Глава 1 Строение и свойства материалов

1.1 Межатомное взаимодействие

Характер взаимодействия. Энергия связи и свойства вещества. Энергия связи и внешнее воздействие.

Любой материал представляет собой продукт взаимодействия огромного количества атомов, и свойства материала зависят от характера взаимодействия этих атомов. Зная характер взаимодействия атомов, можно прогнозировать свойства материалов. Поскольку взаимодействие множества атомов анализировать достаточно сложно, вначале для простоты рассмотрим взаимодействие двух атомов.

Между двумя атомами действует сила притяжения и сила отталкивания. При расстоянии между атомами, равном r_О силы притяжения и отталкивания взаимно компенсируют друг друга, результирующая сила взаимодействия равна нулю, и это расстояние является наиболее устойчивым (Рис. 1.1 а).

Оценим энергию потенциального взаимодействия двух атомов как работу с обратным знаком по перемещению иона из бесконечности в данную точку. Геометрическое интегрирование дает зависимость, показанную на рисунке 1.1 б. Из рисунка 1.1 б видно, что минимальной энергии потенциального взаимодействия соответствует расстояние между соседними ионами равное r_О. Увеличение энергии системы двух атомов (например, за счет роста тепловой энергии) ведет к появлению возможности взаимного смещения атомов относительно друг друга.

Рисунок 1.1. Зависимость сил взаимодействия между атомами (а) и энергии потенциального взаимодействия (б) от расстояния между атомами.

В том случае, когда взаимодействует множество атомов, смещение любого из них приводит к росту энергии системы. Поэтому потенциальную кривую можно представить в виде периодической функции. При минимуме энергии системы расстояния между атомами одинаковы и равны r₀. Для переброса атома из одного равновесного положения в другое требуется повышение энергии. Если энергия системы минимальна или близкая к минимальной, атомы не могут перемещаться из одного положения в другое, мы имеем дело с твердыми телами. При значительном повышении энергии системы атомы активно колеблются, обмениваются энергией и в результате могут переходить из одного положения в другое. В этом случае мы имеем дело с жидким веществом. Если рост энергии системы приводит к выходу атомов из потенциальной ямы, они перестают взаимодействовать друг с другом, могут занимать различные положения – мы имеем дело с газом.

Увеличение глубины потенциальной ямы ведет к росту температуры плавления и температуры испарения вещества. Вместе с тем, увеличение глубины потенциальной ямы ведет к уменьшению коэффициента теплового расширения. Таким образом, вещества с большей температурой плавления, как правило, имеют меньший коэффициент термического расширения.

При воздействии на тело силовых полей (электрического, механического, магнитного) частицы тела смещаются из равновесных положений. При этом могут реализовываться три случая.

1. Под действием поля ни одна из частиц не переходит через потенциальные барьеры. При исчезновении поля частицы возвращаются в исходные положения. В этом случае мы имеем дело с упругими безгистерезисными процессами: упругой деформацией, упругой поляризацией и.т. д. Чем "круче" стенки потенциальной ямы, тем труднее осуществляется упругий бесгистерезисный процесс, в частности, растет модуль упругости материала.

2. Под действием поля некоторые слабо связанные частицы перебрасываются из одного положения в другое. После снятия внешнего воздействия устанавливается состояние, статистически эквивалентное исходному. Этот случай реализуется при близости величины некоторых потенциальных барьеров со средней энергией частиц. Такие процессы называются упругогистерезисными (типичный пример - "неупругость" пружин) и характеризуются замкнутыми кривыми, называемыми циклами гистерезиса.

3. Если внешнее поле перемещает частицы через потенциальные барьеры, достаточно высокие по сравнению с тепловой энергией материала, то при снятии внешнего воздействия частицы в исходные положения не возвращаются, появляется остаточный эффект (пластическая деформация металлов, получение постоянных магнитов, электретов и т.д.).

Следует отметить, что увеличение глубины потенциальной ямы ведет к росту напряжения течения при пластической деформации, увеличению модуля упругости, повышению температур плавления и испарения, к снижению коэффициента теплового расширения. Таким образом, зная одни свойства материала можно прогнозировать другие свойства.

1.2 Типы связей

Ковалентная связь. Ионная связь. Металлическая связь. Молекулярная связь.

