Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам




НазваниеКурс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам
страница2/24
Дата публикации13.08.2013
Размер2.37 Mb.
ТипДокументы
shkolnie.ru > Физика > Документы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24

^ 1.2 Влияния типа связи на структуру и свойства кристаллов.
Тип связи возникающий между элементарными частицами в кристалле, определяется электронным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Элементарные частицы в кристалле сближаются на определённое расстояние, которое определяется взаимодействием сил, действующих в кристалле. Силы притяжения возникают благодаря взаимодействию электронов с положительно заряженным ядром собственного атома, а также с положительно заряженными ядрами соседних атомов. Силы отталкивания возникают в результате взаимодействия положительно заряженных ядер соседних атомов при их сближении. Они проявляются при сильном сближении и растут интенсивнее, чем силы притяжения.

Уравновешивание сил происходит при сближении атомов на расстояние dо. Этому сближению соответствует максимум энергии связи Есв, что делает кристалл термодинамически стабильным.



Есв определяет: температуру плавления, испарения, модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения.
Все кристаллы по характеру превалирующей связи подразделяют:

  • Молекулярные.

  • Ковалентные.

  • Металлические.

  • Ионные.


Молекулярные кристаллы.
В кристаллах инертных газов связь Ван-дер-Ваальса единственная, а следовательно, она определяет структуру и свойства кристаллов. Возникновение сил притяжения между атомами объясняют мгновенной поляризацией атомов при сближении. Силы Ван-дер-Ваальса не имеют направленного характера, так как мгновенный диполь образуется с каждым из соседних атомов. В результате атомы, стремясь увеличить число соседей в кристаллической решётке, укладываются наиболее компактным образом.

^ Ковалентные кристаллы.
Ковалентные кристаллы образуют атомы углерода, кремния германия, сурьмы, висмута и др. К ковалентным кристаллам относятся и многие сложные кристаллические вещества, состоящие из разнородных атомов, например, карбид кремния, нитрид алюминия и др. Ковалентная связь характеризуется направленностью, так как каждый атом вступает в обменное взаимодействие с определённым числом соседних атомов.

Вследствие большой энергии связи ковалентные кристаллы характеризуются высокими температурами плавления и испарения.

^ Металлические кристаллы.
В металлическом кристалле при взаимодействии с элементами других групп атомы легко отдают свои валентные электроны и превращаются в положительные ионы. Металлическая связь ненаправленная, так как каждый атом стремится притянуть к себе как можно больше соседних атомов.

Среди металлов и некоторых неметаллов распространено явление полиморфизма – способность в твёрдом состоянии при различных температурах (или давлении) иметь различные типы кристаллических структур. Эти кристаллические структуры называют аллотропическими формами или модификациями. Низкотемпературную модификацию называют α, а высокотемпературные β, γ, δ и т.д.
Стабильность модификаций при определённой температуре и давлении определяется значением термодинамического потенциала (свободной энергией G).
G = H – ST
Более стабильной при данной температуре будет модификация, имеющая меньшее алгебраическое значение термодинамического потенциала, что может быть достигнуто либо за счёт малой энтальпии H, либо большой энтропии S.
Энтальпия H – (греч. enthalpo нагреваю) физическая функция независимых переменных – давления и энтропии, однозначно определяющая состояние физ. Системы в термодинамике (термодинамический потенциал).
Энтропия S - (греч. еp в, внутрь + trope поворот, превращение) мера внутренней неупорядоченности системы.
Температурным полиморфизмом обладают около тридцати металлов. Быстрое охлаждение может сохранить высокотемпературную модификацию в течение длительного времени при Т = 20-25оС, так как низкая диффузионная подвижность атомов при таких температурах не способна вызвать перестройку решётки. Кроме того известен полиморфизм под влиянием температуры и давления (графит – алмаз).

