Физческие свойства металла. Физические свойства. Ч1-Воронин СВ. Воронин Сергей Васильевич, Юшин Валентин Дмитриевич, Бунова Галина Захаровна Рецензенты канд тех наук, доц. Л. В. Журавель, канд тех наук, доц. В. Ю. Ненашев Воронин, св. Физические свойства металлов конспект
 Скачать 1.04 Mb.
|
|
1 МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВ. Воронин, В. Д. Юшин, Г. З. Бунова Физические свойства металлов. Конспект лекций. Часть 1 Электронное учебное пособие САМАРА 2012 2 Авторы Воронин Сергей Васильевич, Юшин Валентин Дмитриевич, Бунова Галина Захаровна Рецензенты канд. тех. наук, доц. Л. В. Журавель, канд. тех. наук, доц. В. Ю. Ненашев Воронин, СВ. Физические свойства металлов. Конспект лекций. Ч. 1 Электронный ресурс : электрон. учеб. пособие / СВ. Воронин, В. Д. Юшин, Г. З. Бунова; Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм. унт им. С. П. Королева (нац. исслед. унт. - Электрон. текстовые и граф. дан. (1,04 Мбайт). - Самара, 2012. - 1 эл. опт. диск (CD-ROM). В конспекте лекций рассмотрены основные физические свойства металлов и сплавов – электрические, тепловые, термоэлектрические и магнитные. В разделе Электрические свойства металлов и сплавов рассмотрены вопросы влияния отжига и наклепана электросопротивление металлов, зависимость электросопротивления от структуры материалов твердые растворы, химические соединения, гетерогенные сплавы. В разделе Тепловые свойства металлов и сплавов даны основные понятия по теплоемкости, теплопроводности и тепловому расширению металлов. Сведения по теплоэлектрическим свойствам металлов, позволяют понять устройство приборов для измерения температуры. В главе Магнитные свойства металлов и сплавов дана классификация веществ по уровню магнитных свойств (диа-, пара, и ферромагнетики, ферримагнетики, антиферромагнетики, по величине и направлению магнитного момента атомов (магнитно неупорядоченные, магнитно упорядоченные. Отдельно рассмотрены такие явления как, диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм. Учебное пособие предназначено для студентов инженерно-технологического факультета по направлению подготовки бакалавров 150400.62 Металлургия по профилю Обработка металлов давлением, 7 семестр и бакалавров по направлению 150700.62 Машиностроение по профилю Машины и технология обработки металлов давлением, 7 семестр в рамках дисциплины Физические свойства металлов. Учебное пособие разработано на кафедре технологии металлов и авиационного материаловедения. Самарский государственный аэрокосмический университет, 2012 3 СОДЕРЖАНИЕ 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ................ 4 1. 1. Влияние наклепа и отжига на сопротивление материалов ......................... 6 1. 2. Электрическое сопротивление твердых растворов ..................................... 6 1. 3. Электрическое сопротивление химических соединений ............................ 7 1. 4. Электросопротивление гетерогенных сплавов ............................................ 8 1. 5. Электросопротивление в металловедении ................................................... 9 2. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ........................... 12 2. 1. Теплоемкость металлов и сплавов .............................................................. 12 2. 2. Теплопроводность металлов и сплавов ...................................................... 17 2. 3. Термическое расширение металлов и сплавов. 21 3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ ................................................................................................................................. 26 4. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ....................... 31 4. 1. Классификация веществ по уровню магнитных свойств .......................... 31 4. 2. Классификация веществ по величине и направлению магнитного момента атомов ..................................................................................................... 32 4. 3. Диамагнетизм ................................................................................................ 34 4. 