close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Федеральное агентство по образованию

код для вставкиСкачать
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тульский государственный университет»
Кафедра ССМиК
КУРСОВАЯ РАБОТА ПО
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ.
проверил
Липатова Е.С.
выполнил студент гр.320841
Гордичев Н.Ю.
2006
Содержание.
Задание……………………………………………………………………3.
Введение………………………………………………………………….4.
I.
Связь строения, состава и свойств
Строение и свойства………………………………………………5.
Состав и свойства………………………………………………….6.
II.
Физико-химические методы
оценки состава и структуры……………………………….6.
Решение задачи………………………………………………………...9
Список литературы…………………………………………………….10.
Курсовая работа
Лит.
Изм. Лист
№ докум.
Разраб.
Гордичев Н.Ю.
Провер.
Липатова Е.С.
Т. контр.
Н. контр.
Утв.
Подп.
Масса
Масштаб
Дата
Лист
тт
2
Листов
10
ТулГУ, гр.320841
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
3
Введение.
Материаловедение-наука, изучающая связь состава, строения и
свойств материалов, а так же закономерности их изменения при
физико-химических,
физических,
механических
и
других
воздействий.
Всякий материал в конструкциях подвергается воздействию
окружающей среды. Кроме прочности материалы должны обладать
устойчивостью, т.е. способностью сопротивляться физическим и
химическим воздействиям среды (воздуха и паров в нём и т.д.)
Исходя
из
условия
работы
материала
в
сооружениях
стройматериалы по назначению делят на 2 группы:
1-материалы
универсального
типа
(пригодны
для
несущих
конструкций)-природные
каменные
материалы,
искусственные
каменные материалы (бетоны …), конструкционные пластмассы,
лесные материалы.
2-стройматериалы
специального
назначения,
необходимы
для
защиты конструкций от вреда влияния окружающей среды, а также
для повышения эксплуатационных свойств и создания комфорта теплоизоляционные материалы, гидроизоляционные, кровельные,
отделочные, антикоррозийные.
Изделия и конструкции должны обеспечивать долговечность и
надёжность в течении эксплуатации.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
4
I.
Связь строения, состава и свойств
Строение исвойства
Знание строения строительного материала необходимо для понимания его свойств и в конечном
итоге для решения практического вопроса, где и как применить материал, чтобы получить
наибольший технико-экономический эффект.
Строение материала изучают на трех уровнях: 1) макроструктура материала – строение,
видимое невооруженным глазом; 2) микроструктура материала – строение видимое в оптический
микроскоп; 3) внутреннее строение веществ, составляющих материал, на молекулярно-ионном
уровне, изучаемом методами рентгено-структурного анализа, электронной микроскопии и т.п.
Макроструктура твердых строительных материалов* может быть следующих типов:
конгломератная,
ячеистая,
мелкопористая,
волокнистая,
слоистая,
рыхлозернистая
(порошкообразная).
Искусственные конгломераты – это обширная группа, объединяющая бетоны различного вида,
ряд керамических и других материалов.
Ячеистая структура характеризуется наличием макропор, свойственных газо- и пенобетонам,
ячеистым пластмассам.
Мелкопористая структура свойственна, например, керамическим материалам, поризованным
способами высокого водозатворения и введением выгорающих добавок.
Волокнистая структура присуща древесине, стеклопластикам, изделиям из минеральной ваты
и др. Ее особенностью является резкое различие прочности,, теплопроводности и других свойств
вдоль и поперек волокон.
Слоистая структура отчетливо выражена у рулонных, листовых, плитных материалов, в
частности у пластмасс со слоистым наполнителем (бумопласта, текстолита и др.).
Рыхлозернистые материалы – это заполнители для бетона, зернистые и порошкообразные
материалы для мастичной теплоизоляции, засыпок и др.
Микроструктура веществ, составляющих материал, может быть кристаллическая и аморфная.
Кристаллические и аморфные формы нередко являются лишь различными состояниями одного и
того же вещества. Примером служит кристаллический кварц и различные аморфные формы
кремнезема. Кристаллическая форма всегда более устойчива. Чтобы вызвать химическое
взаимодействие между кварцевым песком и известью, в технологии силикатного кирпича применяют
автоклавную обработку отформованного сырца насыщенным водяным паром с температурой не
менее 175°С и давлением 0,8 Мпа. Между тем трепел (аморфная форма диоксида кремния) вместе с
известью после затворения водой образует гидросиликат кальция при нормальной температуре 1525°С. Аморфная форма вещества может перейти в более устойчивую кристаллическую форму.
Практическое значение для природных и искусственных материалов имеет явление
полиморфизма – когда одно и то же вещество способно существовать в различных кристаллических
формах, называемых модификациями. Наблюдаются, например, полиморфные превращения кварца,
сопровождающиеся изменением объема.
Особенностью кристаллического вещества является определенная температура плавления (при
постоянном давлении) и определенная геометрическая форма кристаллов каждой его модификации.
Свойства монокристаллов неодинаковы в разных направлениях. Это механическая прочность,
теплопроводность, скорость растворения, электропроводность и др. Явление анизотропии является
следствием особенностей внутреннего строения кристаллов.
