Материаловедение и технология конструкционных материалов. Ч.1: Кристаллография и строение материалов: Рабочая программа, методические указания

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Северо-Западный государственный заочный технический университет Кафедра материаловедения и технологии художественных изделий

Материаловедение и технология конструкционных материалов Часть I. Кристаллография и строение материалов Рабочая программа Методические указания

Факультет технологии веществ и материалов Специальность 261001 – технология художественной обработки материалов

Санкт-Петербург 2006 1

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.002.3 Материаловедение и технология конструкционных материалов. Часть I. Кристаллография и строение материалов: Рабочая программа, методические указания. - СПб.: Изд-во СЗТУ, 2006. — 16 с. Брошюра предназначена для обучающихся без отрыва от производства студентов специальности 261001 (технология художественной обработки материалов) и содержит программу курса с вопросами для самопроверки, тематику практических занятий, тестовые задания с указаниями к их выполнению. Содержание программы дисциплины соответствует Государственному образовательному стандарту направления подготовки дипломированного специалиста «технология художественной обработки материалов» и специальности подготовки 261001, утвержденному 27 марта 2000 года. Рассмотрено кафедрой материаловедения и технологии художественных изделий ; одобрено методической комиссией факультета технологии веществ и материалов . Рецензенты: кафедра материаловедения и технологии художественных изделий СЗТУ (зав. кафедрой Пряхин Е.И., д-р техн. наук, проф.); Кугаенко О.М., ст. научн. сотр. кафедры физики кристаллов МИСиС, канд. физ.-мат. наук Составитель: Барсуков В.Н., канд. техн. наук, проф.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2006 © Барсуков В.Н.

2

ПРЕДИСЛОВИЕ Дисциплина «Кристаллография и строение материалов» - первая часть комплексной дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов», являющейся одной из базовых в цикле специальной подготовки инженера специальности 261001 — технология художественной обработки материалов. В соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста – технология художественной обработки материалов, инженеры специальности 261001 должны, в частности, знать «…процессы получения и обработки материалов для художественных изделий…» и «…научные основы создания и выбора материалов для художественных изделий…»; владеть «…навыками научно-исследовательской работы в области технологии художественной обработки материалов…»; иметь представление «…о структуре и свойствах материалов (металле, камне, …ювелирных материалах…), применяемых для создания и реставрации художественных изделий…». Цель преподавания дисциплины - дать будущим инженерам по художественной обработке материалов современные представления о закономерностях строения кристаллических материалов и дефектах строения реальных кристаллов. Дисциплина связана с предшествующими ей дисциплинами учебного плана «Химия», «Физика» и последующими дисциплинами «Материаловедение и технология конструкционных материалов» (части II и III), «Металлы и сплавы для художественных изделий», «Технология изготовления художественных изделий обработкой давлением», «Ювелирные, поделочные и облицовочные камни». Дисциплина изучается в одном семестр; ее изучение завершается дифференцированным зачетом.

3

1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

1.1. Содержание дисциплины по ГОС «Кристаллография и строение материалов: строение материалов, элементы кристаллохимии и кристаллофизики, основы минералогии, дефекты строения кристаллов, основы теории дислокаций».

1.2. Рабочая программа (объем курса 70 часов) Введение [1] c. 8…9; [2], c. 5 Место дисциплины «Кристаллография и строение материалов» в подготовке инженеров по художественной обработке материалов. Значение науки для металлургической и других отраслей промышленности; роль отечественных и зарубежных ученых в ее становлении и развитии. 1.2.1. Строение кристаллических материалов 1.2.1.1. Основы геометрической и структурной кристаллографии [1], с. 10…23, 30…54, 58…76, 78…84, или [2], с. 7…40, 46…53, 64…106, 111…119, 125…129 Кристаллического состояние твердого тела. Некоторые специфические признаки и решетчатое строение кристаллов. Кристаллографические индексы и кристаллографические проекции. Эмпирические законы кристаллографии. Элементы симметрии кристаллических многогранников. Классы симметрии, сингонии и категории кристаллов. Формы идеальных кристаллических многогранников и формы реальных кристаллов. Специфические элементы симметрии кристаллических структур. Системы трансляции (решетки Бравэ). Условия выбора и характеристики элементарных ячеек. Пространственные группы симметрии кристаллов и правильные системы точек. Понятие об экспериментальном определении структур кристаллов. Вопросы для самопроверки 1. Чем различаются аморфное и кристаллическое состояния твердого вещества? Какое твердое тело называют кристаллическим?

