- •Министерство образования и науки украины
- •1. Строение атома
- •1.2. Некоторые сведения из квантовой механики
- •1.3. Уравнение Шредингера для атома водорода
- •1.4. Спин электрона
- •1.5. Атомная орбиталь
- •1.6. Принцип Паули
- •1.7. Многоэлектронные атомы
- •2. Химическая связь
- •2.1. Основные характеристики химической связи
- •2.1. Составление химических уравнений
- •2.3. Стехиометрические расчеты в химии
- •2.5. Номенклатура неорганических соединений
- •2.5. Скорость химических реакций.
- •3. Кристаллохимия
- •3.1. Ионные кристаллы
- •3.2. Ковалентные связи в кристаллах
- •3.3. Металлическая связь
- •3.4. Слабая (ван-дер-ваальсовая) связь в кристаллах
- •3.5. Кристаллохимические параметры
- •4. Кристаллография (1 часть)
- •4.1. Предмет кристаллографии
- •4.4. Сетка Вульфа. Сферические координаты
- •4.5. Элементы симметрии кристалла
- •5. Кристаллография (2 часть)
- •5.1. Сингонии. Решетки Бравэ
- •5.2. Некоторые наиболее распространенные типы решеток
- •5.3. Пространственная решетка
- •5.4. Индицирование направления
- •5.5. Индицирование плоскостей (hkl)
- •5.6. Индицирование гексагональных кристаллов (граней)
- •5.7. Термины в кристаллографии
- •6. Дефекты кристаллической решетки
- •6.1. Точечные дефекты
- •6.2. Миграция точечных дефектов
- •6.3. Диффузия в твердых телах
- •6.4. Дислокации в кристаллах
- •7. Макро-, микро- и наноструктура материалов
- •7.1. Макроскопический анализ
- •7.2. Микроскопический анализ
- •7.3. Принцип работы металлографического микроскопа
- •7.4. Определение балла зерна
- •7.5 Фазовый анализ
- •7.6. Наноструктура
- •7.7. Рентгеноструктурный анализ материалов
- •8. Механические свойства твердых материалов
- •8.1. Разновидности механических свойств материалов
- •8.3. Упругая линейная продольная деформация
- •8.4. Сдвиг. Упругая деформация сдвига
- •8.5. Взаимосвязь между деформациями растяжения (сжатия) и сдвига
- •9. Всесторонняя деформация сжатия
- •9.1. Закон Гука для всесторонней деформации
- •9.2. Закон Гука для деформации вдоль одной стороны
- •9.3. Связь между модулем всестороннего сжатия и
- •9.4. Напряжения при ударе
- •9.5. Упругое последствие
- •10. Изгиб и кручение материалов
- •10.1. Изгиб. Упругая изгибная деформация
- •10.2. Прогиб и поворот сечения балки
- •10.3. Прогиб балки на двух опорах
- •10.4. Кручение материалов. Деформация кручения
- •11. Пластичность. Твердость. Ударная вязкость
- •11.1. Пластическая деформация твердых тел
- •11.2. Физическая сущность пластической деформации
- •11.3. Пластическая деформация поликристаллов
- •11.4. Основные характеристики деформации и разрушения
- •11.5. Твердость материалов
- •12. Разрушение материалов. Пути повышения прочности
- •12.1. Прочность. Виды разрушений
- •12.2. Ползучесть материалов
- •12.3. Другие механические свойства
- •12.4. Пути повышения прочности материалов
- •13. Тепловые свойства твердых тел
- •13.1. Колебания атомов в кристаллах
- •13.2. Теплоемкость твердых тел
- •13.3. Теплопроводность твердых тел
- •13.4. Тепловое расширение твердых тел
- •13.5. Зависимость механических напряжений от температуры
- •13.6. Повышение механических свойств материалов под действием температуры
- •14. Жидкое состояние вещества
- •14.3. Вязкость жидкостей
- •14.4. Поверхностное натяжение
- •14.5. Явления смачивания
- •14.6. Жидкие растворы
- •14.9. Осмотическое давление
- •15. Структура полимеров
- •15.1. Молекулярное строение полимеров
- •15.2. Классификация полимеров
- •15.3. Превращения в полимерах
- •15.4. Надмолекулярная структура полимеров
