Материалознание
1.Материалознание – наука която установява връзката между химичния състав, структурата и
свойствата на материалите и изучава тяхната , закономерност и изменение при термично,
химично, механично, електромагнитно и радиоактивно въздействие.
Класификация на материалите – метали и неметали, които могат да се групират в 4 групи –
метали и техните спалви, керамика, полимери и композиционни материали.
•Метали – намират се в лявата част на периодичната таблица, на ляво от хелия и индия, а
на дясно от аргона са неметалите. Металите са материали, които имат метален блясък и
притежават свойството пластичност (деформируемост). Висока електро и
топлопроводимост. Характеризират се с кристален строеж и т.нар. метална връзка между
градивните частици. Ковалентна връзка – предава висока точка на топене, твърдост и
якост (преходни метали). Йонна връзка – придава твърдост, еластичност, якост и т.н.
(сплави) . Вандервалсова връзка и др.
•Керамика – към нея спадат стъкло, пиезокерамика, механична керамика и др. Имат
кристален строеж или са изградени от мрежести аморфни структори. Основни са
ковалентнита и йонна връзка. Лоша електро и топлопроводимост, добра якост и ниска
пластичност. Използват се предимно в космическата и ядрената промишленост.
Притежава необикновени оптични и електротермични свойства.
•Полимери – гумите и пластмасите (неметали). Високомолекулярни органиччни
съединения. Ковалентнта връзка. Аморфен или смесен строеж. Лоша електро и
топлопроводимост, ниска якост и ограничена пластичност освен гумите.
•Композиционни материали – получават се от 2 или повече материала и имат по – добри
свойства от всички участници взети поотделно. Ковалентна и йонна атомна връзка. Могат
да са на метална и неметална основа. Висока якост и висока еластичност.
2.Фактори, определящи структурата на материалите – атомен строеж, междуатомни връзки,
дефекти в строежа. Кристално и аморфно състояние.
•Атомен строеж – притежават пловителен заредено ядро, около което се подреждат в
строго дефинирани слеве електроните. Броя на електроните е равен на броя на протоните
ранвни на поредния номер на елемента. Атомът е електронеутрален. Ядрото съдържа и
неутрони. Електроните се движат в орбити като могат да прескачат от една в друга. Броя
на електроните във всяка орбита е равен на 2n
2
, където n е предния номер на орбитата и се
нарича главно квантово число.
•Междуатомни връзки
?Едноелектронна – създава се между 2 положителни йона (А и В) и електрон (е),
който ги привлича. Условието за създаване е атомите А и В да бъдат еднакви.
?Двуелектронна – връзката може да се разгледа, като система от 2 положителни
йона А и В и 2 електрона e
1
и e
2
. Спиновете на 2та електрона са
противоположни, а самите електрони са в обща свързваща орбита. При тази
връзка няма значение видът на йоните.
?Йонна полярна – двуелектронна връзка, при която 2 общи електрона e
1
и e
2
се
локализират около единия положителен йон. Единия йон се неалектризира
положително а другия отрицателно. Йонната връзла е ненасочена.
?Ковалентна – двуелектронна, при която двата свързващи електрона се намират
на еднакво разстояние от йоните. Локализират се между двата йона, което
означава че връзката е насочена в пространството.
?Вандервалсова - всички атоми и йони изпитват по между си слаби сили на
привличане (вандервалсови сили). Дължи се на поляризацията на атомите при
движението на електроните около ядрото. Насочена е в пространството. Тя
съществува винаги когато има два атома, йона или молекули.
?Метална – възниква вследствие на привличането на положително заредени йони
на кристалната решетка и движещите се около тях отрицателно заредени
свободни електрони. Тя не е насочена в определено направление.
•Дефекти в строежа – решетката на реалния кристал не представлява идеална
конструкция. Атомите вибрират около определени положения (възли на кристалната
решетка). В някои микрообеми се полочават енергиини приливи, в резултат на което
енергията им нараства и те се откъсват от своето атомно обкръжение. Около празните
места се получава деформиране на решетката – тези нарушения се наричат ваканции.
Друг вид нарушение е мозаечната структура. Тя се състои от отделни почти без дефекти
блокчета, които сключват едно спрямо друго малки ъгли. При нарастване на даден
кристал върху стените се наслояват кристални зародиши с друга ориентация. При
нарастване на кристалите се образуват и т.нар. дислокации, те представляват местата,
където един атомен ред от едната кристалографска равнина попада между два атомни
реда на съседни равнини.
•Кристално и аморфно състояние
?Кристално – свързано е с процеса на кристализация и структурата, която се
получава вследствие на нея. То се характеризира с определени кристални
решетки и свойства.
?Аморфно – то е неравновестно, при нагряване минава в равновесно. Особеност
на аморфните спалви е високата граница на електричност и граница на
провлачване.
3.Кристален строеж на металите – видове кристални решетки.
•Видове
?Обемницентрирана кубична (ОЦК) – атомите се намират във възлите на
решетката, а в средата се намира още един атом - Li, Na, K, V, Mo и др.