^ Ионные кристаллы.
В сложных кристаллах, состоящих из элементов различной валентности, возможно образование ионного типа связи. Представитель этой группы – кристалл оксида FeO, решётка которого состоит из отрицательно заряженных ионов кислорода и положительно заряженных ионов железа. Перераспределение валентных электронов при ионной связи происходит между атомами одной молекулы (одним атомом железа и одним атомом кислорода).

    1. ^ Фазовый состав сплавов


Преимущественное использование в промышленности находят не чистые металлы или неметаллы, а сплавы металлов с металлами или неметаллами.

В сплавах элементы могут различно взаимодействовать между собой, образуя различные по химическому составу, типу связи и строению кристаллические фазы.

Фазой называется однородная обособленная часть металла или сплава, имеющая одинаковые состав, строение и свойства.

Эти кристаллы в зависимости от атомно-кристаллической структуры принято делить на два основных вида:

  • Твёрдые растворы;

  • Промежуточные фазы;


^ Твёрдыми растворами называют кристаллы, в которых сохраняется кристаллическая решётка одного элемента растворителя.

В промежуточных фазах образуется новый тип кристаллической решётки, отличающийся от решёток элементов, его образующих.
Таким образом, помимо классификации кристаллов по видам связи, используют классификацию по типам кристаллической решётки. Такая классификация позволяет прогнозировать характер изменения свойств сплава в функции состава.

^ Твёрдые растворы.
Такие растворы являются кристаллическими фазами переменного состава. Они могут быть неограниченной растворимости для твёрдых растворов замещения и ограниченной растворимости для твёрдых растворов замещения и внедрения.
Твёрдые растворы замещения. Отличие в атомных радиусах компонентов не более чем на 15% (размерный фактор).

Образование твёрдых растворов всегда сопровождается - увеличением электрического сопротивления; твёрдые растворы менее пластичны; более твёрдые и прочные, чем чистые металлы.

Неограниченная растворимость наблюдается при соблюдении размерного фактора и если элементы имеют одинаковый тип кристаллической решётки. Например: сплав меди с золотом, меди с никелем.
Многие твёрдые растворы замещения при относительно невысоких температурах способны находиться в упорядоченном состоянии. «Сверхструктура» - упорядоченный твёрдый раствор. Переход из неупорядоченного в упорядоченное состояние происходит при определенной температуре или в определённом интервале температур. Температура, при которой твёрдый раствор полностью разупорядочивается, называется точкой Курнакова и обозначается θк.

Возникновение и исчезновение порядка в расположении атомов твёрдых растворов сопровождается изменением свойств. При упорядочении возрастаютэлектропроводность, твёрдость и прочность; снижается пластичность сплава. У ферромагнитных сплавов изменяются магнитные свойства: например, у пермаллоев (магнитные сплавы Fe с Ni) при упорядочении в несколько раз снижается магнитная проницаемость. Некоторые сплавы в неупорядоченном состоянии парамагнитны, а после упорядочения становятся ферромагнитными, например, сплавы Гейслера (Mn – Cu – Al).

Твёрдые растворы внедрения. Такие твёрдые растворы возникают при сплавлении переходных металлов с неметаллами, имеющими малый атомный радиус – Н, N, С, В.

Твёрдые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость и встречаются преимущественно тогда, когда растворитель имеет ГПУ или ГЦК решётки.

По мере увеличения концентрации растворённого элемента в твёрдом растворе заметно возрастают электрическое сопротивление, коэрцитивная сила, твёрдость и прочность, но заметно понижаются пластичность и вязкость.
Заключение: твёрдые растворы составляют основу большинства промышленных конструкционных сплавов и сплавов специального назначения. Они отличаются хорошей технологической пластичностью: хорошо деформируются в горячем состоянии, а многие и в холодном состоянии.
^ Промежуточные фазы.
Кристаллы, образованные различными элементами и имеющие собственный тип кристаллической решётки, отличающийся от решёток составляющих их элементов, называют промежуточной фазой.

Промежуточные фазы обозначают так же, как и твёрдые растворы, буквами греческого алфавита.

Замечено, что структура промежуточной фазы зависит от трёх факторов:

  • относительного размера атомов;

  • их валентности;

  • от положения в периодической системе элементов, что определяет их электронную структуру.


