tihonova (И.В.Тихонова - Теоретическое материаловедение. Конспект лекций)

Министерство образования Российской федерацииТульский государственный университетКафедра "Физика металлов и материаловедение"И.В.Тихоновак.т.н., с.н.с., доцентТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕКОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙдля студентовнаправления 553100 "Техническая физика"очной формы обученияТула 1999г.Лекция 1. Введение. Материалы и их применение в технике. Цели и задачи дисциплины"Теоретическое материаловедение".Все технические изделия изготавливают из определенных материалов. Материал - один изосновных объектов технологической деятельности человека. Будучи подвергнутымобработке в такой мере, чтобы стать пригодным для конкретного использования, материалстановится изделием.

Материалы классифицируют по различным признакам: составу, виду,состоянию, методу получения, назначению и другим аспектам.Каждый материал обладает определенным внутренним строением и состоит из атомов,свойства которых определяются структурой электронных оболочек и ядер (условно - первыйструктурный уровень). Внутреннее строение материала характеризуется взаимнымрасположением атомов и образованием отдельных фаз.

Обычно (но не всегда) это взаимноерасположение оказывается достаточно правильны (симметричным) для образованиякристаллов. Наконец, микроструктура материала возникает как результат объединенияотдельных кристаллов и фаз в единое целое.Каждый из этих уровней рассмотрения внутреннего строения - атомы, фазы имикроструктура - по-своему влияет на свойства материала. Изменение внутреннего строениясоответствующим образом отражается на свойствах материалов. Следовательно, при желанииполучить материал с заданным набором свойств необходимо создать внутреннюю структуру,обусловливающую требуемые характеристики.Свойства материалов могут быть подразделены на три наиболее общих класса: механические,тепловые и электрические.

Под механическими свойствами имеют в виду те свойства,которые обнаруживает материал при воздействии механических усилий. Механическиесвойства (модуль упругости, прочность, пластичность, твердость, вязкость) очень нагляднопоказывают роль внутренней структуры и связь между свойствами и структурой. Тепловыесвойства (тепловое расширение, теплоемкость, теплопроводность), имеющие большоепрактическое значение, связаны с внутренней энергией, определяющей движение атомов иэлектронов.

Электрические свойства (электросопротивление, электропроводность)обусловлены движением электронов и смещением зарядов.Задачей курса материаловедения является ознакомление со строением и свойствамиматериалов, используемых в машиностроении, электронике, энергетике, космическойтехнике и др. областях, чтобы выработать знания, необходимые для правильногоиспользования существующих материалов, для создания новых конструкций и технологий.В связи с тем, что материалы являются ключевым звеном, определяющим успех инженерныхрешений в технике, это приводит к интенсивному развитию материаловедения,подкрепленному результатами фундаментальных исследований в области физики твердоготела и достижениями новых методов анализа. Успехи материаловедения позволили перейтиот использования известных материалов к целенаправленному созданию материалов сзаданными свойствами.Современное материаловедение - это наука о взаимосвязи электронного строения, структурыматериалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и служебнымисвойствами в различных термодинамических условиях.Создание научных основ металловедения принадлежит Д.К.Чернову, который установилкритические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углеродав стали.

Этим были заложены основы для важнейшей в металловедении диаграммысостояния железоуглеродистых сплавов. Огромное влияние на изучение материалов имелооткрытие периодического закона Д.И.Менделеева. Большое значение имеют труды ученыхН.С.Курнакова, А.М.Бочвара, А.А.Бочвара, А.А.Байкова, С.С.Штейнберга, Н.Г.Гудцова,Г.В.Курдюмова. Большой вклад в развитие материаловедения внесли Ле-Шателье, Аустен,Осмонд, Юм-Розери, Зейц, Котрелл и др.Все материалы: металлы и славы, молекулярные соединения (например, аминокислоты),биологические (аморфные, кристаллические, например, вирусы и части скелета),композиционные (например, древесина и зубы) обладают определенной структурой, котораявлияет на их свойства.

Будучи расшифрованы, эти структуры способствуют пониманиюповедения материалов. Наука о материалах, при всем их многообразии, основывается напонимании глубокой связи между структурой и свойствами материалов и показывает, какимобразом размеры атомов, прочность и направленность связей обусловливают внутренююструктуру материалов и, следовательно, всю совокупность их физико-химических имеханических свойств. При изучении и использовании материалов необходимо помнитьследующий принцип: ПОВЕДЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ ВСЕГДА ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ ИХСТРУКТУРОЙ.Лекция 2. Понятие о фазе. Элементы квантовой теории строения атома. Элементыквантовой теории межатомного взаимодействия.Понятие о фазе.Фазой называется часть гетерогенной системы, ограниченная поверхностью раздела ихарактеризующаяся, в отсутствии внешнего поля, одинаковыми физическими свойствами вовсех своих точках.