В строительстве применяют поликристаллические каменные материалы, в которых разные
кристаллы ориентированы беспорядочно. Подобные материалы рассматриваются как изотропные
по своим строительно-техническим свойствам. Исключение составляют слоистые каменные
материалы (гнейсы, сланцы и др.).
Внутреннее строение веществ, составляющих материал, определяет механическую прочность,
твердость, тугоплавкость и другие важные свойства материала.
Кристаллические вещества, входящие в состав строительного материала, различают по
характеру связи между частицами, образующими пространственную кристаллическую решетку.
Она может быть образована: нейтральными атомами (одного и того же элемента, как в алмазе, или
различных элементов, как в SiO3); ионами (разноименно заряженными, как в СаСОз, или одноименными, как в металлах); целыми молекулами (кристаллы льда).
Ковалентная связь осуществляется обычно электронной парой, образуется в кристаллах
простых веществ (алмаз, графит) и в кристаллах некоторых соединений из двух элементов (кварц,
карборунд, другие карбиды, нитриды). Такие материалы выделяются
очень высокой механической прочностью и твердостью, они весьма тугоплавки.
Ионные связи образуются в кристаллах тех материалов, в которых связь имеет преобладающе
ионный характер. Распространенные строительные материалы этого типа гипс и ангидрид имеют
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
5
невысокую прочность и твердость, не водостойки.
В сложных кристаллах, часто встречающихся в строительных материалах (кальцит, полевые
шпаты), осуществляются и ковалентная и ионная связи. Внутри сложного иона СО^~ связь ковалентная, но сам он имеет с ионами Са2+ ионную связь. Свойства подобных материалов весьма
разнообразны. Кальцит СаСОз при достаточно высокой прочности обладает малой твердостью. У
полевых шпатов сочетаются довольно высокие показатели прочности и твердости, хотя и
уступающие кристаллам алмаза с чисто ковалентной связью.
Молекулярные кристаллические решетки и соответствующие им молекулярные связи
образуются преимущественно в кристаллах тех веществ, в молекулах которых связи являются
ковалент-ными. Кристалл этих веществ построен из целых молекул, которые удерживаются друг
около друга сравнительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного притяжения
(как в кристаллах льда). При нагревании связи между молекулами легко разрушаются, поэтому
вещества с молекулярными решетками обладают низкими температурами плавления.
Силикаты, занимающие особое место в строительных материалах, имеют сложную структуру,
обусловившую их особенности. Так, волокнистые материалы (асбест) состоят из параллельных
силикатных цепей, связанных между собой положительными ионами, расположенными между
цепями. Ионные силы слабее ковалентных связей внутри каждой цепи, поэтому механические
воздействия, недостаточные для разрыва цепей, разделяют такой материал на волокна.
Пластинчатые минералы (слюда, каолинит) состоят из силикатных групп, связанных в плоские
сетки.
Сложные силикатные структуры построены из тетраэдров SiO4, связанных между собой
общими вершинами (общими атомами кислорода) и образующих объемную решетку. Это дало
основание рассмотреть их как неорганические полимеры.
Состав
и свойства
Строительный материал характеризуется химическим, минеральными фазовым составом.
Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде свойств материала:
огнестойкости, биостойкости, механических и других технических характеристиках. Химический
состав неорганических веществ (цемента, извести и др.) и каменных материалов удобно выражать
количеством содержащихся в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химически связаны
между собой и образуют минералы, которые и определяют многие свойства материала.
Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в вяжущем
веществе или в каменном материале. Например, в портландцементе содержание трехкальциевого
силиката (3CaOSiO2) составляет 45-60%, причем при большем его количестве ускоряется твердение,
повышается прочность цементного камня.
Фазовый состав материала и фазовые переходы воды, находящиеся в его порах, оказывают
влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации. В материале выделяют твердые
вещества, образующие стенки пор, т.е. «каркас» материала, и поры, заполненные воздухом и водой.
Если вода, являющаяся компонентом этой системы, замерзает, то образовавшийся в порах лед
изменяет механические и тепломеханические свойства материала. Увеличение же объема
замерзающей в порах воды вызывает внутренние напряжения, способные разрушить материал при
повторных циклах замораживания и оттаивания.
I.
Физико-химические методы оценки состава и структуры
Свойства материалов в значительной степени определяются его составом и поровой
структурой. Поэтому для получения материалов с заданными свойствами важно иметь четкие
представления о процессах формирования структуры и возникающих новообразований, что
изучается на микро и молекулярно-ионном уровне.
Ниже рассмотрены наиболее распространенные физико-химические методы анализа.
