Материалы в современном машиностроении


        МАТЕРИАЛЫ В СОВРЕМЕННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 67.03:621
ББК 34.43
    М34

Авторы:
Г. Х.Шарипзянова, А. В. Андреева, Ж. В. Еремеева, Н. М. Ниткин

Рецензент:
д-р техн. наук, профессор кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ МИСиС В. С. Панов



М34            Материалы в современном машиностроении : учебное
         пособие / [Г. X. Шарипзянова и др.]. - Москва; Вологда : ИнфраИнженерия, 2021. - 192 с. : ил., табл.
               ISBN 978-5-9729-0698-7

         Изложены базовые основы строения и свойств различных видов твердотельных материалов. Дана классификация материалов, представлен широкий круг методов исследования их функциональных свойств, рассмотрены физико-химические эффекты и процессы, лежащие в основе их применения. Уделено внимание новым материалам с особыми свойствами, освещен ряд инновационных разработок по наноматериалам и развитию приоритетных направлений фундаментального материаловедения.
         Для студентов и преподавателей высших учебных заведений и техникумов направлений подготовки 22.00.00 «Технологии материалов» и 15.00.00 «Машиностроение».


                                                     УДК67.03:621
                                                     ББК 34.43









ISBN 978-5-9729-0698-7 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

    Оглавление


Предисловие..................................................7

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ МАТЕРИАЛОВ И ИХ СВОЙСТВА................................................8
       1.1. Что такое материал? Наука о материалах...........8
       1.2. Строение атомов и Периодический закон Д. И. Менделеева....................................8
       1.3. Химическая связь как основа образования различных типов материалов. Основные типы химических связей........13
       1.4. Кристаллическое и аморфное строение материалов..17
       1.5. Дефекты строения кристаллических тел............19
          1.5.1. Точечные дефекты...........................20
          1.5.2. Линейные дефекты...........................20
          1.5.3. Поверхностные дефекты......................22
          1.5.4. Объемные дефекты...........................22
       1.6. Элементы зонной теории строения материалов. Металлы, полупроводники, диэлектрики.........................22
       1.7. Основные виды материалов и их свойства..........24
          1.7.1. Металлы....................................25
          1.7.2. Полупроводники.............................26
          1.7.3. Полимеры...................................27
          1.7.4. Жидкие кристаллы...........................29
          1.7.5. Стекла.....................................30
          1.7.6. Керамики...................................31
          1.7.7. Твердые электролиты........................34
          1.7.8. Композиционные материалы...................35
          1.7.9. Наноматериалы..............................39

Глава 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ...................48
       2.1. Основные определения............................48
       2.2. Деформация и разрушение.........................49
          2.2.1. Основные стадии процессадеформации.........50
          2.2.2. Основные закономерности упругой, пластической деформации и разрушения.........................51
          2.2.3. Хрупкое и пластическое состояние материала.52
       2.3. Характеристики механических свойств металлов....55
       2.4. Твердость и прочность...........................56

3

          2.4.1. Твердость. Методы измерения твердости.....56
          2.4.2. Прочность. Хрупкая и вязкая прочность.....62
       2.5. Жаропрочность и жаростойкость..................64
          2.5.1. Жаропрочность и жаропрочные материалы.....64
          2.5.2. Жаростойкость.............................65
       2.6. Коррозия.......................................65
          2.6.1. Коррозионная стойкость. Виды коррозии.....65
          2.6.2. Механизмы коррозионных процессов..........66
       2.7. Радиационная стойкость материалов..............67
       2.8. Резервы прочностных свойств, будущее материлов.71

