Конспект лекций по материаловедению

1.   Связи атомов и молекул.

В-во в твердом, жидком и газообразном состоянии или состоянии плазмы состоит из атомов, молекул, ионов.

Молекула – из 1 или нескольких атомов – наименьшая часть вещества, обладающая его химическими свойствами.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов.

Атом, отдавая или присоединяя электрон, превращается в “+” или ” - ” заряженный ион.

Размеры атома колеблются от одного до нескольких ангстрем.

1А=10^-10м

В зависимости от строения внешних электронных оболочек атом в молекуле образует различные химические связи.

Ковалентная связь - возникает при обобществлении электрона двумя соседними атомами.

Например, H₂

На рисунке а) показана планетарная модель атома и молекулы b).

При движении электрона м/у ядрами создается как бы избыток “-” заряда. Это способствует сближению атомов и прочности их связи.

Неорганические вещества могут иметь высокую твердость, тугоплавкость, химическую инертность.

Например алмаз имеет max твердость , а температура разложения корбида кремния SiC = 2600^◦C. Валентная связь типична и для органического вещества.

Если центры одинаковыхпо величине “+”и”-” зарядов совпадают, то молекула неполярна (рис 1.1)

Если центры не совпадают, то молекла полярна (диполь с моментом p=ql)

онная связь – обусловлена притяжением “+”и”-” ионов.

Молекула с ионной связью полярна. Ионная связь так же прочна , например t_{плавления} Al₂O₃ =2040^◦C.

t_{плавления} MgO =2800^◦C.

Металлическая связь существует в системе из “+” заряженных ионов, находящихся в среде всободных электронов “электронный газ”.

Из-за ”электронного газа” металлы обладают высокой тепло и электро проводностью. Металлическая связь прочна. У вольфрама t_{плавления}=3380^◦C.

Моллекулярные связи

Существуют м/у отдельными молекулами за счет электростатического напряжения имеющихся в них зарядов противоположных знаков(силы ванДер Ваальса). Эти связи удерживают вместе молекулы с твердом водороде, азоте и др.

Особым видом молекулярной связи является связь, осуществляемая через ион водорода, расположенный м/у 2-мя ионами соседних молекул. Водородная связь имеется в воде и некоторых органических соединениях, а так же в кристаллах.

§2 Строение твердого вещества

Твердые вещества бывают:

Кристаллическими

Аморфными

Кристалло-аморфными

Кристаллическое тело может состоять из отдельного кристалла – монокристалл или из большого числа маленьких кристаллов(зерен), соединенных м/у собой - поликристалл(металлы, керамики, горные породы).

Монокристаллы обычно анизотропны(те их свойства зависят от направления).

В кристалле атомы занимают положения, называемые узлами кристаллической решетки, которая состоит из периодически повторяющихся элементарных ячеек – дальний порядок.

Локальные отклонения от регулярного расположения частиц называются дефектами кристаллической решетки. (Незанятые узлы в кристаллической решетке – вакансии, смещение атома из узла в междуузелье, внедрение в решетку чужеродного атома или иона называют точечными деффектами).

Точечные дефекты кристаллической решетки:

Пустой узел

Собственный ион в междуузелье

Чужеродный ион в муждуузелье

Существуют и линейные дефекты. В этом случае искажение кристаллической решетки захватывает не одну элементарную ячейку, а ряд соседних (дислокации и двойники).

У аморфного тела определенный порядок расположения атомов соблюдается только в пределах элементарной ячейки – ближний порядок.

Аморфное вещество часто называют переохлажденной жидкостью, тк ближний порядок существует и в жидкости. Вещества могут находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии, в зависимости от скорости охлаждения. Например, в кристалле и стеклообразном кварце элементарная ячейка построена в виде тетраэдра, в центре которого находится атом кремния, а вершинах – кислорода. В аморфном кварце эти ячейки хаотически повернуты относительно любой проведенной плоскости. В кристалле же все атомы расположены не только под одним пространственным углом, но и сохранят плоскую симметрию, которой обусловлено чередование атомов Si и O.

Аморфные вещества не имеют четко выраженной t плавления и переходят из твердого состояния в жидкое постепенно размягчаясь. Некоторые имеют смешанную аморфно-кристаллическую структуру, например керамические материалы(неорганические материалы, полученные объединением неметаллических частиц).

