3. Рождение материала

Рождение материала (образование структуры) происходит в направлении усложнения структуры и отражает определенные уровни его организации.

Процесс рождения материала - в направлении

Плазма  газ  жидкость  твердое тело (атом  молекула  вещество)

сопровождается уменьшением энергии и идет самопроизвольно.

Процесс разрушения - в обратном направлении и сопровождается поглощением энергии.

Пример:

термическая кривая охлаждения чистого металла

1. Изолированная система – не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией

2. Закрытая система – обменивается энергией, но не веществом

3. Открытая система – обменивается и веществом, и энергией

Любой материал – сложная физико-химическая система.

система – группа тел, выделяемых для наблюдения и изучения.

В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы.

Компоненты – минимальное число химически различимых веществ, образующих систему (чистые вещества, химические соединения).

Фаза – совокупность однородных частей системы, отделенных от других частей поверхностью раздела.

Системы, состоящие из одной фазы, называются гомогенными, из нескольких – гетерогенными.

При нормальных условиях – три агрегатных состояния вещества

Твердые тела (аморфные и кристаллические)

• стабильность формы и размеров, упругие свойства.

Жидкая среда

• не способна сохранять форму

• в отличие от газовой – сохраняет неизменный объем.

В жидкостях и аморфных твердых телах – упорядоченность в расположении атомов (молекул) – внутри малых объемов (ближний порядок),

в кристаллах – на большие расстояния (дальний порядок).

Между аморфным твердым телом и жидкой средой количественное различие – вязкость.

Аморфные тела (стекло, смола)

(жидкая фаза с очень высокой вязкостью)

не имеют определенной температуры плавления или кристаллизации

• при нагревании размягчаются до жидкого состояния, что сопровождается плавным снижением вязкости

4. Кристаллическое строение материалов

Модель идеальной (совершенной) структуры кристалла

• объясняет упругие и оптические свойства

• электро- и теплопроводность

обусловлены коллективным взаимодействием электронов с полем, создаваемым ионами.

Модель неидеальной (дефектной) структуры

• объясняет упрочнение материалов

• структурные изменения при термической обработке и др.

В 1848 г. О. Бравэ – кристаллические решетки кристаллов построены из закономерно расположенных в пространстве точек (узлов), где расположены атомы.

Точки периодически повторяются в определенных направлениях через равные промежутки – трансляции.

Параллелепипед, построенный на трех элементарных некомпланарных трансляциях, называют элементарной ячейкой.

Параметры ячейки:

• a, b, c – длины векторов, периоды решетки

для большинства металлов – 0,1–0,7 нм

расстояние между центрами ближайших атомов;

• , ,  – углы между векторами (углы, лежащие против осей x, y, z).

Координационное число – количество атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома.

Базис – количество атомов (N) в ячейке.

Чем выше координационное число и базис,

тем больше плотность упаковки (q) – отношение объема, занятого атомами, к объему ячейки:

,

где R – радиус атома; а – параметр решетки.

Кристаллическая решетка – математическая абстракция

кристаллическая структура образуется тогда, когда с каждой точкой решетки одинаковым образом связан базис.

решетка + базис = кристаллическая структура.

В зависимости от величин трансляций a, b, c и их ориентации пространственные решетки имеют различную симметрию.

Существует 14 решеток Браве, отличающихся кристаллографической симметрией (сингонией) и типом размещения дополнительных атомов

В примитивных элементарных ячейках (обозначают символом Р) атомы одного типа находятся только в узлах.

1. триклинная сингония представляет косоугольный параллелепипед;

2. моноклинная – параллелепипед с одним косым углом;

3. ромбическая – параллелепипед по форме напоминает спичечный коробок

4. тригональная (символ R) – ромбоэдр – куб, вытянутый (сжатый) вдоль пространственной диагонали;

5. тетрагональная – параллелепипед в виде вытянутого куба;

6. гексагональная – три параллелепипеда с основанием в форме ромба;

7. кубическая – куб.

Кроме того - 7 типов ячеек - атомы не только в узлах, но на гранях и внутри ячейки.

• базоцентрированные решетки (обозначают символом С) имеют по дополнительному атому в центрах пары противоположных граней;

• объемноцентрированные (символ I) – атом в центре ячейки;

• гранецентрированные (символ F) – атомы в центре каждой грани