Глава 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................76
       3.1. Электропроводность.............................76
          3.1.1. Электронная структура твердых тел. Зонная теория....................................78
          3.1.2. Температурная зависимость электропроводности.80
       3.2. Термоэлектрические явления.....................83
          3.2.1. ЭффектТомсона.............................83
          3.2.2. Эффект Пельтье............................85
          3.2.3. Эффект Зеебека............................85
          3.2.4. Термоэлектрические материалы..............86
       3.3. ЭффектХолла....................................87
       3.4. Особые виды диэлектриков и их свойства в электрическом поле................................89
          3.4.1. Сегнетоэлектрики (ферроэлектрики). Закон Кюри - Вейсса.................................92
          3.4.2. Пьезоэлектрики............................94
          3.4.3. Пироэлектрики.............................94
          3.4.4. Электреты.................................95

Глава 4. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................98
       4.1. Микроскопическая природа магнетизма и основные группы магнитных материалов.........................98
       4.2. Природа ферромагнитного состояния, доменная структура.................................103
       4.3. Поведение ферромагнетиков в магнитном поле....105
       4.4. Влияние температуры на магнитные свойства. Законы Кюри и Кюри - Вейсса........................107

4

       4.5. Виды магнитных материалов и области их применения.109
       4.6. Магниторезистивный эффект, эффект гигантского магнитосопротивления. Спинтроника..................111

Глава 5. ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ.........................................115
       5.1. Цветность неорганических твердых тел.........115
       5.2. Оптически активные вещества и оптические эффекты..117
       5.3. Люминесценция и лазеры.......................122
          5.3.1. Люминесценция и люминофоры..............122
          5.3.2. Лазеры..................................127
       5.4. Оптические свойства нанообъектов.............132
           5.4.1. Электричество в наномире превращается в оптику....132 5.4.2. Фотоника. Оптические свойства нанообъектов (квантовые точки и фотонные кристаллы).........132
          5.4.3. Оптический пинцет.......................134

Глава 6. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ.....................................136
       6.1. Виды образцов кристаллических и аморфных материалов..............................136
       6.2. Методы получения материалов в виде массивных образцов..........................136
          6.2.1. Методы выращивания монокристаллов. Выращивание из расплава........................136
          6.2.2. Кристаллизация из растворов и расплавов.139
       6.3. Получение материалов в виде тонких слоев и пленок.139
          6.3.1. Химические и электрохимические методы...139
          6.3.2. Физические методы.......................142
          6.3.3. Эпитаксиальные и атомно-слоевые методы выращивания тонких пленок......................145

Глава 7. НАНОТЕХНОЛОГИИ, НАНОМАТЕРИАЛЫ, НАНОУСТРОЙСТВА...........................................148
       7.1. Нанотехнология...............................149
       7.2. Нанопоршки...................................153
       7.3. Наноматериалы................................167
          7.3.1. Нанокластеры............................167
          7.3.2. Наноматериалы на основе углерода........168
       7.4. Наноустройства...............................175

5

          7.4.1. Микро- (нано-) электромеханические системы (MEMS,NEMS).......................................175
7.4.2. Нанороботы.................................178
7.5. Перспективы развития нанотехнологии.............181

Послесловие.................................................185
Литература..................................................186
Приложение. Периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева..................................188

6

    Предисловие


        Ученое пособие написано на основе разработанного авторами курса лекций «Методы исследования материалов и процессов», читаемого студентам 2-го года обучения Московского политехнического университета.
        Современное состояние науки таково, что порой научные открытия становятся настолько невероятными с точки зрения обычного человеческого восприятия, что в них сложно поверить. Поэтому серьезный большой курс для студентов первых курсов должен в первую очередь предложить молодым людям творческий подход к изучению конкретных профильных дисциплин на старших курсах, заинтересовать задачами современного материаловедения. Разрабатываемый курс должен сочетать как изложение в доступной форме фундаментальных основ знаний о структуре, свойствах и методах исследования твердотельных материалов, так и новый богатый информационный материал о последних открытиях, разработках, дизайне перспективных функциональных материалов, процессов, приборов, технологий.
        Кажутся вполне реальными утверждения, что наука и технология XXI века будут иметь наноразмерный, ангстремный характер, поскольку во многих областях традиционных технологий достигнуты пределы миниатюризации отдельных элементов, что стимулирует поиск альтернативных путей. Поэтому высокие технологии, то есть наиболее новые и прогрессивные технологии современности, играют решающую роль в создании новых типов композиционных, нано- и метаматериалов, в развитии фотоники, спинтроники и других новых направлений науки.
        Авторы благодарны за ценные советы, которые были даны при рецензировании рукописи, а также коллегам, которые своей поддержкой стимулировали создание книги.
        Авторы надеются, что изложенные в книге сведения о материалах дадут читателю представление о современных возможностях науки и техники, помогут сформировать начальные навыки анализа свойств различных материалов, сравнения их характеристик и определения области наиболее рационального применения.
        Дорогие читатели, успехов на пути познания! Авторы искренно желают, чтобы книга стала для вас ключиком в большой мир новых материалов и их свойств. Рассматривайте книгу как путеводитель, который не тащит строго за собой по заранее выбранному маршруту, а предоставляет возможность выбрать путь самостоятельно.