Фаза, если речь идет о материалах, означает структурно-однороднуючасть системы. Многофазные системы содержат границы, которые представляют собойнарушения непрерывности структуры и состава или только состава.В системе может существовать только одна газовая фаза. Упаковка атомов и молекул в газахнастолько низка, что каждая молекула практически независима от других и не существуетопределенного порядка в их расположении.Жидких фаз в системе может быть одновременно несколько.

Однако хотя атомы и молекулыв них расположены относительно друг друга так же близко, как и в твердых телах, эторасположение носит случайный характер. К жидкостям относятся также и аморфные тела.Твердыми телами в физике называются только кристаллические тела - у них атомы находятсяв строго определенном порядке. Твердые тела имеют постоянную температуру плавления,при которой происходит разрушение их кристаллического строения и резкое изменениесвойств.Элементы квантовой теории строения атома.Свойства металлических кристаллов зависят от структуры атомов.

В настоящее время вкачестве структурной модели атома принята модель, разработанная в начале ХХ векаРезерфордом, Соди и Бором, согласно которой атом состоит из положительно заряженногоядра с вращающимися вокруг него электронами. Суммарный заряд электронов равенположительному заряду ядра, поэтому атом электрически нейтрален.Согласно постулатам Бора, введенным в классическую физику, движение электроновпроисходит по стационарным орбитам и оно не сопровождается электромагнитнымизлучением. Излучение возникает или поглощается только при переходе электрона с однойорбиты на другую.

Стационарными орбитами являются такие, на которых момент количествадвижения L электрона относительно ядра равен целому кратному от величиныL = mv r = nh/2 (2.1)где h - постоянная Планка, m - масса электрона, v - скорость движения электрона на орбите, r- радиус орбиты, n - квантовое число, равное 1, 2, 3, 4 и т.д., обозначает номер орбиты.Полная энергия электрона (потенциальная и кинетическая) на различных орбитах, взятая сотрицательным знаком, обратно пропорциональна квадратам соответствующих квантовыхчисел.

Полная энергия электрона всегда отрицательная и по абсолютной величинеувеличивается при уменьшении радиуса орбиты.Электрон может перейти с какой-либо внутренней орбиты на внешнюю по отношению к нейтолько при сообщении ему дополнительной энергии. Обратный переход связан с отдачейэнергии. Поэтому самая внутренняя орбита является стабильной и представляет собойнормальное состояние электрона в атоме водорода. Все остальные состояния (орбиты)являются возбужденными.Исследование свободных электронов, потерявших связь со своими атомами, позволило ДеБройлю указать на двойственный характер их свойств - волновой и корпускулярный иустановить математическую связь между длиной волны и энергией E= h /mv = h/p (2.2),где p - импульс частицы.Точное положение электрона в пространстве не может быть установлено, так как при любойтакой попытке путем оптическмх, рентгеновских или магнитных измерений, а такжепосредством каких-либо других способов будут изменяться волновые характеристикиэлектрона.

Это означает, что можно говорить лишь о вероятности нахождения электрона вданной точке (волновая функция).Электрон кроме массы и заряда обладает собственным механическим моментом количествадвижения, обусловленным вращением его вокруг собственной оси, которая можетустанавливаться параллельно или антипараллельно внешнему полю. Проекция этого моментана какое-либо избранное направление может иметь два значения:Заполнение электронных оболочек вгде ms - спиновое квантовое число, равноемногоэлектронных атомах и образование устойчивых электронных групп подчиняетсяпринципу минимума энергии (при данном числе электронов в атоме прежде всегозаполняются свободные состояния с минимальной энергией и принципу Паули.Согласно принципу Паули в любом атоме в данном квантовом состоянии, определяемымчетырьмя квантовыми числами, не может быть более одного электрона, или у двухэлектронов атома не могут совпадать все четыре квантовых числа.Максимальное количество электронов N, образующих устойчивую электронную оболочку сглавным квантовым числом nВозрастание энергии электронных состояний с увеличением номера оболочек определяетсяследующим рядом:(1S)< (2S)< (2P) < (3S)< (3P)< (4S)< (3D)< (4P).Элементы квантовой теории межатомного взаимодействияСостояние, в котором находится группа атомов, определяется природой и величиноймежатомных сил, а также внешними условиями.Химическое сродство атомов предусматривает наличие между ними сил притяжения, авзаимное отталкивание ядер - сил отталкивания.

Величина этих сил зависит от расстояниямежду атомами. Поэтому взаимное расположение атомов в том или ином агрегатномсостоянии определяется равнодействующей этих сил, связанной с энергией ихвзаимодействия, которую в первом приближении можно определить в виде суммыпотенциалов сил притяжения и отталкивания (рис.2.1).При значительных расстояниях между атомами силы притяжения малы, а силы отталкиваниявообще равны нулю. При сближении атомов начинают возрастать силы притяжения, апотенциальная энергия приобретать отрицательное значение.