Лекция 1 Предмет изучения материаловедения
Лекция 1.Предмет изучения материаловедения.
Объектом изучения материаловедения являются металлы, сплавы, стеклообразные и керамические мат-лы, композиционные мат-лы.
Основной задачей м-ведения явл. экспериментальное изучение зависимостей физических свойств мат-лов от структуры мат-лов, фазового состава, особенностей электронной подсистемы мат-ла. На основе указанных экспериментальных мат-лов м-ведение формулирует закономерности влияния структуры, фазового состава и электронного строения на физические свойства. Данные закономерности являются основой для разработки новых мат-лов с заданными физическими св-вами.
Основными факторами, влияющими на физ. св-ва мат-ла сточки зрения м-ведения являются структура мат-ла и его фазовый состав. Особенности электронного строения мат-ла привлекаются лишь для более глубокого понимания причин изменения физических св-в мат-ла. К структурным особенностям мат-ла в м-ведении относятся:
1. Наличие или отсутствие упорядочения в расположении атомов (кристаллические или аморфные тела).
2. Тип кристаллической структуры для кристаллов или наличие ближнего порядка (для аморфных тел).
3. Точечные или линейные дефекты в твердом теле (вакансии, дислокации и т.д.).
4. Макродефекты (поры, границы зерен)
5. Макрокристаллическая структура (монокристалл, поликристалл, текстурированный материал).
Фазовые особенности мат-ла базируются на фундаментальном понятии фаза, более широком, чем понятие агрегатное состояние.
Фазой называется часть системы, ограниченная замкнутой поверхностью, обладающая определенным набором физических и химических св-в и отличающаяся хотя бы по одному из этих параметров от св-в системы вне замкнутой пов-ти.
К фазовым особенностям мат-ла в м-ведении относят:
1. фазовый состав (однофазный или многофазный).
2. тип фаз, входящих в состав материала (фазы пост. или пер. состава)
3. факторы, определяющие стабильность фаз (электронный или размерный)
К электронно-зонным хар-кам, которые рассматриваются в материаловедении относятся:
1. Тип межатомной связи (ионная, ковалентная, металлическая, вандерваальсовская, водородная).
2. характер заполнения верхних электронных зон твердого тела (пустая или частично заполненная зона проводимости, ширина запрещенной зоны, наличие и расположения электронных уровней или дефектов в запрещенной зоне)
3. наличие перекрытия электронных зон в твердом теле.
Принципы физикохимического анализа.
Современный научный подход м-ведения базируется на физхиманализе, основные положения которого были сформулированы Курнаковым в 40х гг.
Физические св-ва мат-ла однозначным образом определяются его химическим составом (химический состав называется фактором внутреннего равновесия с-мы а также структурой и фазовым составом мат-ла)
В свою очередь структура и фазовый состав мат-ла однозначным образом определяются факторами внешнего равновесия: температурой, давлениям, магнитным полем и т.д.
Важнейшее значение в м-ведении имеют так наз. равновесные диаграммы состояния материала, на которых равновесный фазовый состав мат-ла представлен в координатах: температура – хим. состав.
Простейшими и одноверменно основными типами фаз, которые рассматриваются в м-ведении являются: твердые растворы, двухфазные м-лы, химические соединения.
В свою очередь хим соединения бывают двух основных типов:
1. дальтониды, которые существуют при строго фиксированном соотношении компонентов.
2. бертолиды, которые сущ-т в некотором интервале концентраций компонентов.
На рис 1а приведена диаграмма состояния двойной с-мы, образующей непр. тв. раствор.
На рис 1 б приведена диаграмма сост двухфазной с-мы без частичной взаимной растворимости компонентов.
При составе м-ла, соответствующего эвтектической точке такой материал плавтися и затвердевает при строго фиксированной температуре.
Если состав м-ла с двухфазной диаграммой отличается от эвтектического, то плавление и затвердевание его протекает в интервале температур.
На рис 1 в приведена диаграмма состояния с-мы, имеющей двухфазную диаграмму с частичной взаимной растворимостью компонентов:
На рис 1 г приведена д-ма состояния системы, в которой образуется соединение дальтонидного типа. m и n const.