7

   1.1. Что такое материал? Наука о материалах

       Термин «материал» не имеет однозначного определения в науке, его не аннотируют ни универсальные, ни специализированные энциклопедии. Анализируя содержание, этого термина можно выделить три основные позиции:
       1)        «материал» - это сырье, то есть то, из чего можно что-то сделать;
       2)       «материал» - это информация о чем-нибудь, или о ком-нибудь, которую можно использовать;
       3)       «материал» - это тканая материя.
       Материаловедение, как наука о материалах, оперирует в основном первым определением. Поэтому если рассматривать материаловедение лишь как прагматически ориентированную дисциплину, то ее нужно преподавать в технических и технологических вузах, которые готовят специалистов для разработки и эксплуатации техники и промышленных технологий. Однако, если материаловедение рассматривать как систему знаний, учитывающую сложную многоуровневую природу материалов, то в этом случае необходимо опираться на универсальные законы изменчивости, отбора, адаптации и саморазвития природы. Именно эти законы, переплавляют физику, химию, математику и другие фундаментальные дисциплины в единую систему знаний об эволюции материалов, создают фундаментальное материаловедение.

   1.2. Строение атомов и Периодический закон
       Д. И. Менделеева

       Основой современной науки о химических элементах является периодический закон Д. И. Менделеева, открытый им в 1869 г., и отражающая закон Периодическая система химических элементов. Каждому элементу

8

соответствует определенный род атома - наименьшей части химического элемента, являющейся носителем его свойств. Атом состоит из электрически положительно заряженного ядра и окружающих его отрицательно заряженных электронов. В свою очередь ядро состоит из протонов и нейтронов. Нейтроны являются нейтральными частицами, поэтому заряд ядра определяется числом протонов. Масса электрона в 1836 раз меньше массы протона и нейтрона, поэтому практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Электроны заполняют оболочки атома, компенсируя положительный заряд протонов и в целом атом является нейтральным.
        Наиболее известной моделью строения атома является планетарная модель Бора, где электроны вращаются вокруг ядра по орбитам.
        Основные положения своей теории Бор сформулировал в виде постулатов:
        1.        Электрон может вращаться вокруг ядра не по любым, а только по некоторым определенным - стационарным орбитам.
        2.        Двигаясь по стационарной орбите, электрон не излучает электромагнитной энергии.
        3.        Излучение происходит при скачкообразном переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую. При этом испускается или поглощается квант электромагнитного излучения, энергия которого равна разности энергии в конечном и в исходном состояниях.
        Принцип Паули: «на орбите может находиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами (спин - собственный момент количества движения электрона) существенно дополнил модель Бора. Дальнейшее развитие этой модели привело к квантовой теории строения атома и зонной теории строения кристаллов.
        Таблица Менделеева (см. приложение) в современном виде состоит из 10 горизонтальных рядов и 8 вертикальных столбцов (групп). Ряды элементов, в пределах которых свойства изменяются последовательно, называются периодами. В вертикальные столбцы (группы) попадают элементы, сходные по свойствам и обладающие одинаковой валентностью.
        В первом ряду стоят два элемента - водород и гелий. Второй и третий ряды состоят из 8 элементов. Все три периода называются малыми периодами. Четвертый - большой период - состоит из двух рядов и включает 18 элементов. Пятый - большой период - также состоит из двух рядов (6-й и 7-й) и включает 18 элементов В 8-м ряду после лантана идут 14 элементов, называемые лантаноидами, чрезвычайно сходные по свойствам с лантаном. Ввиду этого сходства, обусловленного особенностью строения атомов, лантаноиды обычно помещают вне таблицы. 8-й и 9-й ряды образуют один большой период - шестой, содержащий 32 элемента.

