Материаловедение

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

Приведенные ниже значения отношений радиуса металла /?м к радиусу неметалла /?,1М и соответствующие им координационные числа вытекают из геометрии упаковки шаров разных диаметров.
...
Для РеО координационное число будет равно 6, так как указанное соотношение равно 0,54. На рис. 1.14 приведена кристаллическая решетка РеО. Ионы кислорода образуют ГЦК решетку, ионы железа занимают в ней поры. Каждый ион железа окружен шестью ионами кислорода, и, наоборот, каждый ион кислорода окружен шестью ионами железа. В связи с этим в ионных кристаллах нельзя выделить пару ионов, которые можно было бы считать молекулой. При испарении такой кристалл распадается на молекулы.
...
При нагреве соотношение ионных радиусов может изменяться, так как ионный радиус неметалла растет интенсивнее, чем радиус металлического иона. Это приводит к изменению типа кристаллической структуры, т. е. к полиморфизму. Например, у оксида Ре2Оэ при нагреве шпинельная кристаллическая решетка изменяется на ромбоэдрическую решетку (см. п. 14.2),
...
Закономерности формирования структуры материалов
...
Преимущественное использование в промышленности находят не чистые металлы или неметаллы, а сплавы металлов с металлами или неметаллами.
...
В сплавах элементы могут различно взаимодействовать между собой, образуя различные по химическому составу, типу связи и строению кристаллические фазы1. Эти кристаллы в зависимости от атомно-кристаллической структуры принято делить на два основных вида: твердые растворы и промежуточные фазы. Твердыми растворами называют кристаллы, в которых сохраняется кристаллическая решетка одного элемента-растворителя. В промежуточных фазах образуется новый тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток элементов, его образующих.
...
Таким образом, помимо классификации кристаллов по видам связи используют классификацию по типам кристаллической решетки. Такая классификация позволяет прогнозировать характер изменения свойств сплава в функции состава.
...
Твердые растворы. Такие растворы являются кристаллическими фазами переменного состава. Атомы растворенного элемента В размещаются в кристаллической решетке растворителя — элемента А, либо замещая атомы в узлах решетки, либо внедряясь в междоузлия-поры. В первом случае кристаллы называют твердыми растворами замещения, во втором твердыми растворами внедрения (рис. 1.15). Количество замещенных атомов, так же как и количество внедренных, может изменяться в широких пределах, что и приводит к переменной растворимости твердых растворов. Растворимость может быть неограниченной для твердых
...
Твердые растворы замещения. Замещение атомов растворителя А атомами растворенного элемента В возможно, если атомные радиусы отличаются не более, чем на 15%. Это условие называют -размерный фактор. В твердых растворах атомы растворенного вещества, как правило, распределяются в решетке растворителя статистически. Вокруг атома растворенного вещества возникают местные искажения пространственной решетки. Эти искажения приводят к изменению свойств и к изменению среднего периода решетки. Растворение элементов с меньшим атомным радиусом, чем атомный радиус растворителя, вызывает уменьшение среднего периода решетки, а с большим радиусом - увеличение.
...
Растворимость элементов в твердом состоянии уменьшается при увеличении различия в атомных радиусах сплавленных элементов и их валентности.
...
При образовании твердых растворов замещения возможна и неограниченная растворимость элементов в твердом состояний, т. е. когда при любом количественном соотношении сплавляемых элементов все разнородные атомы размещаются в узлах общей пространственной решетки. Неограниченная растворимость наблюдается при соблюдении размерного фактора и если элементы имеют одинаковый тип кристаллической решетки.
...
Неограниченная растворимость в твердом состоянии наблюдается в сплавах меди с золотом, меди с никелем, германия с кремнием. В полиморфных металлах встречается неограниченная растворимость в пределах одной модификации пространственной решетки. Например, Реа дает неограниченный ряд твердых растворов с хромом (ОЦК решетка), а Реу- неограниченный ряд твердых растворов с никелем (ГЦК решетка).
...
Многие твердые растворы замещения при относительно невысоких температурах способны находиться в упорядоченном состоянии, т. е. вместо статистического распределения разносортных атомов в узлах пространственной решетки атомы одного и другого металла размещаются в совершенно определенном порядке. Такие твердые растворы называют упорядоченными; используется также термин «сверхструктура».
...
Переход из неупорядоченного в упорядоченное состояние происходит при определенной температуре или в определенном интервале температур. Температура, при которой твердый раствор полностью разупорядочивается, называется точкой Курнакова и обозначается 8К. Упорядочение происходит обычно только при медленном охлаждении твердого раствора из температурной области выше 8К.
...
Упорядоченные твердые растворы встречаются в системах с значительной или неограниченной растворимостью в твердом состоянии; при этом полная упорядоченность возникает при концентрациях твердого раствора, соответствующих простым атомным соотношениям компонентов типа АВ или АВ3. Частичная упорядоченность наблюдается при составах, близких к указанным. Расположение атомов в упорядоченных твердых растворах двух сплавов меди с золотом, составов, соответствующих концентрациям АиСи3 и АиСи, показано на рис. 1.16.
