Калин Физическое материаловедение Том 5 2008
.pdf
16.1.4.Классификация существующих материалов
Вкаждой технической области (отрасли) накоплен колоссальный опыт применения различных материалов. Поэтому на стадии выбора материалов для вновь разрабатываемого устройства необходимо знать основные материалы данной области техники, иметь представление о наличии, стоимости, свойствах и, что особенно важно, опыте применения данных материалов. Важно знать потенциальные заменители основных материалов, например, из числа более дорогих композитов, пластиков, керамик и др. Только после этого можно ставить вопрос о разработке новых материалов.
Классификация любых объектов есть процедура субъективная. При классификации материалов важны три направления: межатомная связь, структура и назначение. В рамках такого подхода при необходимости можно рассмотреть и некоторые свойства материалов.
Межатомная связь. Современные представления о природе сил связи в твердых телах основаны на квантово-механическом рассмотрении взаимодействия между электронами и ядрами атомов вещества. В целом характер межатомного взаимодействия определяется строением внешних электронных оболочек атомов. Это взаимодействие носит характер непрерывного обмена электронами между атомами, в результате которого атомы занимают наиболее энергетически выгодные позиции, как правило, соответствующие наиболее плотной упаковке атомов в твердом теле и минимуму свободной энергии Гиббса. В физике твердого тела1 известны несколько вариантов взаимодействия электронов с атомами, определяющих межатомную связь: молекулярная, ионная, ковалентная и металлическая. В подавляющем большинстве материалов важными являются три вида межатомной связи: ионная, ковалентная и металлическая.
Ионная связь характерна для кристаллов, в узлах которых располагаются ионы с положительным и отрицательным зарядами. Между ионами действует кулоновское притяжение, определяющее
1 Физическое материаловедение. Т. 1. – М.: МИФИ, 2007. П. 3.1.5.
31
силу межатомной связи. Ионная связь реализуется в кристаллах, содержащих металлические и неметаллические ионы, например NaCl (Na+ и Cl–). Координационное число ионных кристаллов определяется соотношением их радиусов. Металлы в ионных кристаллах имеют радиус меньше ионов неметаллов и занимают позиции между последними. Расположение атомов в кристалле NaCl показано на рис. 16.2.
Ковалентная связь реализуется между атомами с незаполненными (электронами) внешними электронными оболочками примерно наполовину. При такой связи внешние электроны двух соседних атомов (с разными антипараллельными спинами) объединяются в пары, образуя общие орбиты вокруг обоих атомов.
Энергия ковалентной связи возрастает по мере увеличения числа электронов в оболочке атома и составляет несколько электронвольт. Ковалентная связь возникает при малых расстояниях между атомами, поэтому она относится к короткодействующей связи атомов. Ковалентные связи – это направленные связи, так как они возникают при определенных взаимных ориентациях атомов, при которых области движения электронов должны пересекаться. Короткодействующие и направленного действия связи определяют высокую твердость и низкую пластичность материалов. Ковалентная связь превалирует в алмазе, кремнии и карбиде кремния, в германии и других кристаллах. Элементы ковалентной связи присутствуют в ОЦК и ГПУ металлах. Во многих неметаллических кристаллах имеет место смешанная химическая связь – ионноковалентная связь, которая представляет собой результат резонанса между ионной и ковалентной конфигурациями заряда.
В металлах преобладает металлическая связь. Атомы металлов имеют ограниченное число электронов на внешних валентных орбитах, которых недостаточно для образования ковалентных связей. Между атомами металла не может образоваться и полномасштабная ионная связь, так как металлические атомы обладают одинаковым сродством к электронам. Поэтому в металлах происходит
32
обобществление всех валентных электронов. На языке квантовой механики это означает перекрытие волновых функций (и электронных оболочек) многих электронов при сближении атомов. Металлический кристалл можно представить в виде некоторого объема положительно заряженных ионов, погруженных в газ коллективизированных электронов. Связь между атомами возникает благодаря постоянному взаимодействию положительных ионов с коллективизиронными электронами. Поэтому металлическая связь у простых металлов не имеет направленного характера взаимодействия, что проявляется в способности металлов пластически деформироваться на большие величины без разрушения связей, иметь высокие электро- и теплопроводность. Однако у переходных металлов вследствие незаполненности внутренних оболочек (например, d- и f-оболочек) имеет место так называемое обменное взаимодействие оболочек (электронов). Это проявляется в том, что возникает ортогонально направленные связи между атомами, т.е. признаки ковалентной связи. Рассмотрим возникновение признаков ковалентной связи на примере ОЦК металлов. Сближение ионов (в кристалле) в результате взаимодействия с коллективизированным электронным газом приводит к перекрытию внешних частей их ортогональных p6-оболочек, и к появлению дополнительных обменных связей. Это ведет к организации таких ионов в неплотную ОЦК решетку с координационным числом, равным восьми, имеющую определенные признаки ковалентных кристаллов, например хрупкость, возникающую ниже температуры хрупко-вязкого перехода.
