IX класс

В IX классе следует объяснить, почему сплав приобретает свойства, отличные от свойств составляющих его компонентов. В расплавленном состоянии происходит активное диффузионное перемешивание частиц (ионов, атомов, молекул) исходных веществ, которое приводит при кристаллизации к образованию сплава со структурой, составом и соответственно свойствами, отличными от структуры, состава и свойств его компонентов. Таким образом, производство сплавов - один из способов получения новых металлических материалов.

Современная теория металлов и сплавов уже достигла уровня, при котором можно заранее рассчитать необходимые свойства металлического материала, исходя из характеристик атомного строения его компонентов. В Институте металлургии АН СССР с помощью ЭВМ проводится работа по определению набора тех элементов, которые могут быть использованы для получения металлических материалов с заданными свойствами. Таким образом уже получены уникальные новые материалы. Однако это удается сделать пока лишь в лабораторных условиях. Получение новых материалов в промышленных условиях в основном осуществляется экспериментально с учетом уже известных закономерностей в изменении механических, электрических, магнитных и других свойств материалов в зависимости от их состава, структуры, температуры плавления, физико-химического действия со стороны окружающей среды и т. д. Исходя из этого, важно ознакомить учащихся с практическим применением современного способа управления свойствами материалов. Один из возможных вариантов выполнения этой задачи состоит в следующем.

Перед учащимися ставится задача - определить температуру плавления известного сплава и сравнить ее с температурой плавления исходных металлов сплава. Для выполнения используется известный легкоплавкий сплав (например, оловянно-свинцовый припой). Задание может быть выполнено на разном уровне требований. Учащиеся по справочнику^* определяют температуры плавления исходных металлов, а затем по известной диаграмме состояний этих металлов определяют содержание исходных металлов в сплаве либо экспериментально устанавливают температуру плавления металлов, строят диаграмму состояний для сплава (по нескольким точкам плавления сплава, имеющего разную концентрацию исходных металлов). Затем узнают по диаграмме состав сплава, отвечающего условиям задачи, и, получив требуемый сплав, проверяют лабораторным способом, отвечает ли он условиям задачи. Выполняя такое задание, учащиеся приобретают навыки работы со справочником, кроме того, они применяют теоретические знания при решении определенной технической задачи, типичной для рабочего металлургического производства (измерение температуры, подбор состава сплава, испытание его свойств). Свои знания о металлургическом производстве и его использовании в конкретных отраслях народного хозяйства учащиеся могут дополнить во время экскурсий в литейный цех металлургического завода.

^* (См.: Енохович А. С. Справочник по физике. М., 1978.)

В IX классе целесообразно, исходя из знаний учащихся по химии и физике твердых тел, объяснить не только особенности других способов получения новых материалов, но и пути совершенствования технологии их производства.

При объяснении особенностей связи строения и свойств твердых тел следует обратить внимание на способы оценки этой связи. Так, "прочность" межатомных связей материала можно оценить по теплоте и температуре плавления, модулю упругости, коэффициенту термического расширения и т. д. Используя справочные данные об этих параметрах материалов, учащиеся могут выполнить задание по оценке "прочности" их межатомных связей. Эта "прочность" зависит не только от вещества (например, медь пластичнее, чем сталь), но и от пространственной решетки (так, α-Fe и γ-Fe обладают разными механическими свойствами).

Эти сведения позволяют подвести учащихся к важному выводу: среди других материалов твердые металлические растворы обладают высокой пластичностью и прочностью. Создание металлических твердых растворов (например, стали, дуралюмина, латуни и др.) - один из главных путей получения новых сплавов с повышенными физико-механическими свойствами (прочность ниобиевых сплавов, например, может быть увеличена таким путем в пять раз).

При изучении темы "Поверхностные явления" школьники имеют возможность ознакомиться с особенностями технологии производства ряда строительных и дорожных материалов (цементных и асфальтных бетонов и др.), керамики и металлокерамики, волокнистых материалов (асбеста, бумаги, картона и др.), химических материалов (резины, пластиков, лакокрасочных материалов и др.) и многих других. В основе технологии их производства лежат процессы получения дисперсной структуры материала. Чем мельче размер частиц материала, тем лучше его физико-механические свойства. Использование поверхностно-активных веществ создает возможности для производства дисперсных материалов и совершенствования их технологии.