...
При упорядочении возрастают электропроводность, температурный коэффициент электрического сопротивления, твердость и прочность; снижается пластичность сплава. У ферромагнитных сплавов изменяются магнитные свойства: например, у пермаллоев (магнитные сплавы железа с никелем) при упорядочении в несколько раз снижается магнитная проницаемость. Неко-
...
22 Закономерности формирования структуры материалов
...
торые сплавы в неупорядоченном состоянии парамагнитны, а после упорядочения становятся ферромагнитными, например, сплавы Гейслера (Мп-Си-А1).
...
Твердые растворы внедрения. Такие твердые растворы возникают при сплавлении переходных металлов с неметаллами, имеющими малый атомный радиус -Н, N. С, В.
...
Основным условием, определяющим возможность растворения путем внедрения, является размерный фактор. Размер межузельного атома должен быть равным или несколько больше размера поры.
...
Твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость и встречаются преимущественно тогда, когда растворитель имеет ГПУ или ГЦК решетки, в которых имеются поры с радиусом 0,41 Я, где К -радиус атома растворителя. В ОЦК решетке растворимость путем внедрения мала, так как размер пор не превосходит 0,29 К.
...
Примером твердых растворов внедрения, имеющих промышленное значение, являются твердые растворы углерода в Реу и Реа, Рет с ГЦК решеткой растворяет до 2,14% (по массе) углерода; Геа с ОЦК решеткой почти не растворяет углерод, максимальная растворимость составляет около 0,02% (по массе).
...
Искажения решетки, которые появляются при образовании твердых растворов внедрения, превышают те, которые возникают при образовании твердых растворов замещения, в связи с чем более резко изменяются и свойства. По мере увеличения концентрации растворенного элемента в твердом растворе заметно возрастают электрическое сопротивление, коэрцитивная сила, твердость и прочность, но заметно понижаются пластичность и вязкость.
...
В сплавах, содержащих более двух элементов, возможно растворение в одном и том же растворителе и путем замещения, и путем внедрения. Так, при сплавлении железа с марганцем и угле-
...
В заключение следует подчеркнуть, что твердые растворы-это кристаллы, наиболее близкие по свойствам к растворителю, так как сохраняют его кристаллическую решетку и тип связи. В частности, твердые растворы на основе металлов отличаются хорошей технологической пластичностью: хорошо деформируются в горячем состоянии, а многие и в холодном состоянии.
...
Твердые растворы составляют основу большинства промышленных конструкционных сплавов и сплавов специального назначения.
...
Промежуточные фазы. Кристаллы, образованные различными элементами и имеющие собственный тип кристаллической решетки, отличающийся от ре-щеток составляющих их элементов, называют промежуточной фазой.
...
В зависимости от природы элементов в промежуточных фазах может быть любой тип связи, который, в первую очередь, и определяет свойства кристаллов, в частности электрические свойства (см. п. 17.1).
...
Расположение атомов (или ионов) в решетке может быть неупорядоченным либо полностью или частично упорядоченным. Упорядочение, так же как и в твердых растворах, вызывает резкое изменение свойств - появление сверхпроводимости.
...
Промежуточные фазы, так же как и твердые растворы, являются кристаллами, в которых состав изменяется в некотором интервале концентраций, иногда очень малом. Переменный состав объясняется либо наличием небольших межузельных «лишних» атомов (или ионов) в кристаллической решетке промежуточной фазы, либо недостатком атомов в узлах решетки (рис. 1.17).
...
Фазы с металлическим типом связи. Фазы, в которых преобладает металлический тип связи, образуются при взаимодействии переходных металлов с С, N. В и Н. Фазы называются соответственно карбидами, нитридами, боридами, гидридами.
...
Кристаллическая структура этих соединений зависит от относительных размеров атомов неметалла ЯИМ
...
Фазы внедрения. Эти фазы имеют кристаллические решетки, типичные для чистых металлов; чаще всего это плотноупакованные ГЦК и ГПУ решетки; при этом тип решетки не совпадает с типом решетки металла, образующего фазу внедрения (исключением являются некоторые гидриды). Атомы металла в фазах внедрения размещаются в узлах решетки, тогда как атомы неметалла закономерно распределяются в октаэдрических или тетраэдрических порах решетки. Тетра-эдрические поры имеют меньший размер, поэтому в них могут разместиться лишь атомы водорода.
...
формулами, которые отражают состав (стехиометрический), при котором кристаллы не имеют дефектов — межузель-ных атомов и вакансий.
...
