Особенность строения кристаллической решетки металла пластичность: Заполните таблицу “Строение и свойства металлов”.

alexxlab | 01.11.1990 | 0 | Разное

Содержание

Кристаллическое строение металлов и дефекты атомно-кристаллической решетки

Металлы — один из самых распространенных веществ в материальной культуре человека. Тысячелетиями медь, железо, серебро и золото были основным материалом для производства оружия, инструментов, ответственных частей транспорта и механизмов, деталей домашней утвари и украшений. В XIX веке, с освоением технологии получения чугуна, металлы пришли в строительство и станкостроение. XX век был веком металлов.

Металлы

В нашу жизнь вошли алюминий, титан, бор и многие более редкие металлы. Используя их, человечество шагнуло в небо, космос и глубины океана. Металлы сделали возможным массовое производство домашней бытовой техники. В конце XX века пластмассы и композитные вещества ощутимо потеснили металлы с лидирующих позиций. Основные характеристики металлов — прочность, упругость и пластичность определяются их физико-химическими свойствами и атомным строением.

Основные группы металлов в промышленности

Индустрия делит металлы на большие группы:

  • Черные.
  • Цветные легкие.
  • Цветные тяжелые.
  • Благородные.
  • Редкоземельные и щелочные.

Черные металлы

В эту группу входят железо, марганец, хром и их сплавы. Группа также включает в себя стали, чугуны и ферросплавы. Эти вещества обладают хорошей электропроводностью и уникальными магнитными характеристиками.

Черные металлы

Черные металлы покрывают до 90% мировой потребности в металлоизделиях.

Легкие цветные металлы

Отличаются низкой плотностью. Группа включает в себя алюминий, титан, магний. Эти реже встречаются, чем железо, и обходятся дороже в добыче руды и в производстве. Они используются там, где малый вес изделия или детали окупает ее большую стоимость – в самолетостроении, производстве электроники, в коммуникационной индустрии.

Легкие цветные металлы

Титан не вызывает отторжения со стороны иммунной системы и применяется в протезировании костной ткани.

Тяжелые цветные металлы

Это элементы с большим удельным весом, такие, как медь, олово, свинец, цинк и никель. Обладают хорошей электропроводностью.

Они широко используются как катализаторы реакций, в изготовлении электроматериалов, в электронике, на транспорте – везде, где требуются достаточно прочные, упругие и коррозионностойкие материалы.

Благородные металлы

В эту группу входят золото, серебро, платина, а также редко встречающееся рутений, родий, палладий, осмий, иридий. Они обладают наибольшим удельным весом, высокой коррозионной устойчивостью и высокой электрической и тепловой проводимостью.

Золото и платина
Серебро

На заре человечества золото, серебро и платина применялись как универсальный платежный инструмент и как средство накопления богатств. С развитием цифровой экономики и переходом платежей в виртуальность важнее стаи их уникальные физические свойства

Редкоземельные и щелочные

К редкоземельным относятся скандий, иттрий, лантан и еще 15 редких элементов. Эти элементы отличаются значительным удельным весом, высокой химической активностью и применяются в высокотехнологичных отраслях.

 

К щелочным относятся литий, калий, натрий и другие. Все они отличаются малым удельным весом и исключительной химической активностью и при реакции с водой образуют щелочи, широко применяемы в быту и промышленности в составе мыла и других моющих средств.

Щелочные металлы

Классификация металлов по химическому составу

Химические свойства чистых элементов определяются строением атомов реальных металлов и прежде всего их атомным числом, характеризующим их способность реагировать с водородом, кислородом и другими элементами. Химические характеристики реально применяемых металлов могут сильно отличаться от параметров чистого вещества как в лучшую, так и в худшую сторону.

Нежелательные добавки называют примесями, а те, что вносятся преднамеренно для изменения параметров в нужную сторону — легирующими присадками.

Общепризнанной является классификация, основанная на указании главного компонента сплава.

Атомно — кристаллическое строение металлов

Внутреннее строение металлов и их характеристики определяют их физико-химические свойства. Электроны на внешних орбитах атомов слабо связаны с ядром и имеют отрицательный заряд. При наличии разницы потенциалов электроны мигрируют к положительному полюсу, создавая электрический ток. Это физическое явление обуславливает электропроводность.

Кристаллическое строение свойственно металлам и их сплавам в твердом фазовом состоянии. Атомы выстраиваются в определенную объемную структуру, называемую кристаллической решеткой.
Число атомов в вершинах и на гранях этой структуры, а также дистанция между ними определяют такие физические свойства металла, как электро- и теплопроводность, вязкость, текучесть и т.д.
Кристаллическое строение металлов и сплавов может быть двух типов:

  • Межатомная дистанция одинакова по всем направлениям. Это так называемое изотропное строение. При этом физические свойства кристалла также одинаковы по всем направлениям.
  • Межатомное расстояние по горизонтали и по вертикали разное. Такой кристалл называют анизотропным, и его физические параметры меняются в зависимости от направления.

Атомно-кристаллическое строение металлов

В реальном куске металлов, составленному из множества изолированных кристаллических фрагментов, атомно кристаллическое строение принадлежит к третьему типу — квазиизотропному. В среднем свойства такого куска близки к изотропным.
При выстраивании кристаллической решетки некоторые атомы не попадают на свое место, смещаются или теряются. В этом случае говорят о дефектах кристаллического строения металлов. Дефекты структуры отрицательно влияют на свойства изделия, особенно если оно должно быть монокристаллом, как, например, в электронике, лазерной технике и других отраслях высоких технологий.