Таким образом, в металлах основным типом межатомной связи является металлическая. Однако в результате взаимодействия внутренних электронов возникают элементы направленных ковалентных связей. При определенных условиях в сплавах могут возникать элементы ионной связи.
По межатомным связям все материалы можно разбить на две группы: металлы и неметаллы. Металлы обладают хорошей электро- и теплопроводностью. По магнитным свойствам в зависимости от строения атома металлы могут быть диамагнетиками, парамагнетиками и ферромагнетиками.
33
Неметаллы – это вещества с ковалентной или ионной связью. По проводимости – это или полупроводники, или изоляторы. По магнитным характеристикам неметаллы охватывают все магнитные состояния: диамагнетики, парамагнетики, ферримагнетики и антиферримагнетики.
Структура материалов. По порядку расположения атомов материалы можно классифицировать на кристаллические, аморфные и мезоморфические. В кристаллах расположение атомов организовано в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. В аморфных веществах расположение атомов лишено порядка в каком-либо измерении на больших расстояниях, хотя и наблюдается ближний порядок, о чем будет описано далее
(см. гл. 20).
Углерод и некоторые другие вещества могут находиться в «полукристаллических» состояниях, характеризующихся периодичностью в одном или двух направлениях. Такое состояние называют мезоморфическим. В эту группу относят вещества со структурой в виде длинных цепочек (например, жидкие кристаллы) или различные двухмерные структуры (например, некоторые разновидности слюды).
Кристаллические материалы при рассмотрении дисперсности (измельчения) их структурных элементов (зерен) могут классифицироваться как монокристаллические, поликристаллические, микрокристаллические (с размером зерен доли микрометров) и нанокристаллические или ультрадисперсные (с размером зерен от долей микрометра до нескольких нанометров). Фазовое состояние кристаллических материалов, как известно из металловедения, формируется из твердых растворов, промежуточных соединений и смеси фаз.
Аморфные материалы или стекла делятся на два класса: металлы и неметаллы. Металлические аморфные материалы получают быстрым охлаждением расплава, и поэтому их фазовое состояние – это пересыщенные твердые растворы. Аморфные неметаллы – это широкий круг материалов в виде керамики (керметы, глины, цементы, бетоны и др.), высокополимеры (пластики, термопластики, синтетика, краски и др.), стекла и эластомеры (резины и др.).
34
Назначение материалов. Многие материалы современной техники, по сути, являются многофункциональными. Однако чисто субъективно всю совокупность материалов по назначению можно весьма условно разбить на две группы: конструкционные и функциональные.
Конструкционными называют материалы, обеспечивающие целостность и несущую способность конструкции тех или иных изделий. Для таких материалов важными, как правило, являются физи- ко-механические свойства: предел прочности, предел текучести, предел длительной прочности (ползучести), предел выносливости (усталости), относительное удлинение, модули сдвига и упругости и другие свойства. В ряде случаев конструкционные материалы одновременно выполняют и другие функции. Например, материал оболочки твэла ядерного реактора, прежде всего, обеспечивает целостность и работоспособность твэла и является конструкционным материалом. Одновременно оболочка твэла изолирует ядерное топливо от контакта с теплоносителем и, по сути, выполняет функции защитной оболочки, является защитным материалом.