С и с т е м а металл – неметалл



  • фазы с ионным типом связи (оксиды металлов – Fe3O4);

  • фазы с металлическим типом связи, образуются при взаимодействии переходных металлов с С, N, В и Н (карбиды, нитриды, бориды, гидраты);

  • фазы внедрения – они имеют кристаллические решётки, типичные для чистых металлов (ГПУ и ГЦК). Типа МеХ, Ме2Х. Карбиды и нитриды, относящиеся к фазам внедрения, присутствуют в структуре многих коррозионно-стойких, износостойких и жаропрочных конструкционных сталей. Карбиды TiC, TaC, WC, W2C служат основой спеченных твёрдых сплавов для режущих инструментов. Использование таких сплавов позволило увеличить скорость резания в десятки раз.


С и с т е м а металл – металл


  • электронные фазы. Это фазы переменного состава, обозначают β, γ, ε фазы. Электронные соединения присутствуют в структуре многих сплавов на медной основе: латунях (Сu – Zn), бронзах (Cu – Al, Cu – Sn и др.); они являются упрочняющими фазами.

  • фазы Лавеса. Это промежуточные фазы практически постоянного состава АВ2 образуются при взаимодействии металлов самых различных групп периодической таблицы элементов; образования их определяется размерным фактором; атомный радиус элементов В меньше , чем атомный радиус элемента А, на 20 – 30%. Фазы Лавеса, образованные переходными металлами (NbFe2, MoFe2, TiFe2, TiCr2), присутствуют в структуре некоторых сплавов и способствуют их упрочнению.

  • сигма-фазы. Это фазы переменного состава образуются при сплавлении переходных металлов, имеющих близкие размеры атомов; σ – фазы имеют частично упорядоченную сложную решётку.

В железных сплавах, содержащих больше 20% Сr, которые используются как коррозионно-стойкие конструкционные материалы, очень медленное охлаждение из области твёрдого раствора или изотермические выдержки при 800 – 600оС приводят к образованию кристаллов σ – фазы, которое сопровождается резким увеличением твёрдости и охрупчиванием сплавов.

    1. ^ Дефекты кристаллов.



Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты, а потому нет идеально правильного расположения атомов во всём объёме кристалла.
Дефекты кристаллов подразделяют:

  • точечные;

  • линейные;

  • поверхностные;


Точечные дефекты. К ним относятся: вакансии, межузельные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения.
Вакансии – являются самой важной разновидностью точечных дефектов; они ускоряют все процессы, связанные с перемещением атомов: диффузия, спекание порошков и т.д. В технически чистых металлах точечные дефекты повышают электросопротивление, а на механические свойства почти не влияют. Лишь при больших концентрациях дефектов в облучённых металлах понижается пластичность и заметно изменяются другие свойства.
Линейные дефектыкраевые и винтовые дислокации. Краевая дислокация в сечении представляет собой край «лишней» полуплоскости в решётке. Вокруг дислокаций решётка упруго искажена. Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. У краевой дислокации вектор Бюргерса равен межатомному расстоянию и перпендикулярен дислокационной линии, у винтовой дислокации – параллелен ей.


^ Плотность дислокаций – суммарная длина всех линий дислокаций в единице объёма. В полупроводниковых кристаллах она равна 104 – 105 см-2, у отожженных металлов 106 – 108 см-2, у деформированных она достигает свыше 1011 – 1012 см-2. Попытка увеличить плотность свыше 1012 см-2 быстро приводит к появлению трещин и разрушению металла.

Дислокации появляются при кристаллизации. Они наряду с другими дефектами участвуют: в фазовых превращениях, рекристаллизации, служат готовыми центрами при выпадении второй фазы из твёрдого раствора. Вдоль дислокации скорость диффузии на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решётку без дефектов. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажение решётки. Примесные атомы образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации – так называемую атмосферы Коттрелла, которая мешает движению дислокаций и упрочняют металл.