?Стенно центрирана кубична (СЦК) – атомите заемат върховете и средите на
стените - Cu, Au, Al, Ag, Pt, ?-Fe и др.
?Хексогонална (ХР) – атомите се разполагат във върховете на центъра на
шестостенната призма, а три атома в средната плоскост на призмата – Mg, Zn, Be,
Cd и др.
4.Дефекти в строежа на реалните кристали. Видове дефекти – точкови, линейни и повърхнинни.
Теоретична и реална якост на материалите.
•Дефекти в строежа на реалните кристали – до голяма степен определят свойствата на
металите.
?Нулмерни (точкови) – размерите на дефектите в трите пространствени
направления са от порядъка на атомните размери.
?Едномерни – това са дефектите които имат голяма дължина, но са ограничени в
другите 2 измерения. Към тях спадат дислокациите.
?Двумерни (пвърхнинни) – в 2 от направленията тези дефекти имат големи
размери, а в третото – малък. Към тях спадат междуфазовите граници, дефекти в
подреждането на кристалографските равнини и др.
?Тримерни (обемни) – в трите направления тези дефекти имат големи размери
(макродефекти). Към тях се отнасят пукнатини, пори, дендрити.
•Видове дефекти
?Точкови (ваканция) – представлява празен възел в решетката, в която липсва
атом. Има 2 причини за възникване на ваканции.
?Вътрешни изпарения – атомът излиза от възела си и преминава в
междувъзловото пространство. Дефекта представлява двойка – ваканция и
дислоциран атом (дефект на Франкел). При съответни условия тази двойка
започва да мигрира, докато срещне друга ваканция и дефекта се премахва.
?Вънно изпарение – атомът напуска повърхността и оставя след себе си 1
ваканция, която се всмуква в кристала, при което се образува дефект на
Шотки.
?Линейни (дислокация) – граница между ненарушената част на кристала и област
от кристала заета от повърхнинен дефект или зона на плъзгане. Различаваме два
основни вида дислокации: ръбови и винтови.
?Видове дислкоция
=>Ръбова – образува се на края („ръба”) на една кристалографска
равнина. Може да се движи чрез плъзгане. Плъзга се докато не излезе
на повърхността на кристала.
=>Винтова – нарушение на кристалната решетка, по дължина на което
атомите са разместени по винтова линия.
=>Смесена – непрекъснат преход от винтова в линейна, където
дислокационната линия никога не прекъсва вътре в кристала.Тя излиза
на повърхността или се затваря около себе си образувайки затворен
кунтур.
?Повърхнинни – тези които имат форма на повърхнина. Към тях спадат дефекти
в подреждането, равнинните граници между зърната и субзърната, граници
разположени в/у криволинейна повърхнина и др. Най – силно влияние оказват
в/у механичните свойства на металите и дифузионните процеси.
•Теоретична и реална якост на материалите.
?Теоретична – свързва се с бездислукационната структура на металите, тя може
да се определи по следната формула – ? = G/2? G-модул на огъване.
?Реална – не се явява линейна функция на плътността на дислокациите. Може да
бъде описана с уравненито – Rр0,2 = R0 + ?Gb?p
5.Кристализация (втвърдяване) на металите – строеж на стопилката, зародишообразуване
(хомогенно и хетерогенно), критични зародиши. Влияние на скоростта на охлаждане върху
едрината на зърната.
•Кристализация – процес на образуване на кристали. Образуването на кристали при
преминаване на материала от течно в твърдо състояние се нарича първична
кристализация. Когато един вид кристали в твърдо състояние преминава в друг вид
протича вторична кристализация.
•Хмогенно и хетерогенно зараждане
?Хомогенно – зараждане на центрове (зародиши) и нарастването им. В основата
му лежи фуктуационното образуване на зародиши. Процеса на образуване на
нова фаза може да протече само при преохлаждане на метала.
?Хетерогенно – реалните метални системи притежават в себе си различни
вътрешни структурни фактори, които създават условия за хетерогенно
зараждане. Структурни фактори – граници (зараждат се по ръб, връх, стена),
дислукации, дефекти в подреждането, пространствени макродефекти.
•Влияние на скоростта на охлаждане в/у едрината на зърната – с увеличаване
степента на преохлаждане се намалява размера на зърната.
6.Алотропия. Полиморфизъм на желязото – полиморфни модификации
•Алотропия – свойствтото на елементите да образуват няколко прости вещества.
•Полиморфизъм на желязото – желязото притежава 2 алотропни модификации ? и.
•Полиморфни модификации – отделните състояния на метала, които се отличават по
вида на кристалната решетка. Биват 2 вида ? и ?.
?? – нискотемпературна, която притежава ОЦК решетка до температура 911°С
?? – високотемпературна, която притежава ОЦК, но съществува в интервал от
1392 до 1539°С. От температура 911 до 1392°С съществува ? – модификация на
желязото със СЦК.
341
48
