Что называют структурой материалов
Определение структуры материала. Двухкомпонентные структуры и типы микроструктур
Структура – это строение материала, характеризующееся качественным и количественным соотношением составляющих, взаимным расположением и связями между ними.
Структура материалов чрезвычайно сложна, поэтому для ее изучения используют разнообразные способы. По способам изучения различают макроструктуру – строение, видимое невооруженным глазом; микроструктуру – строение материала, видимое в микроскоп, ультраструктуру – внутреннее строение вещества, составляющего материал, изучаемого методами электронной микроскопии и рентгено-структурного анализа.
На уровне ультрамикроструктуры материала изучено главным образом строение вещества, состоящего из одного или нескольких элементов, между которыми устанавливаются устойчивые связи.
Среди этих связей выделяют ионную, ковалентную, металлическую. Существуют и другие формы связи: водородная, характерная для воды, льда, донорно-акцепторная (некоторые полимеры) и др.
Свойства веществ зависят от химического строения молекул (кристаллов или других обособленных групп атомов), в которых атомы располагаются таким образом, чтобы потенциальная энергия системы была минимальной.
Идеальный кристалл имеет пространственную решетку, расположение атомов, ионов, молекул в узлах которой периодично и характерно для данного вещества. Это расположение определяется энергетической выгодностью узлов и расстояний между частицами, образующими пространственную решетку.
Строение реальных кристаллических и аморфных веществ материалов существенно отличается от идеального, что зависит от степени отклонения от совершенной кристалличности или аморфности. Такие отклонения обуславливают дефекты и дислокации в строении веществ. Наиболее характерными дефектами являются микропоры и дислокации. Дислокации –это линейные дефекты кристаллов, вызывающие местные искривления кристаллической решетки.
Например, металлическая болванка на поверхности остывает интенсивнее, чем внутри. Вследствие этого образование кристаллов происходит неодинаково:
— на поверхности – мелкокристаллическая,
— внутри – более крупнокристаллическая, что и приводит к дислокациям.
На практике фактическая прочность строительных материалов составляет 1-2 % от теоретически рассчитанной.
Макроструктуру материалов различают конгломератную (бетоны), волокнистую (древесина), мелкозернистую, ячеистую, слоистую (текстолиты), рыхлозернистую (песок, щебень).
Влияние многокомпонентных структур на свойства материалов затруднено, поэтому условно можно выделить двухкомпонентные структуры. Среди двухкомпонентных структур материалов различают структуры с базальной, поровой и контактной цементации.
По характеру связей между компонентами выделяют три типа микроструктур: коагуляционную, конденсационную и кристаллизационную.
Современная классификация структур материалов
Под понятиемструктура(от лат. Structura – строение, расположение, порядок) подразумевается совокупность устойчивых связей рассматриваемого объекта. При исследовании материалов имеют в виде морфологию и внутренне строение. В большинстве случаев имеют дело с кристаллитами – реальными кристаллами. Структура реальных материалов – сложная динамическая система со свойствами нелинейности, неравновесности и необратимости.
Известно, что многие практически важные свойства кристаллов зависят не столько от правильного, периодического расположения атомов в объеме, сколько от различного типа нарушений этой периодичности. Исследование дефектов кристаллического строения является одной их важнейших задач современного материаловедения.
Реальные структуры материалов формируются в результате таких процессов, как первичная кристаллизация, пластическая деформация, фазовые переходы в твердом состоянии (вторичной кристаллизации или перекристаллизации) и рекристаллизации после деформационного упрочнения.
В металлографии размерный ряд структур традиционно подразделяют на четыре группы:
— Макроструктура (размеры крупных зерен, различные крупные включения, вид излома);
— Микроструктура (отдельные структурные составляющие в зеренном размере, дендриты, границы зерен);
— Субструктура (Структура внутри зерен, дислокации и их скопления, полигоны, ячейки, фрагменты);
— Субмикроструктура (точечные дефекты строения кристаллических решеток, размер решеток и их тип). Дополнительное название этой группы – рентгеноструктура, так как основным методом ее изучения является рентгеноструктурный анализ.
