Номер 3, страница 176 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

3. Какими способами повышают прочность кристаллических тел?

3. Какими способами повышают прочность кристаллических тел?

Прочность кристаллических тел напрямую связана с их внутренней структурой, а именно с наличием и подвижностью дефектов, в первую очередь – дислокаций. Пластическая деформация, то есть необратимое изменение формы тела под нагрузкой, в кристаллах происходит за счет движения этих дислокаций. Следовательно, для повышения прочности необходимо затруднить или заблокировать их движение. Существует несколько основных способов достижения этой цели:

1. Закалка. Этот метод заключается в быстром охлаждении материала (чаще всего стали и других сплавов) от высокой температуры. При таком охлаждении в структуре материала фиксируется большое количество дефектов (вакансий, дислокаций) и могут образовываться напряженные, метастабильные фазы (например, мартенсит в стали). Эти структурные неоднородности служат препятствиями для движения дислокаций, что приводит к значительному увеличению прочности и твёрдости материала. Недостатком является то, что закалка часто делает материал более хрупким.

2. Наклёп (холодная деформация). Этот способ заключается в пластической деформации материала (например, путём прокатки, волочения, ковки) при температуре ниже температуры его рекристаллизации. В процессе наклёпа плотность дислокаций резко возрастает. Они начинают взаимодействовать, переплетаться и блокировать друг друга, что затрудняет их дальнейшее движение. Этот процесс, также известный как деформационное упрочнение, увеличивает предел прочности и твердость материала.

3. Легирование. Это введение в состав кристаллического тела атомов других элементов. Упрочнение может происходить по двум основным механизмам:

• Твердорастворное упрочнение: Атомы легирующего элемента, замещая атомы основного металла в решётке или внедряясь между ними, создают локальные искажения и поля напряжений. Эти поля взаимодействуют с полями напряжений дислокаций, тормозя их движение.

• Дисперсионное твердение (старение): В результате специальной термической обработки в матрице основного сплава образуются мельчайшие частицы второй, более твёрдой фазы. Эти частицы являются очень эффективными барьерами, которые дислокации не могут легко преодолеть, что резко повышает прочность.

4. Измельчение зерна. Большинство используемых на практике металлов являются поликристаллами, то есть состоят из множества мелких кристаллитов (зёрен) с разной ориентацией. Границы между зёрнами являются естественными препятствиями для скольжения дислокаций. Чем меньше размер зерна, тем больше суммарная протяжённость границ в объёме материала, и тем сильнее они тормозят деформацию. Зависимость предела текучести $\sigma_y$ от среднего размера зерна $\text{d}$ описывается известным соотношением Холла-Петча: $\sigma_y = \sigma_0 + k d^{-1/2}$, где $\sigma_0$ и $\text{k}$ – константы материала. Таким образом, создание мелкозернистой структуры является универсальным способом повышения прочности.

Ответ: Прочность кристаллических тел повышают путём закалки, наклёпа (холодной деформации), легирования (создания сплавов) и измельчения размера зерна. Все эти методы основаны на создании в структуре материала препятствий для движения дислокаций.

4. Где применяются ...

Вопрос в исходном изображении обрывается. Если предположить, что он звучит как «Где применяются материалы, упрочнённые этими способами?», то ответ будет следующим.

Упрочнённые кристаллические материалы являются основой современной цивилизации и находят применение практически во всех сферах деятельности человека, где требуется высокая прочность, надёжность и долговечность.

• Закалённые стали незаменимы для изготовления режущих и колющих инструментов (ножи, свёрла, фрезы), штампов, а также высоконагруженных деталей машин, работающих на износ (например, шестерни, подшипники, пружины).

• Материалы, упрочнённые наклёпом, мы встречаем повседневно. Это стальная проволока для армирования бетона и изготовления тросов, тонкий листовой прокат для кузовов автомобилей, медные провода и трубы.

• Легированные сплавы – это огромный класс материалов с заданными свойствами. Например, нержавеющие стали (сплавы железа с хромом и никелем) применяются в медицине, пищевой промышленности и строительстве. Дюралюминий (сплав алюминия с медью, магнием и марганцем) благодаря своей лёгкости и прочности является ключевым материалом в авиастроении. Титановые сплавы используются в аэрокосмической технике и для создания биосовместимых медицинских имплантов.

• Принцип измельчения зерна используется при производстве почти всех конструкционных материалов для ответственных применений, включая строительство мостов и высотных зданий, производство автомобилей, самолётов, кораблей и энергетического оборудования.

Ответ: Упрочнённые кристаллические материалы применяются повсеместно: в машиностроении (детали машин, инструменты), строительстве (несущие конструкции, арматура), на транспорте (авиация, автомобилестроение), в медицине (импланты, хирургические инструменты), энергетике (турбины, реакторы) и многих других отраслях промышленности.