Для облегчения понимания межатомного взаимодействия будем рассматривать типы химической связи в несколько упрощенном виде, а именно, рассмотрим:

а) гомеополярную или ковалентную связь,

б) гетерополярную или ионную связь,

в) металлическую связь и

г) поляризационную связь или связь Ван-дер-Ваальса (Рисунок 1.2).

Ковалентная связь. Ковалентная связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов с близкими ионизационными потенциалами. В чистом виде ковалентная связь реализуется при взаимодействии элементов с наполовину заполненными электронными оболочками. Из квантовой химии следует, что система из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронных оболочек имеет минимальную энергию в том случае, когда электронные оболочки заполнены полностью. Поэтому атомы с наполовину заполненными электронными оболочками обмениваются электронами. При этом образуются пары электронов с противоположно направленными спиновыми магнитными моментами, причем эти пары принадлежат обоим соседним атомам.

Рис. 1.2. Схема образования ковалентной (а), ионной (б), металлической (в) и молекулярной (г) связи

Появление между положительно заряженными ионами пары отрицательно заряженных электронов приводит к тому, что оба иона притягиваются к обобществленным электронам и, тем самым, притягиваются друг к другу. Каждый атом взаимодействует с ограниченным числом соседей, причем число соседей равно числу валентных электронов атома. Следовательно, ковалентная связь насыщена. Кроме того, атом взаимодействует только с теми соседями, с которыми он обменялся электронами, то есть ковалентная связь направленна.

Увеличение порядкового номера элемента ведет к росту количества электронных оболочек, экранирующих взаимодействие положительно заряженных ядер с валентными электронами. Поэтому уменьшаются сила взаимного притяжения и глубина потенциальной ямы. В результате с ростом порядкового номера элемента снижается температура плавления, растет коэффициент теплового расширения, уменьшается модуль упругости.

Ионная связь. Ионная связь образуется при взаимодействии атомов с малым количеством валентных электронов и атомов с большим количеством электронов на валентных оболочках. При этом наружные электроны атомов с низкими потенциалами ионизации переходят на валентные оболочки атомов с высокими ионизационными потенциалами. В результате образуются положительно и отрицательно заряженные ионы, взаимно притягивающиеся электростатическими силами. Ионная связь ненасыщенна, поскольку каждый из отрицательно заряженных ионов притягивает к себе положительно заряженные, а каждый из положительно заряженных ионов притягивает к себе все отрицательно заряженные. Однако ионная связь направлена, поскольку ион притягивает к себе разноименно заряженные ионы и отталкивает одноименно заряженные.

Уменьшение размера иона и увеличение его заряда ведет к росту энергии связи, следовательно, к росту температуру плавления материала, уменьшению коэффициента теплового расширения и к увеличению модуля упругости.

Металлическая связь образуется между атомами одного или нескольких элементов, у которых валентные электронные оболочки застроены меньше чем наполовину. Поскольку энергия иона минимальна при полностью заполненной внешней оболочке, атомы отдают внешние валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, между которыми находятся свободные электроны (электронный газ).

Каждый из положительно заряженных ионов притягивается к свободным электронам, и, тем самым, ионы притягиваются друг к другу. Металлическая связь не направлена и ненасыщенна, и число ближайших соседей у иона определяется в основном геометрическим и энергетическим факторами. Следовательно, кристаллические решетки металлов упакованы плотно. Под действием электрического поля не связанные с ионами электроны перемещаются, то есть металлы обладают высокой электропроводностью. Свободные электроны могут легко ускоряться и замедляться, то есть менять свою кинетическую энергию. Вследствие этого металлические материалы поглощают кванты электромагнитного поля любой энергии, или металлы непрозрачны для радио- и световых волн в широком диапазоне частот. Поглотив квант электромагнитного поля, свободный электрон возбуждается, и, переходя в стационарное состояние, электрон испускает аналогичный квант. Иначе говоря, металлические материалы отражают радио- и световые волны. Несколько позже покажем, что плотно упакованная решетка металлов является причиной их высокой пластичности. По определению М.В. Ломоносова: “Металлы суть светлые тела кои ковать можно".

Поляризационная связь или связь Ван-дер-Ваальса. Образуется при сближении молекул или атомов инертных газов. Рассмотрим возникновение поляризационной связи на примере инертных атомов.