Физические свойства металлов

Физические свойства определяются внутренним строением металлов.

Главное отличие металлов от других элементов — это их электропроводность и магнитные свойства.

И хотя ученые создали неметаллические материалы, обладающие другим строением, но такими же свойствами, как у металлов и сплавов, они еще слишком дороги для массового применения. Многие химически чистые металлы обладают недостаточной прочностью для практических применений, чтобы исправить ситуацию, в технике и строительстве используют их сплавы.

Физические свойства металлов

Добавление тех или иных присадок приводит к росту прочность получаемого вещества в десятки раз по отношению к исходному элементу.

Электронное строение металлов и их особенности

Внутреннее строение реальных металлов определяет их физико-химические параметры.

Кристаллическая решетка металлов

Все металлы в твердом фазовом состоянии имеют кристаллическое строение. Это пространственное образование из многократно повторяющихся первичных структур называют кристаллической решеткой.
схема кристаллической решетки.

Кристаллическое строение металлов

Кристаллическое строение металлов и сплавов может быть двух типов:

  • Межатомная дистанция равна по всем направлениям. Это так называемое изотропное строение. При этом физические свойства кристалла также одинаковы по всем направлениям.
  • Межатомное расстояние по горизонтали и по вертикали разное. Такой кристалл называют анизотропным, его параметры зависят от направления.

В реальном куске металлов, который состоит из множества кристаллических фрагментов, атомно кристаллическое строение принадлежит к третьему типу — квазиизотропному. Усредненные параметры такого куска близки к изотропным.

Типы кристаллических решеток

Дистанцию соседними атомами называют параметром решетки, у разных металлов он составляет 2 — 6 ангстрем. Существуют три основных типа кристаллических решеток:

  • Кубическая: объемно-центрированная — включает в себя девять атомов. Свойственна железу, хрому, молибдену, и ванадию.
  • Кубическая гранецентрированная: включает в себя уже 14 атомов. Присуща меди, золоту, свинцу, алюминию.
  • Гексагональная: атомов уже 17 и размещены они наиболее плотно. Так кристаллизуются магний, цинк кадмий и другие.

Уникальная возможность железа заключается в том, что до 910°С оно имеет кубическую объемно-центрированную структуру, а при нагреве свыше этой температуры переходит к гранецентрированной.

Кристаллическое строение сплавов

Сплав это материал, состоящий из двух и более химических элементов. В его состав могут входить как металлы, так и неметаллы. Например, бронза — это сплав меди и олова, а чугун — сплав железа и углерода. Кроме основных, в состав могут входить и другие вещества, содержащиеся в небольших количествах. Если их добавляют специально и улучшают свойства материала, их называют легирующими присадками, если ухудшают — вредными примесями.
Кристаллическое строение сплавов сложнее, чем металлов.

Строение сплавов

Оно определяется взаимовлиянием компонентов при образовании кристалла, и принадлежит к трем подвидам:

  • Твердые растворы. Один элемент растворяется в другом. Ведущий элемент строит кристаллическую структуру, а атомы второстепенного элемента размещаются в объеме этой решетки.
  • Химическое соединение. Элементы химически реагируют друг с другом, образуя новое соединение. Из его молекул и составляется кристаллическая решетка.
  • Механическая смесь. Элементы сплава не реагируют друг с другом. Каждый строит свои кристаллические структуры, срастающиеся в независимые кристаллы. Сплав будет представлять собой затвердевшую смесь из множества кристалликов двух разных типов. Такое вещество будет иметь собственную температуру перехода в жидкую фазу.

Физические свойства сплавов могут заметно меняться при изменении процентного соотношения составляющих.

Кристаллизация сплавов

Первичная кристаллизация — это затвердевание расплава с образованием кристаллических решеток. Пространственные атомные и молекулярные структуры, возникающие в ходе такого процесса, оказывают решающее влияние на свойства получаемого сплава.

Сначала в остывающем расплаве возникают центры кристаллизации, вокруг них в ходе процесса и нарастают кристаллы, многократно повторяя структуру центра. В качестве центров кристаллизации могут выступать:

  • Первые образовавшиеся кристаллы в зонах локального охлаждения, чаще всего у стенок литейной формы.
  • Частички неметаллических примесей.
  • Тугоплавкие примеси, уже находящиеся в твердой форме.

Процесс кристаллизации металлов и сплавов

Кристаллы обычно растут в направлении роста градиента температуры. Если рост решеток не встречает физических препятствий, образуются ветвящиеся кристаллические структуры, напоминающие кораллы — дендриты. Если они растут из разных центров и встречаются в расплаве, то препятствуют росту друг друга и искажают свою форму. Такие искаженные кристаллы – это кристаллиты, или зерна. Совокупность отдельных зерен срастается в поликристаллическое тело.
Отдельные кристаллиты достигают размеров от одного до 10 000 микрон и по-разному развернуты в пространстве. На стыках отдельных кристаллитов образуется граничный слой, в котором кристаллические решетки разорваны. Такие слои обладают измененными химическими и физическими свойствами.

Решетки кристаллитов могут обладать разными дефектами структуры:

  • точечные;
  • линейные;
  • поверхностные;

Дефекты кристаллического строения металлов

Дефекты определяются отсутствием атома или группы атомов в вершинах или гранях кристаллической решетки, смещением этих атомов со своих мест или замещением атома или их группы атомами или молекулами примесей.