Функциональными называют материалы, характеризующиеся ярко выраженным свойством и предназначенные для создания специализированных изделий и устройств. Это могут быть материалы с особыми физическими свойствами, например электрическими (проводники, сверхпроводники, полупроводники, изоляторы), магнитными (магнитомягкие, магнитотвердые), тепловыми (теплоносители, теплопроводники, теплоизоляторы, термоэлектрики, материалы с аномальным формоизменением при нагреве, термохромные и др.), ядерными (ядерное топливо, замедлители и поглотители нейтронов и других видов излучения, выгорающие поглотители, размножители нейтронов и др.), оптическими, физикохимическими и другими свойствами. К функциональным материалам относятся аккумуляторы энергии, накопители водорода, катализаторы, сенсорные материалы – преобразователи того или иного внешнего воздействия в электрические сигналы или изменяющие свои размеры (электрохимические, газо-чувствительные, сцинтилляционные, термо(пиро)чувствительные, барочувствительные, фотоэлектрические, пьезоэлектрические и др.), материалы с эффектом памяти формы, припои, краски, мастики и другие материалы.
35
Конструкционные материалы. Классификация конструкционных металлических и неметаллических материалов дается во многих справочниках. Поэтому здесь кратко рассмотрим некоторые классы из них.
Материалы с повышенной и высокой прочностью. В машино-
строении в эту группу материалов входят в основном стали, которые по уровню легирования делятся на углеродистые ( 0,2 500 МПа), малолегированные ( 0,2 1600 МПа), среднелегированные ( 0,2 < 1750 МПа) и высоколегированные ( 0,2 3400 МПа).
Стали и сплавы для высоких температур, к которым отно-
сятся теплостойкие и жаропрочные стали и сплавы: углеродистые стали (рабочая температура до 450 °С); низколегированные стали феррито-перлитного, перлитного и бейнитного классов (до 580°С); релаксационно-стойкие стали (сплавы) мартенситного и перлитно-
го классов (для работы в интервале 0,25–0,5 Тпл); высоколегированные стали мартенситного, мартенситно-ферритного и ферритного классов (до 630–700 °С); аустенитные стали с карбидным упрочнением (до 600 °С); высоколегированные стали аустенитного класса с карбидно-интерметаллидным упрочнением (до 800 °С); жаростойкие стали и сплавы на основе железа и никеля аустенитного, ферритного и феррито-мартенситного классов (до 800 °С); жаропрочные никелевые сплавы (до 800 °С) с широкими и ограниченными технологическими возможностями (обрабатываемостью); деформируемые сплавы на основе титана (до 350–550 °С); деформируемые сплавы на основе алюминия (до 300 °С); деформируемые сплавы на основе магния (до 150 °С); литейные стали и сплавы, включая никелевые (до 800 °С), титановые (до 500 °С), алюминиевые (до 350 °С), магниевые (до 150 °С) сплавы.
Материалы с повышенными технологическими свойствами, включая чугуны, латуни (Cu–Zn+Al, Fe, Mn, Sn, Pb), бронзы
(Cu–Sn+Al, Ni, Mn, Fe, Mg, Be, Si, Pb, P, Cr, Zr) и медно-никелевые сплавы (например, мельхиор).
Материалы триботехнического назначения, включая износо-
стойкие твердые (алмаз, керметы и керамики) и мягкие (например,
баббиты: Sn+12Sb+6Cu).
36
Материалы с высокими упругими свойствами, включая угле-
родистые стали ( в 2000 МПа), специальные коррозионностойкие стали (с содержанием Cr > 13 %), бериллиевые бронзы (Cu–Sn–Be), аморфные сплавы на основе титана и никеля.
Материалы с малой плотностью и высокой удельной прочно-
стью, включая алюминиевые, магниевые, титановые и бериллиевые сплавы, полимерные материалы, дисперсно-упрочненные и эвтектические композиты, волокнистые композиционные материалы с неметаллической (полимерной, углеродной) матрицей.
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и внешней рабочей среды, включая коррозионно-стойкие материалы (и специальные покрытия), тепло- и жаростойкие сплавы, радиаци- онно-стойкие сплавы, сплавы с малым газовыделением (газоотделением), материалы криогенной техники и другие.