У одиночного атома электронная оболочка симметрична. При сближении двух атомов электронные оболочки электрически взаимодействуют и деформируются. В итоге атомы превращаются в диполи, которые взаимно притягиваются. Чем больше порядковый номер атома, тем больше у него электронных оболочек, поэтому связь валентных электронов с ядром ослабевает и деформировать ее становится легче. Следовательно, возрастает дипольный момент атома и увеличивается энергия связи между атомами. Поэтому температура кипения тяжелых инертных газов заметно выше температуры кипения легких газов.

Аналогичные процессы происходят и при сближении электрически нейтральных молекул. Причем, чем выше молекулярный вес, тем больший дипольный момент молекул и выше энергия связи. Поэтому вещества с низким молекулярным весом при комнатной температуре являются газами, вещества с большим молекулярным весом - жидкостями, а вещества с еще большим молекулярным весом - твердыми телами.

Важно иметь в виду, что в одном и том же материале одновременно могут реализоваться несколько типов химических связей. Так внутри молекулы полиэтилена связь ковалентная, а между молекулами поляризационная. В алмазе атомы углерода связаны ковалентной связью, а у графита три электрона образуют ковалентную связь, один электрон идет на образование металлической связи, и образующиеся плоские молекулы связаны поляризационной связью.

В ряде случаев наблюдается изменение типа связи при изменении внешних условий. Так, олово является элементом четвертой группы, и в нем должна реализоваться ковалентная связь, но у олова пять электронных оболочек, валентные электроны слабо связаны с ядром. Поэтому при термическом возбуждении электроны отрываются от атомов, и связь становится металлической. До 13°С связь в олове ковалентная, и он является типичным полупроводником - “серое” порошкообразное олово. Выше 13°С связь становится металлической, и олово ведет себя как типичный металл – “белое” олово. Превращение белого олова в серое было причиной гибели экспедиции Р. Скотта. Поскольку канистры с горючим были пропаяны оловом, то при охлаждении белое олово превратилось в серое, и горючее вытекло.

1.3 Кристаллическая структура твердых тел

Элементарная ячейка. Координационное число. Типы кристаллических решеток металлов. Период решетки. Базисное число. Анизотропия.

При невысокой энергии системы ионы находятся в потенциальных ямах (см. рисунок 1.1б), и расположение ионов становится упорядоченным. Упорядоченное расположение атомов принято называть кристаллической решеткой. Для описания кристаллических решеток удобно воспользоваться понятием “элементарная ячейка” - минимальный объем кристалла, полностью сохраняющий все его свойства. Трансляцией элементарной ячейки можно заполнить сколь угодно большой кристалл.

Рисунок 1.3. Элементарная ячейка алмаза (а) и типа NaCl (б)

У элементов четвертой группы ковалентная насыщенная и направленная связь, и у каждого атома четыре соседа. Число ближайших соседей принято называть координационным числом. Элементарную решетку можно представить в виде тетраэдра с одним атомом в центре и 4 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 (Рисунок 1.3 а).

 При образовании ионной связи кристаллические решетки получаются более компактными, координационное число достигает 6. Это связано с тем, что ионная связь ненасыщенна, хотя и направлена. Типичным представителем веществ с таким видом связи является соединение NaCl; кристаллическую решетку такого соединения можно представить в виде примитивного куба, в вершинах которого расположены ионы хлора и натрия. Элементарная ячейка кристаллической решетки такого соединения показана на рисунке 1.3 б.

При образовании металлической связи кристаллические решетки становятся еще более компактными. Координационные числа достигают значений 8 и 12. В металлических материалах, как правило, формируются три типа кристаллических решеток: объемноцентрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП). Элементарные ячейки ОЦК, ГЦК и ГП решеток показаны на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4. Элементарные ячейки ОЦК (а), ГЦК (б) и ГП (в) решеток

ОЦК решетку имеют такие металлы, как вольфрам, молибден, ниобий, a-железо, b-титан, щелочные металлы. Серебро, медь, алюминий, никель, g-железо металлов имеют ГЦК решетку. ГП решетка у магния, цинка, кадмия, a-титана. Металлы с плотноупакованной решеткой, как правило, обладают большей проводимостью, чем металлы с менее плотноупакованной ОЦК решеткой. Это связано с тем, что у металлов с плотноупакованной решеткой повышена плотность электронного газа, следовательно, повышена концентрация носителей заряда – свободных электронов.

