Материаловедение


Н. Р. Варгасов, М. М. Радкевич










            МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ








Рекомендовано учебно-методическим объединением по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров «Технологические машины и оборудование»














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 669:66.017
ББК 30.3
     В18




Р е ц е н з е н т ы:
доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета Н. Б. Кириллов; кандидат технических наук, доцент Санкт-Петербургского государственного политехнического университета С. Г. Петрова




    Варгасов, Н. Р.
В18 Материаловедение : учебное пособие / Н. Р. Варгасов, М. М. Радкевич. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 208 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0946-9


     Рассмотрен широкий комплекс вопросов современного материаловедения с привлечением достижений в области физического материаловедения, термодинамики и других фундаментальных наук. Особое внимание уделяется выяснению физической сущности рассматриваемых явлений и процессов. Содержатся сведения о классификации, структуре и свойствах материалов, применяемых в современном машиностроении.
     Для студентов машиностроительных, металлургических и транспортных направлений подготовки.

УДК 669:66.017
                                                      ББК 30.3










ISBN 978-5-9729-0946-9

     © | Варгасов Н. Р~| Радкевич М. М., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

    ВВЕДЕНИЕ


     Современное промышленное производство характеризуется высокими темпами разработки и внедрения новых материалов, назначение которых состоит в обеспечении решения сложных конструкторско-технологических задач. Именно достижения материаловедения стали основой, определяющей успех инженерных решений в машиностроении. Однако внедрение в технику новых материалов и технологий их обработки требует от конструкторов и технологов фундаментальных знаний и овладения закономерностями, которые определяют поведение и свойства материалов в условиях, как изготовления, так и эксплуатации изделий.
     Процесс создания новых машин и оборудования сегодня происходит быстрее, чем когда-либо ранее в истории человечества. Разработка новых материалов рассматривается как фундамент, на котором основаны конструкторские и технологические инновации практически во всех отраслях техники. Плодотворность такого подхода ощущается всегда, так как применение новых материалов оказывает стимулирующее воздействие на разработку новых потребительских свойств изделий машиностроения.
     Современный конструктор должен иметь представление о свойствах как традиционных, так и новых материалов. Часто в новых конструкциях используют замену, например, металлической детали на деталь из неметаллического материала (полимера или керамики), что сопровождается изменением ее конструкции с целью предельного использования преимуществ нового материала. Однако детали и конструкции из новых материалов, (например, из композитов) конструируются принципиально иначе, чем детали из традиционных металлов и сплавов. Таким образом, современный инженер должен уметь сравнивать и точно оценивать комплекс свойств конкурирующих материалов. Корректное решение таких задач требует понимания особенностей конструкции детали, основных свойств материалов, зависимости внутреннего строения и свойств материала от процесса обработки.
     В настоящем учебном пособии приведены данные как об идеальной структуре, так и о реальном строении материалов. Большое место отводится изучению дефектов кристаллического строения. Это связано с тем, что знания о взаимодействии между дефектами строения и внешними силами позволяют лучше понять поведение материала в конструкции. Значительное внимание уделено таким важным с технологической точки зрения вопросам, как пластическая деформация, разрушение, кристаллизация, а также теория строения сплавов.
     Данное учебное пособие рассчитано на студентов машиностроительных специальностей высших учебных заведений, но может быть полезно и студентам других специальностей, которые интересуются вопросами современного материаловедения.