Особенно велико влияние дислокаций на прочность кристаллов. Благодаря подвижным дислокациям экспериментально определённый предел текучести металлов в 1000 раз меньше теоретического значения. При значительном увеличении плотности дислокаций и уменьшении их подвижности прочность увеличивается в несколько раз по сравнению с отожжённым состоянием. Прочность бездефектных кристаллов «усы» приближается к теоретической прочности.

В полупроводниках дислокации влияют на электрические и другие свойства, снижают электрическое сопротивление, уменьшают время жизни носителей. Значение дислокаций особенно возрастает в микроэлектронике, где применяются тонкие плёночные кристаллы, и дислокации играют роль тонких проводящих каналов, вдоль которых легко перемещаются атомы примеси.

Поверхностные дефекты. Наиболее важными поверхностными дефектами являются большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников. Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зёрен. В соседних зёрнах решётки ориентированны различно и граница между зёрнами представляет переходный слой. В нём нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей.

Границы между зёрнами называются большеугловыми, так как соответственные кристаллографические направления в соседних зёрнах образуют углы в десятки градусов. Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзёрен и блоков.

Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения. Границы субзёрн представляют собой стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные субзёрна и блоки. Угол взаимной разориентации между соседними субзёрнами невелик (не более 5о), поэтому такие границы называются малоугловыми. На малоугловых границах также скапливаются примеси.

^ Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, ограниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоёв.
Выводы.
Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства материалов. Особенно больше значение имеют границы зёрен. Предел текучести σt связан с размером зёрен d зависимостью σt = σо + k d-1/2, где σо и k – постоянные для данного материала. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения. Аналогично, но более слабо влияет на механические свойства размер субзёрен.
Вдоль границ зёрен и субзёрен быстро протекает диффузия, особенно при нагреве. Взаимодействие между дефектами, перемещение их в кристаллах, изменение концентрации дефектов – всё это отражается на свойствах и имеет большое практическое значение.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24

Похожие:

Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconТехнология сбис курс лекций. Объем 36 часов. Составитель: доцент коф петрГУ
Преимущества кремниевой технологии. Требования к кремнию как к материалу для микроэлектронной промышленности
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций Валерий Васильевич Вандышев Уголовный процесс. Курс лекций...
В 17 Уголовный процесс. Курс лекций. — Спб.: Питер, 2002. — 528 с. — (Серия «Учебники для вузов»)
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций по предмету “Материаловедение и ткм”
Износостойкость в больше,чем при шлифовке. Для коленчатых валов предел выносливости повышается на. 48
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconЛекция психосексуальное развитие. Возрастная динамика взаимоотношения полов 15
Основы семейной психопедагогики (курс лекций) / В. И. Короткий. — Архангельск: М'арт, 2003. — 178 с
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций москва издательство "юридическая литература" 1997
Атаманчук Г. В. Теория государственного управления. Kvpc лекций — М.: Юрид лит., 1997. — 400 с
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций Харьков 2002 Рецензенты: директор Института социальных...
Курс лекций по истории политических и правовых учений подготовлен в соответствии с программой данной дисциплины, с
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconНа научно-образовательный материал «Курс видео-лекций по дисциплине...
Рассматриваемый курс видео-лекций может быть использован в системе повышения квалификации специалистов электроэнергетического профиля,...
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconУтверждаю: Ректор университета, В. А. Колесников “ 5“
Преподавание курса осуществляется на 4-ом или 5-ом семестрах при общем объеме, равном 102 часам, который включает 16 часов лекций,...
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций москва инфра-м 2002 Кононенко Б. И. Основы культурологии: Курс лекций. М.: Инфра-м
В нем в доступной форме раскрываются и выделяют­ся шрифтовой гаммой основные категории и пеня;!' I, что позволит сту­дентам быстро...
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconПрограмма элективного курса
Курс «История сословий в России» рассчитана на 17 часов для изучения в 10 классе профильной школы. Он охватывает период с IX до конца...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
shkolnie.ru
Главная страница