Свойства и состав

Взаимосвязь состава, структуры и свойств материалов

Свойства материалов в большей мере связаны с особенностями их строения и со свойствами тех веществ, из которых данный материал состоит. В свою очередь, строение материала зависит: для природных материалов — от их происхождения и условий образования, для искусственных — от технологии производства и обработки материала.

Каждый строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составами.

В зависимости от химического состава все материалы делят:

· на органические (древесные, битум, пластмассы и т. п.),

· минеральные (бетон, цемент, кирпич, природный камень и т. п.)

· металлы (сталь, чугун, алюминий).

Каждая из этих групп имеет свои особенности. Так, все органические материалы горючи, а минеральные — огнестойки; металлы хорошо проводят электричество и теплоту. Химический состав позволяет судить и о других технических характеристиках (биостойкости, прочности и т. д.). Химический состав некоторых материалов (неорганические вяжущие вещества, каменные материалы, стекло) часто выражают количеством содержащихся в них оксидов.

Оксиды, химически связанные между собой, образуют минералы, которые характеризуют минеральный состав материала. Зная минералы и их количество в материале, можно судить о свойствах материала. Например, способность неорганических вяжущих веществ твердеть и сохранять прочность в водной среде, обусловлена присутствием в них минералов силикатов, алюминатов, ферритов кальция, причем при большом их количестве ускоряется процесс твердения и повышается прочность цементного камня.

При характеристике фазового состава материала выделяют: твердые вещества, образующие стенки пор («каркас» материала), и поры, заполненные воздухом и водой. Фазовый состав материала и фазовые переходы воды в его порах оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации.

Не меньшее влияние на свойства материала оказывают его макро- и микроструктура и внутреннее строение веществ, составляющих материал, на молёкулярно ионном уровне.

Макроструктура материала — строение, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении.

Микроструктура материала — строение, видимое под микроскопом. Внутреннее строение веществ изучают методами рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и т. д.

Во многом свойства материала определяют количество, размер и характер пор. Например, пористое стекло (пеностекло), в отличие от оконного стекла, непрозрачное и очень легкое.

Форма и размер частиц твердого вещества также влияют на свойства материала. Так, если из расплава обычного стекла вытянуть тонкие волокна, то получится легкая и мягкая стеклянная вата.

В зависимости от формы и размера частиц и их строения макроструктура твердых строительных материалов может быть:

· зернистой (рыхлозернистой или конгломератной);

Рыхлозернистые материалы состоят из отдельных, не связанных одно с другим зерен (песок, гравий, порошкообразные материалы для мастичной теплоизоляции и засыпок и др.).

Конгломератное строение, когда зерна прочно соединены между собой, характерно для различных видов бетона, некоторых видов природных и керамических материалов и др.

Ячеистая (мелкопористая) структура характеризуется наличием макро- и микропор, свойственных газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам, некоторым керамическим материалам.

Волокнистые и слоистые материалы, у которых волокна (слои) расположены параллельно одно другому, обладают различными свойствами вдоль и поперек волокон (слоев). Это явление называется анизотропией, а материалы, обладающие такими свойствами, — анизотропными. Волокнистая структура присуща древесине, изделиям из минеральной ваты, а слоистая — рулонным, листовым, плитным материалам со слоистым наполнителем (текстолит, бумопласт и др.).

По взаимному расположению атомов и молекул материалы могут, быть кристаллическими иаморфными. Неодинаковое строение кристаллических и аморфных веществ определяет и различия в их свойствах. Аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически более активны, чем кристаллические такого же состава (например, аморфные формы кремнезема — пемзы, туфы, трепелы, диатомиты и кристаллический кварц).

Существенное различие между аморфными и кристаллическими веществами состоит в том, что кристаллические вещества при нагревании имеют определенную температуру плавления (при постоянном давлении), а аморфные размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние.

Прочность аморфных веществ, как правило, ниже кристаллических, поэтому для получения материалов повышенной прочности специально проводят кристаллизацию, например стекол при получении стеклокристаллических материалов — ситаллов и шлакоситаллов.