Пока не существует полной классификации многочисленных и разнообразных промежуточных фаз. Замечено, что структура промежуточной фазы зависит от трех факторов: относительного размера атомов, их валентности и от положения в периодической системе элементов, что определяет их электронную структуру.
...
Закономерности формирования структуры материалов
...
К фазам внедрения типа МеХ относятся следующие карбиды: Т1С, >)ЬС, \УС, МоС, УС. Вольфрам и молибден могут образовывать и фазы внедрения типа Ме2Х: Мо2С и Ш2С. Примером фазы внедрения типа Ме4Х является нитрид железа Ре4г<), а фазы типа МеХ4- гидрид циркония 2гН4.
...
Указывалось, что в фазах внедрения преобладает металлическая связь, чем определяются такие свойства этих фаз, как высокая электропроводимость, положительный коэффициент электрического сопротивления, как у чистых металлов и твердых растворов на их основе. Некоторые фазы внедрения обладают сверхпроводимостью; однако есть свойства, которые указывают на значительную долю в фазах внедрения ковалентной связи. Большинство фаз внедрения чрезвычайно тугоплавки и имеют твердость, близкую к твердости алмаза. Фазы внедрения — это самые тугоплавкие и твердые промежуточные фазы.
...
Карбиды и нитриды, относящиеся к фазам внедрения, присутствуют в структуре многих коррозионно-стойких, износостойких и жаропрочных конструкционных сталей. Карбиды ТЮ, ТаС, ШС, Ш2С служат основой спеченных твердых сплавов для режущих инструментов. Использование таких сплавов позволило увеличить скорости резания в десятки раз (см. гл. 18).
...
К карбидам с отношением К„м/Км > 0,59 относятся карбид железа (в сталях его называют цементитом), карбид марганца и карбиды хрома (например, в карбиде железа отношение Кс/Кре = 0,605). Карбид железа Ре3С и карбиды хрома Сг23С6 и Сг7С3 - важнейшие промежуточные фазы в конструкционных и инструментальных сталях, во многом определяюшие их свойства. В последних карбидах преобладает металлическая связь, хотя имеется и определенная доля ковалентной связи.
...
различных групп периодической таблицы элементов; образование их определяется размерным фактором: атомный радиус элемента В меньше, чем атомный радиус элемента А, на 20-30%.
...
Фазы Лавеса имеют упорядоченные сложные кубические или гексагональные решетки; в магнитном поле они ведут себя как диамагнетики.
...
Фазы Лавеса, образованные переходными металлами (гЧЬРе2, МоРе2, Т1ре2, Т1Сг2), присутствуют в структуре некоторых жаропрочных сплавов и способствуют их упрочнению (см. п. 14.3).
...
Сигма-фазы. Эти фазы переменного состава образуются при сплавлении переходных металлов, имеющих близкие размеры атомов; о-фазы имеют частично упорядоченную сложную решетку.
...
В железных сплавах, содержащих больше 20% Сг, которые используются как коррозионно-стойкие конструкционные материалы, очень медленное охлаждение из области твердого раствора или изотермические выдержки при 800-600 °С приводят к образованию кристаллов о-фазы, которое сопровождается резким увеличением твердости и охрупчиванием сплавов.
...
Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты, а поэтому нет идеально правильного расположения атомов во всем объеме кристалла.
...
Дефекты кристаллов подразделяют на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Размеры точечного дефекта близки к межатомному расстоянию. У линейных дефектов длина на несколько порядков больше ширины; у поверх-
...
ностных дефектов мала толщина, а ширина и длина больше ее на несколько порядков. Объемные дефекты (поры, трещины) имеют значительные размеры во всех трех направлениях.
...
Точечные дефекты. К самым простым точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения (рис. 1.19).
...
Вакансией называется пустой узел кристаллической решетки; межузельным атомом называется атом, перемещенный из узла в позицию между узлами.
...
Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при любой температуре выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаний атомов. Каждой температуре соответствует равновесная концентрация вакансий, а также меж-узельных атомов. Например, в меди при температуре 20-25 °С содержится 10"13 ат. % вакансий, а вблизи точки плавления-уже 0,01 ат. % (одна вакансия приходится на 104 атомов).
...
Пересыщение точечными дефектами достигается при резком охлаждении после высокотемпературного нагрева, при пластическом деформировании и при облучении нейтронами. В последнем случае концентрация вакансий и меж-узельных атомов одинакова: выбитые из узлов решетки атомы становятся межузельными атомами, а освободившиеся узлы становятся вакансиями. С течением времени избыток вакансий сверх равновесной концентрации уничтожается на свободных поверхностях кристалла, порах, границах зерен и дру-
...
26 Закономерности формирования структуры материалов
...
гих дефектах решетки. Места, где исчезают вакансии, называются стоками вакансий. Убыль вакансий объясняется их подвижностью и непрерывным перемещением в решетке. Соседний с вакансией атом может занять ее место и оставить свободным свой узел, в который затем переходит другой атом.
