Лекции-МВ-1. Образовательное учреждение высшего профессионального образования камская государственная инженерноэкономическая академия

• Название: Образовательное учреждение высшего профессионального образования камская государственная инженерноэкономическая академия
• Дата: 22.06.2022
• Размер: 0.5 Mb.
• Имя файла: Лекции-МВ-1.doc
• Тип: Конспект; #610688
• страница: 1 из 3

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КАМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Конспект лекций

Набережные Челны, 2012 г.

ВВЕДЕНИЕ
Материаловедение – это наука о различных материалах, широко используемых в настоящее время для производства разнообразных деталей, механизмов, приборов и конструкций, а также для иных целей. Успех эксплуатации вышеназванных изделий во многом зависит от качеств (свойств) используемых в них материалов. Кроме того, свойства материалов во многом определяют и саму возможность получения из их различных изделий.

Материаловедение своей основной задачей считает установление взаимосвязи между свойствами изучаемых материалов их химическим составом и структурой. Получаемые материаловедением знания составляют основу для научного прогнозирования и управления свойствами материалов. Они помогают совершенствовать уже известные материалы и разрабатывать принципиально новые, уникальные материалы. За счёт применения этих, более совершенных материалов могут быть повышены точность, надёжность и долговечность выпускаемых приборов, механизмов и конструкций, а также созданы принципиально новые изделия и устройства, отвечающие современным высоким требованиям.

Среди всех материалов, используемых в настоящее время, лидирующее положение по объёму производства и потребления занимают металлы и сплавы. Поэтому важнейшей составной частью материаловедения является металловедение – наука о металлах и сплавах.
1. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
1.1 Агрегатные состояния вещества

Как известно, любое вещество может находиться в твёрдом, жидком и газообразном состоянии. Это зависит от температуры, давления, а также от того, как сильно взаимодействуют частицы вещества. Выражаясь точнее, реализация того или иного агрегатного состояния вещества определяется соотношением средней энергии движения его атомов или молекул (Е_кин) и средней энергии их взаимодействия (Е_пот). Если Е_кин  Е_пот , вещество находиться в газообразном состоянии. При этом частицы вещества располагаются на относительно больших расстояниях друг от друга и практически не взаимодействуют, за исключением случайных столкновений, в которых они разлетаются подобно биллиардным шарам. Двигаясь почти свободно, частицы газа занимают весь предоставленный им объём, и этим объясняется самое общее свойство всех газов – их летучесть.

С понижением температуры уменьшается энергия движения частиц вещества, и всё заметнее начинают проявляться силы межатомного или межмолекулярного взаимодействия. Частицы при случайном столкновении уже не отскакивают друг от друга подобно биллиардным шарам, а как бы «прилипают» друг к другу. Это приводит к переходу вещества в более плотное, конденсированное состояние – сначала в жидкое, а затем и в твёрдое.

В жидком состоянии энергия движения частиц вещества сравнима с энергией их взаимодействия (Е_кин  Е_пот). В результате связи между частицами оказываются неустойчивыми, легко нарушаемыми тепловым движением. Частицы часто меняют своих ближайших соседей, совершая так называемые перескоки с места на место, чем и объясняется текучесть жидкостей.

В твёрдом состоянии средняя энергия движения частиц вещества не превышает энергию межатомных или межмолекулярных связей (Е_кин < Е_пот). Перескоки частиц совершаются крайне редко, и вещество длительное время сохраняет свою форму, т.е. остаётся твёрдым.

С изменением температуры или давления изменяется соотношение между энергией движения частиц вещества и энергией их взаимодействия. Повышение температуры приводит к возрастанию Е_кин , а повышение давления – к возрастанию Е_пот , и наоборот. Следствием изменения соотношения энергий является переход вещества из одного агрегатного состояния в другое.

Как показывает опыт, чаще на практике находят применение материалы, находящиеся в твёрдом состоянии.