4

2. Как определяются кристаллографические индексы и как записываются кристаллографические символы узлов, узловых рядов и узловых плоскостей? 3. Каковы принципы построения сферической, стереографической и гномостереографической проекций кристаллографических направлений и плоскостей? Как изображаются направления и плоскости в каждой из этих проекций? 4. Перечислите элементы симметрии, встречающиеся в кристаллических многогранниках. Дайте определение каждому из этих элементов симметрии и опишите его действие. 5. Что понимают под классом симметрии кристаллов? Сколько классов симметрии кристаллов существует? 6. Что понимают под сингонией? Перечислите сингонии кристаллов и укажите элементы симметрии, характерные для каждой из сингоний. 7. На какие категории делятся сингонии кристаллов и чем эти категории различаются? 8. Что понимают под трансляцией? Сколько решеток Браве существует? 9. Какими условиями руководствуются при выборе ячеек Браве? Как обозначаются и чем различаются примитивные и непримитивные ячейки Браве? 10. Каковы соотношения между линейными и угловыми параметрами в элементарных ячейках кристаллических решеток разных сингоний? 11. Перечислите плоскости скользящего отражения и винтовые оси симметрии, встречающиеся в кристаллических структурах. 12. Что понимают под пространственной группой симметрии кристаллов? Сколько пространственных групп симметрии кристаллов существует? 13. Что понимают под правильной системой точек? Каково значение этого понятия для структурного анализа и кристаллохимии? 1.2.1.2. Элементы кристаллохимии и кристаллофизики [1], с. 84…110, или [2], с. 130..151, 180…184 Типы взаимодействия и эффективные размеры частиц в кристаллах. Координационные числа и координационные многогранники. Плотноупакованные слои и многослойные плотнейшие упаковки. Кубическая и гексагональная плотнейшие упаковки; представление этих упаковок координационными полиэдрами. Симметрия и анизотропия физических свойств кристаллов. Указательные поверхности физических свойств кристаллов. Вопросы для самопроверки 1. Каковы основные особенности ковалентного, ионного и металлического взаимодействий и как они влияют на структуру кристаллов? 5

2. Что считают эффективным радиусом частицы в кристалле? Какими системами таких радиусов пользуются в кристаллохимии? 3. Что понимают под координационным числом частицы в кристалле? Какие многогранники называют координационными? 4. От чего зависят координационные числа частиц в кристаллах с ковалентной и ионной связями? Каково влияние координационного числа на межатомные расстояния в кристаллах с металлической связью? 5. Какие слои и многослойные упаковки называют плотнейшими? Как подсчитывается и чему равен коэффициент компактности плотнейших упаковок? 6. Каков порядок чередования плотноупакованных слоев в кубической и гексагональной плотнейших упаковках? Какие пустоты существуют в этих упаковках? 7. Чем отличаются тетраэдрические и октаэдрические пустоты в решетке ОЦК от соответствующих пустот в решетках ГЦК и ГП? Где расположены центры пустот в элементарных ячейках ГЦК, ГП и ОЦК решеток? 8. Какие физические свойства кристаллов являются анизотропными? 9. В чем состоят принцип симметрии и принцип суперпозиции симметрии Кюри? 10. Каков способ наглядного представления анизотропии и симметрии физических свойств кристаллов? 1.2.1.3. Структуры кристаллических материалов [1], с. 110…113; [2], с. 151…168, 171…176; [4] Основные структурные типы металлических элементов. Изоморфизм и полиморфизм. Структурные типы алмаза и графита. Понятие о важнейших структурных типах двойных соединений. Структура шпинели. Классификация и особенности строения силикатов. Примеры кристаллических структур камней-самоцветов. Вопросы для самопроверки 1. Дайте характеристику основных структурных типов металлических элементов — структурных типов меди, магния и вольфрама. 2. Что понимают под изоморфизмом и полиморфизмом? Приведите примеры изоморфизма и полиморфизма кристаллов. 3. Охарактеризуйте структурные типы алмаза и графита. 4. Что представляют собой шпинели? Каково их кристаллическое строение? 5. Каковы специфические особенности кристаллических структур силикатов?