Функциональные материалы. Номенклатура и количество функциональных материалов расширяется весьма интенсивно. Их классификацию по назначению проведем в следующей последовательности.
Инструментальные материалы охватывают круг материалов для обработки резанием (стали, легированные вольфрамом и другими элементами, керметы с кобальтовой матрицей и карбидом
WC, керамики типа SiC, SimNn и др.), штамповые стали для холодного и горячего деформирования и рассчитанные на ударные нагрузки, другие материалы.
Материалы с особыми физическими свойствами, включая:
- электрические свойства: проводники – сплавы Ag, Cu, Au, Al,
Fe; сверхпроводники – Nb3Sn, NbTi; высокотемпературные сверх-
проводники (ВТСП) – керамики 4-х типов: La2–xMxCuO4 (рабочая температура порядка 45 K); Y(La)Ba2Cu3O7–y (100 К); Bi2(Sr,Ca)3O8+
(120 К) и Tl1–2Ba2Ca2Cu3Ox (160 К); полупроводники – Si, Ge, GaAs, CdS, CuInSe21, SiC, алмаз, Si+B+P+TamOn, аморфный Si для электро-
ники, инфракрасной техники, оптоэлектроники и волоконной оптики, фотоэлектронных преобразователей, детекторов и сенсоров; изоляторы – керамики, стекло, полимеры, соединения.
- магнитные свойства: магнитомягкие материалы для электротехнических устройств (трансформаторов, преобразователей и др.),
37
основным из которых является сплав Fe–3Si и быстрозакаленные сплавы на основе железа; магнитотвердые материалы для постоянных магнитов на основе сплавов Nd–Fe–B, РЗМ–Fe–B+(Cu, Co, Zr);
- тепловые свойства: термоэлектрические материалы (термо-
пары) на основе металлов и сплавов, используемых попарно в следующих комбинациях: Pt/Pt–Rh; Cu/константан (40Ni–60Cu); хро-
мель (90Ni–10Cu)/алюмель (94,5Ni–2Al–2Mn–1Si–0,5Co); тепло-
проводники в виде металлов с максимальной теплопроводностью:
Cu, Ag, Au, Al, Be, Mg; сплавы с аномальными зависимостями тепловых свойств (термического расширения) от температуры на ос-
нове железа и никеля: инвар (Fe–35Ni), сплавов Fe–Pt, Fe–Pd, Ni–Pt, Ni–Al;
-теплоносители в виде газов (He, CO2), легкой и тяжелой воды, жидких металлов и их сплавов: Na, Na–K, Li, Pb, Pb–Bi, Pb–Li, расплавов солей металлов, например, Li–Be–F;
-малая плотность (высокая удельная прочность) – такие металлы, как Be, Al, Mg, полимеры, керамики, углеродные материалы, углепластики;
-ядерные свойства: способность к делению тяжелых ядер – ядерное топливо с использованием изотопов U235, Pu239, U233 на основе металлического урана и его сплавов (например, U–Mo, U–Zr и
др.), на основе керамик UO2, UC, UN и др., в виде дисперсных материалов (например, Al+UO2) и микротвэлов в составе UO2+С, UC+C; замедлители нейтронов, т.е. материалы с малой массой яд-
ра – D2O, H2O, графит, Be, BeO и гидриды металлов; поглотители ядерного излучения, создаваемые для поглощения избытка нейтронов (B, B4C, Gd, Sm, Eu, Hf, Cd и их соединения), нейтронов и
-излучения (Pb, Eu2O3 и Dy2O3 в металлах, специальный бетон); выгорающие поглотители (Cr10B2, Gd2O3, Gd–Zr–Nb, Eu2O3); размножители нейтронов на реакциях (n,2n), (n,3n) – это сплавы на основе U, Be, Mo, Nb и др. металлов;
- оптические свойства – ключевые для волоконно-оптических
материалов, включая стеклообразующие оксиды (P2O5+GeO2+Ga2O3, SiO2+GeO2+Al2O3+NaO+As2O3), монокристаллы (CsBr, CsI), поликристаллы (AgCl, AgBr+AgCl, ZnSe) и др., специальных (оптиче-
ских) пленок (просветляющих – Na2O–BrO3–SiO2, отражающих –
38
Iu2O3–SnO2, изменяющих цвет – TiO2–SiO2, SiO2–RxOy (R – это Fe, Co, Cr) и специальных стекол (селективно поглощающих свет – As–Se–Ge (P, Tl, S), для инфракрасного излучения – ZrF4–BaF2– LaF3–AlF4–LiF) и других материалов.