...
Чем выше температура, тем больше концентрация вакансий и тем чаще они переходят от узла к узлу. Вакансии являются самой важной разновидностью точечных дефектов; они ускоряют все процессы, связанные с перемещениями атомов: диффузия, спекание порошков и т. д.
...
В ионных и ковалентных кристаллах вакансии и другие точечные дефекты электрически активны и могут быть как донорами, так и акцепторами. Это создает в кристаллах преобладание определенного типа проводимости. В ионных кристаллах электрическая нейтральность кристалла сохраняется благодаря образованию пары точечных дефектов: вакансия - ион, у которых электрические заряды имеют противоположные знаки.
...
Все виды точечных дефектов искажают кристаллическую решетку и, в определенной мере, влияют на физические свойства. В технически чистых металлах точечные дефекты повышают электросопротивление, а на механические свойства почти не влияют. Лишь при больших концентрациях дефектов в облученных металлах понижается пластичность и заметно изменяются другие свойства.
...
Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. Он получается, если обойти замкнутый контур в идеальном кристалле (рис. 1.22, а), пере-
...
ходя от узла к узлу, а затем этот же путь повторить в реальном кристалле, заключив дислокацию внутрь контура. Как видно из рис. 1.22, б в реальном кристалле контур окажется незамкну-
...
гам. Вектор, который нужен для замыкания контура, называется вектором Бюргерса. У краевой дислокации вектор Бюргерса равен межатомному расстоянию и перпендикулярен дислокационной линии, у винтовой дислокации — параллелен ей.
...
Плотность дислокаций-суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема. В полупроводниковых кристаллах она равна 104— 105 см~2, у отожженных металлов-106 — 108 см-2 При холодном пластическом деформировании плотность дислокаций возрастает до 1011 — 1012 см-2. Попытка увеличить плотность свыше 1012 см-2 быстро приводит к появлению трещин и разрушению металла. Дислокации появляются при кристаллизации, плотность их большая, поэтому они значительно влияют на свойства материалов. Дислокации наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях, рекристаллизации, служат готовыми центрами при выпадении второй фазы из твердого раствора. Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решетку без дефектов. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажения решетки. Примесные атомы образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации-так называемую атмосферу Коттрелла, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.
...
1 — идеальный кристалл без дефектов; 2 — бездефектные кристаллы «усы»; 3 — отожженные металлы; 4 — металлы с увеличенной плотностью дефектов после обработки
...
Особенно велико влияние дислокаций на прочность кристаллов. Благодаря подвижным дислокациям экспериментально определенный предел текучести металлов в 1000 раз меньше теоретического значения. При значительном увеличении плотности дислокаций и уменьшении их подвижности прочность увеличивается в несколько раз по сравнению с отожженным состоянием. Прочность бездефектных участков (в том числе длинных и тонких «усов», полученных кристаллизацией из газовой фазы) приближается к теоретической (рис. 1.23).
...
Закономерности формирования структуры материалов
...
ства, снижают электрическое сопротивление, уменьшают время жизни носителей. Значение дислокаций особенно возрастает в микроэлектронике, где применяются тонкие пленочные кристаллы, и дислокации играют роль тонких проводящих каналов, вдоль которых легко перемещаются атомы примеси.
...
Поверхностные дефекты. Наиболее важными поверхностными дефектами являются большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников.
...
В промышленности применяют как поликристаллические, так и монокристаллические материалы. Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно (рис. 1.24), и граница между зернами представляет собой переходный слой шириной 1-5 нм. В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей.
...
Границы между зернами называются большеугловыми, так как соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы в десятки градусов (рис. 1.24, а). Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен или блоков.
...
Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения. Границы субзерен представляют собой стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные субзерна или блоки (рис. 1.24,6). Угол взаимной разориентации между соседними субзернами невелик (не более 5 °), поэтому такие границы называются малоугловыми. На малоугловых границах также скапливаются примеси.
...
Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, ограниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоев. Например, в сплавах с ГЦК решеткой чередуются плотноупакованные слои АВСАВСАВ...,
...
а при прохождении через дефект упаковки слои чередуются в последовательности АВСВСАВС... Чередование слоев ВСВС... типично для кристаллов с ГПУ решеткой, и, таким образом, дефект упаковки представляет собой как бы тонкую пластинку с ГПУ решеткой в ГЦК решетке.
...
Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства материалов. Особенно большое значение имеют границы зерен. Предел текучести <тт связан с размером зерен с1
...
Вдоль границ зерен и субзерен быстро протекает диффузия (во много раз быстрее, чем сквозь кристалл), особенно при нагреве. Взаимодействие между дефектами, перемещения их в кристаллах, изменение концентрации дефектов-все это отражается на свойствах и имеет большое практическое значение.
...