4. Парамагнетизм ............................................................................................... 36 4. 5. Ферромагнетизм и магнитные свойства ферромагнетиков ...................... 37 4. 6. Методы измерения магнитных свойств ...................................................... 40 4. 6. 1. Измерение пара- и диамагнитной восприимчивостей .......................... 40 4 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Одним из важнейших признаков металлов является их способность проводить электрический ток, что получило название электропроводности. Тела, проводящие электрический ток, называются проводниками. Как указывалось ранее, согласно квантовомеханическим представлениям, в идеальном кристалле электроны проводимости (при отсутствии тепловых колебаний атомов в узлах кристаллической решетки) не встречают сопротивления на своем пути. Существующее же электросопротивление у реальных металлов является результатом нарушения периодичности кристаллической решетки. Эти нарушения могут быть связаны как с тепловым движением атомов, таки с наличием примесных атомов, вакансий, дислокаций и других дефектов кристаллического строения. Мерой рассеяния электронов может служить длина свободного пробега – среднее расстояние между двумя последовательными столкновениями электрона. Величина удельной электропроводности непосредственно связана с длиной свободного пробега F P nel , где ζ – удельная проводимость n – концентрация электронов проводимости (10 22 ÷10 23 см е – заряд электрона l – длина свободного пробега электрона P F – импульс Ферми, величина, показывающая потерю энергии электроном при столкновении. Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным электросопротивлением (ρ) и выражается Тепловые колебания атомов в кристаллической решетке значительно изменяют величину электросопротивления. Тепловые колебания атомов в кристаллической решетке зависят от температуры. При высоких температурах эта зависимость выражается ) 1 ( 0 T t , где ρ 0 – сопротивление, обусловленное дефектами кристаллической решетки α – температурный коэффициент электросопротивления 5 ) 410 ( 1 3 0 0 град С При снижении температуры тепловые колебания уменьшаются и при каком-то ее значении они будут мало влиять на изменение электросопротивления. При этом произойдет изменение линейной зависимости в гиперболическую. Зависимость изменения удельного электросопротивления имеет вид 5 T t , тогда график изменения удельного электросопротивления металлов будет иметь следующий характер (рис. 1.1). Рис. 1.1. График зависимости электросопротивления от температуры При плавлении у большинства металлов электросопротивление увеличивается в 2÷3 раза, хотя есть и исключения. Известны три металла – сурьма, висмут и галлий, при плавлении которых наблюдается снижение электросопротивления. Нагрев расплавов не всегда приводит к пропорциональному росту электросопротивления. Температура, разделяющая характер изменения сопротивления, носит название температуры Дебая (Д) или характеристической температуры твердого тела Д, где h – постоянная Планка 6 υ – максимальная частота колебания атомов в кристаллической решетке k – постоянная Больцмана. Температура Дебая отделяет низкотемпературную область, где необходимо пользоваться квантовой статистикой, от высокотемпературной, где справедлива классическая статистическая механика. Температура Дебая зависит от упругих характеристик металлов, например ДР) = К (Е = МПа Де К (Е = МПа Д (Ве) = К (Е = МПа, где Е – модуль нормальной упругости. 1. 1. Влияние наклепа и отжига на сопротивление материалов Пластическая деформация металлов, приводящая к наклепу, приводит к увеличению электросопротивления на несколько процентов. Такое увеличение можно объяснить искажением кристаллической решетки. При понижении температуры до абсолютного нуля сопротивление не наклепанного металла будет стремиться к нулю, а наклепанного - к какому- то остаточному сопротивлению. В отсутствие тепловых колебаний атомов в узлах решетки он будет характеризовать электросопротивление, вносимое наклепом. Причем опыты показывают, что остаточное сопротивление не зависит от температуры. Анализ образовавшихся дефектов показывает, что наибольшее влияние на электросопротивление оказывают точечные дефекты (вакансии. Дислокации незначительно изменяют электросопротивление. Поэтому возврат, который предшествует рекристаллизации металлов, практически полностью восстанавливает значение электросопротивления до исходного. Эта особенность позволяет оценивать величину образования вакансий в металлах при различных на них воздействиях. К таким воздействиям относят деформацию, закалку, облучение частицами высоких энергий. 