Материалы с особыми физико-химическими свойствами, включая аккумуляторы энергии (накопители энергии в виде твер-
дых электролитов: PbAgI5, Ag/PbAgI5/C; материалы для накачки
лазеров: InGaP/GaAs/InGaAs; аккумуляторы: Li–SO2 и др.; накопи-
тели водорода: интерметаллиды La, Ni), катализаторы химиче-
ских реакций в виде керамики (Pt/SiO2), фехралевой ленты
(Pt/Fe–Cr–Al) и ультрадисперсных порошков (SiO2, TiO2, Al2O3);
фотокатализаторы, например из TiO2.
Материалы с «интеллектом», включая различные сенсоры, т.е. преобразователи внешнего воздействия в изменение свойств и размеров, в частности электрохимические, газочувствительные, сцинтилляционные (BiGe, BaF, CaF+Eu), термочувствительные
(GeAs, MgO–Al2O3–SiO2), фотоэлектрические (Si(B, P), SiC, PbS и
др.), пьезоэлектрические (ZnO на GaAs), барочувствительные (GeAlAs) и другие, сплавы с эффектом памяти формы на основе никелида титана, меди и др. металлов.
16.1.5. Требования к свойствам материалов
Характеристика материала. Проведя анализы параметров и режимов работы КЭ (изделия), конструкции (устройства) и совместного действия узлов, возможной технологии изготовления изделия (КЭ), и изучив существующие (или применяемые) материалы в данной области техники, можем приступить к формулированию требований к тем свойствам, которыми должен обладать материал каждого КЭ. Однако целесообразно выделить те основные факторы, которые в условиях эксплуатации будут определять работоспособность и ресурс КЭ. При этом заданное обработкой исходное СФС материала не должно претерпевать изменения в течение всего срока эксплуатации. Такими основными факторами являются: рабочая температура, напряжения, окружающая среда и физические поля.
39
Для конкретного КЭ обычно можно выделить один основной фактор, например температуру, и несколько дополнительных, которые могут в наибольшей степени влиять на изменение СФС. Задача – создать (выбрать) материал, СФС которого не чувствительно (слабо чувствительно) к этим факторам. Если это так, то материал должен иметь некую основную характеристику, подчеркивающую стабильность его СФС в условиях эксплуатации. Такие эксплуатационные характеристики (часто называют “эксплуатационные свойства”) имеет большинство материалов. Эти характеристики использовались, как показано выше, для классификации конструкционных материалов: жаропрочные, высокопрочные, коррозионностойкие и т.д. Поэтому, прежде чем формулировать требования к свойствам материалов, необходимо определить характеристику будущего материала и фактически определить его тип или, точнее, класс.
Основой эксплуатационных характеристик, указывающих на главное назначение конструкционных материалов, может быть степень сопротивления: разрушению (прочность, длительная прочность, выносливость, трещиностойкость), трению и износу (износостойкость), эрозии и коррозии (коррозионная, эрозионная стойкость), накоплению радиационных повреждений (радиационная стойкость) и др. Соответственно, материал, обладающий высокой степенью сопротивления, будет прочным, высокопрочным, жаро-
прочным, термостойким, выносливым, износостойким, коррозион-
но-стойким, эрозионно-стойким, радиационно-стойким и т.д.
На стадии выбора (разработки) материала необходимо дать и технико-экономическую характеристику, отразив в ней технологическую и стоимостную составляющие. Например, очевидно, что материал должен быть технологичен (и это следует конкретизировать с учетом технологии изготовления КЭ) и иметь минимальную (оптимальную) стоимость. В ряде случаев в характеристике нужно указать физические или физико-химические особенности. Например, конструкционный материал для оболочки твэла реакторов на тепловых нейтронах должен быть жаропрочным, радиационностойким, коррозионно-стойким и иметь минимальный захват тепловых нейтронов. Конструкционный материал рабочей камеры
40