисунок 2)?

16. При изучении кинетики кристаллизации строят кривые зависимости количества закристаллизовавшейся жидкой фазы от времени . На рисунке 3 показаны кинетические кривые кристаллизации металла для разных степеней переохлаждения. Чем можно объяснить, что с увеличением степени переохлаждения n общее время процесса  уменьшается, а значит, скорость кристаллизации увеличивается?

    Рисунок 3 - Кинетические кривые кристаллизации металлов (а) и неметаллов (б). 1 – время начала кристаллизации, 2 – время конца кристаллизации

17. Какими способами на практике можно влиять на величину зерна кристаллизующегося металла?

18. Какая кристаллическая структура материала является оптимальной для получения высоких механических свойств?

19. Какие материалы при кристаллизации могут иметь диаграмму изотермического процесса кристаллизации, подобно диаграмме на рисунке 3 б?

20. Чем обусловлено увеличение температуры кристаллизации полимерного тела при температурах ниже Т₁ (рисунок 3 б)?

21. Какие факторы в общем случае определяют скорость протекания процесса кристаллизации?

22. Какие зоны присутствуют в структуре типичного металлического слитка?

23. Как называются кристаллиты в зоне столбчатых кристаллов?

24. Чем объяснить, что размер зерна в коровой зоне и в центральной части слитка различен?

25. На рисунке 4 показан поперечный разрез металлического слитка. Какие участки слитка являются наиболее ослабленными?

    Рисунок 4 – Микроструктура металлического слитка (поперечное сечение).

26. В чём сущность процесса модифицирования?

27. Какие технические сплавы подвергают модифицированию для получения благоприятной структуры и свойств?

28. Многие элементы при различных температурах имеют различное кристаллическое строение. Как называется это свойство?

29. Что происходит при перекристаллизации металлов в твёрдом состоянии?

30. На рисунке 5 приведены кривые D=f(T), G=f(T) и скорости перекристаллизации v=f(T). Изменения каких параметров показывают кривые 1, 2 и 3?

    Рисунок 5 – Схема зависимости G, D и v при перекристаллизации металлов от температуры.

31. Считая кривые на рисунке 5 соответствующими зависимости ч.ц. и с.к. при перекристаллизации титана Ti_  Ti_ от степени переохлаждения n, установите, какая структура титана образуется пи степенях переохлаждения n₁, n₂ и n₃.

32. Железо и его сплавы претерпевают полиморфные превращения в твёрдом виде. Какая структура образуется при большой скорости охлаждения стали?

33. При прокатке или ковке слитков образуется волокниста структура металла. Какой характер расположения волокон на рисунке 6 обеспечивает максимальную прочность вала?

Рисунок 6 – Волокнистые структуры заготовок коленчатых валов.