Кристаллическое строение металлов. Кристаллическая решетка металлов

Одним из самых распространенных материалов, с которым всегда предпочитали работать люди, был металл. В каждую эпоху предпочтение отдавалось разным видам этих удивительных веществ. Так, IV-III тысячелетия до нашей эры считаются веком хальколита, или медным. Позже его сменяет бронзовый, а затем в силу вступает тот, что и по сей день является актуальным – железный.

Сегодня вообще сложно представить, что когда-то можно было обходиться без металлических изделий, ведь практически все, начиная от предметов быта, медицинских инструментов и заканчивая тяжелой и легкой техникой, состоит из этого материала или включает в свой состав отдельные части из него. Почему же металлы сумели завоевать такую популярность? В чем проявляются особенности и как это заложено в их строении, попробуем разобраться далее.

Общее понятие о металлах

“Химия. 9 класс” – это учебник, по которому проходят обучение школьники. Именно в нем подробно изучаются металлы. Рассмотрению их физических и химических свойств отведена большая глава, ведь разнообразие их чрезвычайно велико.

Именно с этого возраста рекомендуют давать детям представление о данных атомах и их свойствах, ведь подростки уже вполне могут оценить значение подобных знаний. Они прекрасно видят, что окружающее их разнообразие предметов, машин и прочих вещей имеет в своей основе как раз металлическую природу.

Что же такое металл? С точки зрения химии, к данным атомам принято относить те, что имеют:

  • малое число электронов на внешнем уровне;
  • проявляют сильные восстановительные свойства;
  • имеют большой атомный радиус;
  • как простые вещества обладают рядом специфических физических свойств.

Основу знаний об этих веществах можно получить, если рассмотреть атомно-кристаллическое строение металлов. Именно оно объясняет все особенности и свойства данных соединений.

В периодической системе для металлов отводится большая часть всей таблицы, ведь они образуют все побочные подгруппы и главные с первой по третью группу. Поэтому их численное превосходство очевидно. Самыми распространенными являются:

  • кальций;
  • натрий;
  • титан;
  • железо;
  • магний;
  • алюминий;
  • калий.

Все металлы имеют ряд свойств, которые позволяют объединять их в одну большую группу веществ. В свою очередь, эти свойства объясняет именно кристаллическое строение металлов.

Свойства металлов

К специфическим свойствам рассматриваемых веществ относят следующие.

  1. Металлический блеск. Все представители простых веществ им обладают, причем большинство одинаковым серебристо-белым цветом. Лишь некоторые (золото, медь, сплавы) отличаются.
  2. Ковкость и пластичность – способность деформироваться и восстанавливаться достаточно легко. У разных представителей выражена в неодинаковой мере.
  3. Электропроводность и теплопроводность – одно из основных свойств, которое определяет области применения металла и его сплавов.

Кристаллическое строение металлов и сплавов объясняет причину каждого из обозначенных свойств и говорит о выраженности их у каждого конкретного представителя. Если знать особенности такого строения, то можно влиять на свойства образца и подстраивать его под нужные параметры, что и делают люди уже многие десятилетия.

Атомно-кристаллическое строение металлов

В чем же заключается такое строение, чем характеризуется? Само название говорит о том, что все металлы представляют собой кристаллы в твердом состоянии, то есть при обычных условиях (кроме ртути, которая является жидкостью). А что такое кристалл?

Это условное графическое изображение, построенное путем пересечения воображаемых линий через атомы, которые выстраивают тело. Другими словами, каждый металл состоит из атомов. Они располагаются в нем не хаотично, а очень правильно и последовательно. Так вот, если мысленно соединить все эти частицы в одну структуру, то получится красивое изображение в виде правильного геометрического тела какой-либо формы.

Это и принято называть кристаллической решеткой металла. Она очень сложная и пространственно объемная, поэтому для упрощения показывают не всю ее, а лишь часть, элементарную ячейку. Совокупность таких ячеек, собранная вместе и отраженная в трехмерном пространстве, и образует кристаллические решетки. Химия, физика и металловедение – это науки, которые занимаются изучением особенностей строения таких структур.

Сама элементарная ячейка – это набор атомов, которые располагаются на определенном расстоянии друг от друга и координируют вокруг себя строго фиксированное число других частиц. Она характеризуется плотностью упаковки, расстоянием между составными структурами, координационным числом. В целом все эти параметры являются характеристикой и всего кристалла, а значит, отражают и проявляемые металлом свойства.

Существует несколько разновидностей кристаллических решеток. Объединяет их все одна особенность – в узлах находятся атомы, а внутри располагается облако электронного газа, которое формируется путем свободного передвижения электронов внутри кристалла.

Типы кристаллических решеток

Четырнадцать вариантов строения решетки принято объединять в три основных типа. Они следующие:

  1. Объемно-центрированная кубическая.
  2. Гексагональная плотноупакованная.
  3. Гранецентрированная кубическая.

Кристаллическое строение металлов было изучено только благодаря электронной микроскопии, когда стало возможным получать большие увеличения изображений. А классификацию типов решеток впервые привел французский ученый Браве, по фамилии которого их иногда называют.

Объемно-центрированная решетка

Строение кристаллической решетки металлов данного типа представляет собой следующую структуру. Это куб, в узлах которого находится восемь атомов. Еще один располагается в центре свободного внутреннего пространства ячейки, что и объясняет название “объемно-центрированная”.

Это один из вариантов наиболее простого строения элементарной ячейки, а значит, и всей решетки в целом. Такой тип имеют следующие металлы:

  • молибден;
  • ванадий;
  • хром;
  • марганец;
  • альфа-железо;
  • бетта-железо и другие.