1.2 Аморфное и кристаллическое состояние твёрдых тел

Вещества, находящиеся в твёрдом состоянии, могут быть либо аморфными, либо кристаллическими. Аморфное состояние твёрдых тел характеризуется тем, что атомы, молекулы или ионы вещества располагаются в пространстве хаотически. Аналогичную внутреннюю структуру имеют жидкости, но в них частицы вещества за счёт энергии теплового движения совершают частые перескоки с места на место, что и является причиной текучести жидкостей. В аморфных материалах более сильное взаимодействие удерживает частицы вещества вместе и не позволяет им совершать частые перескоки с места на место. В результате образец остаётся твёрдым и не течёт, хотя и имеет структуру жидкости. Учитывая вышесказанное, аморфное состояние обычно отождествляют с переохлаждённой жидкостью, у которой бесконечно высокая вязкость. С повышением температуры вязкость этой «твёрдой жидкости» плавно понижается, вещество размягчается и постепенно переходит из твёрдого состояния в жидкое. Примером материала, находящегося в аморфном состоянии, является обычное оконное стекло, а также янтарь – окаменевшая смола древних деревьев.

Кристаллические материалы переходят в жидкое состояние при постоянной температуре, называемой температурой плавления. Обратный переход осуществляется также при постоянной температуре, называемой температурой кристаллизации.

В кристаллических твёрдых телах частицы вещества располагаются в пространстве упорядоченно, т.е. выстроены правильными рядами, плоскостями, симметричными блоками, что придаёт отдельным кристаллам (монокристаллам) характерную правильную огранку. Кристаллическое состояние твёрдых тел встречается в природе чаще, чем аморфное, поскольку обладает меньшей свободной энергией и, в силу этого, является более стабильным. С течением времени многие аморфные тела стремятся перейти в кристаллическое состояние. Примерами кристаллических материалов являются различные горные минералы (кварц, гранит, рубин, алмаз и т.д.), а также соль, речной песок и глина, состоящая в основном из мелких кристаллов Al₂O₃. Металлы и сплавы также являются кристаллическими материалами. Однако они, в отличие от монокристаллов, имеют поликристаллическое строение, т.е. состоят из множества микроскопических кристалликов неправильной формы (зёрен), случайным образом ориентированных в пространстве.

Необходимо отметить, что одно и то же вещество может быть получено как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, в металлах и сплавах при их сверхбыстром охлаждении из жидкого или газообразного состояний не успевает сформироваться упорядоченная кристаллическая структура и образуется аморфное твёрдое тело (metal glass - металлическое стекло). При этом свойства аморфного металла могут заметно отличаться от свойств кристаллического образца, что свидетельствует о важности внутренней атомной структуры материала в формировании его свойств. Аморфное состояние металлов чаще всего оказывается крайне нестабильным при комнатной температуре. С течением времени наблюдается переход из такого состояния в более стабильное кристаллическое состояние и этот процесс ускоряется с повышением температуры. В тоже время путём подбора химического состава металлических материалов их аморфное состояние иногда удаётся застабилизировать. Примером может служить металлическое стекло Fe₈₀B₂₀, аморфное состояние которого является достаточно стабильным при комнатной и более высоких температурах.
1.3 Понятие кристаллической решётки

Для описания упорядоченного расположения частиц вещества в кристаллах используют некую геометрическую модель, называемую кристаллической решёткой. Кристаллическая решётка представляет собой воображаемую пространственную координатную сетку, узлы которой показывают расположение в пространстве центров тяжести атомов, молекул или ионов кристалла. Поскольку частицы в кристаллах располагаются закономерно, нет необходимости изображать всю пространственную сетку, достаточно ограничиться изображением системы координат и минимальной группы повторяющихся в ней узлов. Такую минимальную группу узлов, периодически повторяющихся в пространстве, называют элементарной ячейкой. В общем случае элементарная ячейка имеет вид параллелепипеда, частным случаем которого является куб (рис. 1).

