Физика металлов
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Д.О. Панов, С.А. Коковякина
ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2013
УДК 621.74: 669 П16
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор Ю.Н. Симонов (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
канд. техн. наук А.П. Каменских (ООО «Востокпромэкология», г. Пермь)
Панов, Д.О.
П16 Физика металлов : учеб. пособие / Д.О. Панов, С.А. Коковякина. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.
ун-та, 2013. – 94 с.
ISBN 978-5-398-01096-1
Изложено краткое содержание курса физического металловедения, вобравшего в себя теорию связи в твердых телах, теорию твердых растворов, а также теорию диффузии и фазовых превращений.
Предназначено для студентов специальностей «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов», «Материаловедение в машиностроении», «Материаловедение и технология новых материалов» очной и заочной формы обучения.
УДК 621.74: 669
ISBN 978-5-398-01096-1 |
© ПНИПУ, 2013 |
Содержание
Введение.................................................................................................... |
4 |
|
1. |
Межатомное взаимодействие и кристаллическое |
|
строение твердых тел............................................................................... |
5 |
|
2. |
Строение кристаллической решетки металлических |
|
элементов и ихсвойства в зависимости от положения |
|
|
в Периодической системе Д.И. Менделеева ..................................... |
23 |
|
3. |
Теории электронов истроение атома.............................................. |
31 |
4. |
Теория твердыхрастворов иметаллические соединения........... |
44 |
5. |
Диффузия в твердых телах................................................................ |
64 |
6. |
Фазовые превращения в твердом состоянии................................. |
78 |
Список использованных источников.................................................. |
91 |
|
3
ВВЕДЕНИЕ
Физика металлов – это область знания, относящаяся к физике твердого тела, в которую входят теория связи в твердых телах, теории дефектов и твердых растворов, электронная теория металлов, теория диффузии, теория фазовых и структурных превращений.
В нашем учебном пособии изложены базовые представления о теории связи в твердых телах и их взаимосвязь с атомнокристаллическим строением; приведены этапы эволюции представлений о поведении электронов в металлах – электронные теории; представлены основные моменты теории твердых растворов и металлических соединений; даны базовые сведения о теории диффузии и теории фазовых превращений в твердом теле.
Бурное развитие современной науки о металлах и сплавах вызвано появлением новой группы веществ с уникальным комплексом свойств – нанокристаллических материалов. В нанокристаллических материалах новые атомные структуры исвойства формируются за счет особых конфигураций атомов в таких дефектах, как границы зерен, поверхность раздела, дислокации и двойники, а размер характерного элемента структуры (зерна, кристалла) не должен превышать 100 нм. В зависимости от вида дефектов возможно создать материалы с различными структурными состояниями, а следовательно, исвойствами.
Наноматериалы формируются в результате ряда сложных явлений. В таких материалах процессы диффузии, фазовых и структурных превращений имеют свои особенности и приводят в получению необычного комплекса как механических, так и физических и химических свойств. Нами изложены данные о закономерностях рассматриваемых явлений в нанокристаллических телах.
Данное пособие разработано при поддержке программы опережающей подготовки, ориентированной на инвестиционные проекты Фонда инфраструктурных и образовательных программ в области производства погружных электронасосов для нефтедобычи и их узлов с наноструктурными покрытиями.
4
1.МЕЖАТОМНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
ИКРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Физические и механические свойства твердых тел опреде-
ляются характером взаимодействия атомов в материале, которое вызвано природой этих атомов. Слово «атом» с древнегреческого буквально переводится как «неделимый».
Еще древнегреческий философ Демокрит из Абдер (около 470–360 до н.э.) сделал предположение, что не существует ничего, кроме атомов и пустоты, а форма и свойства тела определяются лишь комбинацией этих частиц [1], рис. 1.
а |
б |
Рис. 1. Древнегреческий философ Демокрит (а) [1]
иего структура мира (б)
В1902 году Дж.Дж. Томсоном, первооткрывателем электрона, была предложена модель атома, где в положительно заряженной матрице располагаются отрицательно заряженные частицы – электроны (рис. 2). Такая модель атома впоследствии получила название «пудинг с изюмом».