Неодинаковые свойства могут наблюдаться у кристаллических материалов одного и того же состава, если они формируются в разных кристаллических формах, называемых модификациями (явление полиморфизма). Например, полиморфные превращения кварца сопровождаются изменением объема. Изменением свойств материала путем изменения кристаллической решетки пользуются при термической обработке металлов (закалке или отпуске).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Только сон приблежает студента к концу лекции. А чужой храп его отдаляет. 8987 — | 7639 — или читать все.

Что такое чугун? Свойства, состав, получение и применение

Многие знают о таком материале как чугун и его прочностных характеристиках. Сегодня мы с вами углубим эти знания и выясним, что такое чугун, из чего он состоит, каких видов бывает и как производится.

Состав

Что такое чугун? Это сплав из железа, углерода и разнообразных примесей, благодаря которым он обретает необходимые свойства. Материал должен иметь в своем составе не менее 2,14% углерода. В противном случае, это будет сталь, а не чугун. Именно благодаря углероду чугун обладает повышенной твердостью. Вместе с тем, данный элемент снижает пластичность и ковкость материала, придавая ему хрупкость.

Кроме углерода, в состав чугуна в обязательном порядке входят: марганец, кремний, фосфор и сера. В некоторые марки также вносят дополнительные присадки, для придания материалу специфических свойств. Среди часто используемых легирующих элементов можно отметить: хром, ванадий, никель и алюминий.

Свойства чугуна

Материал имеет плотность 7,2 г/см 3 . Для металлов и их сплавов это достаточно высокий показатель. Чугун хорошо подходит для производства всяческих изделий путем литья. В этом плане он превосходит все сплавы железа кроме некоторых марок стали.

Температура плавления чугуна равна 1200 градусам. У стали данный показатель выше на 250-300 градусов. Причина тому кроется в повышенном содержании в чугуне углерода, которое обуславливает менее тесные связи между атомами железа. Во время выплавки чугуна и его последующей кристаллизации, углерод в полной мере не успевает внедриться в структуру железа. Поэтому материал получается хрупким. Структура чугуна не позволяет использовать его для производства продукции, которая постоянно подвержена динамическим нагрузкам. А вот для чего чугун подходит идеально, так это для деталей, которые должны обладать повышенной прочностью.

Получение

Получение чугуна – весьма затратный и материалоемкий процесс. Чтобы получить одну тонну сплава, необходимо 550 кг кокса и 900 л воды. Что касается руды, то ее количество зависит от содержания в ней железа. Как правило, используется руда с массовой долей железа не менее 70%. Обработка менее богатых руд нецелесообразна с экономической точки зрения.

Прежде чем отправиться на переплавку, материал обогащается. Производство чугуна в 98% случае происходит в доменных печах.

Технологический процесс включает в себя несколько этапов. Сначала в доменную печь загружается руда, в состав которой входит магнитный железняк (соединение двух- и трехвалентного оксида железа). Также могут использоваться руды, в которых содержатся водная окись железа или его солей. Кроме сырья, в печь кладут коксующиеся угли, необходимые для создания и поддержания высокой температуры. Продукты горения углей как восстановители железа также участвуют в химических реакциях.

Дополнительно в топку подается флюс, играющий роль катализатора. Он ускоряет процесс плавления пород и освобождения железа. Важно отметить, что прежде чем попасть в топку, руда должна пройти специальную обработку. Так как мелкие части лучше плавятся, ее предварительно измельчают на дробильной установке. Затем руду промывают, чтобы избавиться от примесей, не содержащих металла. Затем сырье высушивается и проходит обжиг в печах. Благодаря обжигу из него удаляется сера и прочие чужеродные элементы.

После полной загрузки печи начинается второй этап производства. Когда горелки запущены, кокс постепенно разогревает сырье. При этом выделяется углерод, который реагирует с кислородом и образует оксид. Последний принимает активное участие в восстановлении железа из находящихся в руде соединений. Чем больше газа накапливается в печи, тем медленнее протекает реакция. Когда нужная пропорция достигнута, реакция и вовсе останавливается. Избыток газов в дальнейшем служит топливом для поддержания необходимой температуры в печи. У этого метода есть несколько сильных сторон. Во-первых, он позволяет снизить затраты горючего, что удешевляет производственный процесс. И, во-вторых, продукты горения не попадают в атмосферу, загрязняя ее, а продолжают участвовать в производстве.

Избыток углерода перемешивается с расплавом и поглощается железом. Так и получается чугун. Примеси, которые не расплавились, всплывают на поверхность смеси и удаляются. Их называют шлаком. Шлак находит применение в производстве некоторых материалов. Когда из расплава удалены все лишние частицы, в него добавляют специальные присадки.

Разновидности

Что такое чугун и как его получают, мы уже выяснили, теперь разберемся с классификацией этого материала. Описанным выше путем получают передельный и литейный чугун.

Передельный чугун используется в производстве стали по кислородно-конвертерному пути. Этот вид отличается низким содержанием кремния и марганца в сплаве. Литейный чугун применяют в производстве всяческой продукции. Он делится на пять видов, каждый из которых рассмотрим отдельно.

Белый

Это сплав отличается содержанием избыточной части углерода в виде карбида или цементита. Название этому виду было дано за белый цвет в месте разлома. Содержание углерода в таком чугуне обычно превышает 3%. Белый чугун отличается высокой хрупкостью и ломкостью, поэтому его применяют ограниченно. Данный вид используют для производства деталей простой конфигурации, которые выполняют статические функции и не несут больших нагрузок.

Благодаря добавлению в состав белого чугуна легирующих присадок, можно повысить технические параметры материала. С этой целью чаще всего используют хром или никель, реже — ванадий или алюминий. Марка с подобного рода присадками получила название «сормайт». Она используется в различных устройствах как нагревательный элемент. «Сормайт» обладает высоким удельным сопротивлением, и хорошо работает при температурах не выше 900 градусов. Самое распространенное применение белого чугуна – производство бытовых ванн.

Серый

Это наиболее распространенная разновидность чугуна. Она нашла применение в разных областях народного хозяйства. В сером чугуне углерод представлен в виде перлита, графита или же феррито-перлита. В таком сплаве содержание углерода составляет порядка 2,5%. Как для чугуна, этот материал обладает высокой прочностью, поэтому его используют в производстве деталей, которые получают циклическую нагрузку. Из серого чугуна делают втулки, кронштейны, зубчатые шестеренки и корпуса промышленного оборудования.

Благодаря графиту серый чугун снижает силу трения и улучшает действие смазок. Поэтому детали из серого чугуна имеют высокую стойкость к данному виду износа. При эксплуатации в особо агрессивных средах в материал вводятся дополнительные присадки, позволяющие нивелировать негативное воздействие. К таковым относятся: молибден, никель, хром, бор, медь и сурьма. Эти элементы защищают серый чугун от коррозии. Кроме того, некоторые из них повышают графитизацию свободного углерода в сплаве. Благодаря этому создается защитный барьер, предотвращающий попадание на поверхность чугуна разрушающих элементов.

Половинчатый

Промежуточным материалом между двумя первыми разновидностями является половинчатый чугун. Содержащийся в нем углерод представлен в виде графита и карбида приблизительно в равных долях. Кроме того, в таком сплаве могут присутствовать в незначительных количествах лидебурит (не более 3%) и цементит (не более 1%). Общее содержание углерода в половинчатом чугуне колеблется 3,5 до 4,2%. Данная разновидность применяется для производства деталей, которые эксплуатируются в условиях постоянного трения. К таковым можно отнести автомобильные тормозные колодки, а также валки для измельчительных станков. Для еще большего повышения износостойкости в сплав добавляют всяческие присадки.

Ковкий

Этот сплав представляет собой разновидность белого чугуна, который с целью графитизации свободного углерода подвергается специальному обжигу. По сравнению со сталью, такой чугун имеет улучшенные демпфированные свойства. Кроме того, он не столь чувствителен к надрезам и хорошо работает в условиях низких температур. В таком чугуне массовая доля углерода составляет не более 3,5%. В сплаве он представлен в виде феррита, зернистого перлита, содержащего вкрапления графита или феррито-перлита. Ковкий чугун, как и половинчатый, используют в основном в производстве деталей, эксплуатирующихся в условиях непрерывного трения. Для повышения эксплуатационных характеристик материала в сплав добавляют магний, теллур и бор.

Высокопрочный

Данный вид чугуна получается вследствие образования в металлической решетке включений графита шаровидной формы. Из-за этого металлическая основа кристаллической решетки ослабевает, и сплав обретает улучшенные механические свойства. Образование шаровидного графита происходит благодаря введению в материал магния, иттрия, кальция и церия. Высокопрочный чугун близок по своим параметрам к высокоуглеродистой стали. Он неплохо поддается литью и может полностью заменить стальные детали механизмов. Благодаря высокой теплопроводности данный материал может быть использован для изготовления трубопроводов и отопительных приспособлений.

Трудности промышленности

На сегодняшний день литье чугуна имеет сомнительные перспективы. Дело в том, что из-за высокого уровня затрат и большого количества отходов промышленники все чаще отказываются от чугуна в пользу дешевых заменителей. Благодаря быстрому развитию науки уже давно стало возможным получение более качественных материалов при меньших затратах. Серьезную роль в этом вопросе играет защита окружающей среды, которая не приемлет использование доменных печей. Чтобы полностью перевести выплавку чугуна на электрические печи, нужны годы, если не десятилетия. Почему так долго? Потому что это очень дорого, и далеко не каждое государство может себе это позволить. Поэтому остается лишь ждать, пока наладится массовый выпуск новых сплавов. Конечно же, полностью прекратить промышленное применение чугуна в ближайшее время не получится. Но очевидно, что масштабы его производства будут падать с каждым годом. Эта тенденция началась еще 5-7 лет тому назад.

Заключение

Разобравшись с вопросом: «Что такое чугун?», можно сделать несколько выводов. Во-первых, чугун представляет собой сплав из железа, углерода и присадок. Во-вторых, он имеет шесть видов. В-третьих, чугун весьма полезный и универсальный материал, поэтому долгое время его дорогостоящее производство было целесообразно. В-четвертых, на сегодняшний день чугун уже считается пережитком прошлого, и планомерно уступает свои позиции более надежным и дешевым материалам.

Тальк: химическая формула и состав минерала, излом и растворимость, свойства и применение

Самым распространенным и востребованным минералом является тальк. Мало кто знает, что этот чудесный камень приносит людям пользу уже на протяжении семи тысяч лет. В Древнем Египте из него изготавливали амулеты и ожерелья, на Руси – иконы и картины. Им украшают дома и используют как основу в косметических средствах. Тальк обладает такими полезными свойствами, как противовоспалительный и антибактериальный эффект. Многие лекари применяли его там, где другие средства были бессильны.

Описание и физико-химическая характеристика талька

Тальк – это хрупкий камень с минимальной твердостью. Очень сложно описать минерал в нескольких словах. Он выглядит как рассыпчатый жирный порошок белого цвета без запаха и вкуса, в природе встречается в виде сплошных масс. Образуется вследствие изменения химического состава силикатов магния.

Кристаллическая решетка образована оксидом магния, окруженным кислородом и двумя тетраэдрами кварца. На внешней поверхности нет активных ионов и гидроксильных групп. Химическая формула минерала: Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂.

• цвет: зеленоватый, белый или бесцветный;
• прозрачность: непрозрачный;
• блеск: тусклый или жирный;
• твердость по шкале Мооса: 1;
• излом: занозистый, неровный;
• плотность: 2,5–2,8 г/см 3 ;
• радиоактивность: отсутствует;
• растворимость: слабая.

В зависимости от вида примесей и структур тальк делится на несколько видов. С примесью железа носит название миннесотаит, он имеет коричневый цвет. Виллемсеит – разновидность талька, в котором вместо магния содержится никель, бывает зеленого или голубого оттенка. Стеатит занимает лидирующее место по твердости среди всех видов талька. Минерал, состоящий из тонких волокон, носит название агалит, а прозрачный и светлый камень называется благородным тальком.

Практически невозможно отличить эти разновидности друг от друга по фото. Необходимо изучить все характеристики и основные особенности этих видов.

Применение мягкого минерала

Название минерала пришло из персидского языка и переводится как «белый». Из-за низкой твердости в древней Руси камень носил название «жировик» или «мыльный». Он нашел свое применение в различных областях промышленности. Для предотвращения потертостей и воспалений камень перетирали в мелкий порошок или пудру и использовали как присыпку. Также им обкладывали камины и печи.

В Египте из благородного талька изготавливали украшения в виде ожерелья и жуков скарабеев. Во время археологических раскопок находили изделия возрастом более 7 тысяч лет. В Греции и Риме минерал применяли при создании печатей, а в Китае камень красили и продавали как нефрит. Икона Дмитрия Солунского, хранящаяся в Оружейной палате Московского Кремля, является самым ценным и наиболее известным изделием, когда-либо сделанным из талька.

Лечебные свойства

Описание целительных свойств минерала можно встретить в работах Акриколы – ученого эпохи возрождения. Его смешивали с травами и применяли для предотвращения заражения. Из-за противовоспалительных свойств его часто берут за основу при изготовлении мазей и детских присыпок. Он предотвращает повышенную потливость, нейтрализует запах, придавая коже свежий вид и приятный аромат. Использовать его можно как маленьким детям, так и взрослым. Также из него изготавливают специальную присыпку для ног, которая предотвращает появление мозолей.

Использование в медицине и косметологии

Тальк нашел широкое применение в медицине и косметологии. Его применяют в качестве покрытия для изделий из резины и пластика, что препятствует их слипанию при длительном хранении. В составе многих таблеток часто присутствует этот минерал в качестве основы.

Тальк с примесью крахмала и цинка применяют в качестве присыпки для предотвращения покраснения и воспаления у малышей с первых дней жизни. Как антисептик подходит только тальковый порошок с крупными частицами, очень мелкие гранулы могут забить поры и вызвать воспаление.

Для того чтобы можно было применять тальк, он должен пройти несколько этапов обработки. Сначала удаляют все ненужные примеси, такие как железо, магний, уголь и др. Далее происходит обработка хлористой кислотой и очистка, проводимая путем прокаливания при температуре 160 градусов. После этого тальк проходит этап сушки и стерилизации.

Тальковый порошок хорошо впитывает влагу и удаляет частички жира, из-за чего им часто пользуются при изготовлении косметических средств. Он позволяет средству лучше ложиться на кожу и придает характерную структуру.

Тальк присутствует в составе большинства косметических средств. Он помогает макияжу дольше держаться на коже. Кремы для лица и тела с тальковым порошком предотвращают сухость и придают коже мягкость. В составе сухих дезодорантов также можно найти этот минерал. Он останавливает размножение бактерий и избавляет от неприятного запаха.

Применение в пищевой промышленности

В качестве добавки тальк используется при изготовлении покрытия для шоколадных конфет и различных жевательных резинок, благодаря этому кондитерские изделия не прилипают к своим упаковочным оберткам. Нередко тальковый порошок применяют для покрытия зерен белого риса и изготовления пищевой бумаги, картонных коробок и других упаковочных изделий.

Иные области

При изготовлении бумаги тальк делает ее белой и гладкой, улучшает способность газетных листов впитывать чернила. Для устранения трения между контактирующими поверхностями в велосипеде, резиновых сапогах и перчатка, также применяют тальк.

Тальковый порошок в виде твердой смазки применяют в машиностроении. Поверхности механизмов обрабатывают пудрой из этого минерала. В легкой промышленности применяют спрессованный тальк.

Многие считают, что для более прочного сцепления рук и снаряда штангисты, гимнасты и спортсмены использовали тальк, но это не так. Минерал не увеличивает трение, а уменьшает его, из-за этого на соревнованиях применялась магнезия.

Чем опасен тальк?

Талькоз – это заболевание, которое возникает вследствие частого вдыхания тальковой пыли или порошка. Чаще всего этому недугу подвержены люди, имеющие ежедневный контакт с минеральной пылью. Для того чтобы предупредить развитие этого заболевания, необходимо следить за наличием средств личной защиты на предприятиях.