Проектная работа "Зачем закаляется сталь"

МУНИЦИПАЛЬНАЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ СРЕДНЯЯ ШКОЛА № 29

Секция «Физика»

Зачем закаляется сталь

Научно-исследовательский проект

                                                                                                   Разработал Кузьмин Иванович,

                                                                                                   учащийся 9 класса

                                                                                                   Руководитель: Туманик Елена                                                                                                  

                                                                                                   Владимировна,

                                                                                                   Преподаватель физики

Нижневартовск, 2010г.

Аннотация

        В связи с сокращением учебных часов отводимых на изучение физики в школе, многие физические явления рассматриваются обзорно, да и то только на теоретическом или даже качественном уровне и порой остаются не совсем понятными. А прочное усвоение учебного  материала не возможно без экспериментального подтверждения того или иного процесса, явления, закономерности.                                                                        Настоящий научно- исследовательский проект посвящён проблемам повышения прочности твёрдых тел. В ходе работы изучаются свойства твёрдых тел, рассматриваются типы кристаллических решёток и их влияние на физические свойства вещества, выясняются причины прочности твёрдого тела и способы её повышения. Исследуется влияние термической и механической обработки на прочность меди.                                        Работа проводилась в сотрудничестве с лабораторией «Волновых процессов в ультрадисперсных средах»  Института теоретической и прикладной механики СО РАН им. С.А. Христиановича.

Содержание

I. Введение..............................................................................................................................3

II. Кристаллические тела и повышение их прочности......................................................5

        1. Кристаллическое состояние......................................................................................5

        2. Классификация кристаллов.....................................................................................6

        3. Физические типы кристаллических решеток.........................................................7

        4. Дефекты в кристаллах..............................................................................................8

III. Экспериментальная работа..........................................................................................10

IV. Заключение....................................................................................................................12

Список используемой литературы....................................................................................13

I. Введение

Целью данного проекта является знакомство с кристаллическим строением вещества, с различными родами дефектов встречающихся в кристаллах и их влиянием на механические свойства твёрдых тел. Для достижения данной цели решаются следующие задачи:

1. Изучить классификацию кристаллов.
2. Познакомится с физическими типами кристаллических решёток и дефектами в них.
3. Исследовать влияние термической и механической обработки на прочность меди.

        Физикам и инженерам очень важно было узнать, по какой причине реальная прочность твёрдых тел оказывается в десятки и сотни раз меньше величин, рассчитанных для идеальной модели. Оказалось, что причина расхождения теорий и эксперимента – наличие внутренних и поверхностных дефектов кристаллов.

        Дефектами или дислокациями кристаллов называют нарушение идеальной кристаллической структуры.

        Прочность твёрдых тел увеличивается при исчезновении дефектов или при их резком увеличении.

        Способ повышения прочности твёрдых тел путём получения кристаллов с очень малым количеством дислокаций пока ещё не используются в промышленности. Большинство современных методов упрочнения материалов основано на противоположном способе, состоящем в искажении кристаллической структуры путём создания в ней различного рода дефектов – введение атомов посторонних включений, создание дислокаций. Например, при легировании стали – введении в расплав небольшой добавок хрома, вольфрама и других элементов – её прочность увеличивается примерно втрое. Увеличению дефектов структуры внутри кристаллов мешает передвижению дислокаций и приводит к значительному повышению прочности, но следует отметить, что при чрезмерной концентраций дефектов структуры кристаллическая решётка становится неустойчивой, поэтому увеличение дефектов с целью повышения прочности должно производиться в разумных пределах. В данной работе рассматриваются виды дефектов в кристаллах  и их влияние на механические свойства твёрдых тел. А так как программой по физике не предусмотрено изучение этих вопросов в школьном курсе физики, то предоставляется целесообразным включить данную тему в элективный курс и поставить в физическом практикуме лабораторную работу по исследованию влияния термической и механической обработки на прочность меди.

II. Кристаллические тела и способы повышения их прочности

1. Кристаллическое состояние

Подавляющее большинство твёрдых тел в природе имеет кристаллическое строение. Характерная черта кристаллического состояния, отличающая его от жидкого и газообразного состояний, заключается в наличии анизотропии, т.е. зависимости ряда физических свойств (механических, тепловых,  электрических, оптических) от направления.

Тела, свойства которых одинаковы по всем направлениям, называются изотропными. Причиной анизотропии у кристаллов служит упорядоченное расположение частиц  (атомов или молекул), из которых они построены.                   Упорядоченное расположение частиц  проявляется в правильной внешней огранке кристаллов. Кристаллы ограничены плоскими гранями, пересекающимися под некоторым,  определённым для каждого данного рода кристаллов, углами.