Основные свойства таких представителей – высокая степень ковкости и пластичности, твердость и прочность.

Гранецентрированная решетка

Кристаллическое строение металлов, имеющих гранецентрированную кубическую решетку, представляет собой следующую структуру. Это куб, который включает в свой состав четырнадцать атомов. Восемь из них формируют узлы решетки, а еще шесть расположены по одному на каждой грани.

Подобную структуру имеют:

  • алюминий;
  • никель;
  • свинец;
  • гамма-железо;
  • медь.

Основные отличительные свойства – блеск разного цвета, легкость, прочность, ковкость, повышенная устойчивость к коррозии.

Гексагональная решетка

Кристаллическое строение металлов, обладающих данным типом решетки, следующее. В основе элементарной ячейки лежит шестигранная призма. В ее узлах располагается 12 атомов, еще два по основаниям и три атома свободно лежат внутри пространства в центре структуры. Всего семнадцать атомов.

Подобную сложную конфигурацию имеют такие металлы, как:

  • альфа-титан;
  • магний;
  • альфа-кобальт;
  • цинк.

Основные свойства – высокая степень прочности, сильный серебристый блеск.

Дефекты кристаллического строения металлов

Однако все рассмотренные типы ячеек могут иметь и естественные недостатки, или так называемые дефекты. Это может быть связано с разными причинами: посторонними атомами и примесями в металлах, внешними воздействиями и прочим.

Поэтому существует классификация, отражающая дефекты, которые могут иметь кристаллические решетки. Химия как наука изучает каждый из них с целью выявления причины и способа устранения, чтобы свойства материала не были изменены. Итак, дефекты следующие.

  1. Точечные. Они бывают трех основных видов: вакансии, примеси или дислоцированные атомы. Приводят к ухудшению магнитных свойств металла, электро- и теплопроводности его.
  2. Линейные, или дислокационные. Выделяют краевые и винтовые. Ухудшают прочность и качество материала.
  3. Поверхностные дефекты. Влияют на внешний вид и структуру металлов.

В настоящее время разработаны методики устранения дефектов и получения чистых кристаллов. Однако совсем искоренить их не удается, идеальной кристаллической решетки не существует.

Значение знаний о кристаллическом строении металлов

Из вышеизложенного материала очевидно, что знания о тонкой структуре и строении позволяют спрогнозировать свойства материала и повлиять на них. И это позволяет делать наука химия. 9 класс общеобразовательной школы делает в процессе обучения упор на то, чтобы сформировать у учащихся четкое понятие о важном значении основополагающей логической цепочки: состав – строение – свойства – применение.

Сведения о кристаллическом строении металлов очень четко иллюстрирует эту зависимость и позволяет учителю наглядно объяснить и показать детям, насколько важно знать тонкую структуру, чтобы правильно и грамотно использовать все свойства.

Особенность – строение – кристаллическая решетка

Особенность – строение – кристаллическая решетка

Cтраница 1

Особенности строения кристаллической решетки играют существенную роль для характеристики качества диоксида марганца как активного вещества источника тока, катализатора, абсорбента, твердого электролита.  [1]

Особенности строения кристаллической решетки

играют – существенную роль для характеристики качества двуокиси марганца как активного вещества источников тока. Строение кристаллов определяют рентгенографическим способом. Расстояние между плоскостями в кристалле ( межплоскостные расстояния), измеряемые в ангстремах А, позволяют отнести образец к той или иной модификации. Расстояния между плоскостями в кристалле соответствуют промежутку между линиями на рентгенограмме.  [3]

Особенность строения кристаллической решетки металлов заключается в том, что одни ее узлы заняты атомами, а другие положительными ионами. В промежутках между узлами перемещаются свободные электроны, образующие как бы электронный газ. Нахождение свободных электронов в металлических кристаллах обусловливают общие свойства металлов, их электро – и теплопроводность. Они же объясняют способность металлов к механической деформации.  [5]

Особенности строения кристаллических решеток графита и алмаза приводят к заметному различию их физических и химических свойств.  [6]

Ионная проводимость некоторых кристаллических тел – твердых электролитов – связана с особенностями строения кристаллической решетки и в отдельных случаях – с присутствием в ней чужеродных ионов.  [7]

В настоящее время авторы многочисленных работ подтвердили, что все реакции углерода обусловлены особенностями строения кристаллической решетки графита.  [9]

Высокая вязкость рассматриваемых сталей и сплавов и их значительное упрочнение в процессе обработки обусловлены особенностями строения кристаллической решетки жаропрочных материалов. Детали следует обрабатывать на мощных и жестких станках, с жестким закреплением детали и инструмента. Инструмент должен хорошо затачиваться. Нельзя применять чрезмерно малые подачи при обработке, так как из-за наклепа поверхностных слоев стойкость инструмента при малых подачах резко падает. Глубину резания также рекомендуется брать не ниже 0 3 – 0 5 мм.  [10]

В [9] предложен механизм, связывающий изомеризацию АВК и юс реакции обмена с р-дикетонами и АВТ с особенностями строения кристаллической решетки.  [11]

Поэтому можно предположить, что повышенная температура плавления га-хлоранилина но сравнению с температурой плавления тг-бромани-лина связана с особенностью строения кристаллической решетки последнего.  [12]

Следует отметить, что наряду с конструкционной анизотропией композита существуют технологическая анизотропия, возникающая при пластической деформации изотропных материалов, и физическая анизотропия, присущая, например, кристаллам и связанная с

особенностями строения кристаллической решетки.  [13]

