Контрольная работа по "Материаловедению"

На торцевом срезе видна кора, камбий и древесина. Кора состоит  из наружной кожицы, пробкового слоя под  ней и внутреннего слоя — луба. Под слоем луба у растущего  дерева находится тонкий камбиальный  слой, состоящий из живых клеток размножающихся делением. Древесина состоит из вытянутых веретенообразных клеток – ячеек, стенки которых состоят в основном из целлюлозы. Эти пустотелые ячейки образуют волокна, воспринимающие механические нагрузки. Древесина ствола состоит из ряда концентрических годовых колец. В свою очередь каждое годовое кольцо включает внутренний слой ранней (или весенней) древесины и внешний слой поздней (или летний) древесины.

На поперечном разрезе ствола дерева видны сердцевина, ядро и заболонь. Сердцевина – рыхлая первичная ткань, которая состоит из тонкостенных клеток, имеет малую прочность и легко загнивает.

Ядро, или спелая древесина —  внутренняя часть ствола дерева, состоящая  из омертвевших клеток. Ядро выделяется темным цветом, так как стенки клеток древесины ядра постепенно изменяют свой состав: у хвойных пород они пропитываются смолой, а у лиственных — дубильными веществами. Движение влаги по этим клеткам прекращается, поэтому древесина ядровой части ствола обладает большой прочностью и стойкостью к загниванию по сравнению с древесиной заболони.

Заболонь состоит из колец более  молодой древесины, окружающих ядро (или слепую древесину). По живым  клеткам заболони растущего дерева перемещается влага с растворенными  в ней питательными веществами. Древесина заболони имеет большую влажность, легко загнивает, вследствие значительной усушки усиливает коробление пиломатериалов.

Макроструктура древесины. В течение  вегетационного периода в древесине  ствола растущего дерева образуется годовой слой, состоящий из кольца ранней — более светлой и кольца поздней — более темной древесины. Чем больше образовалось поздней древесины, тем выше механическая прочность древесины.  
Древесина имеет неоднородное строение (структуру) в различных направлениях относительно оси ствола. Строение древесины, различаемое простым глазом или при незначительном увеличении, называется макроструктурой; строение, видимое только под микроскопом, — микроструктурой.

Макроструктура древесины изучается  в разрезах по трем основным направлениям ствола: поперечном, радиальном и тангентальном. Поперечным или торцевым разрезом называется сечение ствола плоскостью, перпендикулярной его оси. Радиальным называется разрез плоскостью, проходящей через сердцевину вдоль оси ствола. Разрез вдоль ствола плоскостью, проходящей на некотором расстоянии от сердцевины, называется тангентальным.  
Древесина имеет обычно светлую ровную окраску. Однако у некоторых пород часть древесины, непосредственно примыкающая к сердцевинной трубке, имеет более темную окраску и носит название ядра. Светлая часть древесины от ядра до луба называется заболонью или оболонью. Заболонь растущего дерева состоит из более молодых живых клеток, по которым перемещаются питательные вещества от корней к кроне. Эта менее прочная часть древесины имеет обычно большую влажность и легко поддается загниванию.  
Ядро состоит из отмерших клеток, темная его окраска обусловливается отложением в межклеточном пространстве дубильных и смолистых веществ. Ядровая часть древесины благодаря наличию дубильных и смолистых веществ имеет большую стойкость против загнивания, большую прочность и твердость. Древесные породы, имеющие ядро и заболонь, называются ядровыми. К ним относятся дуб, сосна, кедр, лиственница и др. Древесные породы, у которых нет ядра, носят название заболонные породы — береза, клен, ольха и др. Различают также спелодревесные породы: ель, пихту, осину, бук и др., имеющие спелую древесину (более сухую в центральной части ствола) и заболонь одинаковой со спелой древесиной окраски.

В древесине расположены сердцевинные лучи, в растущем дереве они имеют важное значение: по ним перемещаются питательные вещества в поперечном направлении, в них создается запас этих веществ. Различают первичные и вторичные сердцевинные лучи. Сосуды. На торцевом разрезе ствола лиственных пород можно различить мелкие и крупные сосуды. Смоляные ходы. У большинства хвойных пород между трахеидами (клетками) поздней зоны древесины имеются смоляные ходы — межклеточные пространства, заполненные смолой. На торцевом разрезе смоляные ходы видны лишь при значительном увеличении. Оболочки клеток состоят в основном из высокомолекулярного соединения — целлюлозы или клетчатки, молекулы которой образуют пучки, называемые мицеллами, представляющими собой кристаллики целлюлозы ультрамикроскопических размеров. Мицеллы, чередуясь с участками аморфного вещества, образуют мицеллярные ряды, соединяющиеся в волоконца, называемые фибриллами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Стекло. Свойства стекломассы в пластичном и твердом состоянии.