1. 2. Электрическое сопротивление твердых растворов Образование твердых растворов приводит к росту электросопротивления. Так, введение в золото 0,2% железа увеличивает его сопротивление в 2 раза. Искажение кристаллической решетки является не единственной причиной роста электросопротивления у твердых растворов. На него оказывает влияние и химическое взаимодействие компонентов. Даже у таких прекрасных проводников, как золото и серебро, образование раствора 7 приводит к росту сопротивления, а максимальная его величина находится при концентрации 50%. Изменение электросопротивления в твердых растворах показано на рис. 1.2. Рис. 1.2. Зависимость удельного электросопротивления от концентрации компонентов в твердых растворах Упорядочение твердых растворов следует рассматривать как усиление химического взаимодействия компонентов, в результате чего свободные электроны связываются сильнее, чем при статистическом твердом растворе. Уменьшение количества электронов проводимости должно привести к увеличению электросопротивления. Но этого не происходит, т.к. электрическое поле решетки становится более симметричным, что уменьшает сопротивление электронов проводимости. В большинстве случаев упорядочивание растворов приводит к снижению электросопротивления, т.к. преобладает второе воздействие. При наклепе и отжиге твердых растворов, даже слабоконцентрированных, их электрическое сопротивление изменяется в большей степени, чему чистых металлов. Существует ряд твердых растворов Fe-Ni, С, С, для которых общие принципы изменения электросопротивления не подходят. 1. 3. Электрическое сопротивление химических соединений Электросопротивление химических соединений, как правило, значительно выше элементов, из которых оно состоит. Это обусловлено частичной или полной заменой металлической связи у чистых элементов на ковалентную или ионную у химических соединений, что резко снижает 8 количество носителей тока. Химические соединения неоднозначно влияют на электросопротивление, т.к. различные группы имеют проводимость от ярко выраженной металлической до полупроводниковой. Общая зависимость электросопротивления для химических соединений типа АmВn показана на рис. 1.3. Рис. 1.3. Зависимость удельного электросопротивления от концентрации компонентов в гетерогенных сплавах и химических соединениях 1. 4. Электросопротивление гетерогенных сплавов Электропроводность сплава, состоящего из двух или более фаз, складывается из проводимостей этих фаз. Дисперсность фаз оказывает существенное влияние на электросопротивление тогда, когда величина фазы оказывается соизмеримой с величиной свободного пробега электронов тогда происходит дополнительное их рассеяние. Это влияние сказывается при размерах включений порядка 1,0 нм. В общем случае электропроводность сплава можно рассматривать как свойство, аддитивно складывающееся из проводимостей всех фаз сплава при условии, что он отожжен, нетекстурован и состоит из крупных равноосных кристаллов. Тогда его электросопротивление будет изменяться линейно согласно рис. 1.4. 9 Рис. 1.4. График зависимости электросопротивления стали с пластинчатой (1) и зернистой (2) формами цементита от содержания углерода Линейная зависимость электросопротивления наблюдается встали с увеличением концентрации углерода (рис. 1.4). Форма цементита оказывает значительное влияние на величину электросопротивления. Влияние наклепана электросопротивление гетерогенных сплавов носит более сложный характер, т.