Диэлектрическая проницаемость углей зависит от степени их метаморфизма и имеет минимальное значение, что объясняется ростом электропроводимости у слабометаморфизованных углей за счет наличия в них полярных функциональных групп, а в антрацитах – за счет особенностей строения кристаллической решетки. Диэлектрическая проницаемость возрастает с повышением влажности.  [14]

В минералах группы монтмориллонита связь между кремне-кислородными и гиббситовыми пакетами проходит по кислородным поверхностям и поэтому относительно слаба, она определяется ван-дер-ваальсовыми силами. Такая особенность строения кристаллической решетки позволяет молекулам воды и полярным органическим молекулам легко входить в межпакетное пространство, изменяя его размеры и вызывая набухание породы. Эти минералы характеризуются выраженными катионообменными свойствами, что проявляется в способности глины связывать определенно число катионов, причем одни из них могут быть частично или полностью заменены другими в эквивалентных количествах. Обменная емкость монтмориллонита – более 50Х Х10 – 5 моль / кг. Минералы группы монтмориллонита встречаются в глинистых породах палеогенового, мелового, юрского, пермского и каменноугольного возраста. В более ранних породах не обнаружены.  [15]

Страницы:      1    2

Общие свойства металлов

Цель урока: сформировать понятие о металлах как группе элементов, вещества которых проявляют общие свойства, обусловленные сходством строения.

Задачи урока.

Образовательные:

1) закрепить знания о положении металлов в периодической системе, характерных особенностях строения атомов больших и малых периодов;

2) познакомить с металлической связью, типами кристаллических решеток металлов и на основании этого выяснить причину особых физических свойств металлов;

3) познакомить со способностью металлов образовывать сплавы, рассмотреть свойства отдельных сплавов и их отличия от чистых металлов.

Развивающие: развить умения делать выводы о свойствах на основе строения, а также развитие способности анализировать и сравнивать.

Воспитательные: вызвать интерес у учащихся к огромной роли металлов в жизни человека и в развитии народного хозяйства.

Оборудование: образцы различных металлов и изделия из них.

– коллекция “металлы и сплавы”.

– компьютер, проектор, экран.

Основные понятия: окислитель, восстановитель, элемент, простое вещество, степень окисления, период, ряд, группа, подгруппа, типы химической связи, металлическая связь, кристаллические решетки металлов.

План урока:

  1. Организационный момент.
  2. Металл – химический элемент. Положение металлов в периодической системе Менделеева, особенности строения атомов металлов (свойства, нахождение в природе).
  3. Металл – простое вещество. Металлическая связь. Кристаллическое строение металлов.
  4. Физические свойства металлов.
  5. Сплавы.

Ход урока

1. Организационный момент.

Сегодня на уроке ребята мы с вами начнем изучение нового материала, а именно рассмотрим положение металлов в периодической системе, рассмотрим особенности строения их атомов и кристаллических решеток, а также поговорим о физических свойствах металлов и рассмотрим понятие сплавы.

2. Краткая вступительная беседа о практической важности металлов в жизни человека. Огромное значение металлов в нашей жизни. Георг Агрикола (ученый 16 века) писал: Человек не может обойтись без металлов….если бы не металлы человек влачил бы самую омерзительную и жалкую жизнь среди диких зверей. Ломоносов также посвятил металлам вдохновенные строки: металлы подают укрепление и красоту важнейшим вещам, в обществе потребным. Ими защищаемся от нападения неприятеля, ими утверждаются корабли и силою их связаны. Металлы служат нам в уловлении земных и морских животных для пропитания нашего… и кратко сказать ни едино художество, ни едино ремесло простое употребление металлов миновать не может. Давайте же познакомимся с ними поближе и взглянем на периодическую систему Менделеева.

І. Положение металлов в периодической системе Менделеева.

Металлы как химические элементы. В настоящее время официально зарегистрировано 108 хим. элементов. Большинство из них металлы (более 80). В периодической системе металлы имеются во всех группах: І – ІІ гр. – все металлы, кроме H, в ІІІ гр. – все металлы, кроме B, в ІV гр. – все металлы, кроме C, Si, в V гр. – все металлы, кроме N, P, As, в VІ гр. – все металлы, кроме O, S, Se, Te, в VІІ гр. – все металлы, кроме п./гр. галогенов, в VІІІ гр. – все металлы, кроме инертных элементов. Таким образом, металлы располагаются в левой и нижней части периодической системы, а неметаллы в правой части наверху.

На экране таблица размещения неметаллов в периодической системе химических элементов <рисунок 1>.

Получается, что металлов в периодической системе больше, чем неметаллов. С чем же это связано спросите вы у меня, и я отвечу, что это связано с особенностями строения атомов металлов.

У атомов металлов на внешнем энергетическом уровне обычно находится от 1 до 3-4 электронов. С 4-го периода начинается заполнение предвнешнего d – подуровня, начиная со скандия (Sc), при этом на внешнем уровне остается 2 электрона, реже 1, если наблюдается провал электрона <рисунок 2>.

Значит, делаем вывод, что свойства металлов у этих элементов присутствуют. Такая же закономерность наблюдается и у атомов 6 периода. Таким образом, все элементы побочной подгруппы это металлы, причем четный ряд в больших периодах – металлы, а нечетный ряд – неметаллы.