5
а |
б |
Рис. 2. Английский физик Дж.Дж. Томсон (а) [2] и его модель атома (б) [3]
Эрнстом Резерфордом (рис. 3, а) в 1911 году путем экспериментального исследования рассеяния α-частиц радия (рис. 3, б) на тонких фольгах золота, серебра, меди и других металлов [4] показано, что атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов, т.е. электронной оболочкой (рис. 3, в).
В современной физике представление об атоме осталось практически без изменений. В атомном ядре сосредоточена почти вся масса атома. Его размер (диаметр порядка 10–15 м) мал по сравнению с размерами самого атома (диаметр порядка 10–10 м) (рис. 4). Ядро может состоять из определенных элементарных частиц; протон – положительно заряженная частица, нейтрон – нейтрально заряженная частица. Масса протона и нейтрона примерно одинакова.
6
а
б |
в |
Рис. 3. Физик Эрнст Резерфорд (а), эксперимент по рассеянию α-частиц радия на металлической фольге (б)
ипланетарная модель атома Резерфорда – Бора (в) [5]
Вэлектронной оболочке на определенных орбитах расположены отрицательно заряженные электроны. Заряд одного
электрона равен заряду одного протона, а масса электрона в 1839 раз меньше, чем масса протона или нейтрона. У электрически нейтрального атома количество протонов в ядре и электронов в электронной оболочке одинаково.
7
Рис. 4. Современное представление о строении атома [6]
Следует отметить, что в соответствии с закономерностью, открытой Генри Мозли, положительный заряд ядра атома с атомным номером Z, выраженный в единицах заряда электрона (e = 4,8029·10–10 электростатических единиц), равен произведениюZ·e.
Энергетические характеристики взаимодействия атомов
При сближении нескольких отдельных атомов становится возможным их взаимодействие, при котором электроны переходят от одного атома к другому, что приводит к созданию более устойчивого состояния, т.е. состояния с меньшей энергий. Возможность перехода электронов от одного атома к другому определяется следующими энергетическими характеристиками:
1. Энергия ионизации J1 [7] – это энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от электрически нейтрального атома А:
А + J1 = А+ + e− .
8
В некоторых случаях энергию ионизации называют первым ионизационным потенциалом, поскольку для многоэлектронного атома существуют понятия второго, третьего и т.д. ионизационных потенциалов, которые являются энергией удаления электрона от свободных катионов с зарядами +1, +2 и т.д. соответственно (табл. 1). Зависимость энергии ионизации атома от атомного номера элемента носит ярко выраженный периодический характер (рис. 5).
Атомный номер элемента
Рис. 5. Зависимость энергии ионизации атома от атомного номера элемента [7]
Наибольшая энергия ионизации наблюдается у инертных газов, а наименьшая – у щелочных металлов.
2. Энергия сродства к электрону ε – это энергия, выделяющаяся в процессе присоединения электрона к свободному нейтральному атому А в его основном состоянии с превращением его в отрицательный ион А− . Сродство атома к электрону численно равно, но противоположно по знаку энергии ионизации соответствующего изолированного однозарядного аниона [7]:
А + e− = А− + ε.
9
Таблица 1
Энергия последовательной ионизации In, кДж/моль, атомов элементов третьего периода [8]
Элемент |
J1 |
J2 |
J3 |
J4 |
J5 |
J6 |
J7 |
Na |
495,8 |
4564 |
– |
– |
– |
– |
– |
|
|
|
|
|
|
|
|
Mg |
737,7 |
1451 |
7730 |
– |
– |
– |
– |
|
|
|
|
|
|
|
|
Al |
577,6 |
1817 |
2744 |
11 600 |
– |
– |
– |
|
|
|
|
|
|
|
|
Si |
786,5 |
1577 |
3228 |
4350 |
16 100 |
– |
– |
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
1011,8 |
1904 |
2910 |
4950 |
6270 |
21 200 |
– |
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
999,6 |
2253 |
3380 |
4565 |
6950 |
8490 |
27 000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Cl |
1251,2 |
2296 |
3850 |
5160 |
6560 |
9360 |
11 000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ar |
1520,6 |
2666 |
3946 |
5770 |
7230 |
8780 |
12 000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Энергия сродства к электрону от атомного номера элемента носит выраженный периодический характер (рис. 6), что определяется строением электронных оболочек атомов – электронной конфигурацией (табл. 2).
Рис. 6. Зависимость сродства к электрону атома от атомного номера элемента [7]
10