Правильность геометрической формы и анизотропия кристаллов обычно не проявляются по той причине, что кристаллические тела встречаются, как правило, в виде поликристаллов, т.е. конгломератов множества сросшихся между собой, беспорядочно ориентированных мелких кристаллов. В поликристаллах анизотропия наблюдается только в пределах каждого отдельно взятого кристаллика, тело же в целом вследствие беспорядочной ориентации кристалликов анизотропии не обнаруживает. Если есть преимущественная кристаллографическая ориентация зёрен, то поликристалл является текстурированным и в этом случае он обладает анизотропией.  Создав специальные условия кристаллизаций из расплава или раствора, можно получить большие одиночные кристаллы — монокристаллы любого вещества.

        Упорядоченность расположения атомов кристаллов заключается в том, что атомы (или молекулы) размещаются в узлах геометрически правильной пространственной решетки. Весь кристалл может быть получен путём многократного повторения в трёх различных направлениях одного и того же структурного элемента, называемого элементарной кристаллической ячейкой.

        Кристаллическая ячейка, включающая наименьшее число атомов, характеризующих химических состав кристаллического вещества, называется примитивной ячейкой.

2. Классификация кристаллов

        Кристаллическая решетка может обладать различными видами симметрии. Под симметрией кристаллической решетки понимается свойство решетки совпадать сама с собой при некоторых пространственных перемещениях.

        Всякая решетка, прежде всего трансляционной симметрией, т.е. совпадает сама с собой   при  перемещении на величину периода  идентичности.

Плоскости, при зеркальном отражении от которых решетка совпадает сама с собой, называются  плоскостями симметрии.

        Кристаллическая решетка, как правило, обладает одновременно несколькими видами симметрии. Однако не всякое сочетание элементов оказывается возможным. Как  показал выдающийся русский ученый Е.С.Федоров возможно 230 элементов комбинаций элементов симметрии, получивших название пространственных групп. Эти 230 пространственных групп разбиваются по признакам симметрии на 32 класса.

        Наконец, по форме элементарные ячейки все кристаллы делятся на 7 кристаллографических групп.

1.Триклинная  система

3.Ромбическая система

4.Тетрагональная система.

5.Ромбоэдрическая система 

6.Гексагональная система

7.Кубическая система

3.Физические типы кристаллических решеток

        В зависимости от природы частиц, помещающихся в узлах кристаллической решетки,  и  от характера сил взаимодействия между частицами различают четыре типа кристаллических решеток и соответственно четыре типа кристаллов: ионные, атомные, металлические, молекулярные.

        1. Ионные кристаллы. В узлах кристаллической решетки помещаются ионы разных знаков. Силы взаимодействия между ними в основном электростатическими (кулоновскими). Связь, обусловленная  электростатическими силами притяжения между разноимённо заряженными ионами, называется гетерополярной (ионной). Типичным примером ионной решётки может служить изображённая на рис.1 решётка каменной соли (NaCl). Эта решётка принадлежит кубической системе.

        2.Атомные кристаллы. В узлах кристаллической решетки помещаются нейтральные атомы. Связь, объединяющая в кристалле нейтральные атомы, называется гомеополярной. Силы взаимодействия при гомеополярной связи имеют также электростатический (но не кулоновский) характер. Типичными примерами атомных кристаллов могут служить алмаз и графит. Оба вещества тождественны по химической природе (они построены из атомов углерода), но отличаются кристаллическим строением. На рисунке 2.а показана решётка алмаза, а на рисунке 2.б ― решётка графита. На этом примере отчётливо видно влияние кристаллической структуры на свойства вещества.

        3.Металлические кристаллы. Во всех узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль «цемента», удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решётка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Большинство металлов имеет решётки одного из трёх типов: кубическую объемно-центрированную (рис.3, а), кубическую гранецентрированную (рис.3, б) и так называемую плотную гексагональную (рис.3, в).

        4.Молекулярные кристаллы. В узлах кристаллической решетки помещаются определенным образом ориентированные молекулы. Силы связи между молекулами в кристалле имеют ту же природу, что и силы притяжения между молекулами, приводящие к отклонению газов от идеальности. По этой причине их называют Ван-дер-ваальсовскими силами. Молекулярные решётки образуют следующие вещества: молекулярный водород, азот, кислород, углекислый газ, вода (лёд).

4. Дефекты в кристаллах

        Дефектами кристаллов называют нарушение идеальной кристаллической структуры. Такое нарушение может заключаться в отсутствии атомов в узле решетки, в замене данного атома вещества чужим атомом, во внедрении лишнего атома в межузельное пространство. Подобные дефекты называются точечными.

        Кроме точечных, существуют дефекты, сосредоточенные в близи некоторых линий. Их называют линейными дефектами или─ дислокациями. Простейшими видами дислокации являются краевая и винтовая дислокация. Краевая дислокация обуславливается лишней кристаллической полуплоскостью, вдвинутой  между двумя соседними слоями атомов (рис.4). Край этой полуплоскости образует дислокацию данного вида. Линией дислокаций является перпендикулярная к плоскости рисунка прямая, отмеченная знаком  ┴.