Z

узлы – центры тяжести

частиц вещества,

в частности, атомов


c


атомы


α

β


Y

b


a

γ


X


Рис. 1. Простая кубическая элементарная ячейка.
Рёбра элементарного параллелепипеда (a, b, c) и его углы (α, β, γ) называют параметрами элементарной ячейки. Соотношения между этими параметрами определяют форму элементарной ячейки и соответствующую систему симметрии. Всего существует 7 систем симметрии:

1. 
   триклинная a ≠ b ≠ c, α ≠ β ≠ γ ≠ 90°;
   
2. 
   моноклинная a ≠ b ≠ c, α = β = 90°, γ ≠ 90°;
   
3. 
   ромбическая a ≠ b ≠ c, α = β = γ = 90°;
   
4. 
   ромбоэдрическая a = b = c, α = β = γ ≠ 90°;
   
5. 
   гексагональная a = b ≠ c, α = β = 90°, γ = 120°;
   
6. 
   тетрагональная a = b ≠ c, α = β = γ = 90°;
   
7. 
   кубическая a = b = c, α = β = γ = 90°.
   

Если элементарную ячейку перемещать (транслировать) вдоль координатных осей OX, OY и OZ с шагом, соответственно a, b и c, то можно воспроизвести всю пространственную координатную сетку, т.е. кристаллическую решётку. Параметры элементарной ячейки a, b и c называют также периодами кристаллической решётки. По своему физическому смыслу это расстояния между центрами тяжести соседних частиц, в частности атомов, сближенных в кристаллах до соприкосновения. По порядку величины a, b и c составляют 0,1 нанометра (1нм это 10^-9м), или 1 Ангстрем (1Å = 10^-10 м).

Элементарная ячейка, изображённая на рис. 1, относится к числу простых (примитивных) ячеек. Но возможны и более сложные ячейки, содержащие дополнительные узлы, расположенные либо в центре всех граней элементарного параллелепипеда (гранецентрированная ячейка), либо в центре верхней и нижней грани (базоцентрированная ячейка), либо в центре объёма (объёмоцентрированная ячейка). Всего насчитывается 14 типов элементарных ячеек (трансляционных решёток Бравэ), которые неравномерно распределены по 7 системам симметрии. В частности, триклинной системе симметрии принадлежит только одна примитивная ячейка, а кубическая система симметрии содержит примитивную, объёмоцентрированную и гранецентрированную ячейки.
1.4 Структура кристаллов

Следует различать понятия кристаллическая решётка и структура кристалла. Структура кристалла – это физическая реальность, конкретное расположение в пространстве различных атомов. Кристаллическая решётка – это геометрический образ структуры, отражающий лишь симметрию расположения частиц кристалла. Для более полного описания структуры кристаллов используют понятие базис. Базисом кристаллической структуры называют совокупность определённым образом расположенных в пространстве различных атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Т.е. перечисляются все полностью принадлежащие одной элементарной ячейке атомы, вместе с их координатами в этой ячейке. Таким образом, если элементарная ячейка определяет размер и форму «элементарных кирпичиков», из которых построен кристалл, то базис определяет «материал» этих кирпичиков. Другими словами, базис это тот «элементарный блок вещества», периодическим повторением которого в пространстве воспроизводится весь рассматриваемый кристалл.

Базис сложных органических кристаллов, состоящих из больших молекул, может включать в себя несколько тысяч различных атомов. В простейшем случае, когда в узлах кристаллической решётки расположены однотипные атомы или ионы, базис состоит только из одной или нескольких таких частиц. Подобная ситуация характерна, в частности, для металлов. Если структуру металла описывает кристаллическая решётка с примитивной ячейкой (рис. 1), то базис такой структуры состоит только из одного атома данного металла. (Действительно, в данном случае, каждый атом металла, расположенный в узле кристаллической решётки, находится на пересечении 8 аналогичных ячеек и принадлежит рассматриваемой ячейке только на ⅛ часть. Но поскольку таких узлов в ячейке 8, то полностью принадлежит ей ровно один атом, составляющий по определению базис. Перемещая этот атом–базис вдоль координатных осей с шагом, соответствующим периодам кристаллической решётки, воспроизводится вся пространственная структура металла). В случае объёмоцентрированной ячейки базис составляют 2 атома металла (атом в центре ячейки полностью принадлежит данной ячейке, плюс один атом дают узлы, расположенные в вершинах ячейки), а гранецентрированной – 4 (каждый из 6 атомов, расположенных в центрах граней, принадлежит рассматриваемой ячейке только на ½ часть).