тического барьера (энергия активации), преодолеваемого перемещающимися атомами. Энергия активации зависит от сил межатомной связи и дефектов кристаллической решетки, которые облегчают диффузионные переходы (энергия активации по границам зерен вдвое меньше, чем в объеме зерна). Для металлических атомов более вероятным является вакансионный механизм, а для элементов с малым атомным радиусом (Н, 14, С)-межузельный.
...
Классическими законами диффузии считаются законы Фика, которые справедливы для слабых растворов или систем с малым перепадом диффундирующего вещества - градиентом концентрации дс/дх.
...
При постоянной температуре количество диффундирующего вещества о\т в единицу времени через единицу поверхности о1Б пропорционально градиенту концентрации дс/дх и коэффициенту диффузии £> (см2/с). Знак минус указывает, что диффузия протекает в направлении, обратном вектору градиента концентрации, т. е. от зоны с большей концентрацией к зоне с меньшей концентрацией диффундирующего элемента.
...
Когда градиент концентрации изменяется во времени, а коэффициент диффузии принимается независящим от концентрации, процесс диффузии описывается вторым законом Фика, который выводится из первого закона:
...
Коэффициент диффузии £> (см2/с) определяет скорость диффузии при перепаде концентрации, равном единице, зависит от состава сплава, размеров зерен и температуры процесса.
...
Для определенного диапазона температур С Аррениус установил экспоненциальную зависимость коэффициента диффузии от температуры:
...
где £>0 - предэкспоненциальный множитель, зависящий от сил связи между атомами кристаллической решетки; б-энергия активации процесса диффузии; К-газовая постоянная.
...
В дальнейшем для описания диффузионных процессов в сложных сплавах ученые уточняли законы Фика, вводили понятия градиента химического потенциала или градиента термодинамической активности вместо градиента концентрации.
...
Диффузионные процессы лежат в основе кристаллизации и рекристаллизации, фазовых превращений и насыщения поверхности сплавов другими элементами. Более подробно об этом сообщается в последующих главах.
...
30 Закономерности формирования структуры материалов
...
В кристаллах первого класса (рис. 1.25,а) молекулы выстроены в цепочки; направление преимущественной ориентации молекул является оптической осью жидкого кристалла.
...
В кристаллах второго класса (рис. 1.25,6) молекулы образуют параллельные слои, которые легко смещаются друг относительно друга.
...
В кристаллах третьего класса (рис. 1.25, в) структура наиболее сложная: молекулы размещаются по пространственной спирали. Длинные молекулы образуют параллельные слои, в каждом слое имеется структура жидкого кристалла первого класса. Направление преимущественной ориентации плавно меняется при переходе от слоя к слою, образуя спираль с определенным шагом.
...
Ориентационный порядок в расположении молекул создает анизотропию: показатель преломления света, диэлектрическая проницаемость, удельное электрическое сопротивление, вязкость и многие другие свойства зависят от направления, вдоль которого измеряют их величины, например параллельно или перпендикулярно осям молекул. В частности, в жидких кристаллах, являющихся диэлектриками, удельное объемное электрическое сопротивление, измеренное перпендикулярно молекулярным цепям, достигает 1012 — 1014 Ом-м,
...
Структура жидких кристаллов легко изменяется под действием давления, электрического поля, нагрева. Это явление дает возможность управлять их свойствами путем слабых воздействий и делает жидкие кристаллы незаменимыми материалами для изготовления особо чувствительных индикаторов.
...
Способность изменять оптические свойства жидких кристаллов первого класса, а также кристаллов третьего класса под влиянием электрического поля и температурных условий широко используется в приборостроении. Изменение структуры жидких кристаллов при внешних воздействиях сопровождается перемещениями молекул, и на такие перемещения требуется 1 — 10 мс, а на возврат к исходному состоянию после прекращения воздействия еще большее время-20-200 мс. Такая особенность жидких кристаллов ограничивает их применение областью низких частот (не выше 2-5 кГц). В промышленности используют как индивидуальные жидкокристаллические органические соединения, так и их эвтектические смеси. Смеси обладают более широким температурным интервалом существования жидких кристаллов.
...
В жидких кристаллах первого класса наблюдается электрооптический эффект динамического рассеяния света. Сущность эффекта заключается в нарушении исходной упорядоченности молекул под
...
действием электрического поля достаточной напряженности, появлением турбулентного перемешивания молекул и увеличением прозрачности. Жидкие кристаллы используют в цветных индикаторах и других цветовых устройствах. Для цветных изображений применяют смеси жидких кристаллов с красителями, также имеющими продолговатые молекулы. При низкой напряженности поля молекулы жидкого кристалла размещаются перпендикулярно электродам ячейки и увлекают за собой молекулы красителя. В таком положении окраска не видна. При вращении молекул под влиянием поля более высокой напряженности молекулы красителя окрашивают изображение в определенный цвет.
...