 

Стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от химического состава и температурной области затвердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.

Все вещества в стеклообразном состоянии  обладают рядом общих свойств:

1) находятся в неустойчивом метастабильном  состоянии вследствие избыточного  запаса внутренней энергии по  сравнению с соответствующими кристаллическими веществами; 
2) обладают изотропностью свойств; 
3) способны к постепенному и обратимому твердению без определенной температуры плавления (имеют некоторый температурный интервал размягчения); 
4) вследствие переходного температурного интервала характеризуется резким изменением физических свойств. Особенно четко это проявляется на кривой зависимости вязкости от температуры.

Твердость в зависимости от химического  состава равна 4-10 тыс. МПа или 6-7 единиц по шкале Мооса. Наиболее твердые  кварцевое и малощелочное  многосвинцовые.-боросиликатное стекло, наиболее мягкие.

Хрупкость характеризуется прочностью на удар. Стекло наряду с алмазом и кварцем относится к идеально хрупким материалам. Для силикатных стекол ударная вязкость составляет 1,5-2 кН/м, что в 100 раз меньше, чем у металлов. Почти вдвое повышает прочность на удар введение до 12% В₂О₃.

Теплопроводность  характеризует способность проводить тепло в градиентном температурном поле. Превращение стекломассы в стеклянные изделия – формование, или выработка, – может осуществляться разнообразными способами. Действительно, нет другого материала, который допускал бы такое многообразие способов формования, как промышленное стекло. Из стекла можно изготовлять мельчайшие изделия (бисер, миниатюрные электронные лампочки, тончайшее стекловолокно диаметром в доли микрона) и изделия весьма больших размеров и веса (витринные стекла площадью в 15-20 м², диски для телескопов диаметром в несколько метров, высокие стеклянные колонны). Для изготовления каждого изделия можно выбрать наиболее производительный, дешевый и обеспечивающий заданное качество изделий способ выработки.

Возможность формования стекломассы в пластичном состоянии связана, прежде всего  с особенностями изменения ее вязкости в зависимости от температуры. По окончании провара стекломасса становится текучей, а по мере охлаждения – пластичной. Пластичность позволяет расплаву принять заданную форму, после чего изделие охлаждается и затвердевает, сохраняя приданную ему форму.

Интервал температур, при которых стекло может быть отформовано, называется интервалом формования или выработки. В этом интервале вязкость стекла изменяется от 10² до 10⁸ Па·с, а при полном отвердевании становится равной 10¹² Па·с. Температуры и вязкости, соответствующие выработке, зависят от состава стекла и способа формования.

Формообразование – придание пластичной стекломассе конфигурации формуемого изделия в результате приложения внешних сил, характер действия которых обусловлен видом изделия и способом формования; определяющие факторы: вязкость, поверхностное натяжение, пластичность, упругость и характер температурного изменения этих свойств.

Фиксация формы – закрепление конфигурации отформованного изделия в результате твердения стекломассы, характер которого обусловлен составом стекла, видом изделия и способом охлаждения; определяющие факторы: скорость твердения стекла, изменение вязкости стекломассы при изменении температуры (влияние состава стекла) и температуры во времени (условия охлаждения).

Стеклообразное состояние вещества представляет собой аморфную разновидность твердого состояния. Стеклообразное состояние является метастабильным, т. е. характеризуется избытком внутренней энергии. Пространственное расположение частиц вещества, находящегося в стеклообразном состоянии, является неупорядоченным, что подтверждается результатами рентгеноструктурных исследований.

Согласно  законам химической термодинамики  переход веществ из стеклообразного  состояния в кристаллическое  должен осуществляться самопроизвольно, однако высокая вязкость твердых веществ делает невозможным поступательное движение частиц, направленное на перестройку структуры. В твердых телах частицы совершают только колебательные движения относительно положения равновесия.

Температурный интервал стеклования. Стекла не имеют определенной температуры затвердевания или плавления. Оба эти процесса происходят постепенно в некотором температурном интервале. При охлаждении расплав переходит из жидкого в пластическое состояние и только затем – в твердое (процесс стеклования). Наоборот, при нагревании стекло переходит из твердого в пластическое состояние, при более высоких температурах – в жидкое (размягчение стекла).

Температурный интервал, в котором  происходит процесс стеклования  или обратный ему – процесс  размягчения, называется интервалом стеклования и ограничен двумя температурами: со стороны высоких температур – T_f, со стороны низких температур – T_g (температура стеклования).

 

 

Зависимость свойств стекла (Р) и его производных  от температуры: I - твердое; II - пластичное; III - жидкое

При температуре T_g стекло обладает свойствами твердого упругого тела с хрупким разрушением. Температура Tf является границей пластического и жидкого состояний. При температуре T_f, из стекломассы уже удается вытягивать тонкие нити.