В элементарной ячейке ОЦК решетки содержатся 9 атомов (1 - в центре куба и 8 вершинные атомы), ГЦК - 14 атомов (8- вершинные и 6 атомов граней), ГП - 17 атомов.

Размеры кристаллической решетки характеризует расстояние между центрами атомов в вершинах ячеек - параметр или период решетки. Кубическую решетку характеризует один параметр - длина ребра куба а, гексагональную два - а и с и их соотношение с/а. Обычно период решетки металлов 2-6 ангстрем.

Плотность кристаллической решетки (объем занятый атомами) характеризуется координационным числом К, т.е. числом ближайших соседних атомов, окружающих данный атом. Чем выше координационное число - тем больше плотность упаковки атомов.

Нетрудно вычислить, что в ОЦК решетке - наименьшее расстояние между атомами d = 0,5aÖ 3. На этом расстоянии находятся 8 атомов, К=8. Коэффициент заполнения = 0,68. В ГЦК решетке наименьшее расстояние d = 0,5aÖ 2, К=12. Коэффициент заполнения = 0,74. ГП решетка имеет наибольшую плотность при с/ a=1,633, К=12, Коэффициент заполнения = 0,74. Как видим, решетки имеют различную компактность. Например, в ОЦК решетке 1 атом в центре куба и в 8 вершинах 8 атомов, которые одновременно принадлежат 8 соседним ячейкам. Следовательно, 1+(1/8) 8=2 атома. Это число называют базисным для ОЦК решетки. ГЦК решетка имеет базисное число (1/8) 8 + (1/2) 6 = 4, ГП - 3+(1/6) 12+(1/2) 2 =6.

Как видно из рассмотренных типов кристаллических решеток, плотность расположения атомов по различным плоскостям неодинакова. Неодинаковая плотность атомов в различных плоскостях вызывает в них разные физические и механические свойства. Подобная неодинаковость свойств по различным кристаллографическим направлениям называется анизотропией. Анизотропия является важнейшим свойством кристалла. Например, для монокристалла чистой меди (ГЦК) предел прочности в направлении вдоль ребра куба составляет 146 МН/м², а в направлении диагонали основания куба - 350 МН/м².

Очень многие металлы используются в поликристаллическом виде, где обычно кристаллиты ориентированы хаотично, и макроскопические свойства в различных направлениях одинаковы, т.е. квазиизотропны. Однако иногда необходимо получение анизотропных свойств, тогда в материале создают преимущественную ориентировку кристаллографических плоскостей, которая называется текстурой.

1.4 Полиморфные превращения.

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в различных кристаллических формах или модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестраиваются в другую решетку. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низких температурах принято обозначать a, затем b и т.д.

Известны полиморфные превращения a -Fe, b -Fe, a -Co, b -Co, a -Ti, b -Ti, a -Sn, b -Sn, a -Mn, b -Mn, g -Mn, d -Mn. Полиморфное превращение протекает в том случае, если при данной температуре может существовать металл с иной кристаллической решеткой и с меньшим уровнем свободной энергии.

Рассмотрим полиморфизм железа (Рисунок 1.5). В интервале температур 910-1392^оС устойчивым является g-Fe с кристаллической решеткой, имеющей меньшую свободную энергию, чем a-Fe. При температурах ниже 910^оС и выше 1392^оС устойчива модификация a -Fe.

Переход металла из одной модификации в другую в условиях равновесия происходит при постоянной температуре. В результате полиморфного превращения образуются новые зерна, имеющие другой размер и форму. Поэтому такие превращения также называют перекристаллизацией.

Рисунок 1.5. Изменение свободной энергии железа с ОЦК и ГЦК решеткой

Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением свойств металлов: удельного объема, теплоемкости, тепло- и электропроводности, магнитных, механических и химических свойств и т.д.