к. здесь накладывает свой отпечаток взаимное расположение фаз. Так, направленная деформация стали приводит к снижению электросопротивления. Объясняется это тем, что пластинчатый перлит под влиянием деформации ориентируется пластинками вдоль направления деформации, что снижает сопротивление. Происходящий при этом наклеп феррита в меньшей степени повышает электросопротивление. При нагреве наклепанной стали до С происходит снижение электросопротивления за счет процессов возврата в феррите, но дальнейшее повышение температуры приводит к росту сопротивления в результате нарушения ориентировки цементитных пластинок. 1. 5. Электросопротивление в металловедении Зависимость электросопротивления от фазового и структурного состояний сплавов позволяет решать ряд практических задач в металловедении. Влияние примесей на электросопротивление металлов используется для определения их чистоты. В качестве показателя чистоты используется отношение остаточных сопротивлений образца при 300 и 4,2 К (R 300 / R 4,2 ). Очевидно, что с повышением чистоты металла увеличивается величина этого отношения. Для особо чистых металлов эта величина составляет (R 300 / R 4,2 )>1000. 10 Рис. 1.5. График зависимости электросопротивления сплава Al-Cu от температуры старения Изменение электросопротивления при переходе сплава из одной структурной составляющей в другую используется для оценки фазовых превращений. На примере сплава Al-Cu рассмотрим изменение электросопротивления в зависимости от температуры старения (рис. 1.5). В отличие от высокотемпературного старения, приводящего к распаду пересыщенного твердого раствора и снижению электросопротивления, естественное старение приводит к его росту. Причиной этого является образование зон Гинье-Престона, обладающих повышенной рассеивающей способностью для электронов проводимости. С другой стороны, полное выделение фазы CuА1 2 приводит к восстановлению исходного электросопротивления сплава. Рис. 1.6. График зависимости электросопротивления встали от количества углерода и структуры 1 - отожженная сталь 2 - закалка на мартенсит 11 Процессы, происходящие при закалке и отпуске стали очень хорошо контролируются электросопротивлением. После закалки стали в структуре образуется метастабильная фаза мартенсит. В результате фазового наклепа встали значительно возрастает электросопротивление (рис 1.6). В процессе отпуска стали электросопротивление будет снижаться в результате распада пересыщенного раствора. Однако при анализе электросопротивления в процессе отпуска следует помнить, что на его величину влияет дисперсность образующихся фаз. 12 2. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 2. 1. Теплоемкость металлов и сплавов При каждой температуре t металлы и сплавы характеризуются энергетическим состоянием, которое определяет силы металлической связи в кристаллической решетке. Величина θ энергетического состояния металлов и сплавов носит название энтальпии. При изобарических процессах (давление = Const) энтальпия определяется количеством тепла ΔQ, которое необходимо затратить для нагрева металла или сплава массой m в интервале температур Т 1 -Т 2 Имеем с, где с – средний для взятого интервала температуры коэффициент пропорциональности, равный количеству теплоты, необходимому для нагрева 1 г вещества на 1 К. Этот коэффициент пропорциональности называется удельной теплоемкостью. Из определения следует, что ) )( 1 ( T Q m с Истинное значение теплоемкости при определенной температуре равно ) )( 1 ( dT dQ m с По своему физическому смыслу удельная теплоемкость – это работа, которую необходимо затратить для того, чтобы изменить силы связи в кристаллической решетке на определенную величину. Имеются две характерные величины удельной теплоемкости си с, те. теплоемкость при постоянном давлении и постоянном объеме, причем с > с. Практически измерить сне удается. Определяемая из эксперимента величина с включает в себя не только энергию колебаний решетки с, но и другие виды энергии термического возбуждения коллективизированных электронов – с Э , термического расширения вещества – с Т , образования вакансий – с В и дополнительную энергию из-за ангармоничности колебаний решетки – с а Таким образом, а В Т Э с с с с с с 13 Ниже рассмотрим закономерности изменения некоторых составляющих величины с р при