Глава 1. Строение кристаллов

ЛЕКЦИИ

По курсу

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Конструкционные материалы

Классификация по назначению

1) общего назначения;

2) пружинные;

3) износостойкие;

4) с особыми технологическими свойствами;

5) легкие;

6) с высокой удельной прочностью;

7) устойчивые к температуре среды.

Свойства

1) механические (плотность, твердость);

2) технические (свариваемость, штампуемость);

3) эксплуатационные (устойчивость против коррозии);

4) физические (магнитные, объемные, электрические).

Строение (структура)

Влияние на строение:

1) изменение химического состава (чистые металлы или сплавы);

2) способ получения (отливка, поковка, выточка из прутка, порошковая технология);

3) способы обработки (пластическая деформация, термическая обработка, химикотермическая обработка).

ЧАСТЬ 1

Кристаллография, кристаллизация, деформация и диаграммы состояния сплавов

Глава 1. Строение кристаллов

Кристаллы состоят из:

● молекул (H₂O, CO₂, …);

● ионов (NaCl, …);

● отдельных атомов (все Ме, нМе (Si, Gr, C, Ar)).

§1. Виды взаимодействия частиц в кристаллах

1. Молекулярное взаимодействие (силы Ван-дер-Ваальса. Атомы инертных веществ)

● в основе такого взаимодействия лежит явление поляризации (образование диполей), следовательно, электростатического притяжения;

● каждая частица окружает себя соседями, значит, укладка плотная;

● все соседи равноценны, т.е. связь ненаправленная;

● энергия связи мала (Е_св ~ 0,1 кДж/моль);

● диэлектрики с низкой t_пл.

2. Обменное взаимодействие (ковалентное)

Атомы IV и V групп: Si, Ge, C (4-валентные), Sb, Bi (5-валентные).

● в основе такого метода лежит обмен валентными электронами;

● число соседей точно известное и небольшое (3 или 4);

● соседи не равноценны, значит, связи направленные, Е_св ~ 10² кДж/моль;

● очень твердые и очень хрупкие кристаллы;

● полупроводники и диэлектрики.

3. Ионное взаимодействие

Ме + нМе

Na – 1ē —> Na⁺

Cl + 1ē —> Cl^-

● в основе взаимодействия лежит переход валентных электронов;

● число соседей большое;

● укладка плотная;

● связи ненаправленные, очень сильные, Е_св ~ 10² кДж/моль;

● твердые кристаллы с высокой t_пл;

● диэлектрики, полупроводники.

4. Металлическое взаимодействие

Все Ме.

● в основе лежит коллектив электронов, это облако электронов связывает все свободные элементы;

● укладка наиплотнейшая;

●связи ненаправленные, Е_св ~ 10 кДж/моль;

●все Ме пластичные, прочные, электропроводны.

Выводы:

1. Различные виды взаимодействия имеют одинаковую электростатическую природу.

2. При электростатическом взаимодействии преобладают либо силы притяжения, либо силы отталкивания в зависимости от расстояния между частицами.

§2. Особенности расположения частиц в кристаллах

1. При электростатическом взаимодействии наиболее устойчивое положение занимает частица на определенном расстоянии а (когда F_пр = F_от), следовательно, расположение частиц в кристаллах должно быть регулярным.

2. При регулярном расположении части энергия межатомного взаимодействия будет минимальной. Кристаллы будут находиться в равновесии.

3. При любом смещении частицы от положения равновесия на ∆а на нее начинает действовать F_{результир.}, значит, потенциальная энергия увеличивается на ∆W.

∆W = ∆а ● F_{результир.}

Кристалл будет находиться не в равновесии. У смещенных частиц будет более сильная межатомная связь, их труднее разорвать.

4. Регулярно расположенные частицы в пространстве образуют правильную кристаллическую решетку, но способ укладки у каждого вещества строго индивидуальный, значит, индивидуальны свойства.

§3. Элементарная ячейка кристаллической решетки

Элементарная ячейка – минимальный объем, который отображает положение частицы в кристалле.

- а, b, с – периоды решетки;

- α, β, γ – углы между осями.

Примечание:

Элементарная ячейка позволяет:

1. Задать направление.

Направление задается тремя цифрами [U, V, W], где U, V, W координаты узла.

Координаты в периодах решетки

(1) [1; 1; 0],

(2) [1; 0; 1] <1; 1; 0> семейство равноценных направлений.

2. Задать любую плоскость.

Любая плоскость задается тремя цифрами, которые называются индексами плоскости (h; k; l)

h = 1/m, k = 1/n, l = 1/p,

где m, n, p – отрезки, отсекаемые плоскостью по всем осям координат.

(1) m = 1, n = ∞, p = ∞;

h = 1, k = 0, l = 0. (1; 0; 0)

(2) (0; 0; 1)

(3) (1; 1; 1)

{1; 0; 0} – семейство равновесных плоскостей.

3. Определить плоскость укладки атомов (решетки Ме).

1) ОЦК – объемно-центрированный куб (W, V, Mo, Ta, Nb, Cr)

n = 2 =(1 + 8● 1/8)

k = 8

0.68

2) ГЦК – гранецентрированный куб (Ar, Pt, Au, Al, Cu, Ni)

n = 4, k = 12, 0.74

3) Гексагональная (Mg, Be)

n = 6, k = 12, 0.74

Показатели:

- n – число атомов, приходящихся на одну ячейку;

- k – координационное число, число ближайших равноудаленных соседей;

- ГПУ – гексагональная плотноупакованная;

- коэффициент заполнения = V_атома/V_ячейки

- два способа наиплотнейшего уложения атомов в ГЦК и ГПУ

§4. Влияние способов укладки на свойства кристаллов

Примеры:

1. Явление теплового расширения (при нагреве все кристаллические тела расширяются из-за усиления амплитуды колебания атомов). Чем плотнее уложены атомы в решетке, тем интенсивней тепловое расширение, α_ГЦК > α_ОЦК.

2. Явление анизотропии (различных свойств в кристаллической решетке в зависимости от направления). Чем симметричней решетка, тем меньше проявляется анизоропия (ОЦК – самая изотропная, ГПУ – самая анизотропная).

Примечание:

4. Явление полиморфизма (несколько решеток у одного и того же вещества)

Благодаря полиморфизму:

1) в сплавах железа и титана можно используя быстрое охлаждение (закалку) получить необходимые структуры и особую прочность;

2) можно в некоторых сплавах получить явление памяти формы:

● при нагреве получить требуемую форму изделия

исходная кристаллическая решетка;

● с помощью деформации придать форму, удобную для применения

новая решетка подвержена влиянию деформации;

● при нагреве в условиях эксплуатации изделия принимать прежнюю форму

рис.15 (см. выше)

восстанавливается исходная решетка.

Применение:

- сосудорасширители (36,6°);

- датчики пожаротушения (40-50°);

- соединение термопроводников без сварки (комнатная температура);

- антенны (80-110°);

Чтобы реализовать явление памяти формы, нужно:

- специальные материалы, у которых решетка меняется при нагреве и деформации (полиморфные) – нитинолы - 50% Ni + 50%Ti + добавки;

- для получения третьей стадии памяти формы необходимо две стадии обработки.