§3 Свойства поверхности и объема

Тепловое расширение – способность материала расширяться при нагревании. Характеризуется коэффициентом линейного расширения a, показывающим на какую долю первоначальной длины расширяется тело при повышении t на 1 градус.

Для металлов a=(10-20)*10^-6 град^-1

Для керамик и полимеров a=(3-5)*10^-6 град^-1

Теплоемкость – способность материала при нагревании поглощать определенное количество тепла. Характеризуется удельной теплоемкостью С [Дж/(кг*к)]

Для металлов С=0,76-0,92 к Дж/(кг*к)

У органических материалов теплоемкость выше, например С_{древесины}=2,7 к Дж/(кг*к)

Теплопроводность – способность материала передавать тепло через толщу от одной своей поверхности к другой. Характеризуется коэффициентом теплопроводности l [Вт/(м*к)].

Из всех веществ наименьшей l обладает воздух в виде неподвижных пузырьков воздуха – 0,023 Вт/(м*к) – поэтому пористость материала снижает его теплопроводимость. Тк l воды в 25 раз > l воздуха, то с увеличением влажности материала теплопроводность возрастает.

Гигроскопичность - способность поглощать водяные пары из воздуха. Поглощение(сорбция) водяных паров сопровождается капиллярной конденсацией те сжижением пара в жидкости, а иногда и химическими взаимодействиями с материалом – химосорбцией, которая , например, ухудшает изоляционные свойства вещества.

Электропроводность - способность материала проводить электрический ток. Характеризуется удельной проводимостью d [Oм^-1*м^-1]. Величину r=1/d называют удельным сопротивлением; Для имеющегося сопротивления R образца длиной L с постоянным поперечным сечением S

Электропроводность различают по типу основных носителей зарядов: ионная, электронная, малионная.

Огнеупорность – способность материала без размягчения и заметной деформации выдерживать длительные воздействия температуры > 1580°С. К огнеупорным материалам относят карбид кремния, используемый для электрообогревателей.

Радиационная стойкость – способность сохранять свойства при воздействии корпускулярного и электромагнитного излучения высокой энергии. К корпускулярному излучению относятся быстрые и медленные нейроны, осколки ядер, a, b - частицы; к волновому излучению относят рентгеновские и  лучи.

Часто радиационную стойкость выражают необходимым числом частиц на единицу площади для ухудшения характеристик, например нейрон / м² .

Полупроводниковые материалы повреждаются дозой 10¹⁸ нейрон / м² . Многие диэлектрики обладают лучшей радиационной стойкостью, выдерживая дозы 10²² нейрон / м².

Пластичность – способность материала сохранять остаточную деформацию после снятия нагрузки. Характеристиками пластичности являются относительное остаточное удлинение

И относительное остаточное сужение

§4 Сопротивление разрушению.

Основным из этих свойств является прочность те способность объекта воспринимать нагрузку без разрушения. Прочность характеризуют зависимостью долговечности (времени до разрушения от напряжения).

 

 Кривые длительной прочности при разных температурах T₁>T₂>T₃

Чем больше постоянное напряжение s, тем меньше долговечность.

Кривые длительной прочности стремятся к асимптоте s=s₀. Напряжение s₀ – предел прочности . Ему отвечает бесконечно большая долговечность, те без превышения этого напряжения тело не разрушается.

Ограниченная долговечность при s>s₀ указываетна то, что под действием нагрузки в материале накапливается повреждение. Эксперементальные исследования этого процесса показали, что он включает миграцию дефектов кристаллической решетки, их объединение, создание микротрещин, постепенное увеличение их концентрации, объединение микротрещин с образованием магистральной трещны, развитие магистральной трещины с постепенным увеличением скорости(до скорости, соизмеримой со скоростью звука).

В реальных материалах существую дефекты. Долговечность изделий из таких материалов отределяется временем развития до критических размеров дефектов, существующих в изделии. Старт дефектов происходит при s>s₀ . Наиболее опасными дефектами являются трещины, в устье которых сходяться межатомные состояния.

Развитию тещины предшествуют плвстические и микропластические деформации перед фронтом трещины, что при нагрузке приводит к несовпадению рельефа в устье трещины.

Устье трещины в кристаллическом теле; стрелками отмечены зоны с остаточной деформацией. Микропластические деформации развиваются в пределах одного или нескольких зерен; дальнейшее их развитие сдерживается границами зерен.