изменении температуры. В твердом теле тепловая энергия повышается при нагревании благодаря увеличению как кинетической, таки потенциальной энергии атомов, колеблющихся возле своих средних положений в кристаллической решетке. Поэтому, как следует из известного закона Дюлонга и Пти, с, где R – газовая постоянная. Это уравнение справедливо при температурах выше некоторой характеристической температуры θ Д Кроме высокотемпературной теплоемкости, которая не меняется при Т > Д, происходит падение теплоемкости металлов (при Т < Д ) до нуля при T = 0 К. Рис. 2.1. График зависимости теплоемкости серебра от температуры Характер зависимости c υ f (Т) для серебра приведен на рис. 2.1. Объяснение такой зависимости возможно в рамках квантовой механики, в которой принимается, что тепловая энергия колеблющихся атомов может быть дискретной, равной nhv, где пи т.д. При абсолютном нуле температуры каждый колеблющийся атом имеет энергию 0,5 hv, которая сохраняется при нагревании тела, ноне включена в набор энергий, т.к. она из-за ее постоянства ничего не вносит в теплоемкость тела. Физическое объяснение резкого спада теплоемкости при Т < Д заключается в том, что энергия nhv изменяется дискретно. Если тепловая энергия атома кТ ниже hv, то подведенной тепловой энергии недостаточно даже для перехода на самый низкий энергетический уровень. Другими словами, все атомы находятся на нулевом уровне энергии, те. пи теплоемкость тела также равна нулю. При Т < Д (к ≥ hv) теплоемкость близка к 3R. Кроме рассмотренной теплоемкости, обусловленной колебаниями 14 решетки, общая теплоемкость металла содержит еще и теплоемкость свободных электронов. Однако опыт показывает, что вплоть до температуры плавления теплоемкость простых металлов мало отличается от 3R. Следовательно, вклад электронной теплоемкости мал. Это объясняется тем, что движение свободных электронов подчиняется законам квантовой механики, в соответствии с которыми электроны в металле даже при абсолютном нуле занимают энергетические состояния вплоть до уровня энергии Ферми ε F . При увеличении температуры от 0 К до температуры Т энергия одного электрона ε F возрастет на величину порядка кТ(кТ/ ε F ), где отношение кТ/ε F определяет долю электронов, испытывающих тепловое возбуждение. Тогда вклад электронов в теплоемкость представлен как F Э T RT с , где T F = к – температура Ферми. У металлов T F составляет (10 4 ÷10 5 ) К, поэтому при комнатной температуре вклад в молекулярную теплоемкость имеет порядок Известно, что электронная теплоемкость пропорциональна температуре T с Э Коэффициент пропорциональности γ называют коэффициентом электронной теплоемкости. Физическая теория дает для коэффициента электронной теплоемкости γ в расчете на грамм-атом соотношение F T nR 2 5 , 0 , где п – число коллективизированных электронов, приходящихся на 1 атом. Несмотря на малую абсолютную величину, электронная теплоемкость становится относительно заметной и экспериментально отделимой от решеточной теплоемкости при низких температурах (вблизи 0 К, т.к. при этих температурах последняя очень мала. Она падает при приближении к 0 К, как уже описано, пропорционально T 3 . Поэтому при Т << Д можно написать T T с с с Э реш 2 Делением на Т получаем 15 2 T Т с Отсюда зависимость c υ от Т описывается прямой линией и из эксперимента по графику можно найти γ и α. В вышерассмотренной теории решеточной теплоемкости с предполагалось наличие гармонических колебаний атомов кристаллической решетки, те. таких колебаний, для которых потенциальная и кинетическая энергии в среднем равны, и сила, действующая на атом, линейно зависит от его смещения. В реальных телах, в частности в металлах, атомы совершают негармонические (ангармонические) колебания. Ангармонизм колебаний увеличивает теплоемкость по сравнению с с. Дополнительный вклад в теплоемкость с заметен при высоких температурах и не превышает 10% от с. Так, для тугоплавких металлов с, где q составляет (3÷8) 10 -10 Дж/(моль∙К). Увеличивают теплоемкость при высоких температурах и образующиеся равновесные вакансии. Их концентрация вблизи (температуры плавления) достигает по порядку величины 