Оказывается, например, что метод порошковой металлургии - один из основных методов получения дисперсных материалов - предпочтителен перед обычной технологией производства металлов и сплавов. Связано это со следующим. Во-первых, новый способ практически не дает отходов, в то время как литье и последующая обработка резанием дают отходы в стружку, иногда составляющие до половины массы заготовки. Во-вторых, прессованная из порошка деталь не требует дополнительной обработки - она получается с чистой поверхностью. В-третьих, этим способом удается получить самые различные смеси металлов, заменяющие дорогие легированные стали или цветные сплавы. Так, шестерня из железомедного порошка стоит в десять раз дешевле шестерни из конструкционной стали.

При изучении вопросов использования энергии в народном хозяйстве имеется возможность ознакомить учащихся с новыми методами получения чистых металлов и сплавов в высокочастотных, плазменных и электроннолучевых печах (IX-X класс). При изучении электродинамики в IX классе нужно объяснить методы получения сверхпроводников, диэлектриков и полупроводниковых материалов.

Обработка материалов. Для использования материала в конкретных технических условиях его часто требуется предварительно обработать - придать ему нужную форму и необходимые свойства. При ознакомлении школьников с основами технологии обработки материалов рекомендуем использовать тематическое планирование, приведенное в таблице 5.

В основе всех методов улучшения качеств материала лежат сведения о структуре и свойствах материалов. В этой связи при изучении соответствующего учебного материала важно обращать внимание на ознакомление учащихся с особенностями структуры и свойств материалов. Например, при изучении электрических и магнитных свойств материалов полезно предложить им такие вопросы:

1. В зависимости от электропроводимости материалов их условно делят на проводники, полупроводники и диэлектрики. Как можно объяснить физические особенности электропроводимости этих материалов?
2. Чем объясняется высокая электропроводимость металлов?
3. Какие факторы определяют электрические и магнитные свойства материалов?
4. Какие вы знаете основные пути повышения электропроводимости материалов?

Наиболее полно с особенностями технологии обработки материалов можно ознакомить школьников в IX классе при изучении механических свойств твердых тел. Здесь их внимание необходимо обратить прежде всего на то, что, несмотря на разнообразие материалов по свойствам и назначению, большинство из них должно обладать одним общим качеством - быть достаточно прочными. Не оптические, электрические или магнитные, а именно прочностные свойства твердых тел имеет наиболее универсальное значение для техники. Материал должен всегда обладать достаточно высокой механической прочностью, и между тем он должен хорошо обрабатываться в соответствующих условиях. Именно тогда этот материал может быть использован в технике для изготовления деталей и изделий.

Таким образом, внимание учащихся концентрируется на проблеме повышения прочности материалов.

Чтобы управлять свойствами твердых тел, в частности изыскивать эффективные методы повышения прочности, необходимо прежде всего понять саму природу прочностных свойств материалов. Поэтому при изучении молекулярной физики необходимо уделить достаточное внимание строению твердых тел, раскрытию механизма деформации, ее связи со структурой твердых тел, с дефектами их структуры^*.

^* (В учебной программе не предусмотрено изучение дефектов структуры твердых тел как самостоятельный вопрос. Однако природу прочностных свойств нельзя рассматривать вне зависимости от внутреннего строения твердых тел и наличия дефектов структуры.)

Рис. 14

При изучении основных механических свойств твердых материалов следует обратить особое внимание на закон Гука и диаграмму растяжения, поскольку разрывная прочность - важнейшая характеристика механических свойств твердых материалов. (Диаграмма, позволяющая сравнить разрывные прочности различных современных материалов при нормальной температуре, показана на рисунке 14.) Можно решить, например, такие задачи:

1. Рассчитайте силу, необходимую для разрыва медной проволоки диаметром 0,3 мм из школьного набора проводов. Полученные данные проверьте на опыте.
2. Какова должна быть площадь поперечного сечения стальной проволоки, если предел прочности стали σ_пч = 7,8 кПа, а коэффициент прочности k = 10?
3. Каково допустимое предварительное напряжение арматурного стержня железобетонной плиты, если расстояние между упорами 6,1 м, максимальное удлинение стержня 1,6*10^-2 м, минимальное удлинение 9,8*10^-3 м, а модуль упругости арматурной стали 0,2 ТПа?
4. На рисунке 15 показаны диаграммы растяжения стали и меди. Укажите по ним различия в свойствах данных материалов.

