Вопросы для самоподготовки к зачетам и экзаменам по материаловедению

1. Понятие о Ме. Природа  Ме связи. Осн.  св-ва Ме . Роль  рус ученых в  развитие науки  о Ме. од Ме понимают в-ва, обладающие характерным блеском, в той или иной степени присущей всем Ме, и пластичностью. Кроме того все Ме обладают высокой электро- и теплопроводностью, положительным темпер коэфф-м линейного расширения, термоэлектронной эмиссией, около 30 Ме сверхпроводимостью Наличие этих св-в характеризуют Ме состояние в-ва. Для Мех харак-ны Ме связи, кот-е возникают при образовании из внешних электронов(ел-в) «-» заряженный эл-й газ. В рез-те чего «+» ионы образуют плотную, но пластичную крист.реш-ку. При Ме связи м/у ионами и Эл-м газом возникают электростатич-е силы притяжения, кот-е связывают ионы. Ионы в тв.Ме  расположены на таком расстоянии друг от друга, в кот-х силы взаимного притяжения и отталкивания= Основоположником материалов стал П.П.Аносов – раскрыл секрет булатной стали, применил микроскоп, работал над качеств. сталью.  Научный основопол-к матер-ия Д.К.Чернов – обнаружил, что в процессе нагрева и последующего охлаждения изм-ся стр-ра стали, обнаружил диапазон этих температур(критические точки Чернова), сделал наброски диаграммы  Fe-C.

 Материаловедение – это наука, изучающая строение и свойства металлов и устанавливает связь между составом, структурой и свойствами.

 Определение металлам дают с точки зрения той  науки, с позиции которой ее рассматривают.

 Металлы с точки зрения физики и техники  обладают общностью атома кристаллического строения и характерными физическими  свойствами. 

3. Кристаллизация.

Объемная  составляющая свободной энергии:

                                                                                              

где U - внутренняя энергия системы, TS - связанная энергия системы, представляющая собой произведение температуры T на энтропию S.

С ростом температуры свободная энергия  любой системы снижается по кривой направленной выпуклостью вверх.

Энтропия жидкости выше энтропии кристаллов.

      Для начала кристаллизации необходимо переохлаждение, а для начала плавления необходим перегрев. Только в этом случае уменьшение объемной составляющей свободной энергии превысит увеличение поверхностной составляющей свободной энергии. Для этого требуются два условия:

1. Температура  должна быть ниже температуры  кристаллизации

2. Объем,  самопроизвольно образующегося зародыша, должен быть достаточно большим.

Кристаллизация  жидкости возможна при условии:

 

Величина  переохлаждения чистых жидкостей малого объема, при которых активно образуются устойчивые зародыши кристаллов, достаточно велика ~ 0,2 Т_пл. Именно при таких переохлаждениях должна начаться кристаллизация. Но опыт показывает, что в действительности кристаллизация жидкостей начинается при существенно меньших переохлаждениях. что жидкости, как правило, содержат примеси. Наличие поверхностно-активных примесей, растворенных в жидкости, снижает поверхностное натяжение на границе раздела «кристалл-жидкость», и, тем самым, уменьшает объем критического зародыша. Наличие в жидкости нерастворенных частиц, обеспечивает появление готовых поверхностей раздела, от которых начинается кристаллизация.

                                                                                       

5.Кристаллическая  решетка.

Элементарная  ячейка кристалла  – та минимальная конфигурация атомов, кот. сохраняет свойства кристалла и при трансляции которой можно заполнить сколь угодно большой кристалл.

Координационное число – число ближайших соседей атома.

У элементов  четвертой группы ковалентная насыщенная и направленная связь, и у каждого  атома четыре соседа. К=4. Элементарную решетку можно представить в виде тетраэдра с одним атомом в центре и четырьмя атомами по вершинам тетраэдра. Кристаллическую решетку с такой элементарной ячейкой имеют элементарный кремний, германий, углерод в модификации алмаза. Этот тип кристаллической решетки принято называть решеткой алмаза.

При образовании  ионной связи кристаллические решетки  получаются более компактными. К=6.  NaCl:

При образовании  металлической связи кристаллические решетки становятся еще более компактными. К=8 или К=12. ГЦК, ОЦК, ГПУ:

 ОЦК решетку имеют такие  металлы, как вольфрам, молибден, ниобий, низкотемпературные модификации железа, титана, щелочные металлы и ряд других металлов. Серебро, медь, алюминий, никель, высокотемпературная модификация железа и ряд других металлов имеют ГЦК решетку. ГП решетка у магния, цинка, кадмия, высокотемпературной модификации титана.

 (5) Металлы, описываемые пространственной кристаллической решеткой, под которой понимают наименший комплекс атомов, при многократной трансляции которых по всем направлениям воспроизводится пространственная кристаллическая решетка.

 В узлах  кристаллической решетки располагаются  атомы.

 Пространственную  кристаллическую решетку легче  всего представить в виде элементарной кристаллической ячейки. Ячейка – это та часть решетки, при многократной трансляции которой она и воспроизводится.

 Три основные вектора элементарной ячейки называются трансляционными плоскими осевыми единицами.

 Абсолютная  величина трансляции – это период кристаллической решетки.

 Период  кристаллической решетки измеряют в анкстреммах

 1А=10^-8 см или в кХ (килоиксах), так называемых кристаллографических анкстреммах.