3

Глава 1


    СТРУКТУРА И ЭНЕРГИЯ АТОМОВ

    1.1. Структура свободных атомов

     Атомы являются структурными составляющими любого материала, поэтому для объяснения и прогнозирования поведения и свойств материалов следует исходить из строения атомов. На основании достаточно упрощенных моделей строения атомов можно объяснить многие свойства материалов.
     Атом состоит из тяжелого ядра, обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его легких частиц - электронов с отрицательными электрическими зарядами, образующих электронные оболочки атома.
     Ядра атомов состоят из нейтронов и протонов, число которых изменяется от одного (в атоме водорода) до ста и более (в трансурановых элементах). Атомный номер элемента в Периодической системе равен числу протонов и, в свою очередь, равен числу окружающих ядро электронов в электрически нейтральном атоме. Электроны оказывают существенное влияние на химические, электрические и другие свойства атома.
     Заряд ядра является основной характеристикой атома, которая обусловливает его принадлежность к определенному элементу. Заряд ядра является целым кратным элементарного электрического заряда, равного по абсолютному значению заряду электрона е, т. е. равен ■ е2, где Z - атомный номер в Периодической системе элементов. Кратность заряда ядра атома элементарному заряду объясняется его строением: в его состав входит Z протонов, имеющих заряд +е, а также нейтральные частицы - нейтроны. Масса атома возрастает с увеличением Z и обусловлена в основном массой ядра, пропорциональной массовому числу А - общему числу протонов и нейтронов в ядре.
     Масса электрона (0,9’10⁻²⁷ г) меньше в 1840 раз массы протона или нейтрона, поэтому вклад электронов в массу атома незначителен. Поскольку атомный вес (т. е. массовое число А) получается из суммы масс протонов и нейтронов, то может существовать химический элемент с различными массовыми числами. Атомы с одинаковым числом протонов, но с разным числом нейтронов, т. е. с разной атомной массой, называются изотопами. Как правило, элементы состоят из смесей изотопов со средним постоянным изотопным составом. Например, у водорода имеется три изотопа: водород с массовым числом 1; дейтерий с массовым числом 2; тритий с массовым числом 3. Число изотопов у некоторых элементов может быть больше (например, у олова имеется десять изотопов).
     Диаметр атома составляет 0,05-0,3 нм, а атомное ядро имеет диаметр 10⁻⁶-10⁻⁸ нм, поэтому в ядре сосредоточена практически вся масса атома. Например, если объем 1 мм³ заполнить атомными ядрами железа, то его вес составил бы примерно 170000 т. Атомная масса определяет плотность и теплоем

4

кость твердых тел, но относительно слабо влияет на механические свойства материалов.
      Рассмотрение структуры атомов связано в основном с выяснением роли электронов. Если масса электронов, как правило, не играет существенной роли для материаловедческих целей, то заряд электрона, равный 1,6-10⁻¹⁹ К, играет важную роль в таких явлениях, как электропроводность, поляризация и др. Электроны, взаимодействуя с ядром, не являются неподвижными, а совершают непрерывное волнообразное движение. Это движение можно сравнить со стоячими волнами, имеющими характеристические частоты, и они могут иметь лишь строго определенные значения энергии.


    1.2. Электронная структура атома


     Электроны, окружающие ядро, обладают неодинаковой энергией, поэто

му в зависимости от величины энергии электрона их подразделяют на оболочки или на группировки с различными энергетическими уровнями. Первая оболоч

ка содержит не более 2 электронов, во второй оболочке может находиться

более 8 электронов, в третьей - 18 и в четвертой - 32.
      Так как электроны в оболочке могут иметь неодинаковую энергию, то внутри м оболочки выделяют ряд энергетических 4 подгрупп (s, p, d, f). Подгруппы с --------------
наименьшей энергией заполняются раньше, чем подгруппы с большей энергией,        3
причем верхние уровни в данной под-          ----
группе могут соответствовать большей Е энергии, чем нижний уровень следующей и оболочки.                                2 2
      Исследования спектров излучения атомов позволили установить, что для перевода электрона с нижнего энергетиче-         1
ского уровня на следующий, более высокий, энергетический уровень необходимо

не


4f
4d 4p
3d
4s
³P 3s
2p
2s


1s

затратить квант энергии.
      Наоборот, при переходе электрона на нижний уровень выделяется квант энергии (рис. 1.1). Энергия кванта зави-

Рис. 1.1. Расположение электронных оболочек (1, 2, 3, 4) и подуровней (s, P, d, f)

сит от длины волны:


E = h с/ 1 = hv,


(1.1)

где h - постоянная Планка (6,62 - 10⁻³⁴ дж-с), с - скорость света, 1 - длина волны, v - частота.
      Энергетические состояния, которые могут быть заняты электронами, описываются четырьмя квантовыми числами.


5

      1.      Главное квантовое число n указывает главные энергетические уровни электронов в соответствии с орбитами или оболочками. Они обозначаются целыми числами n = 1, 2, 3, 4. Иногда для их обозначения применяют буквы K, L, M, N.
      2.      Орбитальное (вращательное) квантовое число l указывает для каждой оболочки, число подуровней, которые обусловлены геометрией орбиты. Орбитальные квантовые состояния обозначаются s, p, d, f.
      3.      Магнитное квантовое число m указывает по каждому главному квантовому числу и внутри определенного орбитального квантового числа энергетические состояния, которые могут приниматься электронами.
      4.      Спиновое квантовое число s характеризует собственный магнитный момент. Таким образом, появляется возможность в пределах различных энергетических уровней иметь два различных энергетических состояния, которые могут быть заняты электронами.
      В соответствии с принципом Паули только один электрон в каждом случае может занимать квантовое состояние, охарактеризованное четырьмя квантовыми числами n, l, m, s. Таким образом, для n - оболочки атома соответственно главному квантовому числу n максимальное число электронов равно 2n².
      Электроны в атоме могут быть возбуждены. Это означает, что электроны могут переходить из основного состояния с наименьшей энергией на более высокие энергетические уровни.
      Эл      ектронная структура некоторых элементов представлена в табл. 1.1.