0,1÷1% Расчет вклада вакансий в теплоемкость проводится следующим образом. Температурная зависимость концентрации вакансий п В определяется как, В, где А – энтропийный множитель – ехр(ΔS/R); U – энергия образования вакансий. Отсюда возникает дополнительная энтальпия В, а теплоемкость ) ( ) ( exp 2 2 RT U A RT U dT dQ c В В Образование фаз постоянного химическое соединение) или переменного состава (твердый раствор, промежуточная фаза) в сплавах 16 сопровождается изменением сил межатомной связи, а иногда и ее типа по сравнению со связью металлов-компонентов. Поскольку связь реализуется посредством электронов, образование фаз изменяет преимущественно электронную теплоемкость. Усиление ионной и ковалентной составляющих сил связи обычно вызывает уменьшение электронной теплоемкости. Изменение сил связи и соответственно упругих характеристики температуры плавления оказывает влияние также на колебательную часть решеточной теплоемкости и тем самым на полную теплоемкость с. О различии сил связи в компонентах и соединении можно судить по величине теплоты образования, которая представляет разность теплосодержаний при определенной температуре. Если тип связи и кристаллическое строение соединения или промежуточной фазы переменного состава несильно отличаются от таковых для компонентов, то их теплоемкость может быть найдена по правилу Неймана-Коппа, согласно которому молярная теплоемкость соединения (промежуточная фаза, твердый раствор) равна сумме атомных теплоемкостей компонентов. Имеем 2 1 nC mC c , где m, n – мольные доли компонентов. Классический метод определения теплоемкости – это прямой, адиабатический метод. Теплоемкость с определяется по формуле К, где Q – теплота, перешедшая от нагретого образца к рабочей жидкости калориметра m – масса образца Т К – температура образца перед погружением и конечная в калориметре. Этот метод применяется для сравнительно невысоких температур (ниже точки кипения рабочей жидкости – вода, ртуть, сплав Вуда и т.п.). Метод обратной калориметрии заключается в том, что холодный образец переносится в среду с более высокой температурой, где он нагревается. Этот метод был применен для исследования отпуска закаленной стали, в которой при нагревании в калориметре выделялась скрытая теплота закалки. Она учитывалась при расчете. Данный метод можно с успехом применять при исследовании необратимых процессов (отпуск закаленной стали, рекристаллизация наклепанного металла и т.д.). Совершенным методом определения теплоемкости при низких и средних температурах является метод электрического нагрева. Образец помещается в спираль, имеющую сопротивление R, нагреваемую электрическим током I в течение времени η. Образец массой m и удельной теплоемкостью с нагревается от T 1 до Т. В 17 том случае, если не учитывать тепловых потерь в окружающее пространство, теплоемкость определяется по формуле ) ( 1 2 2 T T m R I с Величина св данном случае – это средняя удельная теплоемкость. Такой метод позволяет с достаточной точностью приблизиться к истинной теплоемкости, если количество теплоты, сообщенное телу, и повышение его температуры сравнительно мало. В некоторых приборах для определения теплоемкости нагрев осуществляется непосредственным пропусканием электрического тока через образец. На этом принципе основан также импульсный метод, применяемый для сравнительно невысоких температур. Особенностью этого метода является очень малая продолжительность опыта (1∙10 -2 ÷1,5∙10 -2 с, что достигается высокой скоростью нагрева образца (1∙10 4 ÷1∙10 5 К/с). Тепловые потери при этом малы и ими можно пренебречь. На исследуемый образец в виде тонкой проволоки диаметром 0,08÷0,3 мм, длиной 50÷15 мм подается короткий импульс постоянного тока. Величина тока и падение напряжения на образце регистрируются шлейфовым осциллографом. По кривым изменения тока и напряжения во времени, а также при известном температурном коэффициенте сопротивления исследуемого металла для каждого момента процесса могут быть вычислены температура образца и количество сообщенной ему теплоты. По этим данным можно определять теплоемкость при любой температуре во всем интервале нагрева. |