 1кХ=1,00202 А

 На  одну элементарную ячейку приходится различное количество атомов; при чем атомы занимают определенные места в ячейке.

  В зависимости от расположения атомов в ячейке различают простые, кубические, объемно-центрированные кубические, гранецентрированные  кубические, гексагональные решетки.

        1.Простая решетка представляется в виде куба, в узлах которой располагаются атомы.

 Простейшая  решетка описывается одним параметром, которым является ребро куба а.

  2.Объемно-центрированная кубическая  решетка (ОЦК) представляет собой также куб, внутри которого дополнительно расположен еще один атом.

       Параметры решетки определяются  длиной ребра куба а.

  3.Гранецентрированная кубическая  решетка (ГЦК) представляет собой  куб, В центре каждой грани  которого расположены дополнительно по одному атому.

  4.Гексагональная плотно упакованная решетка. В отличие от кубической характеризуется двумя параметрами а и с.

 В случае, если отношение с/а=1,666, то решетка считается плотноупакованной, а иначе – неплотно упакованной.

 Примеры:

 ОЦК – вольфрам, молибден, железо Fe_a;

 ГЦК – алюминий, медь, никель, железо Fe_g;

 ГПУ – бериллий … .

 Некоторые металлы, например индий, имеют тетрагональную решетку.

 Свойства  металлов при прочих равных условиях определяются типом кристаллической  решётки, т.е. количеством атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. На простую ячейку приходит с один полный атом.

  На ОЦК ячейку приходится два  атома: один атом вносится атомом и один принадлежит только этой ячейке.

 Для ВЦК на одну ячейку приходится четыре атома.

 Плотность кристаллической решетки определяется, так называемым координатным числом. Под координатным числом понимается число атомов, находящихся на кратчайшем расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки К=8, для ГЦК – К=12 и для ГПУ – К=12.

 От  величины координатного числа зависит  компактность (плотность укладки) кристаллической решетки. Так в простой кристаллической решетки плотность укладки атомов в ячейке составляет менее 50%. В ОЦК – 50%, в решетках с координатным числом 12 – порядка 75%. 

8. Дефекты кристаллических  решеток.

Всякая  система стремится к минимуму свободной энергии (F), где F является разностью между внутренней энергией системы U и связанной энергией системы ТS. 

F = U - TS    (1)

Внутренняя  энергия системы является разностью  между энергией атомов в дне потенциальной  ямы и истинной энергией системы. Повышение температуры материала или появление упругих напряжений вследствие смещения атомов из равновесного состояния повышает энергию системы. Связанная энергия системы является произведением температуры (Т) на энтропию (S) системы, или меру ее беспорядка.

При смещении атома из равновесного положения, с  одной стороны, возрастает внутренняя энергия системы, а с другой стороны, растёт связанная энергия, поэтому появление в кристаллической решетке дефектов может оказаться энергетически выгодным.

Все дефекты  кристаллической решетки принято  делить на две большие группы: геометрические дефекты и энергетические дефекты. При появлении в решетке геометрических дефектов кристаллическая решетка  локально искажается. При наличии энергетических дефектов атомы остаются на своих местах, но энергия одного или группы атомов оказывается повышенной.

В свою очередь, геометрические дефекты принято  делить на точечные, линейные, поверхностные  и объемные. Протяженность точечных дефектов во всех направлениях мала. Протяженность линейных дефектов велика в одном направлении и мала в двух других направлениях. Поверхностные дефекты имеют большую протяженность по двум направлениям и малую по одному, и объемные дефекты имеют большую протяженность по всем направлениям. 

Точечные дефекты.

К ним  относятся атомы инородных элементов (легирующих элементом или примесей), межузельные атомы (атомы основного элемента, по каким-либо причинам покинувшие узлы кристаллической решетки и застрявшие в междоузлиях), вакансии или не занятые атомами узлы кристаллической решетки.

Представление о вакансиях было впервые введено  Я. И. Френкелем для объяснения процессов  диффузии в металлах - материалах с  плотноупакованной кристаллической  решеткой.

При наличии  в кристаллической решетки вакансии атом может перескочить из узла решетки в вакантное место. Тем самым вакансия смещается, и процесс диффузии можно описывать как последовательное перемещение атомов или как движение вакансий.

Согласно  модели Френкеля, при образовании  вакансий атом из узла кристаллической решетки перепрыгивает в междоузлие, и появляется пара дефектов - вакансия и межузельный атом, или пара Френкеля.

В материалах с ионной связью между атомами  основным носителем заряда являются ионы. При появлении вакансий перемещение ионов облегчается, а следовательно, падает удельное электросопротивление. При появлении в материале примесей кристаллическая решетка искажается, энергия материала локально повышается, что способствует облегчению выхода иона из потенциальной ямы. Таким образом, появление любых точечных дефектов ведет к снижению электросопротивления материалов с ионной связью.

В материалах с ковалентной связью присутствие  вакансий приводит к обрыву ковалентной связи и появлению на валентной оболочке атома неспаренного электрона. Наличие неспаренных электронов энергетически невыгодно, и атом теряет его. Таким образом, в материале появляются два носителя заряда: отрицательно заряженный свободный (делокализованный) электрон и положительно заряженная дырка. Следовательно, увеличение концентрации вакансий ведет к падению удельного электрического сопротивления материалов с ковалентной связью.