Номер 3, страница 68 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 2. Механические свойства жидкостей, газов и твёрдых тел. Параграф 17. Свойства твёрдых тел. Темы докладов и проектов - номер 3, страница 68.

Условие.

3. Управление свойствами твёрдых тел.

Решение.

Решение

Управление свойствами твёрдых тел — это целенаправленное изменение их физических, механических, электрических, магнитных и других характеристик для соответствия требованиям конкретных приложений. Свойства материалов определяются их химическим составом, кристаллической структурой, микроструктурой и дефектами. Воздействуя на эти факторы, можно создавать материалы с заранее заданными параметрами. Существует несколько основных способов управления свойствами твёрдых тел.

1. Изменение химического состава

Это один из наиболее фундаментальных способов изменения свойств. Он включает в себя введение в основной материал других химических элементов.

Легирование и создание сплавов. В металловедении добавление одного или нескольких элементов к основному металлу называется легированием, а полученный материал — сплавом. Легирующие элементы могут образовывать с основным металлом твёрдые растворы или новые химические соединения (интерметаллиды). Это кардинально меняет свойства. Например, добавление углерода к железу создаёт сталь, которая значительно прочнее чистого железа. Добавление хрома и никеля к стали делает её нержавеющей, повышая коррозионную стойкость.

Легирование полупроводников. В микроэлектронике в чистый полупроводник (например, кремний или германий) вводят ничтожные количества примесей (легирующих элементов). Если примесь имеет больше валентных электронов, чем атом основного вещества (например, фосфор в кремнии), образуется полупроводник n-типа с избытком электронов. Если примесь имеет меньше валентных электронов (например, бор в кремнии), образуется полупроводник p-типа с избытком «дырок» (вакантных мест для электронов). Такое управление типом и концентрацией носителей заряда является основой для создания диодов, транзисторов и интегральных схем.

2. Управление микроструктурой

Микроструктура — это строение материала на уровне кристаллических зёрен, фаз и их взаимного расположения. Даже при одинаковом химическом составе материалы с разной микроструктурой могут иметь совершенно разные свойства.

Термическая обработка. Это процесс нагрева и последующего охлаждения твёрдых тел с определённой скоростью для изменения их структуры и свойств. Основные виды:

• Отжиг — нагрев с последующим медленным охлаждением. Применяется для снятия внутренних напряжений, повышения пластичности и уменьшения твёрдости.
• Закалка — нагрев до определённой температуры с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле). Это позволяет зафиксировать высокотемпературную структуру, которая при нормальных условиях является нестабильной, но обладает высокой твёрдостью и прочностью (например, получение мартенсита в стали).
• Отпуск — нагрев закалённого материала до более низкой температуры. Эта операция снижает хрупкость и внутренние напряжения после закалки, сохраняя при этом высокую прочность.

Механическая обработка (деформация). Изменение формы тела под действием внешних сил также меняет его структуру.

• Холодная деформация (наклёп) — обработка давлением (прокатка, волочение) при температуре ниже температуры рекристаллизации. В процессе деформации увеличивается плотность дефектов кристаллической решётки (дислокаций), что приводит к упрочнению материала — увеличению его прочности и твёрдости, но к снижению пластичности.
• Горячая деформация — обработка при температуре выше температуры рекристаллизации. Позволяет достичь больших степеней деформации без упрочнения и одновременно измельчить зерно, что также повышает прочность.

Контроль размера зерна. Прочность многих кристаллических материалов зависит от среднего размера зерна (отдельных кристаллитов). Уменьшение размера зерна увеличивает прочность и твёрдость. Эта зависимость описывается уравнением Холла-Петча: $ \sigma_y = \sigma_0 + k_y d^{-1/2} $, где $ \sigma_y $ — предел текучести, $\text{d}$ — средний диаметр зерна, а $ \sigma_0 $ и $k_y$ — константы материала. Границы зёрен препятствуют движению дислокаций, и чем больше границ (т.е. чем меньше зёрна), тем прочнее материал.

3. Создание композиционных материалов

Композиты — это материалы, состоящие из двух или более компонентов с различными свойствами, которые не растворяются и не смешиваются друг с другом. Обычно один компонент является матрицей (связующим), а другой — армирующим наполнителем (волокна, частицы).

Примеры:

• Железобетон: стальная арматура (высокая прочность на растяжение) в бетонной матрице (высокая прочность на сжатие).
• Стеклопластик и углепластик (карбон): стеклянные или углеродные волокна (очень высокая прочность и жёсткость) в полимерной матрице. Эти материалы обладают высокой удельной прочностью (отношение прочности к весу) и широко используются в авиации, космонавтике и спортивном инвентаре.

Создание композитов позволяет получать материалы с уникальным сочетанием свойств, недостижимым для традиционных материалов.

4. Модификация поверхности

Во многих случаях требуется, чтобы материал обладал одними свойствами на поверхности (например, высокая твёрдость, износостойкость, коррозионная стойкость), а другими — в объёме (например, вязкость, пластичность). Это достигается путём обработки только поверхностного слоя.

Методы включают:

• Химико-термическая обработка: насыщение поверхностного слоя определёнными элементами. Например, цементация (насыщение углеродом) и азотирование (насыщение азотом) поверхности стали для создания очень твёрдого и износостойкого слоя.
• Нанесение покрытий: создание на поверхности защитных или функциональных слоёв (лаки, краски, оцинковка, напыление тугоплавких соединений).
• Ионная имплантация: бомбардировка поверхности ионами высокой энергии для изменения химического состава и структуры приповерхностного слоя.

Ответ:

Управление свойствами твёрдых тел достигается четырьмя основными способами: 1) изменением химического состава путём легирования и создания сплавов; 2) управлением микроструктурой через термическую (отжиг, закалка, отпуск) и механическую (холодная и горячая деформация) обработку, а также контроль размера зерна; 3) созданием композиционных материалов, комбинирующих различные компоненты (матрицу и наполнитель) для получения уникальных свойств; 4) модификацией поверхности для придания ей особых характеристик (твёрдости, износостойкости) без изменения свойств основного объёма материала.