6

1.2.2. Дефекты строения реальных кристаллов 1.2.2.1. Идеальный кристалл и дефекты строения реальных кристаллических материалов [1], с. 127, или [3], с. 20, 21 Понятие об идеальном кристалле. Классификация дефектов строения реальных кристаллов. Точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты кристаллического строения. Вопросы для самопроверки 1. Что лежит в основе классификации дефектов кристаллического строения? 2. Какие точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты могут существовать в реальных кристаллах? 1.2.2.2. Точечные дефекты [1], с. 127…144, или [3], с. 28…65, 130…137 Виды точечных дефектов. Энергия образования и равновесная концентрация вакансий и межузельных атомов. Комплексы точечных дефектов. Миграция точечных дефектов. Источники и стоки точечных дефектов. Вопросы для самопроверки 1. Что представляют собой одиночные точечные дефекты и какие позиции в кристаллической решетке они могут занимать? 2. Каковы характер и степень искаженности кристаллической решетки вокруг вакансий и межузельных атомов? 3. Какую энергию называют энергией образования вакансий и межузельных атомов? От чего и как зависит равновесная концентрация этих дефектов? 4. Что понимают под энергией миграции точечных дефектов? Каковы основные механизмы их миграции? 5. Какие комплексы и почему могут образовывать точечные дефекты? 6. Как могут возникать и исчезать точечные дефекты? Какие участки кристаллической решетки играют роль источников и стоков точечных дефектов? 1.2.2.3. Дислокации и дефекты упаковки [1], с. 148…170, 172…178, 183…202, 206…208, 216…219, 221…233, 235… 236, 240…242, или [3], с. 75…103, 106…115, 144…169, 175…179 Краевые, винтовые и смешанные дислокации. Движение дислокаций. Контур и вектор Бюргерса дислокаций. 7

Поле упругих напряжений и упругая энергия дислокаций. Силы, действующие на дислокацию. Упругое взаимодействие дислокаций. Плотнейшие упаковки и дефекты упаковки. Энергия дефектов упаковки. Характерные полные и частичные дислокации в ГЦК - решетке. Стандартный тетраэдр и дислокационные реакции в ГЦК - решетке. Вершинные дислокации и дислокации Ломер - Коттрелла. Понятие о дислокациях в ГП - и ОЦК - решетках. Вопросы для самопроверки 1. Чем обусловлено появление понятия «дислокация»? Что представляют собой дислокации? 2. Какие дислокации называют краевыми, какие — винтовыми и какие — смешанными? Чем они различаются? 3. Каким образом осуществляется обычное скольжение краевых, винтовых и смешанных дислокаций? 4. В чем состоит поперечное и множественное поперечное скольжение винтовых дислокаций? 5. Какое перемещение дислокаций называют переползанием? Какими механизмами оно может осуществляться? 6. Что такое вектор Бюргерса? Каковы основные особенности вектора Бюргерса дислокаций? 7. От чего и как зависит энергия дислокаций? Какую величину называют линейным натяжением дислокации? 8. Чему равна и как направлена сила, действующая на единицу длины дислокации? 9. Какие устойчивые конфигурации могут образовывать одноименные и разноименные параллельные краевые дислокации? 10. В каких случаях результатом взаимодействия параллельных краевых дислокаций является образование цепочек вакансий или цепочек межузельных атомов? 11. Как взаимодействуют параллельные винтовые дислокации? От чего зависит сила их взаимодействия? 12. Какие дислокации называют полными и какие — частичными? Каковы критерии возможности протекания дислокационных реакций? 13. Как могут возникать и что собой представляют дефекты упаковки в ГЦК и ГП решетках? 14. Каковы векторы Бюргерса полных дислокаций, характерных для ГЦК решетки? 15. Что представляют собой частичные дислокации Шокли в ГЦК решетке? Каковы их векторы Бюргерса? 16. Какие дислокации называют расщепленными? От чего зависит равновесная ширина расщепленных дислокаций?