- •16. Механические свойства полимеров
- •16.1 Высокоэластическое состояние полимеров
- •16.2. Модель Максвелла для линейных полимеров
- •16.3. Модель Кельвина-Фогта для сетчатых полимеров
- •17. Термодинамика фазовых превращений
- •17.1. Фазовые превращения. Правило фаз
- •17.2. Термодинамические функции и параметры
- •Свойства термодинамических функций:
- •17.3. Связь между основными термодинамическими функциями и параметрами
- •17.4. Химический потенциал
- •18. Фазовые переходы I рода. Плавление и
- •18.1. Фазовые переходы I рода
- •18.2. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса
- •18.3. Плавление и кристаллизация
- •18.4. Термический анализ
- •19. Фазовые превращения в твердом состоянии
- •19.1. Изоморфизм и полиморфизм вещества
- •19.2. Полиморфные превращения
- •19.3. Бездиффузионные и диффузионные превращения
- •19.4 Кинетика твердофазных превращений
- •19. 5 Упорядочение и разупорядочение в сплавах
- •19.6. Диаграмма состояния сплавов с учетом твердофазных превращений
- •19.7. Эвтектоидные превращения
- •19. 8. Рекристаллизация
- •20. Сплавы
- •20.1. Классификация сплавов
- •20.2. Зависимость свободной энергии Гиббса от температуры и
- •20.3. Система с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях
- •20.4. Построение диаграмм состояния методом термического
- •21. Диаграммы состояния бинарных систем
- •21.1. Система с ограниченной взаимной растворимостью
- •21.2. Анализ диаграммы состояния для сплавов с эвтектическим
- •21.3. Анализ диаграммы состояния для сплавов с перитектическим превращением.
- •21.4. Диаграммы состояния для сплавов, когда компоненты образуют химические соединения
- •22. Изучение диаграмм состояния
- •22.1. Построение и расшифровка диаграмм состояния тройных сплавов
- •22.2. Основные типы диаграмм состояния трехкомпонентных
- •II. Изотермические и политермические сечения тройных диаграмм.
- •23. Определение концентрации компонентов
- •Бинарные сплавы
- •Найти молярную массу бинарного раствора м при известных ,,м1 и м2.
- •24.2. Неорганическое стекло
- •24.3. Механические и тепловые свойства стекла
- •24.6. Оптические свойства стекла
- •24.5. Применение технических стекол.
- •25. Дисперсные системы
- •25.1. Введение
- •25.2. Свойства малых частиц
- •25.3. Коагуляция частиц
- •26. Электрические свойства материалов
- •26.1. Элементы зонной теории твердого тела
- •26.2. Электропроводность твердых тел
- •26.2. Поляризация диэлектрика
- •26.4. Сверхпроводники
- •26.5. Электрический ток в жидкостях
- •27. Магнитные свойства твердых тел
- •27.1. Магнитные моменты атомов
- •27.2. Намагничивание. Диа- и парамагнетики
- •27.3. Ферромагнетики
6. Дефекты кристаллической решетки
6.1. Точечные дефекты
Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные) и объемные (трехмерные).
К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы (или атомы внедрения), примесные атомы (атомы внедрения или замещения).
К линейным дефектам относятся: дислокации, дисклинации, цепочки вакансий и межузельных атомов.
Поверхностные дефекты: границы зерен, субзерен и двойников, дефекты упаковки, границы доменов в сверхструктуре.
Объемные дефекты: поры, трещины, царапины, раковины, инородные включения и др.
Идеальный кристалл - застывшая схема, в которой неподвижные атомы образуют правильную систему точек - узлы кристаллической решетки.
В реальном кристалле - атомы совершают колебания в узлах кристаллической решетки, а в структуре содержатся несовершенства: вакансии, дислокации и пр.