Винтовую дислокацию можно представить как результат разреза кристалла по полуплоскости и последующего сдвига, лежащих по разные стороны разреза частей решетки навстречу друг другу на величину одного периода (рис.5). Внутренний край разреза образует винтовую дислокацию.

        Дефекты оказывают сильное влияние на физические свойства кристаллов, в том числе и на прочность. В частности дислокация служит причиной того, что пластическая деформация реальных кристаллов происходит под воздействием напряжений на  несколько порядков меньших, чем вычисленное для идеальных кристаллов.                                                                                                                                              У монокристаллов металлов легко происходит сдвиг вдоль атомных слоев. Перемещению дислокации препятствуют наличие других дефектов в кристалле, например, присутствие атомов  смеси. Дислокации  тормозятся также при пересечении  друг с другом. Если количество дислокации и других дефектов  в кристалле  мало, дислокации перемещаются практически свободно. Увеличение плотности дислокации и возрастание концентрации примеси приводит к сильному торможению дислокации и прекращению их движения. В результате прочность материала растет. Так, например повышение прочности железа достигается растворением в ней атомов углерода (такой раствор представляет собой сталь). Пластическая  деформация сопровождается разрушением кристаллической решетки и образованием большого количества дефектов, препятствующих перемещению дислокации. Этим объясняется упрочнение материалов при их холодной обработке.                                                                                                        В поликристаллах наличие межзёренных границ существенно сказывается на физических и особенно на механических свойствах поликристаллов, так как на них происходит торможение дислокаций. Благодаря этому образцы с мелко зернистой структурой обладают большей прочностью, чем образцы с крупными зёрнами. На этом основан способ повышения прочности стали ─  закалка.

III. Экспериментальная работа

Тема: Исследование влияния термической и механической обработки на прочность меди.

Цель: На опыте проследить, как влияет термическая и механическая обработка на прочность меди.

Оборудование: Штангенциркуль, динамометр, медная проволока, штатив с лапкой, спиртовка, груз массой 0,1 кг, ножницы.

Порядок выполнения работы:

1. Штангенциркулем измеряется диаметр медной проволоки и определяется её сечение S по формуле S=

2. Образец проволоки закрепляется в лапке штатива и с помощью динамометра измеряется силу F вызывающую разрыв образца (рис 6, а).

3. Определяется предел прочности по формуле   ;  

4. Определяется предел прочности отожженного образца

5. Закрепляется один конец отожженной проволоки в лапке штатива, к другому подвешивается груз массой 0,1 кг (рис 6, б). Проволока подвергается  деформации кручения, для образца длинной 20см. достаточно сделать 50-60 оборотов.

6. Снова определяется предел прочности.

7. Результаты измерений заносятся в таблицу.

   Вывод: По результатам опыта видно, что термическая обработка (отжиг) уменьшает прочность меди. Это объясняется тем, что нагревание образца приводит к  увеличению тепловой подвижности атомов и, как следствие к уменьшению количества дефектов  кристаллической структуры, снятию внутренних упругих напряжений. В  результате  материал делается более пластичным. Уменьшение дефектов  происходит наиболее интенсивно, когда температура отжига превышает некоторое критическое значение; для меди оно лежит в области 200-230 0С. Термическая обработка меди (отжиг) осуществлялась путём протяжки её со скоростью примерно 1см/с  через нижнюю низкотемпературную часть пламени спиртовки. Можно произвести отжиг и нагреванием проволоки электрическим током. Результаты эксперимента также иллюстрируют, что механическая обработка (наклёп) увеличивает прочность меди примерно в 1,5 раза. Данный вид обработки осуществлялся методом кручения, для этого один конец отожженной проволоки закреплялся в лапке штатива, а к другому подвешивался груз массой 100 г и образец длинной 20 см закручивался на 50-60 оборотов.

IV. Заключение

        Человечество всегда использовало и будет использовать твёрдые тела. Но если раньше физика твёрдого тела отставала от развития технологии, основанной на непосредственном опыте, то теперь положение переменилось. Теоретические исследования приводят к созданию твёрдых тел, свойства которых совершенно необычны. А изучение законов зависимости твёрдых тел от температуры и действия нагрузки имеет большое практическое значение, позволяя предсказывать научно обоснованные пути повышения долговечности деталей и конструкций, находить оптимальные условия использования материалов в условиях длительно действующих вибрационных и статических нагрузок.

Список используемой литературы:

И.В. Савельев. Курс общей физики: Учеб. Пособие. В 3-х т. Т. 1. Механика. Молекулярная физика.- 3-е изд., испр.- М.: Наука. Гл. ред. Физ. - мат. Лит., 1986.

Г.С. Ландсберг. Элементарный учебник физики. М., Физматгиз 1961.

О.Ф. Кабардин. Факультативный курс физики. 9 класс. М., «Просвещение», 1974.

С.И. Кабардина. «Исследование влияния термической и механической обработки на прочность меди». Журнал «Физика в школе»: Педагогика.- М.-№5-1984.