1.4 Строение полимеров

Полимеры - высокомолекулярные соединения, состоящие из огромного количества молекул (звеньев), называемых мономерами. Обладая способностью соединяться последовательно, мономеры образуют длинные цепи (рисунок 1.6) с линейной (а), разветвленной (б) и пространственной или сетчатой (а) структурами связи, в результате чего получают макромолекулы полимера. Макромолекулы линейных полимеров представляют собой цепи, длина которых в сотни и тысячи раз превышают размеры поперечного сечения, а разветвленные полимеры имеют ответвления; полимеры, у которых наряду с макромолекулами имеются и химические (боковые) связи между линейными цепями, образуют пространственные (сетчатые) структуры. Так, этилен СН₂-СН₂ является мономером и используется для получения макромолекулы полиэтилена. Суммарная формула полиэтилена (-СН₂-СН₂-)_n. Индекс n в формуле обозначает число элементарных звеньев (мономеров), входящих в состав макромолекулы и характеризует степень полимеризации, т. е. степень химического сложения мономеров в полимер за счет раскрытия двойных связей. Оно определяется отношением молекулярной массы М полимера к молекулярной массе т мономера, т. е. n = М/т. При n=20...100 получаются жидкие полимеры (смазочные масла), при n=2000....3000-эластичные материалы и при n> 3000 - жесткие (твердые) материалы.

Рисунок 1.6. Схема строения макромолекулы полимеров: 1- цепеобразные молекулы, 2- боковые связи

Основная часть полимеров состоит из атомов углерода, к которым присоединены другие атомы, например водорода. Если часть или все атомы водорода заменить, например, на атомы фтора, то получим новый ценный полимер-фторопласт, отличающийся очень высокой устойчивостью к различным кислотам, щелочам. Если же ввести атомы фосфора, то полимер приобретает негорючесть; при замене одного атома водорода в молекуле этилена на фенильную группу С₆Н₅ получим мономер фенилэтилен, или стирол, который легко превращается в полимер - полистирол, обладающий исключительными электрическими свойствами.

1.6. Строение неорганических стекол и керамических материалов

В современном материаловедении все более видное место начинают занимать различные неорганические вещества. Многие из них используют в виде кристаллов: кварц (SiO₂), корунд (a -AI₂O₃) и окрашенные кристаллы этого оксида - сапфир, рубин и др., а также рутил (ТiO₂), нитриды, сульфиды и т.д. Однако в гораздо больших масштабах эти же вещества используют в аморфном состоянии в виде стекол.

Неорганическое стекло - это химически сложный, аморфный, макроскопически изотропный материал, обладающий механическими свойствами хрупкого твердого тела. Стекло получается после охлаждения расплава смеси неорганических соединений (в основном оксидов). Их свойства одинаковы по всем направлениям, т.е. они изотропны. При нагреве они не плавятся при постоянной температуре, как кристаллы, а постепенно размягчаются в значительном диапазоне температур, переходя в жидкое состояние. Плавление их при повышении температуры и отвердение при понижении температуры происходит обратимо. По структуре стекла - твердые растворы.

Среди причин аморфного состояния неорганических стекол можно выделить две:

1. В области затвердевания расплав стекла имеет очень высокую вязкость, на 6-8 порядков выше, чем у металлов и жидкостей.

2. Особенности ковалентной связи в оксиде. Как было отмечено, ковалентная связь обладает двумя важными свойствами: насыщенностью и направленностью. Согласно насыщенности химической связи каждый атом стекла в пространстве имеет в соответствии со своей валентностью строго определенное количество "партнеров" по взаимодействию. Например, кремний 4-х валентен. И его атом должен иметь в непосредственном окружении четыре атома кислорода. Причем эти связи могут образовываться не произвольно, а под определенным углом друг к другу (принцип направленности). Все это очень затрудняет формирование регулярной кристаллической структуры. В высоковязкой среде в структуре стекла при охлаждении может образоваться только ближний порядок в расположении атомов.

1.7 Строение аморфных сплавов.

При охлаждении жидкого расплава с весьма высокими скоростями зародыши кристаллов образовываться не успевают, и в твердом состоянии фиксируется структура, характерная для жидкости, названная аморфной. Аморфные состояния получены как для чистых металлов (алюминий, олово и др, Рb) путем охлаждения из паро -газообразной фазы на холодную подложку, так и для сплавов, содержащих неметаллические элементы. Получен аморфный чугун при скорости охлаждения 10⁸ К/с) и ряд магнитных сплавов.

Аморфные материалы являются изотропными, обладают очень высокой прочностью, высоким сопротивлением коррозии и рядом других ценных свойств, и становятся весьма перспективными. Более подробно об аморфных материалах будет рассмотрено в главе 3.

1.8 Дефекты кристаллического строения реальных металлов.

Точечные дефекты. Линейные дефекты: краевая и винтовая дислокации. Контур Бюргерса. Поверхностные дефекты.