9

        Структура периодической таблицы соответствует порядку заполнения электронных оболочек и слоев в атомах. Состояние электрона в атоме определяют четырьмя квантовыми числами: главное квантовое число n = 1, 2, 3; орбитальное (азимутальное) квантовое число l = 0,1, 2 ... (n - 1); магнитное квантовое числоm. = 0, ±1, ±2, ... ± l; спиновое квантовое число ms = ±1/2. Каждому значению I соответствует 21+1 значений ml, а каждому mₗ - два значения ms. Таким образом, замкнутая оболочка, характеризуемая определенными значениями n и l, содержит 2(21+1) состояний электронов, равное числу комбинаций значений mₗ и ms.
        Состояния с заданными значениями n и l принято обозначать 1 s, 2s, 2p, 3s, где цифры указывают значение n, а буквы s, p, d,/соответствуют l = 0, 1, 2, 3 ... Максимальное число электронов в слое с определенным значением n:

                        n—1
£ 2(21 + 1) = 2 n.
                         о

        Таким образом, замкнутая s-оболочка (l = 0) содержит два элек-трона,р-оболочка (l = 1) - шесть электронов, d-оболочка (l = 2) - десять электронов. Число же электронов в слоях с n = 1, 2, 3, 4 составляет 2, 8, 18, 32 ...
        Максимальное распределение электронов по атомным слоям представлено в таблице 1.1.


Таблица 1.1

Распределение электронов по атомным слоям

K-слой (s)   L-слой (р)            M-слой (d)                   N-слой (f)         
   N = 1        n = 2                n = 3                        n = 4            
   L = 0        l=0,1              l = 0,1,2                   l = 0,1,2,3         
   1 s2     1 s 22 s 22p6 1 s 22 s 22p 63 s 23p 63 d10 1 s 22 s 22p 63 s 23p 63 d10
                                                           4 s 24p 64 d 104f14     
2 электрона   2 + 6 = 8          2 + 6+10 = 18              2 + 6+10 + 14 = 32     
 1 орбита   4 орбиты                9 орбит                      16 орбит          

10

Большинство химических элементов составляют металлы - их свыше 85. К неметаллам относятся элементы подгрупп VIIIA, VIIA, VIA, VA, IVA за исключением полония, висмута и свинца. Ряд элементов в свободном состоянии занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами - это бор, кремний, германий, мышьяк и сурьма.
        Свойства элементов в Периодической системе изменяются по трем направлениям: горизонтальному, вертикальному и диагональному.
        Если исключить переходные d- и f -элементы, которые являются типичными металлами, то в периодах от щелочных металлов до благородных газов металлические свойства убывают, а по группам с ростом порядкового номера они увеличиваются.
        Экспериментальное изучение электронных конфигураций атомов и положения атомов в периодической системе позволяет сделать выводы, придающий физический смысл номеру периода, группы и типу подгруппы.
        1. Номер периода совпадает с:
     •  количеством заполняющихся электронных оболочек атома,
     •  главным квантовым числом, заполняющейся s-подоболочки,
     •  главным квантовым числом, заполняющейся р-подоболочки,
     •       главным квантовым числом +1, заполняющейся d-подоболочки (в больших периодах),
     •       главным квантовым числом +2, заполняющейся f-подоболочки (в 6-ом и 7-ом периодах).
        2.        Каждый период начинается двумя s элементами, и, кроме первого, заканчивается шестью p-элементами. В 7-м периоде p-элементов нет, так как период недостроен. В больших периодах между s- и p-элементами размещаются 10 d-элементов. В 6-м и 7-м периодах за первыми d-элементами (La, Ac) находятся 14 f-элементов.
        3.        У атомов элементов главных подгрупп на внешней электронной оболочке находится число электронов, численно совпадающее с номером группы.
        4.        У большинства атомов элементов побочных подгрупп на внешней оболочке находится 2 электрона, у атомов Cr, Си, Nb, Mo, Ru, Rh, Ag, Pt, Au - по 1-му электрону, а атом Pd - не имеет электронов на внешней s-подоболочке.
        Современная формулировка периодического закона гласит: Строение и свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов и определяются периодически повторяющимися однотипными конфигурациями их атомов.