Понятия о T_g и T_f были введены Тамманом. Подстрочные индексы «g» и «f» являются первыми буквами слов «Glas» – стекло и «Flussigkeit» –жидкость.

Процессы  размягчения стекла или затвердевания стекломассы являются однофазными в отличие от плавления кристаллических веществ или кристаллизации расплавов. При размягчении стекла в интервале стеклования отсутствует жидкая фаза.

 

 

 

4. Строение и способы получения теплоизолированных материалов.

 

Строение теплоизоляционных материалов. Пористость. Основной признак теплоизоляционных  материалов — высокое содержание воздуха в объеме материала. Причина  этого в следующем. Газы по сравнению  с жидкостями и твердыми телами обладают чрезвычайно низкой теплопроводностью (объясняется это удаленностью молекул газов друг от друга, что затрудняет передачу ими тепловой энергии). Так, теплопроводность воздуха при 0°С х = 0,024 Вт/(м·°С). Эта цифра справедлива для переноса тепла воздухом в спокойном состоянии. Движение воздуха (в частности, конвекция) способствует намного более интенсивному теплообмену, поэтому теплоизоляционный материал должен состоять в основном из воздуха, лишенного способности перемещаться.

Это возможно, когда материал имеет  следующее строение: – мелкопористое ячеистое (как пена); – волокнистое (как вата); – зернистое (воздух находится в межзерновом пространстве); – пластинчатое (воздушные прослойки заключены между листками материала).

Наибольшее содержание воздуха, т. е. максимальная пористость, возможна у первых двух типов материалов. У материала ячеистого строения (например, пенопласта) пористость может достигать 95…98%, а у волокнистых материалов (например, минеральной ваты) — 90…95%. Возможны материалы со структурой смешанного типа. Например, у керамзита два типа воздушных пустот: межзерновая пустотность — 45…50% и пористость самих зерен — 65…70%, что в общем обеспечивает содержание воздуха в материале — 75…80%.

Строение вещества твердого каркаса  материала также влияет на его  теплопроводность. Если вещество имеет кристаллическое строение, то его атомы расположены в правильном порядке; это предопределяет его высокую теплопроводность. Вещества, имеющие стеклообразное строение, не имеют такого порядка в расположении атомов. Поэтому вещество в стеклообразном состоянии имеет в несколько раз меньшую теплопроводность, чем то же вещество в кристаллическом (например, кристалл кварца имеете = 7,2 (13,6) Вт/(м ·К) (в зависимости от направления), а кварцевое стекло — около 0,34 Вт/(м · К).

У большинства неорганических теплоизоляционных материалов вещество, образующее каркас, имеет стеклообразное строение (минеральная вата, пеностекло и др.).

Существенно влияет на теплопроводность и однородность строения материала. Так, песчаник, состоящий из отдельных кристаллов кварца (песчинок), скрепленных природным цементом, имеет X = = 2…3 Вт/(м · К), т. е. в 3…4 раза ниже отдельного кристалла кварца.

Средняя плотность материала зависит  в основном от его пористости. В  то же время пористость является главным фактором, от которого зависит теплопроводность материала. Поэтому в определенных пределах с достаточной степенью точности связь между плотностью и теплопроводностью можно считать линейной.

Чем ниже средняя плотность материала, тем больше в нем пор и тем  ниже его теплопроводность. Поэтому для характеристики теплопроводности (X) материала можно использовать его среднюю плотность.

О целесообразности маркировки теплоизоляционных  материалов по плотности говорит  простота расчета плотности по сравнению  с определением теплопроводности. Установлены следующие марки теплоизоляционных материалов по плотности (кг/м ): D15, D25, D35, D50, D75, D100, D125, D150, D200, D250, D300, D350, D400, D500, D600.

Влажность оказывает существенное влияние на теплопроводность материалов, так как у воды, замещающей воздух в порах материала, А, = 0,58 Вт/(м  ·°С), что в 25 раз выше, чем у воздуха.

Газо и паропроницаемость материала  важна при использовании его в ограждающих конструкциях. При низкой паропроницаемости теплоизолирующего материала возможно накопление влаги в месте его контакта с другим материалом, что может привести к развитию негативных процессов в этом месте конструкции вплоть до ее разрушения.

Химическая и биологическая  стойкость. Высокопористое строение и  большая удельная поверхность теплоизоляционных  материалов делают их уязвимыми для  действия химически агрессивных  веществ. Органические материалы природного происхождения при повышении влажности легко загнивают. Многие теплоизоляционные материалы повреждаются грызунами.

Прочность большинства теплоизоляционных  материалов при сжатии сравнительно не велика — 0,2…2,5 МПа. Показателем  стабильности качества материала является напряжение при 10%-й деформации сжатия, так как уплотнение материала повышает его теплопроводность.