Классификация дефектов. Реальный кристалл является поликристаллом, т.е. состоит из многих кристаллов и всегда содержит дефекты строения. Дефекты кристаллического строения подразделяются по геометрическим признакам: точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные) и объемные (трехмерные).

Точечные дефекты. Точечные дефекты по размерам не превышают нескольких атомных диаметров. Могут быть собственными (структурными) и примесными. К элементарным собственным дефектам относят вакансии и межузельные атомы, к примесным - атомы примеси, растворенной по способу замещения или внедрения.

Вакансии - незаполненный узел кристаллической решетки.

Межузельный атом - это собственный атом, расположенный в междоузлии. Если при этом происходит выход атома из узла кристаллической решетки в междоузлие, то образуется вакансия и межузельный атом (парный дефект Френкеля). Если же атом перемещается из нормального положения в узле кристаллической решетки на поверхность кристалла, то образуется вакансия (дефект Шоттки).

Вокруг точечных дефектов кристаллическая решетка сильно искажена, следовательно, их образование всегда требует затраты энергии. Однако присутствие точечных дефектов в определенных концентрациях, зависящих от температуры, является термодинамически выгодным, так как свободная энергия системы при наличии дефектов какой-то равновесной концентрации уменьшается.

Если один из атомов, расположенных около вакансии, получает от соседних атомов избыток энергии, то он преодолевает потенциальный барьер Е_св и перемещается в свободный узел, т.е. атом и вакансия обменивается местами (Рисунок 1.7). Таким путем осуществляется миграция вакансий. Вакансии появляются и исчезают на других дефектах решетки. Тепловые вакансии образуются в основном на свободной поверхности кристалла. Большое количество точечных дефектов образуются при пластической деформации, а также при облучении кристаллов частицами с большой энергией.

Поле напряжений, которое создает вакансия в кристалле, является близкодействующим. Поэтому взаимодействие между вакансиями на больших расстояниях отсутствует. На близком расстоянии две вакансии всегда притягиваются, образуя дивакансию. Подвижность дивакансий больше, чем подвижность одиночных вакансий. Возможно также образование тривакансий.

Рисунок 1.7. Схема образования и миграции вакансий

Линейные дефекты. Особым и важным видом линейных дефектов являются дислокации. Наиболее простой и наглядный способ введения дислокаций в кристалл - это сдвиг (Рисунок 1.8). В результате сдвига выше плоскости сдвига оказывается на одну вертикальную плоскость больше, чем ниже ее. Она не имеет продолжения ниже плоскости сдвига, и такую неполную плоскость называют экстраплоскостью. Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости называется краевой дислокацией (ядром дислокации). Краевая дислокация является линейным дефектом.

Рисунок 1.8. Схема образования дислокации при сдвиге

Дислокацией называется линейное несовершенство, являющееся границей зоны сдвига внутри кристалла. Эта граница отделяет ту часть плоскости скольжения, где сдвиг прошел, от той части, где он еще не начинался.

Экспериментально установлено, что на полированной поверхности кристалла после деформации остаются следы в виде линий сдвига. Причем сдвиги происходят по наиболее плотноупакованным плоскостям.

Движение дислокации перпендикулярно экстраплоскости называют скольжением или консервативным движением, вдоль - перпендикулярно плоскости скольжения - переползанием или неконсервативным движением.

Чтобы представить винтовую дислокацию, возьмем идеальный кристалл, надрежем его вдоль какой-нибудь плоскости и сместим одну часть кристалла относительно другой (Рисунок 1.9). Название винтовой дислокации связано с тем, что ее введение в кристалл превращает семейство параллельных атомных плоскостей в сплошную винтовую поверхность. В отличие от краевой, винтовая дислокация может переходить из одной плоскости в другую без переноса массы - скольжением.

Рисунок 1.9. Схема образования винтовой дислокации

Чтобы оценить степень искажения решетки, вызванной дислокацией, следует сравнить несовершенный кристалл, содержащий дислокацию, с совершенным кристаллом. Для этого строят контур Бюргерса - замкнутый контур, построенный в реальном кристалле путем последовательного обхода дефектов от атома к атому в совершенной области кристалла. Сумма всех упругих напряжений, накопленная при обходе по контуру Бюргерса, проявляется в виде невязки. Поэтому вектор Бюргерса, замыкающий в совершенном кристалле контур Бюргерса, является мерой искажения решетки, которая вызвана дислокацией. Вектор Бюргерса определяет энергию дислокации, действующие на дислокацию силы, величину связанного с дислокацией сдвига, влияет на подвижность дислокации.