Однако успехи физики конденсированного состояния, механики твердого деформируемого тела и материаловедения привели к необходимости установления общего подхода к иерархии любых структур в этих науках.
Согласно представлениям, основанных на данных последнего времени целесообразно выделить три основных уровня исследования структуры материалов.
2 000х. Пластическая деформация на макроструктурном уровне описывается классической механикой с возможным учетом реальной структуры. Напряжения, вызывающие пластическую деформацию на макроструктурном уровне называют напряжениями первого рода, уравновешивающиеся в объеме всего образца (детали, заготовки и.т.п.).
Пластическая деформация на микроструктурном уровне описывается классической теорией дислокаций, которая успешно учитывает реальные микродефекты, но при этом значительные трудности возникают в количественных расчетах внутренних напряжений, которые называют напряжениями третьего рода, уравновешивающиеся в объеме кристаллической решетки.
Основными методами исследований мезодефектов является просвечивающая электронная микроскопия, использующая увеличение объекта от 2 000 до 20 000х. Напряжения, вызывающие возникновение дефектов структуры на этом уровне – это напряжения второго рода, уравновешивающиеся в объеме зерна.
Методы исследования структур желательно использовать в связи с другими методами исследования свойств материалов: механическими, физическими и др.
Состав, строение и структура материалов
Основные свойства строительных материалов зависят от их химического состава и строения. В зависимости от химического состава строительные материалы принято делить на:
· Органические – соединение углерода с другими элементами (древесина, битум, пластмассы);
· Металлические (сталь, чугун, цветные металлы).
У каждой из этих групп материалов есть свои специфические свойства. Так, органические материалы не выдерживают высоких температур и горят; металлические хорошо проводят электричество и теплоту, но подвержены коррозии; минеральные не горят и не гниют, но трудоёмки и энергоёмки в изготовлении и переработке.
Не меньше, чем химический состав, на свойства материала влияет его строение. При одном и том же химическом составе материалы различного строения обладают разными свойствами.
Крупные поры размером более 5мм и полости между частицами зернистых материалов (песка, гравия и др.) называют пустотами.
В зависимости от состава материалов их микроструктура может быть аморфной, кристаллической и нестабильной (вязкой, пластичной). Кристаллическая структура бывает крупнокристаллической и мелкокристаллической. Форма и размеры кристаллов, а также взаимное расположение кристаллов оказывают большое влияние на свойства материалов, в состав которых они входят.
В зависимости от формы, размера частиц и их строения различают: зернистые, волокнистые и слоистые материалы.
В зависимости от технологии получения материалов их макроструктура может быть:
· искусственной ячеистой (пеносиликат),
· рыхло зернистой (песок, щебень, гравий).
Среди материалов слитного строения выделяют конгломераты и композиты.
Форма и размер частиц твёрдого вещества, из которого состоит материал, также влияют на свойства материала. Так, из хрупкого стекла можно получить тончайшие гибкие волокна, из которых изготовляют стеклянную ткань.
Состав и структура материалов определяют их свойства. Эти свойства изменяются во времени в результате воздействия среды, в которой эксплуатируется изделие или конструкция. Изменения состава и свойств материалов могут происходить медленно и относительно быстро.
Структурные характеристики и свойства строительных материалов принято делить на основные, одинаково важные для всех строительных материалов (плотность, пористость, прочность), и специальные, позволяющие оценивать возможность применения данного материала для определённых целей (водонепроницаемость, огнеупорность).
Строительный материал характеризуется химическим, минералогическим и фазовым составом.
Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде свойств материала: огнестойкости, биостойкости, механических и других эксплуатационно-технических характеристиках. Химический состав неорганических веществ (цемента, извести и др.) и каменных материалов принято выражать количеством содержащихся в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химически связаны между собой и образуют минералы, которые определяют многие свойства материала.
Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в вяжущем веществе или каменном материале.
Фазовый состав материала и фазовые переходы воды, находящиеся в его порах, оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации. В материале выделяют твёрдые вещества, образующие стенки пор, то есть «каркас» материала, и поры, заполненные воздухом и водой.
