
- •Учебное пособие к лабораторным работам по курсу Материаловедение и ткм (раздел Материаловедение) Зависимость свойств материалов от состава и структуры
- •Лабораторная работа № 1 упругая и пластическая деформация материалов
- •Часть 1. Модуль нормальной упругости материалов
- •Регулировка чувствительности - «вольт/см» по вертикали;
- •Регулировка неподвижности изображения сигнала - «уровень» и “стабильность”.
- •Порядок выполнения работы
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Часть 2. Деформационное упрочнение и рекристаллизация
- •Содержание работы
- •Оборудование и материалы
- •Часть 3. Ползучесть и долговечность
- •Вариант 1
- •Часть 4. Остаточные напряжения
- •Литература
- •Лабораторная работа № 2 упрочняющая термическая обработка Часть 1. Железоуглеродистые сплавы в равновесном состоянии
- •Маркировка сталей
- •Оборудование и материалы
- •Порядок выполнения работы
- •Литература
- •Часть 2. Закалка стали
- •Оборудование и материалы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Часть 3. Отпуск стали
- •Содержание работы
- •Порядок выполнения работы
- •Часть 4. Дисперсионное упрочнение
- •Лабораторная работа № 3 тепловые свойства материалов
- •Часть 1. Тепловое расширение сплавов – твердых растворов
- •Содержание работы
- •Оборудование и материалы
- •Часть 2. Тепловое расширение сплавов системы Fe-Ni
- •Содержание работы
- •Оборудование и материалы
- •Порядок проведения работы
- •Инструкция по проведению эксперимента
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Часть 3. Тепловая деформация термобиметалла
- •Оборудование и материалы
- •Порядок проведения работы
- •Часть 4. Теплопроводность металлических материалов
- •Оборудование и материалы
- •Порядок выполнения работы
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа № 4 электрические и магнитные свойства материалов Часть 1. Удельное электрическое сопротивление сплавов – твердых растворов
- •Содержание работы
- •Оборудование и материалы
- •Порядок проведения работы
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Часть 2. Удельное электрическое сопротивление сплавов – механических смесей
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Часть 3. Магнитные свойства ферромагнетиков в зависимости от состава
- •Содержание работы
- •Приборы и материалы
- •Порядок выполнения работы
- •Примечания
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Часть 4. Магнитные свойства ферромагнетиков в зависимости от структуры
- •Часть 1. Модуль нормальной упругости материалов……………….… 4
Содержание отчета
Цель работы.
Схема установки.
Формулы расчетов.
Таблица с экспериментальными и расчетными данными.
Краткий анализ полученных результатов.
Контрольные вопросы
В чем состоит основной механизм теплопроводности диэлектриков?
В чем состоит основной механизм теплопроводности металлов?
Какие факторы и как влияют на величину теплопроводности?
В чем состоит измерение теплопроводности методом Кольрауша?
Литература
П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов. Физика твердого тела - М.: Высшая школа. 1985.
Б.Г. Лифшиц, В.С. Крапошин, Я.Л. Линецкий. Физические свойства металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1980.
Лабораторная работа № 4 электрические и магнитные свойства материалов Часть 1. Удельное электрическое сопротивление сплавов – твердых растворов
Цель работы: исследовать закономерности изменения удельного электросопротивления сплавов - твердых растворов в зависимости от химического состава и температуры.
Содержание работы
В электротехнике и электронике в качестве проводников используются, в основном, металлические материалы. Причем материалы с низким сопротивлением электрическому току используют как проводники, а с высоким сопротивлением, как резистивные материалы (для получения сопротивлений и нагревательных элементов). Для грамотного использования проводниковых материалов полезно понимать физическую природу электропроводности и электросопротивления в металлических сплавах.
Высокая электропроводность металлов обеспечивается большой концентрацией электронов проводимости. Длина распространяющихся по металлу электронных волн по порядку величины сравнима с периодом кристаллической решетки. Поэтому всякое нарушение строгой периодичности кристаллической решетки приводит к рассеянию электронных волн и уменьшению их интенсивности по мере распространения в проводнике. Это проявляется в возрастании электрического сопротивления металла. У металла со строго периодической совершенной кристаллической решеткой сопротивление электрическому току должно отсутствовать.
