Металлические кристаллы (стр. 1 )

, ,

МЕТАЛЛИЧЕСКИе КРИСТАЛЛЫ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ГОУ ВПО «ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

, ,

МЕТАЛЛИЧЕСКИе КРИСТАЛЛЫ

2-е издание, переработанное и дополненное

Учебное пособие

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки: «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств»; «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»

Волгоград

2010

УДК 539.2(075.8)

Р 59

Рецензенты: заведующий лабораторией «Металловедение и прочность» , кандидат технических наук ; доктор технических наук, профессор Волгоградского государственного педагогического университета

Рогозин, кристаллы: учеб. пособие / , , . Под ред. . 2-е изд., перераб. и доп.; ВолгГТУ. – Волгоград, 2010. – 100 с.

ISBN 0390-5

Изложены физические представления и модели, описывающие основные физические свойства металлических материалов. Представлены основы зонной теории твердых тел, а также молекулярно-кинетическое и квантовое описание решеточных и электронных физических свойств металлов. Даны представления о закономерностях кристаллического строения твердых растворов и металлических соединений, основные понятия о диффузии в кристаллических телах и поведении металлов при высоких давлениях.

Приведены расчетные соотношения, позволяющие на инженерном уровне оценить поведение металлов при воздействии температуры и электрического поля.

Предназначено в помощь студентам всех форм обучения направле­ния 552900 и специальности 120100.

Ил. 70. Табл. 11. Библиогр.: 12 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

ISBN 0390-5 Ó Волгоградский

государственный

технический

университет, 2010

Содержание

Список аббревиатур.................................................................................. Введение …………………......................................…………….……....	6 7
1. Межатомное взаимодействие …………………..............….………..	9
1.1. Межатомные связи в твердых телах …………...........….………	9
1.1.1. Молекулярная (Ван-дер-Ваальсовская) связь ……..........…	9
1.1.2. Ионная связь …………………….................…….............…..	9
1.1.3. Валентная связь ……………………………..........…............	10
1.1.4. Металлическая связь ……………………...............................	10
1.2. Двухатомная модель металла ……………………................…...	11
1.3. Трехатомная модель металла ……………………………...........	14
1.4. Система многих атомов …………………………........................	15
2. Кристаллическая решетка ………………………………...................	17
2.1. Кристаллическая решетка как пространственная узловая сетка...	17
2.2. Кристаллическая решетка как система упаковки шаров ….......	19
2.2.1. Атомный диаметр ………………...……….............…...........	19
2.2.2. Радиусы пустот …………………….............………..............	20
2.3. Кристаллические структуры ………………………......…..........	22
2.3.1. Молекулярные кристаллы ………………......………............	22
2.3.2. Ионные кристаллы …………………………………............	23
2.3.3. Валентные кристаллы …………………...…………............	24
2.3.4. Металлические кристаллы (металлы) …..………….............	24
2.3.5. Кристаллы со смешанным типом межатомных связей........	25
2.4. Полиморфизм …………………………………...........……..........	25
3. Тепловые колебания кристаллической решетки......…………….......	27
3.1. Молекулярно-кинетическая теория тепловых колебаний кристаллической решетки.......…...............………… ………...............	27
3.1.1. Гармонические колебания ………….....……………............	28
3.1.2. Ангармонические колебания ……….....……………...........	29
3.2. Квантовая теория тепловых колебаний кристаллической решетки .......…...................……………… …………………….............	31
3.2.1. Спектр тепловых колебаний кристаллической решетки....	31
3.2.2. Фононы. Кристаллическая решетка как фононный газ......	35
3.2.3. Фононная модель теплопроводности кристаллической решетки .....………… …..................................…………….....................	36
4. Электроны в металлах …………………………......….……..............	39
4.1. Классическая теория электронов в металле …………...….........	39
4.1.1. Классическая теория электропроводности металлов….......	39
4.1.2. Классическая модель электронной теплопроводности.......	40
4.1.3. Электронная теплоемкость. Противоречия теории.............	41
4.2. Квантовая теория свободных электронов (теория Зоммерфельда) ......................................................................................................	41
4.2.1. Влияние температуры на распределение электронов по энергии..……............................…………… ………………….........	41
4.2.2. Квантовая модель электронной теплоемкости …...….........	43
4.2.3. Квантовая теория электропроводности металла ……........	44
4.2.4. Квантовая теория электронной теплопроводности ….…....	46
4.3. Зонная теория твердых тел ……………...............…………........	48
4.3.1. Электронные волны ……............……………………………	48
4.3.2. Взаимодействие электронных волн с кристаллической решеткой ..…………............................. ………………….......................	49
4.3.3. Энергетические зоны кристалла ……......…………..............	49
4.3.4. К-пространство ……………………..........……….................	50
4.3.5. Распределение плотности электронных состояний по энергии.......................................................................................................	51
4.3.6. Заполнение энергетических зон валентными электронами ….	52
5. Природа фаз в металлических сплавах..............................................	55
5.1. Твердые растворы.........................................................................	55
5.1.1. Структурные типы твердых растворов.................................	55
5.1.1.1. Твердые растворы замещения..........................................	56
5.1.1.2. Твердые растворы внедрения...........................................	57
5.1.1.3. Твердые растворы вычитания..........................................	58
5.1.1.4. Сложные твердые растворы.............................................	58
5.1.1.5. Упорядоченные твердые растворы..................................	59
5.1.2. Определение структурного типа твердого раствора...........	60
5.1.3. Взаимная растворимость........................................................	62
5.1.3.1. Атомный объемный фактор.............................................	62
5.1.3.2. Электроотрицательный эффект.......................................	63
5.1.3.3. Относительная валентность компонентов.....................	64
5.1.3.4. Квантовая модель растворимости..................................	65
5.2. Металлические соединения.........................................................	67
5.2.1. Соединения с нормальной валентностью............................	67
5.2.2. Электронные соединения.....................................................	70
5.2.3. Фазы Лавеса (фазы сверхплотной упаковки) ......................	72
5.2.4. Фазы внедрения......................................................................	73
5.2.5. Сигма-фазы..............................................................................	74
6. Диффузия в металлах и сплавах.........................................................	76
6.1. Феноменологическое описание диффузии.................................	76
6.2. Температурная зависимость коэффициента диффузии.............	79
6.3. Механизмы диффузии...................................................................	81
6.4. Важнейшие примеры диффузии..................................................	82
6.4.1. Само - и гетеродиффузия........................................................	82
6.4.2. Взаимная диффузия................................................................	83
6.4.3. Диффузия в поле внешних сил..............................................	84
6.4.4. Реагенная диффузия...............................................................	85
6.5. Определение параметров диффузии...........................................	86
7. Твердые тела при высоких давлениях..........……………………….	87
7.1. Уравнения состояния твердых тел при высоких давлениях …...	87
7.1.1. Холодное сжатие ……….………......………….………..….	88
7.1.2. Тепловые составляющие …………........……………..…….	90
7.2. Давление как параметр состояния ……….............……..………	92
7.2.1. Влияние давления на физические свойства....…...………..	92
7.2.2. Влияние давления на диаграммы состояний...…………….	94
7.2.3. Влияние давления на зонную структуру ……….......…….	97
7.3. Ударное сжатие твердых тел ……………………………...…..	99
7.3.1. Ударная волна ………………..............………….…………	99
7.3.2. Соотношения на ударном фронте …...........………………	100
7.3.3. Ударная адиабата ………………………..................……...	101
Список использованной литературы ……………………........…….	106

Список аббревиатур