По воздействию на материалы их структурные характеристики и свойства классифицируют следующим образом:
¾физические свойства, определяющие отношение материала к различным физическим процессам и воздействиям (водопоглощение, морозостойкость и т.п.);
¾механические свойства, определяющие отношение материала к деформирующему и разрушающему действию механических нагрузок (прочность, твёрдость, износ и др.);
¾химические и биологические свойства, характеризующие способность материала к химическим превращениям и стойкость к химической коррозии;
¾долговечность – комплексный показатель, связанный с изменением главнейших эксплуатационных свойств материалов во времени;
¾две добавочные группы: технологические и эстетические.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие составные части можно выделить в композиционных материалах? Приведите примеры таких материалов и их составных частей.
2. Почему аморфные вещества в химическом отношении более активны, чем кристаллические, и при каких условиях вещество приобретает ту или иную структуру?
Дата добавления: 2017-05-02 ; просмотров: 8036 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Структура материалов
Краткие выводы по вопросу состава строительных материалов
1.6.1 Вещественный (элементный) и химический составы материалов определяют многие параметры системы: химический потенциал, энергетическое состояние, термодинамику состояния (перехода) и, следовательно тип и энергию химических связей.
1.6.2 Минералогический состав предопределяет внутреннее строение, микроструктуру материала, а также его физико-химические и термические показатели.
1.6.3 Фазовый состав свидетельствует о гомогенности или гетерогенности системы, определяет взаимосвязь между элементами структуры и предопределяет упругодеформативные и термомеханические свойства материалов.
1.6.4 Гранулометрический и фракционный составы определяют макроструктуру материалов и взаимодействие его с окружающей средой и, как следствие, прочностные, тепло- и гидрофизические свойства материалов.
Структура (строение, расположение, порядок) – совокупность устойчивых связей тела (объекта), обеспечивающих его целостность.
2.1 Макроструктура –это видимая невооруженным глазом или при небольшом увеличении внутренняя или поверхностная часть материала. Макроструктура в целом характеризуется фазовым составом, т.е. наличием элементов структуры в виде твердого тела, жидкости и газовой среды.
При визуальном осмотре изделия выявляют зоны и участки, различающиеся пористостью, окраской, зерновым составом и другими особенностями, а также различные дефекты структуры в виде трещин, каверн и пр.
В процессе структурообразования в определенный промежуток времени, как правило, имеют место только две фазы: жидкая (расплав или раствор) и твердая (кристалл или стекло). При стабилизации структуры возможно наличие третьей (газовой фазы).
2.2 Микроструктура – строение вещества, материала различимое с помощью оптических приборов (под микроскопом). Классически выделяют три типа микроструктур: кристаллическую, аморфную, смешанную.
Кристаллическая структура – упорядоченная, наиболее устойчивая форма агрегатного состояния вещества. Кристаллическая структура формируется из термодинамически неустойчивых диспергированных систем, обладающих огромным запасом свободной энергии. Кристаллизация, как правило, самопроизвольный процесс с выделением тепла (энергии). Образующиеся кристаллы определяют физические, механические, термические, электрические, оптические и другие свойства структуры. Схема изменения состояния тела на рис 1.
Переход кристаллического тела в аморфное состояние связан с сообщением механической, химической или тепловой энергии.
Аморфная структура – промежуточное состояние между двумя периодами существования кристаллической структуры: до полной кристаллизации (левая часть схемы) и в стадии активного распада (правая часть схемы).
Кристаллическое состояние твердого тела (устойчивое)
Кристаллизация Аморфизация
Стеклообразное Жидкость, расплавы,
состояние 
твердого тела растворы, дисперсии
(малоустойчивое) Стеклообразное (неустойчивое состояние)
Рис.1 Схема изменения состояния (структуры) тела
Смешанная аморфно-кристаллическая структура, точнее стеклокристаллическая – сложная структура. Соотношение между кристаллической и аморфной фазами оказывает огромное влияние на свойства материала. Схема образования аморфно-кристаллической структуры на рис. 2. Вершины треугольника символизируют структуры (состояние вещества или материала): вершина «А» – кристаллическая структура, «В» – аморфная структура, «С» – стеклообразное состояние твердых тел.