Система симметрии, величина периодов решётки и базис полностью определяют кристаллическую структуру конкретного материала. Если известны эти параметры, то известной считается и структура кристалла. Однако для более полного описания структуры иногда используют такие дополнительные параметры как координационное число и коэффициент компактности. Координационным числом называют число ближайших равноудалённых соседей любого атома. Если в качестве примера рассматривать структуру, изображенную на рис. 1, то для неё координационное число равно шести. Коэффициент компактности (степень компактности) представляет собой отношение объёма, занятого атомами, ко всему объёму элементарной ячейки. В случае чистых металлов коэффициент компактности может достигать величины 0,74. Это означает, что 74 % объёма металла занято атомами, а остальную его часть составляют пустоты (поры).
1.5 Поликристаллическое (зернистое) строение материалов

Кристаллический материал может представлять собой единый, относительно крупный кристалл, который принято называть монокристаллом, а может состоять из множества мелких кристалликов, образующих некоторую целостность. Подобное строение материалов называют поликристаллическим или зёрнистым.

Поликристаллическое, т.е. зернистое строение наблюдается, в частности, у металлов и сплавов, затвердевших в обычных условиях. Каждое отдельное зерно поликристаллического металла или сплава является микроскопическим кристалликом неправильной формы. Размер зёрен колеблется в пределах от десятых долей микрона до нескольких миллиметров. Зёрна отделены друг от друга поверхностью раздела или границей, представляющей собой переходной слой, толщиной порядка 5-10 межатомных расстояний. На протяжении границы кристаллическая структура одного зерна плавно переходит в кристаллическую структуру соседнего зерна. Порядок расположения атомов на границах зёрен сильно нарушен. Угол разориентации кристаллических решёток в соседних зёрнах (угол α) является произвольным (рис 2.). Другими словами, зёрна случайным образом ориентированы в пространстве.


α







α - угол разориентации кристаллических решёток

в соседних зёрнах.






Рис. 2. Ориентация кристаллических решёток в соседних зёрнах.

Сами зёрна состоят из фрагментов, которые в свою очередь делятся на блоки. Угол разориентации кристаллических решёток в соседних фрагментах не превышает 5º, а для соседних блоков составляет величину от нескольких минут до нескольких секунд.

Причиной зернистого строения металлов и сплавов является то, что они кристаллизуются сразу из нескольких центров. В начальный момент затвердевания в жидком расплаве появляются зародыши кристаллов, которые начинают расти. В следующий момент времени появляется очередная порция зародышей, которые также растут. И так до тех пор, пока весь материал не закристаллизуется. На заключительном этапе кристаллизации соседние кристаллики приходят в соприкосновение и мешают друг другу расти. Поэтому они приобретают неправильную форму – форму зёрен.

Если в процессе кристаллизации создавать специальные условия, когда подавляются все зародыши кроме одного или нескольких, удаётся вырастить относительно крупный монокристалл металла или сплава, который приобретает правильную форму. В противном случае формируется поликристаллическая структура материала.

Наблюдать зернистую структуру металлических материалов можно только в микроскоп при большом увеличении на специально подготовленных образцах. Эту, наблюдаемую в микроскоп зернистую структуру материалов, называют микроструктурой.