В жидких кристаллах третьего класса при нагреве шаг спирали увеличивается, что меняет условия интерференции света на кристаллах и сопровождается изменением окраски отраженного света. Оптические характеристики кристаллов весьма разнообразны, в среднем длина волны отраженного света при нагреве на 1 °С уменьшается на 1-2 нм.
...
Эту особенность используют для регистрации и измерения стационарных и медленно меняющихся температурных полей. Здесь используется как увеличение прозрачности при переходе жидкого кристалла в изотропную жидкость, так и изменение цвета отраженного потока света.
...
На основе жидких кристаллов изготовляют медицинские термометры, датчики температуры для контроля перегрева узлов и деталей, преобразователи невидимого инфракрасного излучения в видимый свет. В последнем случае поглошение инфракрасного излучения
...
нагревает жидкий кристалл так, что изменяется окраска отраженного света. Жидкие кристаллы применяют в модуляторах, системах отображения информации-калькуляторах, ручных часах, измерительных приборах автомобилей, устройствах для отклонения светового потока и др.
...
Термопластичные полимеры способны многократно размягчаться при нагреве и твердеть при охлаждении без изменения своих свойств.
...
Термореактивные полимеры при нагреве остаются твердыми вплоть до полного термического разложения. Это различие поведения при нагреве объясняется тем, что у термопластичных полимеров между молекулами действуют относительно слабые силы Ван-дер-Ваальса. При нагреве связи между мо-
...
Закономерности формирования структуры материалов
...
лекулами значительно ослабляются, материал становится мягким и податливым. У термореактивных полимеров кроме сил Ван-дер-Ваальса имеются поперечные ковалентные связи между молекулами. Благодаря им термореактивный материал остается твердым при нагреве.
...
Линейные молекулы имеют главные цепи и боковые группы (см. рис. 1.26). При молекулярной массе 104 — 10б в линейной молекуле объединяются сотни звеньев и длина главной цепи во много раз больше размеров боковых групп. У большинства полимеров главные цепи состоят преимущественно из атомов углерода, у кремнийорганических полимеров они образованы чередующимися атомами кислорода и кремния.
...
Боковые группы образуют атомы (водород, галоиды), радикалы (ОН—, СгЧ—, С6Н5— и др.), короткие полимерные цепи из нескольких звеньев. Очевидно, что при наличии боковых групп нескольких видов имеются возможности разместить их вдоль главной цепи как неупорядоченно, так и в определенном порядке. Полимеры с неупорядоченным чередованием групп называются нерегулярными, а с упорядоченным - регулярн ыми.
...
Структура молекул определяется способом производства полимера. При обработке полимеров (нагрев, растворение и т. д.) структура молекул почти не изменяется, и нельзя, например, нерегулярный полимер сделать регулярным.
...
Общая структура полимеров складывается из структуры молекул и надмолекулярной структуры, т. е. взаимной укладки линейных молекул в полимерном веществе. Надмолекулярная структура появляется под влиянием сил притяжения между молекулами и теплового движения самих молекул. Наиболее характерной и важной формой теплового движения макромолекул являются повороты частей молекул по отношению друг к другу (рис. 1.27). Равновесному состоянию соответствуют определенные
...
значения углов между связями а (см. рис. 1.27). Форма линейной молекулы все время изменяется. Установлено, что ее равновесной формой является эллипсоид. Любые неравновесные изменения формы молекулы быстро уничтожаются при тепловом движении, когда повороты вокруг связей внутри макромолекулы легко осуществляются. Для нерегулярных полимеров характерны пачечные структуры, когда на сравнительно больших участках главные цепи соседних молекул располагаются параллельно. У регулярных полимеров типичными надмолекулярными структурами являются кристаллы. Пачечные структуры и кристаллы образуются при повышенных температурах, когда внутри макромолекулы легко происходят сдвиги, повороты и т. д.
...
Макромолекулы в полимерном веществе не упакованы плотно, и мерой плотности упаковки является так называемый свободный объем, т. е. разность между фактическим удельным объемом вещества и теоретическим удельным объемом при самой плотной упаковке. При нагреве свободный объем увеличивается. В зависимости от свободного объема полимерное вещество находится в одном из физических состояний: стеклообразном, высокоэластичном, вязко-текучем. Переходы из одного состояния
...
в другое происходят без выделения или поглощения теплоты. Температуры переходов называются температурами стеклования 1ст и текучести гтек.
...
Различия между физическими состояниями полимеров наглядно проявляются при деформировании (рис. 1.28). В стеклообразном состоянии повороты вокруг связей в макромолекулах затруднены, полимер является упругим твердым телом. Под нагрузкой упругая деформация не превышает нескольких процентов и падает до нуля при снятии нагрузки. При деформации происходит искажение валентных углов а.
...