8

17. Что представляют собой частичные дислокации Франка в ГЦК решетке? Чем они отличаются от частичных дислокаций Шокли? 18. Какой тетраэдр называют стандартным тетраэдром Томпсона? Приведите примеры дислокационных реакций, возможных в ГЦК решетке, используя символику стандартного тетраэдра Томпсона. 19. Какие дислокации в ГЦК решетке называют вершинными? Что представляют собой дислокации Ломер — Коттрелла? 1.2.2.4. Пересечение дислокаций и их взаимодействие с точечными дефектами [1], с. 247…264, или [3], с. 116…130, 169…172 Пересечение единичных краевых, краевой и винтовой и винтовых дислокаций. Пороги на дислокациях. Движение дислокаций с порогами. Взаимодействие дислокаций с вакансиями и межузельными атомами. Взаимодействие дислокаций с примесными атомами. Атмосферы примесных атомов на дислокациях. Вопросы для самопроверки 1. Каковы результаты пересечения взаимно перпендикулярных краевых, краевой и винтовой или винтовых дислокаций? 2. Какие пороги образуются при пересечении дислокаций? Какими способами могут перемещаться эти пороги? 3. Как происходит движение дислокаций с единичными и составыми порогами? Какие дефекты кристаллического строения при этом образуются? 4. Каковы результаты взаимодействия дислокаций с вакансиями и межузельными атомами? 5. Что представляют собой атмосферы Коттрелла? От чего и как зависит равновесная концентрация примесных атомов около дислокаций? 6. Что представляют собой атмосферы Снука и Сузуки? В чем состоит их отличие от атмосфер Коттрелла? 1.2.2.5. Дислокационные системы и границы раздела [1], с. 264…272, 279…293, или [3], 104…106, 184…196, 200…205, 218…243 Образование дислокаций при кристаллизации и последующем охлаждении металлов. Дислокационные сетки и сплетения. Плотность дислокаций. Размножение дислокаций при пластической деформации. Понятие о строении и миграции малоугловых и высокоугловых границ.

9

Вопросы для самопроверки 1. Какие процессы сопровождаются образованием в кристаллах дислокаций? 2. Каковы возможные механизмы образования и размножения дислокаций? 3. Что представляет собой источник Франка-Рида? От чего и как зависит критическое напряжение этого источника? 4. Какие комплексы могут образовывать дислокации в кристаллах? 5. Что понимают под плотностью дислокаций? От чего и как зависит эта характеристика? 6. Чем различаются границы наклона и кручения, границы малоугловые и высокоугловые? 7. Что представляют собой малоугловые границы наклона и кручения? Как могут мигрировать малоугловые границы? 8. Какие решетки называют решетками совпадающих узлов? Чем такие решетки характеризуются? 9. Что представляют собой специальные границы? Чем они отличаются от произвольных границ? 10. Какие дефекты кристаллического строения называют зернограничными дислокациями? Каковы характерные особенности этих дефектов? 11. Как связана миграция высокоугловых границ с движением зернограничных дислокаций и зернограничных ступенек?