Кристаллическая структура (устойчивая)
Стеклокристаллическая структура Стеклокристаллическая структура
(ситалловая) образованная из стекла образованная из кристаллов
Аморфно-кристал лическая структура
(созидательный процесс) (разрушительный процесс)
С В
Аморфная структура (неустойчивая)
Рис. 2 Схема образования аморфно-кристаллической структуры
Зона, расположенная выше линии, проходящей через точку «А», предполагает наличие в ней элементов ярко выраженной кристаллической или поликристаллической структуры. Ярко выраженную кристаллическую структуру имеют минералы образующие горные породы, такие горные породы, как гранит, диорит и др., клинкерные минералы цемента. Зона ниже линии «СВ» – включает природные и искусственные материалы и соединения, имеющие аморфную структуру: вулканическое стекло, стекло и изделия из него, сажа, аморфный кремнезем. Между двумя горизонтальными линиями расположена зона элементов смешанной аморфно-кристаллической структуры. Большинство строительных материалов имеют именно эту структуру: строительная керамика, бетоны, растворы и др.
Классификация материалов по структуре представлена в табл. 4.
2.3 Внутреннее строениевещества определяет его механическую прочность, твердость, теплопроводность и др. свойства, зависит от его агрегатного состояния и устойчивости и может иметь строго упорядоченное строение (т.е. кристаллическую решетку) или беспорядочное (хаотическое расположение молекул и атомов).
Природа частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, и химические связи определяют тип кристаллической решетки: атомный, молекулярный, ионный, металлический.
Вещества с атомными решетками характеризуются высокой твердостью и тугоплавкостью, они практически не растворимы ни в каких растворителях. Таких веществ сравнительно мало, например алмаз, кремний. Молекулярную решетку имеют почти все вещества неметаллы, кроме углерода и кремния, они имеют невысокую твердость, легкоплавкие, летучие. К соединениям с ионной кристаллической решеткой относят большинство солей и некоторые оксиды. По прочности ионные решетки уступают атомным решеткам, но превосходят молекулярные, и имеют высокие температуры плавления. Металлы отличаются от других соединений атомов наличием свободных электронов, отсюда высокие электро- и теплопроводность.
Решетки разных веществ отличаются друг от друга природой образующих их частиц и расположением частиц в пространстве, образуя элементарные ячейки, которые придают веществу только ему свойственные особенности.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
СТРУКТУРА И ТЕКСТУРА. Основные понятия, термины, определения
В строительном материаловедении часто используют термин структура как совокупность и взаиморасположение элементов, составляющих тот или иной материал, когда, например, характеризуют особенности строения керамического черепка или цементного камня.
Структура, согласно словарю (строение, расположение, порядок), представляет собой совокупность устойчивых связей тела (объекта), обеспечивающих его целостность (и тождественность самому себе).
Это определение относится к абстрактному однородному по своему составу телу и предполагает наличие какой-либо специфики. Например: кристаллическая структура, стеклообразная структура и т.д.
При изучении каменных материалов или горных пород как совокупности минералов, кристаллических и аморфных составляющих или стеклообразных систем установлен сложный характер структуры: стеклокристаллическая или аморфно-кристаллическая структура.
При рассмотрении искусственных материалов, используемых в строительных конструкциях, имеет место термин «плотная или пористая структура».
Когда рассматривают материал или изделие как сочетание элементов и имеют отличительной целью показать их форму, то часто говорят, например: волокнистая, зернистая, чешуйчатая и т.п. структура (строение). Однако, более точным в данном случае является термин «текстура».
Текстура является отличительной характеристикой внутреннего строения материала и его поверхности и чаще всего определяет декоративные свойства.
Текстура, в отличие от структуры, не имеет такой логической связи с составом, химическими связями и свойствами и является лишь дополнением к более широкому понятию структуры.
В строительном материаловедении при изучении влияния структуры на свойства материалов различают внутреннее строение вещества, микроструктуру и макроструктуру.