Т а б л и ц а 1.1
Электронная структура некоторых элементов

  Элемент    K (n = 1) L (n = 2)  M (n = 3)   N (n = 4)  
Символ Номер    1s     2s   2P    3s  3P  3d  4s   4p   
  H      1       1                                      
  He     2       2                                      
  Li     3       2     1                                
  Be     4       2     2                                
  C      6       2     2  2                             
  Al    13       2     2  6       2   1                 
  Fe    26       2     2  6       2   6    6  2         
  Ge    32       2     2  6       2   6   10  2     2   

      Благодаря возбуждению атомов происходят квантовые переходы электронов с характерной энергетической эмиссией или адсорбцией. Квантовые переходы во внешних оболочках создают оптические спектры, которые используют для идентификации элемента, находящегося в газообразном состоянии.
      Анализ твердых тел (например металлов) можно проводить с помощью квантовых переходов на внутренних оболочках. Для этого необходимо возбуж


6

дение электронов рентгеновским излучением, либо электронами; при этом квантовые состояния электронов выражаются в спектрах, которые соответствуют определенным элементам.

    1.3. Физические и химические свойства

      Большинство физических и химических свойств атомов определяются строением и характеристиками его внешних электронных оболочек, в которых электроны связаны с ядром сравнительно слабо (энергия связи составляет несколько эВ). Строение внутренних оболочек атома, электроны которых связаны с ядром гораздо прочнее, проявляется лишь при взаимодействии атома с элементарными частицами высоких энергий.
      Электроны, находящиеся во внешних оболочках атома, легко подвергаются внешним взаимодействиям. При сближении атомов возникают электростатические взаимодействия, которые могут приводить к возникновению межатомных связей и образованию молекул. Свойства атома, находящегося в связанном состоянии, отличаются от свойств свободного атома. Наибольшие изменения претерпевают свойства атома, которые определяются внешними электронами. Вместе с тем свойства, определяемые электронами внутренних оболочек, могут не изменяться.
      Слабые электростатические взаимодействия атомов проявляются в их взаимной поляризации - смещении электронов относительно ядер. Возникают поляризационные силы притяжения между атомами. Поляризация атомов может происходить и во внешних электрических полях, а также под действием света.
      При различных внешних воздействиях на атомы может происходить их ионизация, т. е. процесс превращения атомов в ионы. Атомы металлов легко ионизируются, отдавая электроны по реакции (1.2). Так образуются катионы

Ме = Мет ⁺ + те ',                     (1.2)

где т - число удаленных электронов.
      Энергия, необходимая для удаления электронов, называется потенциалом ионизации. Можно считать, что высокая электропроводность металлов обусловлена легкостью ионизации атомов металлов.
      Атомы элементов, расположенные в верхнем правом углу периодической таблицы, сильно притягивают электроны с образованием отрицательных ионов (анионов) по реакции

X + те - = X т ⁻.                      (1.3)

      Поскольку анион приобретает электроны, его радиус увеличивается. Аналогично радиус катиона уменьшается по сравнению с радиусом нейтрального атома.
      Электроны на внешней электронной оболочке определяют и магнитные свойства атома. В атоме с полностью заполненными электронными оболочками магнитный момент равен нулю. Магнитный момент атома с частично запол


7

ненными внешними оболочками, как правило, не равен нулю; такие атомы являются парамагнитными. Особую группу составляют ферромагнетики, обладающие большим собственным магнитным полем. Ферромагнетизм является результатом обменного взаимодействия электронов недостроенных подуровней соседних атомов.

    1.4. Энергия свободных атомов

     Тепловая энергия свободных атомов в газе является кинетической энергией, которая пропорциональна температуре:


Ек = 3/2 RT,


(1.4)

где R = 8,3 Дж/моль-К - газовая постоянная; Т - температура.
     Кинетическую энергию отдельного атома можно определить из уравнения


Ек = 3/2 kT,


(1.5)

где k = 1,38 • 10⁻²³ Дж/К - постоянная Больцмана.