Это несовпадение вызывает шумы трения перед окончанием разгрузки. Современная статическая аппаратура позволяет регистрировать эти шумы и тем самым без разрушения издеоия определять нагрузку L₀, отвечающую s₀

Медленние развитие трещины под нагрузкой L может продолжаться часы, дни и доже годы в зависимости от отношения L/L₀ . Это развитие завершиться катастрофическим разрушение те разделением объекта магистральной трещиной. Условие этого разрушения определено Гриффитсом-Ирвиным, как

, где s - напряжение

a – длина трещины

Y – коэфициент, учитывающий форму дефекта, а так же соотношение его разрмеров и размеров тела.

K – коэфициент интенсивности напряжений. K_c критическое значение K для данного материала (характеризует сопротивление материала, трещиностойкость, часто называется вязкостью разрушения)

Как ясно из условия Гриффитса предел прочности  те тем меньше, чем больше размер имеющегося в теле дефекта. С уменьшением размера тела уменьшается и максимальный рамер опасного жефекта, а значение s_пр возрастает. Этот эффект получил название масштабного фактора и широко используется для создания высокопрочных материалов. Если из массы, используемой для пиготовления оконного стекла вытянуть нити d=1мм и соткать из них стекло – ткань, а затем склеить ее слои, то предел прочности такого материала увеличивается в 20 раз.

Для быстрой оценки предела прочности без разрушения часто используют пробу на твердость.

Твердость – это способность материала противостоять проникновению в него другого тела. Твердость определяется методом царапания или методом вдавливаия каменного шарика (твердость которого повышена термообработкой). В инжинерной практике используют пробу Бренеля, вдавливая в поверхность каменный шарик. Твердость по Бринелю HB=F/S F – максимальное значение приложенной нагрузки, S – площадь сферической поверхности отпечатка.

Термостойкость – стойкость термических удатов те срапроивление разрушению при быстрой смене температур.

Ее оценивают по числу термоциклов, необходимых ля разрушения образца.

Химическая стойкость – стойкость против коррозии (разьедание, разрушение под действием среды). Характеризуют либо массой вещества, притерпевающей химическое изменение за какое – либо время, либо измением других свойств. Иногда выделяют стойкость против биологического воздействия те сопротивление разрушению микроорганизмами.

Глава 2 Конструкционные материалы

§1 Характеристика основных классов.

Отличительной особенностьюновых направлений техники является интенсификация рабочих процессов, что связано с ростом рабочих t и давления, ускорением электрических превращений. В связи с эим конструкционные материалыдолжны обладать механической прочностью, огнеупорностью, хим и терм стойкостью.

Материалы, обладающие при высокой t сверхпроводниковыми, диэлектрическими и оптическимии свойствами называются конструкционными.

В настоящее время выделяют 4 осноных класса кострукционных материалов:

·     Металлы и их сплавы

·     Материалы на основе полимеров

·     Камни(природные), искуственные в тч керамика, стекло

·     Композиты этих материалов

Для материалов и сплавов характерны пластичность и электропроводность, хорошая механическая прочность, но низкая химическая стойкость (легко окисляются при нагревании и плавяться или испаряются)

Основным достоинством полимеров и материалов является химическая стойкость, легкость, сравнительная дешевизна, электроизоляционные свойства. Пласмассы могут быть получены в виде тонких нитей и пленок, однако легко разрушаются при нагревании и имеют относительно низкую прчность.

В электрической технике используют как природные камни(мрамор для электрощитов), так и искуственные: бетон(крупно и мелко зернистый), керамику, стекло.

Бетон используют для массивных элементов конструкций (опор ЛЭК), мелкозернистый бетон исползуют в частности для крепления электроизоляторов стержневых и подвесных.

Керамика - неорганический материал, полученный консолидацией неметаллических частиц. Их консолидацию можно достичь либо стеканием (обжигом), либо минеральными вяжущими веществами, например цементом(с учетом этого определения бетон можно рассматривать, как безобжиговую керамику).

Неорганическое стекло – это гомогенная масса, полученная при столь быстром охлаждении расплава минералов, что не успевают образоваться центры кристаллизации. Промежуточное положение м/у стеклом и керамикой – стеклокерамика(ситаллы), в которой успевают образоваться отдельные центры кристаллизации. Стеклокераммические материалы отличаются от некоторых стекол более высокой ударопрочностью, твердостью, огнеупорностью.