11

       На Земле существуют такие элементы, среднее время жизни которых приблизительно равно или превосходит возраст Земли. Самый легкий из элементов водород. В природе существует атом легче водорода - позитроний , который состоит из электронно-позитронной оболочки и не имеет ядра. Открытие позитрония поставило вопрос о существовании иного материального мира, построенного из антиатомов. О границах периодической системы со стороны тяжелых атомов можно говорить, когда время жизни атомов элементов уже недостаточно, чтобы измерить его свойства. Естественный конец периодической системы определяется порядковым номером элемента, для которого среднее время жизни становится меньше 10 ¹⁵ секунды. Для элементов с порядковыми номерами 108-110 время жизни около 10 ¹² с. Поэтому считается, что периодическая система заканчивается где-то недалеко.
       В природе не существует элементов с атомными номерами (числом протонов в ядре атома) больше 92, то есть тяжелее урана. Более тяжелые элементы, например плутоний, могут получать в атомных реакторах, а элементы тяжелее 100-го (фермия) можно получать только на ускорителях, путем бомбардировки мишени тяжелыми ионами.
       В июне 2009 г. на международном уровне признано открытие 112 элемента таблицы Менделеева с периодом полураспада 34 сек., названного коперникием в честь Николая Коперника. 112-й элемент в 277 раз тяжелее водорода, он был синтезирован из ядер цинка и свинца в процессе ядерной реакции. Синтез данного вещества имеет долгую историю. В первый раз его открыли в 1996 году в Германии, вторично его воссоздали в 2002 году в Японии, а и только в 2009 году было объявлено о существовании 112-го элемента не только де факто, но и де юре.
       До фермия споров не было, все было получено в Соединенных Штатах, и у них вопросов не было. А после фермия все новые элементы, до 109-го вызывали продолжительные международные споры. Открывать новые элементы очень престижно, поэтому этот процесс всегда связан с международными дискуссиями и борьбой за приоритет. Один из официально зарегистрированных элементов - 105-й с предварительным названием «дубний» быд синтезирован в подмосковной Дубне в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). Первооткрыватели элемента № 105 предложили назвать его нильсборием - в честь Нильса Бора, выдающегося физика XX века. Американские физики, получившие элемент № 105 двумя месяцами позже, предложили для него свое название - ганий, в честь ученого - Отто Гана. Под этим названием он фигурирует в американской литературе. Те же «двойные названия» существуют для элемента № 104. Создатели элемента - ученые из Дубны предложили назвать его