Высокоэластичное состояние появляется тогда, когда свободный объем становится ~2,5%. В этом состоянии полимер ведет себя как эластичное тело. Под действием нагрузки скрученные макромолекулы выпрямляются и вытягиваются, деформация достигает 500-800%. Расстояния между атомами в макромолекулах при этом меняются незначительно. При снятии нагрузки тепловое движение
...
В вязкотекучем состоянии полимер ведет себя как вязкая жидкость. Под нагрузкой макромолекулы выпрямляются и скользят друг относительно друга. Главную часть деформации составляет необратимое вязкое течение. Течение прекращается после прекращения действия нагрузки, и вязкая жидкость сохраняет полученную форму. Нагрев сопровождается разрывом ковалентных связей в макромолекулах. Число таких разрывов заметно повышается выше гтек, а начиная с температуры разложения гразр термический распад макромолекул с выделением низкомолекулярных соединений быстро приводит к полному разрушению полимера.
...
Таким образом, молекулярная структура полимера остается неизменной в разных физических состояниях (если не учитывать разрывов ковалентных связей в отдельных макромолекулах при нагреве). В то же время надмолекулярная структура легко изменяется. Неравновесные надмолекулярные структуры при нагреве выше гст заменяются равновесными. При охлаждении ниже гст в материале легко фиксируются неравновесные надмолекулярные структуры. Если растянуть нагретый выше гст термопластичный полимер и, не снимая нагрузки, охладить его ниже ест, то высокоэластичное состояние «замораживается», вытянутые макромолекулы сохранят свою форму и после снятия нагрузки. Ориентация молекул по направлению растягивающего усилия обусловливает анизотропию свойств. Отклонения надмолекулярной структуры от равновесной имеются в изделиях из полимеров и влияют на прочность. Регулярные полимеры кристаллизуются при переохлаждении ниже равновесной температуры кристаллизации гкр. Кристаллизация регулярных полимеров сопровождается выделением теплоты и умень-
...
а — термопластичный аморфный полимер; / — стеклообразное состояние; // — высокоэластичное состояние; ///— текучее состояние; б — полимер с редкими поперечными связками; в — термопластичный кристаллический полимер; г — полимер с частыми поперечными связями
...
Закономерности формирования структуры материалов
...
шением объема. При кристаллизации гибкие макромолекулы укладываются в порядке, который соответствует определенной кристаллической решетке. Степень кристаллизации обычно высока, не менее 60-70%, однако полная кристаллизация не достигается. Температура кристаллизации гкр лежит выше гст, и благодаря кристаллам полимерные материалы остаются упругими и твердыми в интервале температур гст — — гкр, при которых соответствующие по химическому составу некристаллические полимеры находятся в высокоэластичном состоянии.
...
Надмолекулярные структуры в термореактивных полимерах зависят от плотности поперечных связей. При небольшой плотности поперечных связей образуются как пачечные структуры, так и кристаллы. При увеличении плотности поперечных связей возможность образования надмолекулярных структур уменьшается.
...
В кристаллических полимерах размеры кристаллов и их форма зависят от конкретных условий кристаллизации, и механические свойства определяются полученной структурой.
...
Стекло представляет собой аморфное вещество, образующееся при сплавлении оксидов или безоксидных соединений. Стеклообразующими являются оксиды 8Ю2, В2Оэ, Р205, Ое02, а также некоторые бескислородные соединения мышьяка, селена, теллура.
...
Основу стекла образует объемная сетка из однородных структурных элементов. В наиболее простом по составу кварцевом стекле такими элементами являются тетраэдры БЮ4, которые соединяются своими вершинами (рис. 1.29). Из таких же тетраэдров образована структура кристаллического кварца. Различие между двумя веществами одинакового химического состава объясняется размещением БЮ4. Углы между связями кремний — кислород в соседних тетраэдрах в кварцевом стекле меняются в широких пределах (120—
...
180°), чем и объясняется неупорядоченное расположение тетраэдров Si04. В кристаллическом кварце тетраэдры Si04 размещены упорядочение и образуют кристаллическую решетку, в этом случае значения углов между связями Si—О находятся в более узком интервале. Структура аморфного стекла возникает при охлаждении стеклянной массы, когда повышение ее вязкости препятствует кристаллизации.
...
Основную массу промышленных стекол составляют силикатные стекла с добавками других оксидов. Эти стекла по сравнению с кварцевым стеклом размягчаются при более низких температурах и легче перерабатываются в изделия. В силикатных стеклах атомы соединяются ковалентно-ионными связями; в объемную сетку кроме кремния и кислорода входят также алюминий, титан, германий, бериллий; ионы щелочных и щелочно-земельных металлов размещаются в ячейках этой сетки. Усложнение химического состава силикатных стекол приводит к изменению их свойств, в том числе и цвета, и является причиной структурной неоднородности.
...
При охлаждении однофазный расплав расслаивается на две или несколько жидких фаз разного химического состава. Затвердевшее стекло имеет многофазную структуру, каждая из фаз остается аморфной. Расслоение силикатных стекол-характерная особенность их структуры.