§2 Сплавы, диаграммы состояния двухкомпонентного сплава.

Как конструкционный материал металлы в чистом виде почти не используют. Материалы и сплавы принято делить на черные и цветные.

Черные  - железо, никель, хром, марганей и их сплавы: сталь, чугун.

Цветные – медь, свинец, цинк, алюминий олово и их сплавы: бронза, латунь, алюминиевые сплавы и тд

Сплав – вещество, полученное сплавление двух иди более элементов, которые называют компонентами.

Фаза – однородая по химическому составу и структуре часть сплава. А и В их химическое соединение, жидкий или твердый раствор А в В или В в А.

Твердый раствор образуется при проникновении атомов одного компонента в кристаллическую речетку другого, называемого растворителем.

Диаграмма состояния – график, отражающий зависимость фазового состава от температури и концентрации компонентов. Температуру указывают по оси ординат, концентраци по оси абцисс

При охлаждении чистого металла, как и при охлаждении воды на графике изменения T во времени (рис 2)

Горизонтальный участок, обусловленный кристаллизацией при T_{плавления} (1 и 6 кривые). При охлаждении сплава првые кристаллы появляются при температуре…

Здесь ACD - линия начала кристаллизации сплавов (линия ликвидус); AECF - линия окончания кристаллизации сплавов (линия солидус), PSK- линия перлитного или эвтектоидного превращения (соответствует температуре перестройки решетки при охлаждении А, содержащего 0,8 % С); GS - линия превращения А в Ф при охлаждении (зависимость температуры перестройки кристаллической решетки от концентрации С в А); SЕ - линия предельной растворимости С в А (зависимость растворимости С в Fe от температуры).

§3 Классификация электротехнических метериалов.

ЭТМ – материалы, исполуемые в электротехнике, в частности в электронной и радио технике.

Их классифицирут по поведению с электрическом иди магнитном поле.

3.1 Классификация ЭТМ по поведению в магнитном поле.

Клоссификация ЭТМ по поведеню магнитном поле ведут по значению относительной магнитной проницаемости

, где В – магнитная индукция

Н- напряженность магнитного поля

m₀ – магнитная постоянная

Слабомагнитные материалы (m»1):

1.   Диамагнетики

2.   Парамагенитки

3.   Антиферромагнетики

Диамагнетики – вещества с m<1, которые не зависит от напряженности магнитного поля. Зависимомть m от T слабая. Внешним проявление диамагнетика является выталкивание его из неоднородного магнитного поля.К диамагеникам относяться медь, серебро, цинк, золото, водород и инертные газы. Для Сu m=0,999995

Парамагнетики – вещества с m³1, которое не зависит от напряженности магнитного поля. Зависимомть m от T сильная. К ним относяться платинум, алюминий, кислород, воздух(m=1,000003) , оксид азота и тд

Антиферромагнетики - вещества с m³1, и сильно зависящие от напряженности магнитного поля. Зависимомть m от T сильная. При нагревании антиферромагнетики фазовый переход в парамагнитные состояния. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца, оксидов редкоземельных элементов (элементы с номерами 57-71)

В диамагнетке внешнее магнитное поле ослабляется, а в парамагнетике и антиферромагнетике усиливается магнитными моментами атомов.

Магнитный момент атомов - образуется геометрически из магнитных моментов всех его электронов.

Магнитный момент электрона состоит из мангитных моментов, обусловленных вращением вокруг ядра и вокруг собственной оси. Первый из них называется орбитальным, а второй спиновым магнитным моментом.

Сильномагнитные материалы m>>1 или магеники – вещества m которых в большей степени зависит от напряженности магнитного поля и температуры. В кристаллах магнетика существуют области (домены) и в домене магнитные моменты атомов параллельныдруг другу и создают магнитный момент домена .

При отсутствии внешнего магнитного поля домены магнитных моментов отдельных атомов различны при наложении внешнего магнитного поля происходит постепенный рост числа доменов, намагниченность которых совпадает с внешним полем или близка к направлению внешнего поля. Когда все магнитные моменты доменов сорентированы по полю, то наступает магнитное насыщение .

По удельному сопротивлению магнетикиделят на