Поскольку металлы и сплавы являются непрозрачными материалами, то для изучения их микроструктуры необходим специальный металлографический микроскоп, работающий по принципу отражения световых лучей от доведённой до зеркального блеска, полированной поверхности образца. Для выявления зёрен полированную поверхность образца подвергают травлению, т.е. обрабатывают различными реактивами, в частности, кислотами. Кислота в первую очередь разъедает границы зёрен и на их месте появляются углубления, которые не отражают, а рассеивают свет, падающий на поверхность образца. В результате границы зёрен становятся видимыми и обнаруживаются под микроскопом в виде тёмных полосок. Образец металлического материала, специально подготовленный для изучения его микроструктуры, называют микрошлифом.
1.6 Анизотропия кристаллов

Анизотропия – это зависимость свойств материала от направления.Материал считается изотропным, когда его свойства во всех направлениях одинаковые. Если же с изменением направления свойства материала изменяются, материал считается анизотропным.

Анизотропия характерна для кристаллов и обусловлена их упорядоченной структурой. В кристаллах в различных направлениях атомы располагаются с различной плотностью, т.е. на различном расстоянии друг от друга, что отражается на силе взаимодействия атомов. Как следствие, свойства кристаллов в различных направлениях оказываются различными. Например, в кубическом кристалле в направлении координатных осей атомы вещества располагаются на расстоянии друг от друга равном а (рис.1). В направлении диагонали атомы располагаются на расстоянии а , а в направлении пространственной диагонали – а . Очевидно, такой кристалл легче разорвать в направлении пространственной диагонали, чем в направлении координатных осей, где он обнаруживает наибольшую прочность из-за того, что атомы расположены ближе и сильнее взаимодействуют.

Анизотропия распространяется практически на все свойства кристаллов. Так, кристалл в одном направлении лучше, чем в другом может проводить тепло, электрический ток, свет, лучше намагничиваться и т.д. При этом, чем ниже система симметрии кристалла, тем сильнее проявляется анизотропия его свойств.

В аморфных материалах, из-за хаотического внутреннего строения, атомы в различных направлениях располагаются примерно с одинаковой плотностью. В результате свойства данных материалов в различных направлениях оказываются одинаковыми, т.е. вещество оказывается изотропным.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, также очень часто обнаруживают равенство свойств в различных направлениях, хотя и являются материалами кристаллическими, а не аморфными. Это объясняется их зернистым строением. Зёрна данных материалов, будучи кристаллами, в различных направлениях обнаруживают различные свойства, однако в целом материал оказывается изотропным, поскольку зёрна случайным образом ориентированы в пространстве и при сложении свойств в каждом направлении получается примерно одна, усреднённая величина. Такую изотропию называют ложной изотропией или квазиизотропией.

Иногда зёрна поликристаллических материалов оказываются ориентированными преимущественно в одном направлении. Например, зёрна металлов и сплавов при пластическом деформировании вытягиваются в направлении деформации. Такое явление называют текстурой. При появлении текстуры свойства кристаллических материалов вновь начинают зависеть от направления, т.е. материал оказывается анизотропным.
1.7 Дефекты кристаллической структуры

Структура реальных кристаллов не является идеально симметричной. В реальных кристаллах всегда имеются те или иные отклонения от периодичности расположения атомов. Эти нарушения порядка называют дефектами кристаллической структуры.

Дефекты кристаллической структуры, в зависимости от размеров, подразделяют на точечные, линейные, поверхностные и объёмные.

Точечные дефекты кристаллической структуры во всех трёх измерениях имеют размеры сравнимые с межатомным расстоянием, т.е. порядка одного нанометра. К точечным дефектам структуры относятся вакансии, межузельные атомы и атомы примесей.

Вакансией называют незанятое атомом свободное место в узле кристаллической решётки. Межузельным называют атом, смещённый из узла кристаллической решётки в положение между узлами (рис.3). Данные дефекты возникают, как правило, парами, поскольку смещение атома в межузельное положение сопровождается появлением вакансии.

Примесные атомы – это инородные атомы, которые размещаются либо в узлах кристаллической решётки (примесные атомы замещения), либо в межузельном пространстве (примесные атомы внедрения).