Особенностью строения атомов металлов является небольшое число электронов на внешнем энергетическом уровне (от одного до трех). Следовательно, атомы металлов в отличие от атомов неметаллов легко отдают наружные электроны, т.е. являются сильными восстановителями, они проявляют только положительные степени окисления от +1 до +3. Давайте посмотрим, как изменяются свойства металлов в периодах и группах. Итак, в группе сверху вниз R атома увеличивается, следовательно, способность притягивать электроны меньше, а металлические свойства усиливаются. В периоде R атома уменьшается, следовательно, способность притягивать к себе электроны выше и металлические свойства ослабевают. Таким образом, наибольшие металлические свойства выражены у щелочных металлов, у которых радиус наибольший.

Как вы думаете, почему у неметаллов больше различия в свойствах, чем у металлов?

ІІ. Нахождение металлов в природе.

На экране таблица. Металлы содержатся в ядре Земли и в земной коре, в воде рек, озер, океанов, в организмах животных и растений. Самым распространенным металлом в земной коре является AI, за ним следует Fe, Ca, Na, K, Mg, Ti. Содержимое остальных металлов незначительно. Так, например, в земной коре хрома Cr всего лишь 0,3%; Ni – 0,2%, Cu – 0,01%. Металлы встречаются как в свободном виде, как и в виде соединений. В свободном виде существуют химически малоактивные металлы (Cu, Ag, Au, Pt). Это так называемые самородные металлы, которые встречаются в виде отдельных кусков, зерен, вкраплений в горные породы. Но в основном металлы встречаются в виде солей (NaCI, Na NO3, CaCO3), а металлы средней активности в виде оксидов и сульфидов <рисунок 3>.

ІІІ. Металлы – простые вещества. Металлическая связь. Кристаллическое строение атомов.

Металлов в природе больше оттого, что у них у всех одинаковое строение кристаллической решетки и один тип химической связи. Это и придает им ряд общих свойств. Это отличает металлы от неметаллов, которым присуще больше различие свойств, чем их общность. В виде простого вещества атомы металлов связаны между собой, так называемой металлической связью. У металлов, особенно щелочных, валентные электроны связаны с атомами слабо и при отрыве затрачивается сравнительно немного энергии. При этом возникают ионы, имеющие устойчивый электронный слой из 8 электронов. Поэтому металлы как в твердом, таки в жидком состоянии существуют в виде ионов, между которыми в хаотичном движении находятся электроны, получившие условное название электронного газа. Ионы при столкновении с электронами на некоторое время превращаются в атомы. Таким образом, твердый металл представляет собой каркас из положительных ионов, атомов, погруженных в море подвижных электронов <рисунок 4>.

Металлическая связь – это химическая связь, образующаяся в результате электростатического притяжения между ионами и обобществленными электронами, принадлежащим не отдельным атомам, а всему кристаллу в целом.

А теперь давайте вспомним, какие виды химической связи вам уже известны. В чем суть ковалентной и ионной связи, рисуем электронные формулы молекул хлора и хлороводорода. Подведем итоги: что общего и в чем отличие металлической связи от ковалентной?

Сходство: валентные электроны находятся во взаимном пользовании атомов.

Различие: металлическая связь не является локализованной, электроны связывают не пару атомов, а принадлежат одновременно всем атомам данного металлического тела. На экране схема по различным типам связи (на дискете).

Все металлы, кроме Hg, франция, в обычных условиях являются твердыми веществами, имеют кристаллическое строение. Различное расположение ион-атомов обуславливает различие видов металлических кристаллических решеток. Чаще всего образуются три вида кристаллических решеток, давайте посмотрим на экран:

  1. Кубическая объемно-центрированная решетка. Атомы металла находятся в вершинах и центре куба. Каждый атом окружен восьмью атомами. Такую решетку имеют: Na, K, Li, Ba, Cr, Mo, W, V <рисунок 5>.
  2. Кубическая гранецентрированная. Атомы металла расположены по вершинам и граням куба: Ca, Cu, Sr, Ag, Fe, Co, Al, Au, Pt, Sb, Ni, Pb <рисунок 6>.
  3. Гексагональная (шестиугольная) плотно упакованная решетка. Она встречается у Zn, Mg, Be, Ti, Cd <рисунок 7>.

В зависимости от типа решетки атомы занимают в ней больше или меньше места. Например, в кубической объемно-центрированной решетки атомы занимают 68% пространства, а в кубической гранецентрированной 74 %. На экране схемы кристаллических решеток. Некоторые металлы Fe, Sn могут существовать в разных кристаллических решетках в зависимости от условий (явлений полиморфизма).

ІV. Физические свойства металлов.

Металлическая связь и особенности кристаллического строения обуславливают особые физические свойства металлов.

1. Агрегатное состояние. Все металлы твердые вещества, за исключением ртути и франция. А как вы думаете, почему так? Если не могут ответить сразу, на вопрос можно предложить ответить дома, используя дополнительную литературу.

В ртути присутствует некоторое количество молекул Hg с ковалентными связями, между собой они связаны слабыми вандерваальсовыми силами.

2. Металлический блеск. Электроны, заполняющие межатомное пространство, отражают лучи видимого спектра. Это вызывает непрозрачность и блеск металла. Как вы думаете, у какого элемента эта способность наибольшая и где она применяется?

В наибольшей степени эта способность проявляется у серебра и индия, поэтому эти металлы нашли применение при изготовлении зеркал. Металлы имеют блеск только в компактной форме, а в мелкораздробленном виде все металлы, кроме Mg u Al, черного или серого цвета. У немногих неметаллов (Si, I, Se, Te) также имеется некоторый блеск, напоминающий металлический, что связано с наличием некоторого количества электронов.

