Материаловедение. Лекция №1. Введение

1.

Лекция № 1
«Введение»

2.

Материаловедение – наука, изучающая взаимосвязь между составом,
строением и свойствами материалов.
Павел Петрович Аносов
(1799-1851 гг.)
Дмитрий Константинович Чернов
(1839 -1921 гг.).

3.

Николай Семенович Курнаков
(1860-1941 гг.)
Андрей Анатольевич Бочвар
(1902-1984)

4.

Классификация материалов
Классификация материалов включат три основных
разновидности материалов:
– металлические;
– неметаллические;
– композиционные.
Электротехнические материалы (ЭТМ) разделяются
на четыре основных класса:
̶ диэлектрические;
̶ полупроводниковые;
̶ проводниковые;
̶ магнитные.

5.

2. Типы связей между частицами в твердых телах
Ионные кристаллы ̶ состоят из разноименно заряженных ионов Nа+,
Сl- которые образуются в результате перехода электронов от атомов одного
типа (Nа) к атомам другого типа (Cl).
Кристаллы с ковалентным типом связи. Этот тип связи
осуществляется обобществлением валентных электронов соседних атомов.
Прочность ковалентной связи зависит от степени перекрытия орбит валентных
электронов. С увеличением перекрытия прочность связи повышается.
Полярные или молекулярные кристаллы -- это кристаллы, в
которых преобладает связь Ван-дер-Ваальса. Энергия связи сил Ван-дерВаальса невелика (от 1 до 3 кал/моль). Поэтому молекулярные кристаллы
имеют низкие температуры плавления и испарения. (Так, кристаллический йод
испаряется уже при комнатных температурах).

6.

Металлические
кристаллы.
В
металлическом
кристалле
валентные
энергетические
зоны
атомов
перекрываются, образуя общую зону со свободными
подуровнями Это дает возможность валентным электронам
свободно перемещаться в пределах этой зоны от атома к атому.
Происходит обобществление валентных электронов в объеме
всего кристалла. Таким образом, валентные электроны в
металле нельзя считать потерянными или приобретенными
атомами. Они обобществлены атомами в объеме всего
кристалла, в отличии от ковалентных кристаллов, в которых
такое обобществление ограничено одной группой атомов (н-р
для алмаза - это 5 атомов).

7.

3. Атомно-кристаллическая структура металлов
Рис.3. Гексагональная решетка

8.

Кристаллическая решетка - это воображаемая пространственная сетка, в
узлах которой располагаются атомы или ионы, образующие твердое
кристаллическое тело.
Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре
металла во всем объеме, называется элементарной кристаллической ячейкой.
Кристаллические решетки характеризуются следующими параметрами:
- период решетки;
- координационное число;
- базис и коэффициент компактности решетки.
Периодом решетки - называется расстояние между центрами двух
соседних частиц (атомов, ионов) в элементарной ячейке.
Координационное число К - показывает количество атомов, приходящихся
на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке .
Чем выше К, тем больше плотность упаковки атомов.

9.

Базисом
решетки
называется
количество
атомов,
приходящихся на одну элементарную
ячейку
решетки
(на
одну
элементарную ячейку О.Ц.К. - в целом
приходится 2 атома: один атом в
центре куба и один атом по массе
суммарно
вносят
атомы,
располагающиеся в вершинах куба (1/
8 х 8 = 1 атом); на одну элементарную
ячейку Г.Ц.К. приходятся 4 атома: из
них один атом - вносят атомы,
находящиеся в вершинах куба (1/8 х 8)
и
три
атома
вносят
атомы,
находящиеся на середине грани, т.к.
каждый из таких атомов принадлежит
двум решеткам.)

10.

Кристаллографические индексы. Плотность упаковки атомов в разных
плоскостях и по разным направлениям в кристалле разные. Поэтому и свойства
монокристалла (химические, механические) в разных направлениях будут разные. Это
явление - когда свойства вещества зависят от направления, называется
анизотропией (отличать от изотропии - когда свойства вещества во всех
направлениях одинаковы.
Поэтому, указывая физические или механические свойства монокристалла,
необходимо указывать направление, к которому эти свойства относятся.
Для обозначения кристаллографических плоскостей и направлений пользуются
индексами Миллера. Для этого, элементарную ячейку кристалла вписывают в
пространственную систему координат (Рис. 5)

11.

Оси координат X,У,Z- называются
кристаллографическими осями.
Плоскости,
проведенные
в
кристаллической решетке через узлы
(атомы)
называются
кристаллографическими
плоскостями.
Прямые, проведенные через узлы
решетки - кристаллографическими
направлениями.
Плоскости
плотной
упаковки
называются
плоскостями
скольжения, т.к. по этим плоскостям
смещаются атомы при пластической
деформации кристалла.

12.

4. Строение реальных кристаллических материалов.
Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. В реальных
кристаллах всегда содержатся дефекты, а поэтому нет идеально
правильного расположения атомов во всем кристалле.
Дефекты в кристаллах подвижны, они могут сближаться и вступать между
собой во взаимодействие.
Дефекты кристаллов подразделяют
нульмерные
(точечные)
одномерные
(линейные)
двумерные
(поверхностные)
трехмерные
(объемные)
Объемные
дефекты
кристаллической решетки
включают трещины и поры.
Наличие данных дефектов
уменьшает
плотность
металла,
снижает
его
прочность

13.