1.3. Тематический план лекций для студентов очно-заочной (вечерней) формы обучения (16 часов) 1. Кристаллическое состояние твердого тела. Эмпирические законы кристаллографии. Формы идеальных кристаллических многогранников и формы реальных кристаллов ………………………… 2 часа 2. Классификация дефектов кристаллической решетки. Точечные дефекты …………………………………………………………. - “ – 3. Краевые, винтовые и смешанные дислокации..………………… - “ – 4. Движение дислокаций. Вектор Бюргерса дислокаций…………. - “ 5. Упругие свойства и упругое взаимодействие дислокаций …….. - “ 6. Дислокации и дефекты упаковки в ГЦК – решетке………………- “ 7. Пересечение дислокаций. Взаимодействие дислокаций с вакансиями, межузельными и примесными атомами……………………- “ 8. Дислокационные системы и границы раздела……………………- “ -

10

1.4. Перечень тем практических занятий (12 часов) 1. Определение кристаллографических индексов и построение стереографических и гномостереографических проекций направлений и плоскостей в кристаллах…………………………………………………. 2 часа 2. Определение элементов симметрии и классов симметрии на моделях кристаллографических многогранников……………………… - “ 3. Выбор элементарных ячеек и определение характеристик кристаллических решеток на моделях кристаллических структур……… . - “ 4. Определение плотнейших упаковок, заполнения пустот и координационных полиэдров на моделях кристаллических структур…. - “ 5. Анализ полей напряжений дислокаций и парных упругих взаимодействий параллельных дислокаций………………………………. . - “ 6. Анализ дислокационных реакций в типичных кристаллических решетках металлов………………………………………………………….... - “ 2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной: 1. Новиков И.И., Розин К.М. Кристаллография и дефекты кристаллической решетки. - М.: Металлургия, 1990. 2. Шаскольская М.П. Кристаллография. - М.: Высшая школа, 1984. 3. Штремель М.А. Прочность сплавов. Ч. I. Дефекты решетки. – М.: Металлургия, 1982. Дополнительный: 4. Самсонов Я.П., Туринге А.П. Самоцветы СССР. – М.: Недра, 1984.

3. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ И УКАЗАНИЯ К ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ Тестовые задания преследуют цель научить студента оперировать фундаментальными понятиями дисциплины «Кристаллография и строение материалов» и грамотно использовать эти понятия при рассмотрении материаловедческих проблем в последующих учебных дисциплинах и в производственной деятельности. При выполнении тестовых заданий рекомендуется пользоваться указаниями, помещенными после заданий.

11

3.1. Тестовые задания 1. Определить индексы направления, проходящего через узел решетки с координатами ... , и индексы плоскости, отсекающей на координатных осях отрезки ... . 2. Указать координационное число, изобразить координационный многогранник и рассчитать коэффициент компактности … решетки. 3. Вычислить избыточную концентрацию вакансий в ..., резко закаленном (й) от температуры tзак = ... , если энергия образования вакансий в ... Ео = ... , а стока вакансий в процессе закалки не происходит. 4. Краевая дислокация в металле с ... решеткой лежит в плоскости ... . Указать возможное направление линии этой дислокации. 5. Для винтовой дислокации ... в металле с ... решеткой выписать и схематически изобразить все возможные плоскости поперечного скольжения. 6. Привести (в обозначениях стандартного тетраэдра Томпсона) энергетически вероятные варианты расщепления дислокации ... . 7. Дислокация типа ... (в обозначениях стандартного тетраэдра Томпсона) поочередно пересекает все полные дислокации, возможные в ГЦК решетке. Указать, при каких из этих пересечений образуются пороги только на движущейся дислокации, при каких — только на неподвижных дислокациях, при каких — одновременно на движущейся и на неподвижных дислокациях, а также пересечения, при которых не образуется порогов ни на движущейся, ни на неподвижных дислокациях. 3.2. Указания Для выполнения тестовых заданий 1...4 номер варианта можно выбрать из табл. 1, например, по последней цифре шифра, а для заданий 5...7 — по предпоследней цифре, или наоборот. Материал, достаточный для правильных ответов на вопросы 1 и 3, содержится в учебнике [1], на с. 14...20, 130...133 и 142...143, а для ответа на вопрос 6 — на с. 216...219 и 223...230. Постоянная Больцмана k = 1,38·10-23 Дж/К. При составлении ответа на вопрос 2 следует исходить из того, что под коэффициентом компактности какой-либо кристаллической решетки, построенной из материальных частиц одного сорта (равновеликих, несжимаемых и соприкасающихся «шаров»), понимают отношение η = (n·Vш) / Vэл. яч., где n — число частиц, приходящихся на элементарную ячейку; Vш — объем частицы — «шара»; Vэл. яч. — объем элементарной ячейки. Поэтому для вычисления коэффициента компактности простой кубической, ОЦК, ГЦК и ГП кристаллических решеток по приведенной формуле необходимо:

12

— выбрать и изобразить графически такое сечение кристаллической решетки, из которого можно установить связь между радиусом частицы— «шара» и параметрами элементарной ячейки; — определить n; — в случае ГП решетки рассчитать Vэл. яч. ([2], с. 127), предварительно установив связь между параметрами с и a элементарной ячейки этой решетки. Для ответа на вопрос 4 необходимо изучить материал, изложенный в [1], на с. 148...151 и 206...210, а затем, учитывая взаимную перпендикулярность линий краевой дислокации, ее вектора Бюргерса и нормали к плоскости скольжения и эквивалентность кристаллографических индексов плоскости и нормали к ней в кристаллических решетках кубической сингонии, воспользоваться соотношением (1.19), приведенным в [2] на с. 86. Для ответа на вопрос 5 необходимо после изучения материала, изложенного в [1], на с. 158...165 и 206...210, отобрать по соотношению (1.16), приведенному в [2], на с. 85, все возможные плоскости поперечного скольжения заданной дислокации; рассчитать по соотношению (2.18,е), приведенному в [2] на с. 128, углы между этими плоскостями и схематически изобразить все плоскости поперечного скольжения, расположив линию их пересечения перпендикулярно плоскости рисунка. Для ответа на вопрос 7 необходимо изучить материал, изложенный в [1] на с. 206...208, 226...230 и 247...252; учесть, что имеются в виду устойчивые пороги, а не перегибы дислокаций.

13

Содержание Предисловие………………………………………………………. 3 1. Содержание дисциплины………………………………………4 1.1. Содержание дисциплины по ГОС…………………………. 4 1.2. Рабочая программа………………………………………….. 4 1.2.1. Строение кристаллических материалов ………………. 4 1.2.2. Дефекты строения реальных кристаллов………………7 1.3. Тематический план лекций для студентов очно-заочной (вечерней) формы обучения…………………………. 10 1.4. Перечень тем практических занятий……………………. 11 2. Библиографический список………………………………… 11 3. Тестовые задания и указания к их выполнению..……….. 12 3.1. Тестовые задания ………………………………………….. 12 3.2. Указания..…………………………………..……………….. 12

14

Барсуков Валерий Николаевич

Материаловедение и технология конструкционных материалов Часть I. Кристаллография и строение материалов Рабочая программа Методические указания Редактор Сводный темплан 2006 г. Лицензия ЛР № 202308 от 14.02.97 г. Санитарно-эпидемиологиечское заключение № 78.01.07.953 Л.005641.11.03 от 21.11.2003 г. Подписано в печать …...06.2006. Формат 60х84 1/16. Б. кн.-журн. П. л. …. Б. л. …. Изд-во СЗТУ. Тираж ….. Заказ ….. __________________________________________________________________ Северо-Западный государственный заочный технический университет Издательство СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5

15