3. Цвет. Большинство металлов, почти полностью отражая лучи видимого спектра, приобретают серебристо – белый (Ni, Al) или серебристо – серый оттенки (Fe, Pb). Как вы думаете, почему золото желтое, а медь красная? Медь, золото, висмут, поглощают больше зеленые и голубые лучи светового спектра, а потому приобретают соответственно розово – красный, желтый и розовый цвет.

4. Тепло и электропроводность. Случай: пошли всем классом в поход и взяли с собой алюминиевую посуду, чтоб не разбилась, налили в нее чай и решили посидеть у костра, а удержать ее голыми руками не удается. Почему? Быстро нагрелась, как объяснить? Для металлов характерна большая теплопроводность. Свободные электроны, находящиеся в постоянном движении, все время сталкиваются с колеблющимися ионами, обмениваются с ними энергией. Следствием чего является быстрое выравнивание температуры по всей массе тела.

Электропроводность объясняется присутствием в металлах свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов приобретают направленное движение от отрицательного к положительному полюсу. Электрическая проводимость и теплопроводность неодинакова: Как вы думаете, у какого из известных вам металлов электропроводность самая высокая? В ряду Hg, Pb, Fe, Zn, Mg, Al, Au, Cu, Ag она увеличивается.

Электропроводность зависит от температуры: с повышением температуры она понижается. Это объясняется тем, что при повышении температуры колебательное движение ионов, атомов усиливается, и это мешает направленному движению электронов. При температуре абсолютного нуля сопротивление металлов исчезает. Это явление называется сверхпроводимостью. У некоторых неметаллов, относящихся к полупроводникам, электропроводимость с повышением температуры увеличивается, т.к. увеличивается количество свободных электронов вследствие разрыва ковалентных связей. Например, при нагревании бора от комнатной температуры до 800° С его эл. проводимость увеличивается в 2 млн. раз. При снижении температуры, нарушенные ковалентные связи восстанавливаются и, следовательно, количество свободных электронов уменьшается. При низких температурах неметаллы не проводят электрического тока, т.к. у них отсутствуют свободные электроны. В этом коренное отличие между физическими свойствами металлов и неметаллов.

5. Пластичность и ковкость.

Пластичность – это способность тела легко изменять форму под действием внешних сил и сохранять полученную форму, кода эти силы перестают действовать. Пластичность сводится к сдвигу атомно-ионных слоев в решетке металлов относительно друг друга. Поскольку слои связаны между собой электронным газом, то при сдвиге связь не рвется и кристалл не разрушается. Ребята, как вы думаете, какой наиболее пластичный металл?

Наибольшей пластичностью обладает золото. Из него можно раскатать фольгу толщиной 0,001 мм, что в 500 раз тоньше человеческого волоса.

Ковкость – это способность не рассыпаться при ударе. Чем же объясняется ковкость многих металлов (щелочные, золото, медь). И почему некоторые металлы (сурьма, висмут) очень хрупкие? Самые хрупкие металлы находятся в V, VІ, VІІ гр. периодической системы. У атомов этих элементов от 5 до 7 свободных электронов (кроме наружных валентных электронов в электронный газ поступают электроны предвнешнего слоя). Такое большое число электронов сильнее связывает отдельные слои ионов и препятствует их свободному скольжению, пластичность металлов уменьшается.

6. Несмотря на одинаковый вид связи, различные металлы обладают характерными для каждого из них свойствами: температурой плавления, плотностью, твердостью. Эти свойства обусловлены строением атомов, зарядностью, размерами ион-атомов в кристаллической решетке, а также плотностью их упаковки. Давайте вспомним, как изменяется атомная масса и радиус в таблице?

Плотность металлов определяется атомной массой и размерами атома (радиус). Чем больше атомная масса и меньше радиус, тем плотнее металл. Поскольку атомная масса возрастает в периодической системе сверху вниз, а радиусы атомов уменьшаются при движении по ряду в больших периодах, наиболее плотными должны быть металлы побочных подгрупп І и VІІ гр. Действительно к наиболее тяжелым относятся золото, платина, осмий, а к наиболее легким – литий, калий, натрий. Можно сравнить щелочной металл Na и металл побочной группы хром. Металлы имеют один и тот же тип кристаллической решетки (кубическая объемно-центрированная), в наружном слое находится по 1 электрону, но натрий и хром имеют различные атомные массы, радиус, и заряды ионов. В отличие от натрия у хрома в образовании металлической связи, принимают участие еще 5 d - электронов предвнешнего уровня. В связи с этим свойства, указанных металлов резко различны. Na – мягок, легкоплавок, плотность его невелика, Cr – тверд, плотен, имеет высокую температуру плавления. Наименьшую плотность имеют щелочные металлы, например, р лития 0,53 г/см3, а наиболее плотными являются металлы VІІІ гр. Плотность осмия 22,6 г/см3. Металлы, плотность которых меньше пяти, называются легкими, а больше пяти – тяжелыми <рисунок 8>.

Металлы обладают различной твердостью. По степени твердости металлы сравнивают с алмазом, твердость которого принята за 10. Наиболее твердым является хром, а наиболее мягкими – щелочные металлы (легко режутся ножом) <рисунок 9>.

Сильно отличаются металлы и по температуре плавления. Самый легкоплавкий металл – ртуть (температура плавления – 38,8°С, самый тугоплавкий – вольфрам (3380°С). Металлы, плавящиеся при температуре выше 1000°С, называются тугоплавкими, ниже – легкоплавкими <рисунок 10>.