Нульмерные (точечные) дефекты
К самым простым точечным дефектам
относятся
-вакансии (дефекты Шоттки - т.е. узлы
решетки, в которых атомы отсутствуют);
- межузельные
атомы
(дефекты
Френкеля - образуются в результате
перехода атома из узла решетки в
междоузлие);
- примесные атомы
1. межузельный атом
2. вакансия
3. примесный атом внедрения
4. примесный атом замещения
Все точечные дефекты искажают
кристаллическую решетку, увеличивают
электрическое сопротивление и делают
металлы прочными.

14.

Одномерные (линейные) дефекты
Одномерные (линейные) дефекты представляют собой дефекты кристалла,
размер которых по одному направлению намного больше параметра решетки, а по
двум другим — соизмерим с ним.
Основными видами одномерных (линейных) дефектов являются краевые и
винтовые дислокации.
Дислокация – это особая конфигурация расположения атомов в кристаллической
решетке.
Краевую дислокацию образует
лишняя атомная полуплоскость,
которая образуется в части
кристалла.
Винтовая дислокация получается при
частичном сдвиге кристаллической решетки
и при этом образуется ступенька.

15. Схемы краевой (a) и винтовой дислокаций (б, в) в результате неполного сдвига по плоскости в кристаллической решетке

16.

Поверхностные дефекты . Эти дефекты малы только в
одном измерении. Они представляют собой поверхности раздела
между отдельными зернами или их блоками.
Зерна
металла
обычно
ориентированы
в
разных
направлениях относительно друг друга. Двумерные (поверхностные)
дефекты представляют собой поверхности раздела между
отдельными зернами или их блоками.
Границы между отдельными зернами представляют собой
переходную область шириной 1 – 5 нм, в которой решетка одного
кристалла, имеющего определенную ориентацию, переходит в
решетку другого кристалла, имеющего другую ориентацию. В связи с
этим на границе зерна атомы расположены менее правильно, чем
внутри зерна.
Двумерные (поверхностные) дефекты – дефекты упаковки,
границы блоков мозаики, двойников, зерен, межфазные границы,
поверхность кристалла.

17.

Линейные дефекты. Важнейшие виды линейных несовершенств краевые и винтовые дислокации. Краевая дислокация - это местное
искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней “ лишней “
атомной полуплоскости. Линия краевой дислокации перпендикулярна
вектору сдвига.
Винтовые дислокации в отличие от краевых
располагаются параллельно направлению сдвига. Для оценки степени
искажения решетки, вызванной линейной или краевой дислокацией
сравнивают совершенный кристалл с кристаллом, содержащим дислокации,
т.е. используют контур Бюргерса.
Он получается, если обойти замкнутый контур в идеальном
кристалле, переходя от узла к узлу, а затем этот же путь повторить в
реальном кристалле, заключив дислокацию внутрь контура. В результате
оказывается, что в идеальном кристалле контур Бюргерса на величину
отрезка b не сомкнулся.
Вектор b, необходимый для того, чтобы замкнуть контур Бюргерса в
идеальном кристалле, называется вектором Бюргера дислокации.

18. Определение вектора Бюргерса

b
Если обойти замкнутый
контур в идеальном кристалле,
переходя от узла к узлу (рис. а), а
затем этот же путь повторить в
реальном
кристалле,
заключив
дислокацию внутрь контура (рис. б),
то в результате окажется, что в
идеальном кристалле контур на
величину какого-то отрезка b не
сомкнулся
(рис.).
Вектор
b,
необходимый для того, чтобы
замкнуть контур в идеальном
кристалле, называется вектором
Бюргерса дислокации.

19.

Двумерные (поверхностные) дефекты
. К поверхностным дефектам относятся большеугловые и малоугловые границы.
Поликристаллический сплав содержит огромное
число мелких зерен. В соседних зернах решетки
ориентированы различно, и граница между зернами
представляет собой переходный слой. В нем нарушена
правильность расположения атомов. Границы между
зернами называются большеугловыми, так как
направления в соседних зернах очень сильно
отличаются .
Схемы строения большеугловых (а)
и малоугловых (б) границ, где d – размер
зерна
Каждое зерно, в свою очередь, состоит
из субзерен (блоков). субзерно - это часть
кристалла
относительно
правильного
строения.
Угол взаимной разориентации между
соседними субзернами невелик (α ≤ 5
град.), поэтому такие границы называются
малоугловыми.

20.

21.

Скольжение дислокаций

22. Объемные дефекты кристаллической решетки

• К объемным дефектам относятся возникающие в процессе
обработки материала газовые усадочные раковины, поры,
скопления примесных атомов, субмикроскопические трещины и
другое. Все это ослабляет энергию связи между атомами и тем
самым ухудшает механические свойства металлических
материалов.

23.

Строение реальных кристаллических материалов