materialovedenie1 (Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Колосанов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева, Н.В. Ульянова - Материаловедение), страница 2

Большой вклад в развитие науки о материалах внесли русские и советские ученые. П. П. Аносов (1799 — 1851 гг.) впервые установил связь между строением стали н ее свойствами. Д. К. Чернов (1839 — 1921 гг.), открывший полиморфизм стали, всемирно признан основоположником научного металловедения. Большое значение в развитии методов физико-химическою исследования и классификации сложных фаз в металлических сплавах имели работы Н. С. Курнакова (!860-1941 гг.) и его учеников. Разработка теории и технологии термической обработки стали связана с именами С.

С Штейнберга (1872 —. !940 гг.)„Н. А. Минкевича (1883 — 1942 и;). Исследованию механизма и кинетики фазовых превращений в металлических сплавах посвящены работы крупных советских ученых С. Г Конобеевского, А. А. Байкова, Г. В. Курдюмова, В. Д. Садовского, А. А.

Бочвара, С. Т. Кишкина, Н. В. Агеева и многих других. Работы крупнейшего русского химика А. М. Бутлерова (1828-1886 гг.), создавшего теорию химического строения органических соединений, создали научную основу лля получения синтетических полимерных материалов. На основе работ С. В. Лебедева впервые в мире было создано промышленное производство синтетического каучука. Большое значение для развития полимерных материалов имели структурные исследования В. А. Кар~ина и его учеников.

Среди зарубежных ученых большой вклад в изучение железоуглеродистых сплавов внесли А. Ле-Шателье (Франция), Р. Аустен (Англия), Ф. Осмонд (Франция) и др. Важнейшие ренпеноструктурные исследования сплавов провели М. Лауэ и П. Дебай (Германна), У. Г. Брэп и У. Л, Брэп. (Англия). Широко известны работы Э. Бейна, Р. Мейла (США) и Велера (Германия) в области теории фазовых превращений в сплавах. Над созданием полимерных материалов работали К. Циглер (ФРГ) и Д. Натга (Италия).

Глава 1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 11 природе существуют две разновидности твердых тел, различающиеся по своим свойствам,— кристаллические и аморфные. Кристаллические тела остаются твердыми, т. е, сохраняют приданную им форму, до вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс илет в обратном направлении.

Переход из одного состояния в другое протекаез. 1рис. 1.!) при определенной температуре плавления. Аморфные тела при нагреве размягчаются в болыпом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние.

При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Кристаллическое состояние твердою тела более стабильно, чем аморфное. Аморфные тела в отличие от жицкостей имеют пониженную подвижность частиц. Аморфное состояние можно за- Рас. 1.1. Кривые охлаждения кристаллических тел Рис. 1.2. Структура крем- нистого полимера после повторного нагрева фиксировать во многих органических и неорганических веществах ускоренным охлаждением из жидкого состояния. Однако при повторном нагреве, длительной выдержке при температурах 20-25 "С. а в некоторых случаях при деформации, нестабильность аморфного твердого тела проявляется в частичном или полном переходе в кристаллическое состояние. Примерами такою перехода могут служить помутнение неорганических стекол при нагреве и оптики при длительном использовании, частичная кристаллизация плавленого янтаря при нагреве и дополнительная кристаллизация капроновой нггги при расгяжении,сопровождающаяся упрочнением.

Частичная крисгаллизгигия при повторном нагреве показана на структуре кремнистого полимера (рис. 1.2). Кристаллы имеют радиальную симметрию, остальная часть — аморфная. Крисгаллические тела характеризу- Строение и свойства материалов 9 ются упорядоченным расположением в пространств элементарных частиц, из которых они составлены (ионов, атомов, молекул). Свойства кристаллов зависят от электронного строения атомов и характера взаимодействия их в кристалле; от пространственного расположения элементарных частиц„химического состава„ размера и формы кристаллов. Все эти детали строения кристаллов описывает понятие «структура». В зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов нх выявления используют следующие понятия: тонкая структура, микро- и макроструктура.