Рис. 15

Объясняя различие теоретической и технической прочности^* материалов, следует подвести учащихся к выводу: физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства всех реальных материалов в значительной мере определяются дефектами их структуры. Дислокации, вакансии, примесные атомы и другие дефекты структуры "регулируют" атомную связь в материале. От их плотности и распределения зависят многие свойства материалов. Понижение прочности материалов за счет наличия поверх-(ностных дефектов можно продемонстрировать таким образом. Берут две одинаковые тонкие стеклянные трубки и на поверхности одной из них наносят легкую поперечную царапину. Пометив эту трубку (например, наклеив на нее кусочек цветной бумаги), закрепляют обе трубки в штативе и начинают постепенно нагружать их, подвергая изгибу. Трубка с царапиной на поверхности ломается при меньшей нагрузке, чем другая трубка.

^* (На уроке можно ограничиться качественным объяснением этого различия. На факультативных занятиях полезно дать количественный расчет.)

Механическая обработка материалов (давление, штамповка, прокат, ковка и др.) приводит к увеличению концентрации дефектов в материале, в результате чего прочностные свойства его повышаются. В этом можно убедиться, испытав, например, на разрыв несколько проволочных образцов одного и того же металла, но с различной степенью их предварительной механической обработки.

Механические свойства материала зависят и от состава, кристаллической структуры и внешних условий. Указанные зависимости и определяют основные пути управления механическими свойствами материалов. Один из них связан с повышением прочности легированием, термообработкой, механической, физико-химической обработкой и их комбинацией (комбинированной обработкой).

Линия ковочных прессов в кузнечном цехе Камского объединения по производству большегрузных автомобилей

С этими способами обработки материалов учащиеся в основном имеют возможность ознакомиться при выполнении работ физического практикума. Так, с помощью гидравлического пресса можно определить зависимость разрушающих напряжений для образцов, отличающихся друг от друга составом (например, стальные образцы с различным содержанием углерода), видом предварительной термообработки (закалка, отпуск, обжиг и др.). Можно включить в работы физического практикума определение твердости стали до и после закалки, а также до и после механической обработки.

Обкатный стан в трубопрокатном цехе Челябинского трубопрокатного завода

При изучении этого материала желательно использовать следующие вопросы для учащихся:

1. Почему железо и его сплавы служат основными материалами современной техники?
2. В результате проката плотность алюминия почти не изменилась, а твердость возросла в два раза. В чем причина такого роста твердости алюминия?
3. Какое состояние металла (мелко- или крупнокристаллическое) отвечает повышенной его прочности и почему?
4. Если железную полосу подвергнуть обработке деформацией (прокат, ковка и др.), то ее прочность увеличивается. Как изменяются прочностные свойства обработанной таким образом полосы и почему, если ее нагреть до 500° С, а затем охладить? Как и почему изменятся прочностные свойства полосы, если ее нагреть до 910° С и резко охладить?

Указанные виды обработки материалов позволяют увеличить концентрацию дефектов структуры не более чем до 10¹² см^-3. Дальнейшее увеличение концентрации дефектов этими видами обработки из-за неравномерности распределения их в материале приводит к образованию трещин и к разрушению материалов. Поэтому в настоящее время используют комбинированную обработку, позволяющую повысить концентрацию дефектов до 10¹³ см^-3 при их равномерном распределении в материале. Эффект такой обработки поразителен. Так, на простых углеродистых сталях удалось получить прочность свыше 2 ТПа при сохранении высокой пластичности; у легированных сплавов достигнута прочность 2,8-3,3 ТПа; у ряда никелевых сплавов удалось повысить срок службы (за счет повышения жаропрочности) в 20-30 раз

Стан листового проката ленинградского металлургического завода 'Красный выборжец'

Наряду с такими методами возможен другой путь повышения прочности - создание бездефектных кристаллов. Получены искусственные кристаллы - так называемые "усы" - нитевидные кристаллы, достаточно близкие к бездефектным, прочность (которых близка к теоретической (см. рис. 14). Однако эти кристаллы пока не получили широкого распространения из-за сложности технологии их производства.

Ученым и инженерам удалось достичь многого на пути повышения прочности. Прочность основных машиностроительных материалов за последние 50 лет повысилась почти в 10 раз. Однако для ускорения темпа развития современной индустрии достигнутого уровня прочности все-таки недостаточно. И здесь основным резервом для удовлетворения запросов техники прежде всего является широкое использование всего разнообразия искусственных и естественных химических элементов, совершенствование методов обработки материалов.