П е т р о г р а ф и ч е с к и й метод используется для исследования различных материалов:
цементного клинкера, цементного камня, бетонов, стекла, огнеупоров, шлаков, керамики и т.д. Метод световой микроскопии направлен на определение характерных для каждого
минералаоптических свойств, которые определяются его внутренним строением. Главные
оптические свойства минералов – показатели светопреломления, сила двойного преломления,
осность, оптический знак, цвет и др. Существует несколько модификаций данного метода:
поляризационная микроскопия предназначена
для изучения образцов в виде порошков в специальных иммерсионных аппаратах (иммерсионные
жидкости обладают определенными показателями светопреломления); микроскопия в проходящем
свете – для изучения прозрачных шлифов материалов; микроскопия в отраженном свете –
полированных шлифов. Для проведения этих исследований применяют поляризационные
микроскопы.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
6
Э л е к т р о н н а я м и к р о с к о п и я применяется для исследования тонкокристаллической
массы. Современные электронные микроскопы имеют полезное увеличение до 300000 раз, что
позволяет видеть частицы размером 0,3-0,5 нм (1 нм = 10-9 м). Такое глубокое проникновение в мир
малых частиц стало возможным благодаря использования в микроскопии электронных лучей, волны
которых во много раз короче видимого света.
С помощью электронного микроскопа можно изучить: форму и размеры отдельных
субмикроскопических кристаллов; процессы роста и разрушения кристаллов; процессы диффузии;
фазовые превращения при термической обработке и охлаждении; механизм деформации и
разрушения.
В последнее время применяются растровые (сканирующие) электронные микроскопы. Это
прибор, в основу которого положен телевизионный принцип развертки тонкого пучка электронов
(или ионов) на поверхности исследуемого образца. Пучок электронов взаимодействует с веществом,
вследствие чего возникает целый ряд физических явлений, регистрируя датчиками излучения и
подавая сигналы на кинескоп, получают рельефную картину изображения поверхности образца на
экране (рис. 1.1).
Р е н т г е н о г р а ф и ч е с к и й а н а л и з – это метод исследования строения и состава
вещества путем экспериментального изучения дифракции рентгеновских лучей в этом веществе.
Рентгеновские лучи представляют собой такие же поперечные электромагнитные колебания, как
видимый свет, ню с более короткими волнами (длина волны 0,05-0,25-109 м). Получают их в
рентгеновской трубке в результате столкновения катодных электронов с анодом при большой
разности потенциалов. Применение рентгеновского излучения для исследования кристаллических
веществ основано на том, что его длина волны сопоставима с межатомными расстояниями в
кристаллической решетке вещества, которая является естественной дифракционной решеткой для
рентгеновских лучей.
Рис. 1.1. Принципиальная схема электронного микроскопа: а) просвечиваемого (ПЭМ); б) растрового
Каждое кристаллическое вещество характеризуется своим набором определенных линий на
рентгенограмме. На этом основан качественный рентгенофазовый анализ, задача которого
состоит в определении (идентификации) природы кристаллических фаз, содержащихся в
материале. Порошковая рентгенограмма полиминерального образца сравнивается либо с
рентгенограммами составляющих минералов, либо с табличными данными (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Рентгенограммы образцов:
а) цемента; б) цементного камня
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
7
Рентгенофазовый анализ используется для контроля сырья и готовой продукции, для
наблюдения технологических и процессов, а также для дефектоскопии.
Дифференциально-термический анализ используется для определения минеральнофазового состава строительных материалов (ДТА). Основа метода в том, что о фазовых
превращениях, происходящих в материале, можно судить по сопровождающим эти превращения
тепловым эффектам. При физических и химических процессах превращения вещества энергия в
виде теплоты может поглощаться или выделяться из него. С поглощением тепла идут, например,
такие процессы, как дегидратация, диссоциация, плавление – это эндотермические процессы.
Выделение тепла сопровождают окисление, образование новых соединений, переход из
аморфного состояния в кристаллические –это экзотермические процессы. Прибором для ДТА
являются дериватографы, которые в процессе анализа записывают четыре кривых:
Рис. 1.3. Термограммы цемента:
1 – негидратированного; 2 – гидрати-рованного в течение 7 сут
простую и дифференциальную кривые нагревания, и соответственно кривые потери массы. Суть
ДТА в том, что поведение материала сравнивается с эталоном, веществом не испытывающим
никаких тепловых превращений. Эндотермические процессы дают на термограммах впадины, а
экзотермические – пики (рис. 1.3).
Спектральный анализ – физический метод качественного и количественного анализа
веществ, основанный на изучении их спектров. При изучении строительных материалов
используется в основном инфракрасная (ИК) спектроскопия, которая основана на взаимодействии
исследуемого вещества с электромагнитным излучением в инфракрасной области. ИК-спектры
связаны с колебательной энергией атомов и энергией вращения молекул и являются характерными для определения групп и сочетаний атомов.
Приборы-спектрофотометры позволяют автоматически регистрировать инфракрасные спектры
(рис. 1.4).
Рис. 1.4. ИК-спектры поглощения:
а) цементного камня без добавки;
б) цементного камня с добавкой
Кроме указанных методов существуют и другие, позволяющие определить специальные
свойства веществ. Современные лаборатории оснащены многими компьютеризированными установками, позволяющими проводить многофакторный комплексный анализ практически всех
материалов.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
8
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
9
Список литературы.
1. В.Г. Микульский, Строительные материалы, Москва, 2002
2. А.Г. Домокеев, Строительные материалы, Москва, 1989
3. А.Г. Комар, Строительные материалы и изделия, Москва, 1988
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подп.
Дата
10
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа