Geum.ru

Составила Л. Шевченко лекция 1

Вид материалаЛекция

Содержание


2. Внедрённый атом
3. Краевые дислокации
4. Винтовые дислокации
Подобный материал:
Составила Л.Шевченко


ЛЕКЦИЯ 1.


ВВЕДЕНИЕ. МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ. СТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ


Электроустановками называются устройства, которые получают, преобразуют, передают, распределяют и используют электроэнергию. В любой электроустановке имеются токоведущие части, изоляция и конструкции – корпуса электроустановок и детали машин и механизмов. Все эти части выполняются из соответствующих материалов, то есть таких, которые наилучшим образом выполняют свои задачи. Для того, чтобы правильно подобрать эти материалы, необходимо знать их физические, механические, электрические свойства и как изменяются эти свойства в разных условиях. То есть необходимо знать, «ведать» материалы. Кроме того, именно необходимость в материалах с определёнными свойствами ведёт к созданию таких материалов. Наука о конструкционных и электротехнических материалах – комплексная, созданная на стыке металловедении, химии, электроники. Она является базой для понимания многих электротехнических дисциплин.


Изучение предмета начнём с изучения конструкционных материалов, в основном это – металлы. Вначале человек работал с металлами интуитивно, свой опыт передавал по наследству или ученикам за плату, гильдии ремесленников хранили тайны мастерства. Классический пример – булат (по-персидски «пулад» - сталь), булатная сталь шла на изго­товление холодного оружия исключительной стойкости, остроты, твёрдости и упругости. В средние века секрет её изготовления был утерян, как думали, безвозвратно, и только учёный Павел Петрович Аносов раскрыл его.

Научный подход к металловедению, науке, которая изучает строение и свойства металлов начал зарождаться в 18 веке, Русские учёные также внесли свою лепту. Так, П. П. Аносов (1799-1851г.) в 1831 году впервые применил микроскоп для исследования структуры стали, он исследовал как макро, так и микроструктуры, так как первым понял, что свойства стали связаны с её внутренней структурой.


Конструкционные материалы делятся на металлы (чёрные и цветные) и неметаллы (пластмасса, дерево, керамика, стекло). Металлы – это тела, атомы которых располагаются в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы, в отличие от аморфных тел, атомы которых находятся в беспорядочном состоянии.

Располагаясь в строгом порядке, атомы металлов образуют пространственную атомно-кристаллическую решётку, в узлах которой и находятся. Линии являются условными, сами атомы колеблются вокруг точек равновесия с большой частотой (1013 Гц). Типы кристаллических решёток у разных металлов различные, наиболее часто встречаются:

ОЦК – объемноцентрированная кубическая,

ГЦК – гранецентрированная кубическая и

ГПУ – гексагональная плотноупакованная.


Рассмотрим элементарные ячейки этих кристаллических решёток. Элементарной ячейкой называется минимальный объём кристалла, дающий представление о геометрии всего кристалла. Если элементарную ячейку переносить параллельно самой себе по трём измерениям, то получим кристаллическую решётку того или иного металла. В реальном металле кристал­лическая решётка состоит из огромного количества элементарных ячеек.


ОЦК – куб, в вершинах которого и в центре его, в месте пересечения диагоналей, находятся атомы. Примеры – хром, ванадий, вольфрам, молибден и др.

ГЦК – куб, в вершинах которого и в центрах пересечения диагоналей граней (6 граней) находятся атомы. Примеры – алюминий, медь, никель, серебро, свинец и др.

ГПУ – призма с шестиугольным основанием, в вершинах которого, в центре основания, а также ещё внутри призмы (3 атома) находятся атомы. Примеры – цинк, магний, кобальт, титан и др.


Размеры решёток характеризуются её параметрами, это характерный размер геометричес­кого тела, составляющего элементарную ячейку, обозначается буквами а, с. Решетки ОЦК и ГЦК – кубы, их параметр – расстояние между атомами, то есть длина ребра куба – а; решетка ГПУ – призма, ее параметры – расстояние между атомами в основании – а, и расстояние между самими основаниями – с.

Параметры измеряются в ангстремах (1 Å = 0,1 нм = 0,1.10-9 м = 10-10 м), это внесистемная единица длины применяющаяся в оптике, физике твёрдого тела, атомной физике и др. Параметры кристаллических решёток разных металлов – разные (а = 2 ÷ 7 Å, с/а = 1,633, что соответствует наибольшей упаковке атомов).


В разных плоскостях кристаллической решётки атомы располагаются с разной плотностью, поэтому многие свойства кристаллов различны в различных направлениях. Это свойство называется анизотропией. Анизотропия может быть очень значительной, например, у единичного кристалла меди предел прочности может различаться в 3 раза, а удлинение от 10% до 55%. Аморфные тела – изотропны, то есть у них одинаковые свойства по любым направлениям.

Отдельный кристалл с непрерывной кристаллической решёткой называется монокристал­лом – крупные такие кристаллы очень редки, если только специально выращены.

Обычные металлы являются поликристаллами, то есть они состоят из огромного числа отдельных зёрен монокристаллов, причём, зерна ориентированны по-разному, поэтому в целом металлы квазиизотропны (от латинской приставки «квази» - мнимый).


До сих пор, говоря о структуре кристаллов, мы имели в виду идеальный кристалл. Реальный кристалл отличается от идеального структурными несовершенствами, то есть дефектами. Виды дефектов: точечные и линейные несовершенства – дислокации (от английского слова «сдвиг», «смещение»). К точечным несовершенствам относятся вакансии и внедренные атомы, к линейным – краевые и винтовые дислокации.


1. Вакансия – узел кристаллической решётки почему-либо незаполнен, свободен. Обычно это из-за теплового движения атомов, амплитуда которого тем больше, чем выше энергия отдельного атома. Такой атом легко выходит на поверхность кристалла, а его место остаётся свободным, так вакансия может передвигаться. В вакансии кристаллическая решё­тка искажена, в этом месте возникают внутренние напряжения из-за нарушения равновесия сил межатомного взаимодействия. С повышением температуры увеличивается число вакансий. Вакансии играют большую роль в диффузионных процессах.

2. Внедрённый атом – в кристаллической решётке одного металла находится атом другого, особенно если они сильно отличаются от родных атомов по размерам, то эти атомы также искажают кристаллическую решётку и создают внутренние напряжения.

3. Краевые дислокации – одна часть кристалла сдвинута относительно другой на одно или несколько межатомных расстояний. Если эти части сдвинуты ровно, то искажения кристаллической решётки наблюдаются по линии, где сдвиг заканчивается, там образуется как бы лишняя атомная плоскость, вставленная в верхнюю часть.

4. Винтовые дислокации – части кристалла сдвинуты иначе, образуя винтовую линию.


Дислокации очень подвижны: кристаллическая решётка в зоне дислокации упруго искаже­на, атомы в ней смещены относительного их равновесного положения, и поэтому они стремятся к нему вернуться. Дислокации резко снижают прочность металлов.


Вопросы для подготовки к тесту по теме «Структура металлов. Металловедение»

  1. От чего зависит качество металла и его прочность?
  2. Что такое кристалл?
  3. Как электронные оболочки разных уровней связаны с ядром?
  4. Что такое ангстрем?
  5. Что такое псевдоизотропия?
  6. Что такое краевая или линейная дислокация?
  7. Кто восстановил секрет булатной стали?
  8. Какой металл не является кристаллом?
  9. Что такое «электронный газ»?
  10. Какой доли метра равен один ангстрем?
  11. Какие дефекты имеют реальные металлы?
  12. От чего зависит подвижность вакансии?
  13. Кто впервые применил микроскоп в металловедении?
  14. Что такое элементарная ячейка кристалла?
  15. Что такое общие или коллективизированные электроны?
  16. Что называется анизотропией?
  17. Что такое вакансия /в кр.р./?
  18. Где возникают вакансии?
  19. Для чего применяется микроскоп?
  20. Что такое узел кристаллической решетки?
  21. Из чего состоит ядро атома?
  22. Какие тела называют аморфными?
  23. Что значит слово «вакансия»?
  24. Где возникают дислокации?
  25. Что, какие вопросы изучал Д. К. Чернов, что он открыл?
  26. Подвижны ли атомы в узлах кристаллической решетки?
  27. Какие типы крист. решеток металлов наиболее распространены?
  28. Что такое изотропия?
  29. Что такое внедренный атом?
  30. Как зависит прочность металла от дефектов крист. решетки?
  31. Кто является «отцом современного металловедения»?
  32. Чем определяется валентность металла?
  33. Какова геометрия решетки ОЦК?
  34. Какие тела называются изотропными?
  35. Какие дефекты называются «точечными несовершенствами»?
  36. С какими отраслями промышленности сотрудничает электротехническая промышленность?
  37. Что изучает металловедение?
  38. Какая межатомная связь называется металлической?
  39. Какова геометрия решетки ГЦК?
  40. Что такое монокристалл?
  41. От чего зависит величина внутренних напряжений в случае внедренного атома?
  42. Какие новые материалы явились основой для создания новых отраслей промышленности?
  43. Какой основной принцип металловедения?
  44. Чем объясняется блеск металла?
  45. Какова геометрия решетки ГПУ?
  46. Что такое поликристалл?
  47. Как называются линейные несовершенства кристаллической решетки?
  48. Чем вызывается анизотропия?
  49. Какие свойства металлов называются служебными?
  50. Как устроен атом любого металла?
  51. Что такое параметр крист. реш.?
  52. Какова структура реальных металлов?
  53. Что означает слово «дислокация»?
  54. Какие бывают дислокации?
  55. Что называется элементарной ячейкой кристалла?
  56. Изотропные тела – какие они?
  57. Что исследуется с помощью микроскопа?
  58. Охарактеризуйте подвижность атомов в узлах крист. решётки.
  59. Чем различаются разные электронные оболочки?
  60. Что открыл Д.К. Чернов?
  61. В каких единицах измеряются параметры крист. решёток?
  62. От чего зависит величина внутренних напряжений металла?
  63. Какими телами(по внутренней структуре) являются металлы?
  64. Какие причины вызывают точечные несовершенства в металле?
  65. Охарактеризуйте решётку ОЦК.
  66. Какая доля метра равна одному ангстрему? Откуда это название?
  67. Охарактеризуйте решётку ГПУ.
  68. Какой размер крист. решётки называется параметром? В чём его измеряют, чему он равен?
  69. Что такое краевая дислокация?
  70. Какова внутренняя структура металлов? Всех ли?