При изучении темы "Звук" в X классе нужно ознакомить учащихся с. применением ультразвука для обработки материалов. Так, ультразвуковая обработка расплавов успешно применяется в производстве наиболее ответственных литых деталей. При этом добиваются понижения содержания в расплаве газовых и оксидных включений, снижающих прочность и пластичность металлов. Ультразвуковая обработка слитков сталей в процессе их кристаллизации вызывает измельчение зерна слитка, что приводит к улучшению механических свойств сталей.

О перспективах получения новых материалов при их обработке в экспериментальных условиях можно рассказать учащимся при изучении молекулярной физики. В Институте физики высоких давлений АН СССР установили, что при высоких давлениях (свыше 10⁴-10¹⁰ Па) металлы обладают повышенной текучестью, а прочность металлов возрастает в 2-2,5 раза. Выяснилось, что при этих условиях можно выдавливать трубы и прутки любого сложного профиля с большой скоростью - более 150 ^м/_с. Серый чугун, который в обычных условиях вообще не подвергается пластической деформации, при всестороннем сжатии приобретает высокую пластичность, а его прочность при этом не уступает прочности лучших сортов сталей. При сверхвысоких температурах и давлениях получены сверхтвердые синтетические алмазы, что имеет огромное экономическое значение. Вакуумная выплавка и обработка жидкого металла перед разливкой является крупным шагом в совершенствовании обработки металлов и сплавов.

Использование материалов. Принятая нами систематизация политехнического материала по основным направлениям развития народного хозяйства создает возможности для ознакомления учащихся с использованием материалов в технике. Приведем некоторые примеры. Технический прогресс практически всех отраслей промышленности зависит от механизации. Актуальнейшей задачей этого направления технического прогресса является эффективное использование материалов. От степени надежности, качества, экономии материалов зависит успех развития механизации. И хотя по-прежнему основным материалом современного машиностроения является железо и его сплавы, на смену ему приходят другие металлы. Одним из наиболее перспективных считается алюминий. Предполагается, что к 2000 г. потребление железа возрастет всего в 2-2,5 раза, тогда как алюминия - в 10 раз. Причем в среднем алюминия в полезных ископаемых содержится почти в два раза больше, чем железа. Достаточно привести такой пример в пользу замены железа алюминием: если все машины (транспортные и строительные) изготовить не из железных, а из алюминиевых сплавов, то за счет снижения собственного веса машин можно будет перевозить в 2-2,5 раза больше полезного груза!

Важнейшими потребителями алюминия являются электротехническая, металлургическая, авиационная промышленность, машиностроение, транспорт, быт.

Быстрыми темпами внедряются и другие металлические материалы. Если в XVIII в. использовалось всего 20 марок металлических материалов, то в 1950 г.- до 25 тыс., а прогноз на 2000 г.- 250 тыс. марок металлических материалов. Среди них важное место занимают в настоящее время редкие металлы: рений, ниобий, церий и др.

Самая массовая отрасль потребления редких металлов - металлургия. Используя их как легирующие добавки, металлургия открывает все новые перспективы для расширения производства новых сплавов, улучшения их качества. Так, опыты показали, что введение всего 4 кг сплава ферроцерий-магний на тонну жидкого чугуна повышает вдвое прочность этого важнейшего материала машиностроения. Кроме того, такой чугун по литейным качествам удобен для массового производства деталей поточным методом. Это имеет большое экономическое значение.

Введение церия в алюминий позволило получить удобный материал для воздушных линий передач электроэнергии, в результате его применения значительно удешевилось строительство этих линий. Обычные нагреватели при добавке 0,5% церия в нихром в 3-10 раз увеличивают срок службы. Использование рения в сплаве с молибденом и вольфрамом пока что уникально в применении для электроприборостроения: благодаря своей износостойкости, упругости, тугоплавкости эти сплавы здесь незаменимы.

Невозможно сейчас найти отрасль промышленности, где бы не использовались металлы и сплавы с заданными свойствами. Однако, как и во всяком другом производстве, необходимо иметь перспективные направления, имеющие революционизирующее значение для дальнейшего развития. В области физики твердого тела к таким исследованиям можно отнести разработку теории, позволяющей рассчитывать материалы с заданными свойствами. Это значит, что мы должны научиться создавать материалы для любых условий работы, обладающих нужными техническими характеристиками. Успехи физики твердого тела определяют технический прогресс всего народного хозяйства нашей страны.