В точке С линии ликвидуса имеют излом, а сама точка наз сингулярной точкой.
НА рис 1 д приведена диаграмма состояния системы, в которой образуется соединение бертолидного типа.
Соединение AxBy существует в некотором интервале концентраций компонентов. При этом в точке D линии плавно переходят друг в друга, т.е. в ней нет сингулярности.
Принципы физхиманализа:
1. между переменными значениями факторов равновесия системы (хим состав, температура, давление) и физ характеристиками материала существует непрерывное соотношение (принцип непрерывности)
2. каждому геометрическому образу на диаграмме состояния с-мы соответствует свой геометрический образ на диаграмме состав-свойство (принцип соответствия)
3. каждой сингулярной точке на диаграмме состояния с-мы соответствует сингулярная точка на диаграмме состав-свойство (принцип сингулярности).
Таким образом физхиманализ утверждает, что между диаграммой состояния системы и диаграммой состав-свойство существует однозначное соответствие. Поэтому задачей физхиманализа является определение типов диаграмм состав-свойство (для различных свойств) соответствующих определенным типам диаграмм состояния.
Лекция 2.Диаграмма состав-свойство.
Все физ св-ва мат-лов с точки зрения м-ведедения можно разбить на 2 большие группы: структурно чувствительные и структурно нечувствительные свойства. Такая градация обусловлена тем, чтов каждой из этих групп физ св-ва меняются сходным образом в зависимости от фактора внутреннего равновесия с-мы – его хим состава.
Структурно нечувствительные св-ва определяются только природой атомов, входящих в состав мат-ла и почти не зависят от его структуры и фазового состава.
Структурно чувствительные св-ва зависят от природы атомов, входящих в состав мат-ла, а также от его структуры (точечные и линейные дефекты, форма и размер зерен мат-ла) и фазового состава.
Некоторые физ св-ва являются структурно чувствительными для одних классов мат-лов (металлы и сплавы) и структурно нечувствительными для других классов (полупроводники и диэлектрики). К таким свойствам относятся те свойства, которые определяются характером заполнения зоны проводимости при появлении структурных дефектов. Например, при появлении лигирующих примесей или других структурных дефектов (вакансии, междоузельные атомы) в металле положение уровня Ферми (верхний заполненный уровень) меняется мало, поэтому величина работы выхода меняется мало, и данное св-во нечувствительно.
В собственном полупроводнике, уровень Ферми лежит примерно на середине запрещенной зоны. Если полупроводник содержит, например, донорные примеси, то уровень Ферми оказывается примерно посередине между уровнем примесей и дном зоны проводимости, т.е. работа выхода существенно изменяется. Донорные (или акцепторные) уровни могут создаваться примесными атомами, вакансиями или междоузельными атомами самого материала, дислокациями, т.е. различными типами структурных дефектов.
Твердые растворы.
К структ нечувств св-вам относятся: физ плотность, теплоемкость,… К структ чувств св-вам относятся: электропроводность, твердость, прочность, др. мех. св-ва, к-т линейного теплового…Мат-лы с промежуточными соединениями компонентов.
На рис 7 приведена диаграмма состояния и состав-свойство для системы в которой…Дефекты кристаллических структур.
Точечные дефекты связаны с одним узлом или междоузлием кристаллической решетки. К ним относят: вакансии (отсутствие атомов в узлах), междоузельные… К линейным дефектам относят упорядоченные цепочки вакансий, атомов внедрения,… К поверхностным дефектам относят границы зерен, границы субзерен в монокристаллах, границы фаз.Методы управления свойствами материала.
1. радиационная обработка материала 2. закалка мат-ла с более высокой температуры, при которой концентрация… 3. механическое воздействие на материалОсновные типы промежуточных фаз.
При образовании промежуточных фаз тип образующихся фаз определяется
1. валентностью компонентов
2. электронной концентрацией
3. соотношением атомных радиусов
Валентность компонентов является определяющим фактором при образовании соединений постоянного состава, т.е. дальтонидного типа.