Смешанная дислокация, как следует из ее названия, может быть разложена на краевую и винтовую составляющие.

Поверхностные дефекты. К поверхностным дефектам относятся границы зерен и субзерен. Границей зерен, а также субзерен называют поверхность, по обе стороны от которой кристаллические решетки различаются пространственной ориентацией. Эта поверхность является двухмерным дефектом, имеющим макроскопические размеры в двух измерениях и атомные - в третьем измерении.

Границы с разориентацией соседних зерен менее ~10^о относят к малоугловым, а с большей разориентацией - к высокоугловым (большеугловым).

1. 9 Строение металлических сплавов

Твердые растворы замещения, внедрения, вычитания. Промежуточные фазы: химические соединения, электронные соединения, фазы внедрения, фазы Лавеса.

Чистые металлы применяют в качестве конструкционных материалов ограниченно. Если чистые металлы легировать другими металлами или металлоидами, то получаются сплавы с требуемым составом и свойствами.

Сплавы обычно состоят из двух или более основных (сплавобразующих) элементов, называемых компонентами. По числу компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т. д. Сплавы, получаемые преимущественно из металлических элементов и обладающие металлическими свойствами (металлический блеск, пластичность, электро- и теплопроводность и др.), называют металлическими сплавами.

Металлические сплавы имеют также кристаллическое строение. Компоненты в сплавах могут взаимодействовать между собой, в результате образуя различные фазы – однородные обособленные части сплава, имеющие одинаковые состав, строение, свойства. При кристаллизации сплавы могут быть получены в виде

· твердого раствора,

· промежуточных фаз (или соединений)

Твердый раствор образуется тогда, когда компоненты сплава обладают взаимной растворимостью как в жидком, так и в твердом состоянии. Твердый раствор - однородное (однофазное) кристаллическое тело переменного состава, имеющее кристаллическую решетку одного из компонентов, поскольку в решетку основного компонента (растворителя) входят атомы растворенного элемента. При этом возможно образование твердых растворов двух типов: 1) твердые растворы замещения 2) твердые растворы внедрения. Кроме того, на базе химического соединения еще различают твердые растворы вычитания.

В твердом растворе замещения (Рисунок 1.10, а) атомы растворенного элемента замещают атомы растворителя в узлах кристаллической решетки. При этом параметры решетки растворителя изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атомный диаметр растворенного элемента больше атомного диаметра растворителя, то элементарная ячейка решетки этого раствора искажается и увеличивается, в противном случае она сокращается.

Рисунок 1.10. Схема образования твердых растворов замещения (а) и внедрения (б)

Твердые растворы могут быть неограниченные (непрерывные) и ограниченные (граничные). Растворимость элементов в твердом состоянии уменьшается при увеличении различия в атомных радиусах (размерный фактор), валентности (химический фактор). Неограниченная растворимость возможна у компонентов с одинаковой кристаллической решеткой (структурный фактор), при близком строении валентных оболочек и соблюдении размерного фактора, когда разность атомных радиусов компонентов не превышает 8%. Неограниченные твердые растворы образуют медь с золотом, никелем, a-Fe с хромом, g- Fe с никелем и др.

В твердом растворе внедрения (Рисунок 1.10, б) атомы растворенного элемента размещаются между атомами растворителя в его кристаллической решетке, как межузельный атом. Для образования твердого раствора внедрения необходимо, чтобы отношение атомного радиуса растворенного элемента к атомному радиусу растворителя было равно или меньше 0,59. При образовании твердых растворов внедрения параметр решетки растворителя всегда увеличивается, что приводит к значительному искажению решетки. Твердые растворы внедрения обычно получаются тогда, когда металл растворяет неметаллический элемент (водород, азот, углерод, бор и др.) с малыми атомными размерами. Например, твердый раствор азота (атомный радиус 0,071 нм) в g -железе (атомный радиус 0,126 им) представляет собой твердый раствор внедрения. Отношение атомного радиуса азота к атомному радиусу g -железа равно 0,56.