Рис. 1.2. Распределение атомов по энергиям в газе (Т1<Т2; N - число атомов; Ё - средняя энергия)

       Уравнение (1.5) не означает, что все атомы обладают одинаковой кинетической энергией. В каждый момент времени у большинства атомов энергия близка к средней Ё. Однако небольшое число атомов имеют энергию, близкую к нулевой, а некоторые атомы обладают энергией значительно выше средней. При повышении температуры увеличивается скорость движения атомов и их средняя кинетическая энергия (рис. 1.2), кроме того, возрастает общее число атомов, имеющих энергию выше средней.
       Энергия некоторых атомов может оказаться большой и равной энергии активации, т. е. необходимой для возникновения реакции

взаимодействия атомов. Доля атомов (n атомов из общего числа N), энергия ко


торых превышает среднюю, может быть найдена из соотношения:


n/N = Me⁻⁽E"E⁾/kT,


(1.6)

где М - коэффициент, который может быть найден экспериментально.
      Следует учитывать, что формула (1.6) справедлива при таких температурах и плотностях, когда можно пренебречь взаимодействием атомов.


8

Глава 2


    СТРОЕНИЕ И ЭНЕРГИЯ МАТЕРИАЛОВ


    2.1. Межатомное взаимодействие

      Межатомное взаимодействие является следствием фундаментального принципа, в соответствии с которым атомы стремятся иметь энергетически более выгодное состояние, т. е. состояние с наименьшей энергией. Разность энергии отдельного атома Еа и атома, например, в кристалле Ек называется энергией связи. Эта энергия Еа - Ек в сущности является энергией, которая необходима, чтобы отделить атом от кристалла. Она зависит от соответствующего типа связи.
      Можно выделить четыре типа межатомных связей (ионную, ковалентную, металлическую), которые возникают вследствие обмена и объединения валентных электронов и молекулярную связь (Ван-дер-Ваальса), которая возникает из-за возникновения внутренних диполей.
      Независимо от типа связи силы взаимодействия между атомами являются следствием притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ядрами. Силам притяжения противодействуют силы отталкивания между одноименными зарядами ядер и между электронами.
      Полное изменение энергии при сближении пары, например, одновалентных атомов описывается выражением

Е = - е ²/a + b/a ⁿ,                  (2.1)


где е - заряд электрона, а - расстояние между атомами.
      Соответственно сила взаимодействия (F = dE/da) может быть найдена так:


F = e ²/a² nb/aⁿ ⁺¹.


      Члены в правой части уравнения (2.2) представляют собой кулоновскую силу притяжения и силу отталкивания. При равновесном расстоянии а сила притяжения равна силе отталкивания, что соответствует минимальной энергии атомов.
      Эти слагаемые и результирующая сила взаимодействия при различных значениях межатомного расстояния приведены на рис. 2.1.
      Ионная (гетерополярная) связь осуществляется между атомами элемен

(2.2)

Рис. 2.1. Силы межатомного взаимодействия

9

тов с почти полностью заполненными внешними электронными оболочками (металлами) и атомами элементов с почти незаполненными внешними оболочками. Для образования завершенных оболочек атом одного элемента отдает электроны, а атомы другого элемента принимают их. В результате образуется межатомная связь с высокой энергией.
     Ковалентная (гомеополярная) связь характерна для элементов, атомы которых при взаимодействии обобществляют свои валентные электроны, достраивая, таким образом, внешнюю оболочку. Число атомов n, с которыми происходит обобществление электронов, зависит от валентности элемента и определяется по формуле n = 8 - N, где N - номер группы Периодической системы.
     Металлическая связь осуществляется между атомами, у которых имеются слабо связанные валентные электроны. Эти электроны становятся общими и не принадлежат определенным атомам. Таким образом, в металлах множество электронов способно свободно перемещаться, сообщая металлам такие свойства, как высокая электропроводность, непрозрачность и т. д. Металлическая связь в какой то мере, похожа на ковалентную, при которой валентные электроны обобществляются. Однако столь же правомерно сопоставление металлической связи с ионной, если учесть, что электроны обеспечивают связь положительных ионов.
     Молекулярная связь обусловлена присутствием внутренних диполей. Эти диполи могут образовываться в результате статистической неоднородности распределения электронов в атомах и молекулах или могут представлять собой постоянные диполи в ассиметричных молекулах.
     В чистом виде названные типы связей встречаются относительно редко. Так, например, в кремнии и углероде реализуется в основном ковалентная связь. Однако в атоме кремния небольшое число электронов способно уходить из ковалентной связи и становиться свободными, вызывая появление электропроводности. В большей степени это свойственно германию, служащему основой для создания полупроводников и обладающему заметными металлическими свойствами.
     Схемы трех основных типов межатомных связей представлены на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схемы первичных межатомных связей: а - ионная; б - ковалентная; в - металлическая

10