- •I. Строение веществ. 5
- •I. Строение веществ.
- •1. Межатомное взаимодействие.
- •2. Типы химических связей.
- •3. Кристаллическая структура твердых тел.
- •4. Дефекты кристаллических решеток.
- •4.1 Точечные дефекты решетки
- •4.2 Линейные дефекты кристаллической решетки.
- •4.3 Поверхностные дефекты кристаллической решетки.
- •4.4 Объёмные дефекты кристаллической решетки.
- •4.5 Энергетические дефекты кристаллической решетки.
- •5. Основы теории сплавов.
- •6. Диаграммы состояния сплавов и закономерности Курнакова.
- •7. Строение электронных зон. Проводники, диэлектрики и полупроводники.
- •II. Кристаллизация металлов
- •1. Самопроизвольная кристаллизация
- •2. Несамопроизвольная кристаллизация
- •3. Получение монокристаллов
- •4. Аморфное состояние металлов
- •5. Полиморфизм
- •III. Проводниковые материалы
- •1 Материалы высокой электропроводности.
- •2 Материалы высокого удельного сопротивления.
- •2.1 Сплавы на основе меди.
- •2.2 Никель-хромовые сплавы.
- •2.3 Железохромалюминиевые сплавы
- •2.4 Сплавы на основе благородных металлов.
- •3 Материалы электрических контактов
- •3.1 Зажимные контакты
- •3.2 Цельнометаллические контакты
- •3.3 Материалы разрывных контактов.
- •3.4 Материалы скользящих контактов.
- •IV. Магнитные материалы
- •1. Природа ферромагнетизма.
- •1.1. Доменная структура ферромагнетиков.
- •1.2. Кривая намагничивания
- •2. Основные классы магнитных материалов.
- •2.1. Промышленные магнитомягкие материалы
- •Электротехническая сталь
- •2.2 Магнитомягкие материалы для работы в слабых полях
- •2.3 Магнитомягкие материалы, предназначенные для работы в высокочастотных полях.
- •3. Магнитотвердые материалы
- •3.1 Промышленные магнитотвердые материалы.
- •3.2. Дисперсионно твердеющие сплавы
- •3.3 Деформируемые магнитотвердые материалы.
- •3.4 Магнитотвердые ферриты
- •3.5 Высококоэрцитивные магниты.
4. Аморфное состояние металлов
При сверхвысоких скоростях охлаждения из жидкого состояния диффузионные процессы настолько замедляются, что подавляется образование зародышей и рост кристаллов. В этом случае при затвердевании образуется аморфная структура. Материалы с такой структурой получили название аморфные сплавы или металлические стекла.
Аморфное состояние обеспечивает металлическим материалам свойства, значительно отличающиеся от свойств соответствующих материалов с кристаллической структурой. Так, получены в аморфном состоянии так называемые магнитомягкие материалы, которые очень легко перемагничиваются, а так же магнитотвердые материалы, которые трудно размагнитить. При этом магнитные свойства материала малочувствительны к механическим воздействиям на него. Удельное электрическое сопротивление аморфных металлических материалов в 2 — 3 раза выше, чем у аналогичных сплавов с кристаллической структурой. Аморфные металлические материалы удачно сочетают высокие прочность, твердость и износостойкость с хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью. Большое практическое значение имеет также и возможность получения аморфных металлов в виде ленты, проволоки диаметром несколько микрометров непосредственно при литье, минуя такие дорогостоящие операции, как ковка, прокатка, волочение, промежуточные отжиги, зачистки, травление.
5. Полиморфизм
Ряду веществ свойственны не одна, а две и более структур, устойчивых при различных температурах и давлениях. Такие структуры называются полиморфными модификациями, или полиморфными формами. Полиморфные модификации принято обозначать греческими буквами. Модификацию, устойчивую при низких температурах, обозначают буквойα, а при более высоких - β.
Полиморфизм весьма распространенное явление. Железо, титан, кобальт, олово, углерод, сегнетоэлектрики, кварц и многие другие материалы могут существовать в различных полиморфных модификациях.
Естественно, полиморфные, модификации отличаются между собой не только структурой, но и свойствами. Например, α-олово, устойчивое ниже 13° С, является хрупким полупроводником, а β-олово— весьма вязкий металл.
При полиморфизме особо резкие изменения свойств наблюдаются при изменении не только структуры, но и типа химической связи.
Полиморфизм играет в материаловедении и технологии важную практическую роль. Переводя материал из одной полиморфной модификации в другую, можно управлять его свойствами. Например, практически освоено получение алмазов из графита нагревом его под давлением 100000 атм. до температур примерно 2000° С.
III. Проводниковые материалы
Важнейшей характеристикой проводниковых материалов является их электропроводность. Электропроводность это величина обратная электрическому сопротивлению.
где σ – удельная электрическая проводимость;
ρ – удельное электрическое сопротивление.
Ее значение можно вычислить по формуле:
где n – концентрация носителей заряда;
q – величина заряда носителей;
μ – подвижность носителей заряда;
Подвижность носителей заряда характеризует скорость их перемещения под действием электрического поля (Рис. 26). Численно она равна скорости перемещения частиц под действием электрического поля единичной напряженности.
Рис. 26. Движение свободных носителей в проводнике.
На подвижность электронов в металле оказывают влияние два фактора: наличие дефектов кристаллической решетки и строение внутренних электронных оболочек атомов. При любом искажении кристаллической решетки распространение электронных волн затрудняется, что эквивалентно снижению подвижности электронов. Наличие незаполненных внутренних электронных оболочек у атомов также снижает подвижность электронов. В этом случае свободные электроны могут временно захватываться незаполненными внутренними оболочками атомов. Поэтому электропроводность переходных металлов, с незаполненными внутренними электронными оболочками, существенно ниже электропроводности обычных металлов.
Концентрация носителей заряда n в металлах практически постоянна и не зависит от температуры. Носителями заряда в металлических материалах являются свободные электроны, появляющиеся при образовании металлической связи. В этом случае валентные электроны отрываются от атомов и обнажается полностью заполненная электронная оболочка. Валентные электроны становятся свободными и могут перемещаться по всему кристаллу, образуя «электронный газ». Чем плотнее упакована кристаллическая решетка металлов, тем выше плотность электронного газа, и, соответственно, выше проводимость материала. В этой связи следует ожидать что электропроводность металлов с ГЦК решеткой будет выше, чем электропроводность металлов с ОЦК решеткой.
Все проводниковые материалы можно условно разделить на три группы: 1) материалы высокой электропроводности, используемые для изготовления проводников; 2) металлические материалы высокого удельного электрического сопротивления, применяемые для изготовления резисторов и нагревательных элементов; 3) материалы для изготовления контактов.
Очевидно, что у материалов высокой электропроводности и контактных материалов электропроводность должна быть велика, тогда как электропроводность материалов высокого электросопротивления должна быть мала.