В твердом растворе вычитания, образующемся на базе химического соединения, атомы растворенного элемента замещают атомы растворителя в узлах кристаллической решетки, но отдельные узлы остаются незанятыми (“пустыми”). Это происходит тогда, когда на базе химического соединения (например, закиси железа FеО) получается твердый раствор растворением одного из элементов (кислорода), составляющих химическое соединение (FеО). Растворение происходит не замещением атомов железа атомами кислорода, а изъятием некоторого числа атомов железа из узлов решетки химического соединения FеО, и в результате появляются “пустые места” (“дырки”). Твердые растворы вычитания образуются также при растворении титана в карбиде титана или ванадия в карбиде ванадия.

Промежуточные фазы, в отличие от твердых растворов, имеют собственную кристаллическую решетку, которая отличается от кристаллической решетки компонентов, образующих эту фазу. Они могут быть, как и твердые растворы, переменного состава и постоянного состава. Промежуточные фазы многочисленны и разнообразны, и пока не существует их полной классификации. Рассмотрим фазы, наиболее часто встречающиеся в промышленных сплавах.

Химическое соединение образуется при сплавлении разных металлов или металла с неметаллом. Химическое соединение - однородное кристаллическое тело, имеющее свою решетку с упорядоченным расположением к ней атомов компонентов и свои специфические свойства, отличные от решеток и свойств исходных компонентов.

Химические соединения образуются при строго определенном соотношении компонентов и могут быть выражены формулой. Так, при сплавлении меди и алюминия получается интерметаллидное соединение СuАl₂, имеющее тетрагональную кристаллическую решетку (медь и алюминий имеют ГЦК решетку); в системе титан-алюминий образуются два соединения: TiAl и Ti₃Al.

Если химическое соединение получается сплавлением двух металлов (медь-алюминий, магний-свинец), то в узлах решеток располагаются нейтральные атомы и положительно заряженные ионы, электроны которых образуют электронный газ и осуществляют металлическую связь. При образовании химического соединения металла с неметаллом (железо-углерод) атом металла отдает валентные электроны и становится положительно заряженным ионом, а атом неметалла принимает электроны и становится отрицательно заряженным ионом. Положительно и отрицательно заряженные ионы, притягиваясь, осуществляют ионную связь.

Химические соединения плавятся и дисосциируют при постоянной температуре.

Фазы с металлическим типом связи (фазы внедрения) образуются при взаимодействии переходных металлов и неметаллов – углерода, азота, водорода, бора. Если при этом отношение радиусов R_НМ /R_М <0,59, образуются фазы с простыми кристаллическими решетками. Примером таких фаз являются карбиды, например TiC, NbC, W₂C, нитриды Fe₄N, гидриды ZrH₄. Если отношение радиусов R_НМ /R_М >0,59, атом неметалла не может расположиться в поре решетки металла, образуются фазы со сложными кристаллическими решетками с большим количеством атомов в элементарной ячейке. Примером таких фаз являются карбиды типа Fe₃С, карбиды хрома Cr₂₃C₆, Cr₇C₃.

Электронные фазы – фазы переменного состава, для которых характерно определенное значение электронной концентрации, e:n, т.е., отношение числа валентных электронов к числу атомов. Обычно e:n принимает значения 3:2, 21:13, 7:4. Указанные концентрации можно выразить химической формулой. Например, в сплавах меди с цинком все электронные фазы будут CuZn, Cu₅Zn₈ CuZn₃.

Фазы Лавеса – фазы практически постоянного состава типа А₂В образуются при взаимодействии самых различных компонентов; образование их определяется размерным фактором: атомный радиус элемента В меньше, чем атомный радиус элемента А на 20-30%.

Механическая смесь образуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава обладают полной нерастворимостью в твердом состоянии. Металлы, образующие такие сплавы, сохраняют свою кристаллическую решетку. Механические смеси образуют металлы, существенно отличающиеся атомными объемами и температурой плавления.

Вопросы для самоконтроля

1. Чем отличается электронное строение атомов переходных металлов от электронного строения атомов простых металлов?

2. Чем объясняется высокая электропроводность металлов?

3. Что характеризует координационное число кристаллической решетки?

4. Что характеризует базис кристаллической решетки?

5. Каковы причины появления точечных дефектов в кристаллической решетке?

6. Что характеризует вектор Бюргерса дислокации?

7. Какой системой с точки зрения количества фаз является поликристаллическое железо?

8. Что общего и какие различия у твердых растворов замещения и внедрения?

9. Чем обусловлено упрочнение сплавов при образовании твердых растворов?