12

курчатовием - в честь выдающегося советского физика И. В. Курчатова. Не имея убедительных доводов против дубненских работ по 104-му элементу, ученые из Беркли позволили себе назвать этот элемент по-своему - резерфордием.
        Физики из ОИЯИ за последние десять лет синтезировали элементы с атомными номерами от 112 по 116, а также самый тяжелый на сегодняшний день 118-й элемент, но официальное признание получил только 112-й. В 2009 году в Дубне идет эксперимент по синтезу «пропущенного» 117-го элемента и продолжается подготовка к синтезу 120-го. В Дубне 120-й элемент надеются получить в реакции калифорния-98 с титаном-50.
        По мнению известного немецкого ученого - профессора Хофмана, группа которого открыла 112-й элемент, периодическая таблица закончится между 120-м и 126-м элементом, так как за пределами этой области исчезают эффекты оболочек, и атомные ядра не могут больше существовать. Развитие теории атомных ядер позволило считать, что при больших порядковых номерах могут существовать «острова стабильности», то есть отдельные атомы с большим временем жизни. По мнению ученых из Дубны устойчивость ядер сверхтяжелых элементов зависит от их структуры и влияния нейтронных и протонных оболочек. При определенных (их назвали «магическими») числах протонов или нейтронов ядро может быть наиболее устойчивым.
        Поэтому теоретически у Периодической системы пока нет ни начала, ни конца.


  1.3. Химическая связь - основа образования различных типов материалов. Основные типы химических связей

       Практически для всех химических элементов, систематизированных в форме Периодической таблицы, ведется активный поиск их использования для создания новых материалов и технологий. Переход от химических элементов к материалам исключительно сложен, и даже развитие методов комбинаторной химии не позволяет справиться с множеством сочетаний различных элементов. Число таких сочетаний только для элементов, имеющих стабильные изотопы, превосходит 7-10²³. Оно увеличивается еще на много порядков, если учесть, что большинство современных функциональных материалов создают, используя метастабильные состояния вещества, которых неопределенно много для каждого конкретного соединения фиксированного состава.

13

       Два или более атомов располагаются друг около друга так, как это энергетически выгодно. Это справедливо независимо от того, сильно или слабо связана группа атомов, содержит эта группа лишь несколько или 10²³ атомов, является расположение атомов упорядоченным (как в кристалле) или неупорядоченным (как в жидкости). Группа атомов устойчива тогда и только тогда, когда энергия атомов, расположенных вместе, ниже, чем у отдельных атомов. Единственной физической причиной конкретной кристаллической структуры любого элемента и его модификаций является перекрытие валентных и подвалентных оболочек его атомов, приводящее к образованию определенных межатомных связей. Число протяженность и симметрия орбиталей атомов данного конкретного элемента полностью определяют число, длину, ориентировку и энергию межатомных связей, образующихся в результате перекрытия этих орбиталей, а следовательно, размещение атомов в пространстве, т. е. кристаллическую структуру, основные физико-химические свойства материала. Таким образом, химическая связь образуется из-за взаимодействия электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов, участвующих в образовании молекул или кристаллов
       Электроны, принадлежащие к самой внешней оболочке (валентные ) в основном принимают участие во взаимодействии между атомами системы. Все химические связи возникают потому, что электроны одновременно могут находиться около двух ядер. Химическое взаимодействие между атомами происходит путем обмена или обобществления валентных электронов таким образом, что каждый атом системы приобретает устойчивую электронную конфигурацию. Возникающие при этом типы связи схематично показаны на рис. 1.1 и могут быть классифицированы следующим образом:
       1.        Металлическая связь, при которой валентные электроны покидают свои атомы и образуют (внутри твердого тела) свободный электронный газ. Свободные электроны ответственны за характерные черты металлов: высокую тепло- и электропроводность и пластичность. Металлическая связь устанавливается между атомами, имеющими сверх устойчивых конфигураций один или два электрона (например, элементы групп IA, НА и переходные металлы).
       2.        Связь Ван-дер-Ваальса (люлекулярная) не требует обмена или «обобществления» электронов и может устанавливаться между атомами с устойчивыми электронными конфигурациями. Центры положительных и отрицательных зарядов в атоме могут не совпадать, поэтому атом ведет себя как диполь, что приводит к слабым силам взаимодействия. Таким образом, связь Ван-дер-Ваальса - это взаимодействие наведенных диполей

14