Точечные дефекты могут быть собственными и примесными.
Кэлементарным собственным дефектам относят вакансии и межузельные атомы, к примесным - атомы примеси в позициях замещения или внедрения.
В
Рис. 6.1.Точечные
дефекты в плотноупакованной решетке.
1 – атом замещения; 2 – вакансия;
3 – дислоцированный
атом; 4 – атом внедрения.
вакансии. Вакансия стремится стянуть решетку вокруг себя и является, таким образом, центром всестороннего растяжения в непрерывной упругой среде.
Межузельные атомы внедрения расположены между атомами основного материала и размещаются не в любом междоузлии, а преимущественно в "пустотах", имеющих больше свободного пространства. В ГЦК и ГПУ решетках это тетраэдрические пустоты, а в ОЦК-решетке - октаэдрические. (Например, углерод).
Кроме одиночных лишних атомов часто энергетически выгоднее расположение "спаренных " атомов - образующих гантель в одном направлении (гантель из двух атомов) или краудионом - группы атомов в одном направлении.
Относительная концентрация вакансий CV равна отношению числа NX вакантных узлов к общему числу N узлов в кристаллической решетке:
CV = NX/N .
Концентрация вакансий зависит от температуры Т по закону
CV = exp(-E0/kT),
где E0 – энергия активации образования вакансии;
k – постоянная Больцмана.
C понижением температуры концентрация вакансий быстро уменьшается. При Т0, CV0. Т.о. безвакансионным может быть кристалл лишь при абсолютном нуле температур (0К). При увеличении температуры (условно Т) CV1 или NX = N. Это возможно при температуре плавления, когда все атомы покидают свои узлы.
6.2. Миграция точечных дефектов
Атомы, совершающие колебательное движение, непрерывно обмениваются энергией. Из-за хаотичности теплового движения энергия неравномерно распределена между разными атомами. В какой-то момент атом может получить от соседей такой избыток энергии, что приведет к тому, что он займет соседнее положение в решетке, если оно свободно.
Таким образом, (флуктуационно) осуществляется миграция (перемещение) вакансий в объеме кристалла.
Частота перескоков Г в новое положение, совершаемых дефектом в единицу времени (1 сек), равна:
Г=0ехр(S0/k)ехр(-E0/kT), (6.1)
где 0 - частота колебаний в направлении перевальной точки, т.е. "частота попыток" перехода в соседний узел (10-13 с-1 ), k – постоянная Больцмана,
S0 - энтропия миграции вакансий.
В случаях, когда вакансионный механизм диффузии - главный, коэффициент самодиффузии пропорционален концентрации и подвижности вакансий, а энергия активации самодиффузии ЕД равна сумме энергий образования и миграции вакансий
(6.2)
Справедливость (6.2) подтверждается сопоставлением экспериментальных значений (Е0 + Еm) и Ед (результаты в таблице получены независимыми источниками).
Таблица. Экспериментальные значения Е0, S0, Ем и Ед
Металл |
Е0, эВ |
S0/k |
Еm, эВ |
Е0+Еm |
Ед, эВ |
Г Ц К * | |||||
Золото |
0,95 |
0,7 |
0,83 |
1,78 |
1,76 |
Серебро Медь Алюминий Платина |
1,13 1,28 0,67 1,51 |
1,5 2,4 0,7 - |
0,66 0,71 0,62 1,43 |
1,79 1,99 1,29 2,94 |
1,76 2,07 1,28 2,9 |
О Ц К | |||||
– железо Вольфрам Молибден |
1,4 3,6 3,2 |
- 2 - |
1,24 1,7 1,3 |
2,64 5,3 4,5 |
2,6 5,7 4,5 |
Атомы примесей замещения мигрируют с помощью вакансионного механизма и по междоузлиям.
Последний осуществляется в основном при относительно меньших размерах атомов примеси по сравнению с атомами матрицы. Именно поэтому железо диффундирует в стали намного медленнее углерода. Атомам железа необходима для этого вакансия, а атомам углерода достаточно и междоузлия.