Темы докладов, страница 176 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

Легирование материалов и его цели.

Легирование материалов

Легирование (от нем. legieren — «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») — это процесс введения в состав материалов, чаще всего металлов и сплавов, специальных добавок (легирующих элементов) с целью направленного изменения их физических, химических, механических или технологических свойств. Исходный материал, в который вводят добавки, называется основой сплава. Легирующие элементы могут вводиться как в малых (доли процента), так и в больших (десятки процентов) количествах, в зависимости от требуемых конечных свойств.

В основе эффекта от легирования лежит изменение микроструктуры материала на атомно-кристаллическом уровне. Атомы легирующих элементов, попадая в кристаллическую решетку основного металла, искажают ее. Они могут:
1. Замещать атомы основного металла в узлах решетки, образуя твердые растворы замещения.
2. Располагаться в междоузлиях решетки (если их атомы малы), образуя твердые растворы внедрения.
3. Образовывать с основным металлом или другими элементами новые фазы — устойчивые химические соединения, такие как карбиды, нитриды, интерметаллиды.

Эти изменения в микроструктуре приводят к значительному изменению макроскопических свойств материала.

Ответ: Легирование материалов — это процесс введения в их состав специальных добавок (легирующих элементов) для целенаправленного изменения и улучшения их физических, химических, механических или технологических свойств путем воздействия на их внутреннюю структуру.

Цели легирования

Цели легирования многообразны и заключаются в придании материалу комплекса требуемых эксплуатационных и технологических характеристик. Основные цели можно сгруппировать следующим образом:

1. Повышение механических свойств. Это наиболее частая задача. С помощью легирования увеличивают прочность, твердость, упругость, износостойкость, а также ударную вязкость и сопротивление усталости. Примеры: введение углерода (C) в железо (Fe) для получения стали; легирование стали хромом (Cr), молибденом (Mo) и вольфрамом (W) для создания инструментальных сталей, сохраняющих высокую твердость при нагреве (красностойкость); добавление никеля (Ni) в сталь для повышения ее прочности и ударной вязкости при низких температурах (хладостойкость).

2. Повышение химической стойкости. Легирование используется для защиты материалов от разрушения в агрессивных средах (коррозии) и при высоких температурах (окалиностойкость). Примеры: легирование стали хромом (Cr) в количестве более 13% создает на поверхности защитную оксидную пленку, что делает сталь нержавеющей; для повышения жаростойкости (сопротивления окислению при высоких температурах) сталь легируют хромом (Cr), алюминием (Al) и кремнием (Si).

3. Придание специальных физических свойств. Легирование позволяет создавать материалы с заданными магнитными, электрическими и тепловыми характеристиками, которые невозможно получить в чистых металлах. Примеры: сплав нихром (Ni-Cr) обладает высоким электрическим сопротивлением и используется в нагревательных элементах; сплав инвар (Fe-Ni) имеет практически нулевой коэффициент теплового расширения и применяется в точных измерительных приборах; сплавы на основе железа с кремнием (Si) обладают нужными магнитными свойствами для сердечников трансформаторов.

4. Улучшение технологических свойств. Легирование может облегчить различные технологические процессы, такие как литье, сварка, обработка давлением и резанием. Примеры: легирование стали марганцем (Mn), хромом (Cr) и молибденом (Mo) увеличивает ее прокаливаемость, то есть способность закаливаться на большую глубину; введение в сталь серы (S) и свинца (Pb) улучшает ее обрабатываемость резанием (так называемые автоматные стали); введение титана (Ti) или ниобия (Nb) улучшает свариваемость нержавеющих сталей.

Ответ: Основными целями легирования являются: повышение механических свойств (прочности, твердости, вязкости), повышение химической стойкости (коррозионной стойкости, жаростойкости), придание специальных физических свойств (магнитных, электрических, тепловых) и улучшение технологических свойств (прокаливаемости, свариваемости, обрабатываемости).