Одна из причин, вызывающих нарушение строгой периодичности заключается во влиянии различных дефектов строения, присутствующих в реальных металлических материалах: линейных (дислокации), поверхностных, объемных и, особенно, точечных. Такие дефекты образуют статические искажения кристаллической решетки.
Вторая причина нарушения строгой периодичности заключается в динамических (подвижных) искажениях кристаллической решетки, вызванных тепловыми колебаниями атомов около положений равновесия.
Характеристикой сопротивления материалов электрическому току является величина удельного электрического сопротивления численно равная сопротивлению проводника единичной длины и единичной площади
R·S/L (Ом·м),
где R- сопротивление, S – площадь поперечного сечения, L – длина проводника.
В результате внешних воздействий на металлический материал, например, при пластическом деформировании, при закалке, при облучении частицами высоких энергий возрастает концентрация дефектов решетки, таких как вакансии, междоузельные атомы, дислокации, и соответственно увеличивается электросопротивление. Но даже значительная пластическая деформация повышает его величину всего на несколько процентов. Закалка и облучение могут привести к большему эффекту. Уменьшение степени дефектности металлов путем их нагрева (отжига) увеличивает электропроводность.
Присутствие в решетке металлического материала атомов внедрения и замещения вызывает точечные статические искажения. Особенно сильно искажают решетку атомы внедрения. Повышение концентрации примесных атомов и содержания атомов второго компонента в твердом растворе (до некоторых пределов) приводит к увеличению нерегулярности в расположении атомов и, следовательно, к росту электросопротивления. В связи с этим возникает возможность регулировать величину сопротивления твердых растворов путем изменения их химического состава. Так, при приближении неупорядоченных твердых растворов замещения, состоящих из атомов вида А и В, к пятидесятипроцентной атомной концентрации (эквиатомному составу) доли каждого из возможных атомных (ионных) соседств в решетке (А-А, А-В, В-В) по порядку величины сравнимы друг с другом (рис.1а).
Рис. 1 Цепочки атомов А и В:
а) неупорядоченный твердый раствор; б) упорядоченный твердый раствор
Равновесные расстояния rАА, rАВ, rВВ между атомами в этих соседствах, как правило, различны, за счет чего возникает наибольшее нарушение периодичности кристаллической решетки. В результате можно ожидать, что эффект рассеяния электронных волн в таких растворах и, соответственно, величина электросопротивления также окажутся наибольшими (рис. 2, сплошная кривая).
Если в твердом растворе имеет место упорядоченное расположение атомов различного вида (дальний порядок твердого раствора) (рис. 1б), то периодичность кристаллической решетки сохраняется, и электросопротивление твердого раствора в результате упорядочения в несколько раз снижается (рис. 2, пунктир).
Рис. 2. Пример влияния упорядочения величину твердых растворов системы «медь-золото»
Величина может быть представлена в виде суммы двух составляющих, учитывающих, соответственно, рассеяние электронных волн на статических дефектах решетки ст и на ее динамических искажениях Т:
= ст + Т.
Измеряя остаточное сопротивление ст при пониженной температуре можно получить информацию о степени совершенства строения материала (рис. 3)
Рис. 3. Температурная зависимость для проводника с дефектами
Величина, отражающая относительное изменение при изменении температуры, называется температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления :
= 1/·(d/dT), К-1.
На практике обычно пользуются средним значением ср, относящимся к некоторому интервалу температур T (рис. 3):
ср= 1/·/T, К-1.
В лабораторной работе электрические свойства твердых растворов замещения исследуются на примере системы «медь-никель», которая характеризуется неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.
Работа проводится по сокращенной или по расширенной программе (по указанию преподавателя). В первом случае в опыте используется комплект образцов I, во втором случае - комплект образцов II. Температуру образцов комплекта II можно увеличивать в процессе испытания с помощью нагревательного устройства.
Измерение электросопротивления образцов твердых растворов производится с помощью измерительного моста или другого измерительного оборудования (рис. 4).
Рис. 4. Измерительная установка
Имеющиеся данные об образцах и результаты, полученные при проведении работы, заносятся в таблицу 1 или 2 (в зависимости от номера комплекта).
Полученные результаты должны быть проанализированы на основе физических представлений о природе влияния состава и типа сплавов на их электропроводность.