Тонкая структура описывает расположение элементарных частиц в кристалле и электронов в атоме. Изучается дифракционными методами (рентгенографня, электронография, нейтронография). Анализируя дифракционную картину, получаемую при взаимодействии атомов кристалла с короткими волнами (Х = 1О 'о —: 1О 'э м) рентгеновских лучей (нли волн электронов, нейтронов), можно получить обширную информацию о строении кристаллов. Большинство материалов состоит из мелких кристалликов (зерен). Наблюдать такие мелкие структурные составляющие — микроструктуру возможно с помощью оптического (размером до 1О т м) или электронного (размером до 2.10 'о м) микроскопа.

Микроскопические методы дают возможность определить размеры и форму кристаллов, наличие различных по своей природе крист.аллов, их распределение и относительные обьемные количества, форму инородных включений и микропустот, ориентирование кристаллов, наличие специальных кристаллографических признаков (двойникование, линии скольжения и др ). Это далеко не полное перечисление характеризует обширность тех сведений.

которые можно получить при помощи микроскопа. Изучая строение кристаллов невооруженным глазом илн при небольших увеличениях с помощью лупы — макрострухгнуру, можно выявить характер излома„усадочные раковины, поры, выявить размеры и форму крупных кристаллов. Используя специально приготовленные образцы (шлифованиые и травленые), обнаруживают тршцины, химическую неоднородность, волокнистость. Исследование макроструктуры, несмотря на свою простоту, является очень ценным методом изучения материалов.

1.1. Элементы кристаллография Крвсгалляческая решетка. В кристалле элементарные частицы (ноны, атомы, молекулы), ю которых построен кристалл, сближены ло соприкосновения и располагаются раэлячно, но закономерно по разным напрацпениям (ряс. 1.3,а). Для упрощения пространственное изображение заменяют схемамн (рис. 1.3,б), отмечал точками центры тяжести частиц. Если в кристалле провести тря направления х, у, ц не лежащих в одной плоскости, то рвсстоянвя между частицами, расположеннымя по этим направлениям, в общем случае неодинаковы в соответственно равны а, Ь, с.

Плоскости, параллельные координатным плоскостям, находящиеся на расстоянии а, Ь, с друг от друга, разбивают кристалл не множество параллелепипедов, равных н параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед называют элементарной ячейкой. Последовательное перемещение его а! Ряс. 1.3. Расположение элементарных частиц в кристалле: а — еросграиственное изображение; б — схема 10 Закономерности Яормикмаиил структуры материалов Ряс. 1.4. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток: а — простая; д, е — сложные ТАБЛИЦА 1.1.

Кристаллические кистины элементов образует пространственную кристаллическую решетку. Вершины параллелепипеда называют узламн пространственной решетки. С этими узлами совпааают центры тяжести элементарных частиц, из которых построен кристалл. Пространственные кристаллические решетки полностью определяют строение кристалла.

Для описания элементарной ячейки кристаштической решетки используют шесть величин: три отрезка, равные расстояниям до ближайших элементарных частиц по осям коордю~ат о, Ь, с, и три угла между этими отрезками а, (), у. Соотношения межцу этими величинами определяют форму ячейки. По форме элементарных ячеек все кристаллы подразделяют на семь систем (табл.

!.1). Размер элементарной ячейки кристаллической решетки оценивают отрезки а, Ь, г. Их называют оериодами решетки. Зная периоды решетки, можно определить ионный или атомный радиус элемента. Он равен половине наименьшего расстояния между частицами в решетке. В большинстве случаев решетки сложны, так как элементарные частицы находятся не только в узлах кристаллической решетки, но и на ее гранях или в центре решетки (рис. !.4). О степени сложности судят по числу частиц, приходяшихся на одну элементарную ячейку.

В простой пространственной решетке (рис. 1.4,а) всегда на одну ячейку приходится одна частица. В каждой ячейке имеетсв восемь вершин, но каждая частица в вершине относи.гся, в свою очередь, к восьми ячейкам! таким образом, от узла на долю каждой ячейки приходится 1/8 объема, а всего узлов в ячейке восоиь. слеловательно, на ячейку прихсаится одна элементарная частица. В сложной пространственной решетке нв одну ячейку всегда приходитсв больше одной частицы.