...
элементов очень трудно предупредить зарождение и рост кристаллов. Кристаллизация или «расстекловывание» с образованием крупных кристаллов отрицательно влияет на прочность и прозрачность стекла. Кристаллизацию предупреждают подбором химического состава стекла и условий его варки.
...
Напряжения в стеклянных изделиях из-за различия плотности в разных участках устраняют нагревом, достаточным для перестройки элементов структуры и выравнивания плотности.
...
Керамикой называют материалы, полученные при высокотемпературном спекании минеральных порошков. При нагреве исходные вещества взаимодействуют между собой, образуя кристаллическую и аморфную фазу. Керамика представляет собой пористый материал, содержащий ковалентные или ионные кристаллы — сложные оксиды, карбиды или твердые растворы на их основе. Аморфная фаза является стеклом, которое по своему химическому составу отличается от кристаллов. Керамический материал содержит одну или несколько кристаллических фаз, отдельные виды керамики совсем не имеют стекла в своей структуре. Как правило, керамика имеет поликристаллическую структуру с прослойками стекла и с беспорядочным расположением зерен и поэтому однородна по свойствам.
...
Характерной особенностью керамических материалов является хрупкость. Сопротивление разрушению тем выше, чем мельче кристаллы и чем меньше пористость. Например, плотная микрокристаллическая керамика на основе А12Оэ с размерами зерен 1-5 мкм в 5-6 раз прочнее обычной. Изделия из плотной мелкозернистой керамики - тонкой керамики - получают по более сложной технологии, и поэтому такие изделия дороги. Пористую керамику используют в качестве огнеупорных материалов,
...
Ситаллы или стеклокристаллические материалы получают из стекол специального состава при помощи контролируемой кристаллизации. Структура ситаллов представляет собой смесь очень мелких (размерами 0,01-1 мкм), беспорядочно ориентированных кристаллов (60-95%) и остаточного стекла (40-5 %). Исходное стекло по химическому составу отличается от остаточного стекла, в котором накапливаются ионы, не входящие в состав кристаллов. Такая структура создается в стеклянных изделиях после двойного отжига: первый отжиг нужен для. формирования центров кристаллизации, второй-для выращивания кристаллов на готовых центрах. Для образования кристаллов в стекла вводят 1л20, ТЮ2, А12Оэ и другие соединения.
...
В зависимости от условий образования центров кристаллизации ситаллы подразделяют на термоситаллы и фото-ситаллы. В термоситаллах для образования центров кристаллизации используют оксиды или фториды ТЮ2, Р205, №Р и др. (несколько процентов). При отжиге термоситалла получается высокая и однородная плотность кристаллов. В фотоситаллах используют малые добавки золота, серебра, платины или меди. Центры кристаллизации формируются под действием облучения ультрафиолетовым светом и отжига. Не-облученные участки остаются аморфными после отжига.
...
Фотоситаллы применяют как фоточувствительные материалы. Термоситаллы имеют универсальное применение: как износостойкие материалы используются для деталей гидромашин, узлов трения, защитных эмалей; как прочные стабильные диэлектрики - для радиодеталей, плат и т. п.
...
36 Закономерности формирования структуры материалов
...
Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией.
...
Процесс кристаллизации состоит из двух одновременно идущих процессов -зарождения и роста кристаллов. Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно (самопроизвольная кристаллизация) или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации (несамопроизвольная кристаллизация).
...
Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением вещества иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением термодинамического потенциала С
...
С повышением температуры термодинамический потенциал вещества как в твердом, так и в жидком состоянии уменьшается, что показано на рис. 2.1.
...
Температура, при которой термодинамические потенциалы вещества в твердом и жидком состояниях равны, называется равновесной температурой кристаллизации. Кристаллизация происходит в том случае, если термодинамический потенциал вещества в твердом состоянии будет меньше термодинамического потенциала вещества в жидком состоянии, т. е. при переохлаждении жидкого металла до температур ниже равновесной. Плавление - процесс, обратный кристаллизации, происходит при температуре выше равновесной, т. е. при перегреве. Разница между реальными температурами плавления и кристал-
...
Поскольку жидкий металл с присущим ему ближним порядком в расположении атомов обладает большей внутренней энергией, чем твердый со структурой дальнего порядка, при кристаллизации выделяется теплота. Между теплотой {0)
...
АНЖ-ТКАБЖ = АНК-ТКАЯК; АНЖ-АНК=ТК(А8Ж-А8К); б = ТКАБ.
...

Азотирование и карбонитрирование
Оcновы сварки судовых конструкций
Материаловедение
Російсько-український словник зварювальної термінології. Українсько-російський словник зварювальної термінології.
Металловедение для сварщиков (сварка сталей)
Машиностроение. Энциклопедия Оборудование для сварки

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Материаловедение