Чем же объясняется большое различие в плотности, твердости и температуре плавления? Установлено, что чем выше концентрация свободных электронов, тем ярче выражены перечисленные свойства.

В промышленности сложилось разделение металлов на черные и цветные. К черным относятся железо и его сплавы. К цветным: Cu, Zn, Pb, Sn. Особую группу цветных металлов составляют благородные металлы: серебро, золото, рутений, платина, палладий. Эти металлы не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии многих химических веществ. Таким образом, мы рассмотрели основные физические свойства металлов.

V. Сплавы.

С самых древних времен человечество имеет дело не с чистыми металлами, а с их сплавами, обладающими часто такими свойствами, которые не имеют образующие их металлы. Как вы думаете почему? Например, Fe, Al, сравнительно мягкие, а их сплавы с металлами обладают достаточной твердостью. Получение сплавов основано на способности расплавленных металлов растворяться друг в друге, при этом почти всегда они свободно перемешиваются и образуют жидкие системы. При охлаждении расплавленные смеси затвердевают, образуются металлические сплавы с нужными свойствами: легкоплавкие, жаростойкие, кислотостойкие. Сплавы различают по составу и строению. Характер взаимодействия в сплаве зависит от их положения в периодической системе. Составные части могут образовывать либо твердый раствор, либо механическую смесь, либо химическое соединение. Твердые растворы: образуются между металлами одной группы или металлами, радиусы атомов которых мало различаются по размерам (Au-Ag, Ag-Cu, Cu-Ni, Fe-Mn). Чем дальше отстоят элементы друг от друга в таблице, тем меньше их взаимная растворимость, в этом случае образуется механические смеси. Такие смеси неоднородны. Расплавленные металлы при смешивании взаимодействуют друг с другом, образуя химические соединения, называемые интерметаллическими. Эти соединения не прочны, и в них не соблюдается стехиометрическое соотношение компонентов (CaAl5, AlCu3).

Таким образом, способность металлов в расплавленном состоянии не только механически смешиваться, но и образовывать между собой различные соединения – одна из причин, объясняющая, почему сплавы по физическим свойствам так резко отличаются от свойств, составляющих их металлов. Так, например, сплав, состоящий из одной части свинца и двух частей олова, плавится при температуре 180°С, тогда как свинец плавится при 328°С, а олово при 231°С. У бронзы прочность выше, чем у составляющих ее меди и олова. Сталь и чугун прочнее чистого железа. Помимо большой прочности многие сплавы обладают большой коррозийной стойкостью и твердостью. Также компонентами сплавов могут быть и неметаллы. Например, в состав чугуна входят C, Si, P, S. Помимо понятия сплав вы должны отличать понятие сталь. Различают два вида стали: углеродистая (Fe+ C, S, P, Si) и легированная (Fe, C+ Cr, Ni, W, Mo). Минус углеродистой в том, что она подвергается коррозии, поэтому стали получать легированную, нержавеющую и устойчивую к действию кислот.

Латунь – сплав меди и цинка. Мельхиор – сплав, содержащий около 80% меди и 20% никеля. Дюралюминий – сплав на основе алюминия, содержащей медь, магний, марганец и никель.

Заключение:

  1. Металлы располагаются в левой и нижней части периодической системы.
  2. У атомов металлов на внешнем энергетическом уровне обычно находится от 1 до 3-4 электронов.
  3. Атомы металлов – типичные восстановители.
  4. В природе металлы встречаются как в свободном виде, так и виде соединений.
  5. Для металлов характерна металлическая связь.
  6. Различное расположение ион-атомов обуславливает различие видов металлических кристаллических решеток.
  7. Металлическая связь и особенности кристаллического строения обуславливают особые физические свойства металлов.
  8. Получение сплавов основано на способности расплавленных металлов растворяться друг в друге, при этом почти всегда они свободно перемешиваются и образуют жидкие системы.

Урок химии :Особенности строения атомов металлов.Физические свойства металлов.

Урок химии :Особенности строения атомов металлов. Физические свойства металлов.

Цели урока:

Образовательная – рассмотреть положение металлов в системе элементов Д.И. Менделеева, познакомить обучающихся с основными физическими свойствами металлов, выяснить, чем они обусловлены; выявить закономерности проявления металлами физических свойств; ввести понятие о сплавах и их свойствах.

Развивающая – развивать теоретическое мышление обучающихся и их умение прогнозировать физические свойства металлов на основе их строения атома.

Воспитательная – способствовать развитию познавательного интереса обучающихся к изучению химии

Задачи урока:

  • Обучающиеся должны изучить положение металлов в Периодической системе элементов,

  • Выяснить особенности строения их атомов и кристаллов; физические свойства металлов; отличие свойств металлов от свойств их сплавов.

  • Уметь применять полученные знания при выполнении заданий, упражнений по данной теме.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Оборудование:

  • коллекция металлов и сплавов; таблицы “Виды химической связи”, “Типы кристаллических решеток” и “Общие физические свойства металлов”,

  • две стеклянные пластинки и вода для проведения опыта.

Ход урока

I. Организационный момент

(преподаватель знакомит обучающихся с темой урока, записанной на доске, планом проведения урока).

II. Новый материал

Преподаватель задает вопросы обучающимся :

1. Как изменяются в периодах периодической системы свойства химических элементов?

2. Как изменяются свойства химических элементов в главных подгруппах?

3. Где располагаются металлы в периодической системе?

Обучающиеся делают выводы:

– Металлами называют химические элементы и простые вещества.

– Металлы занимают левую нижнюю часть периодической системы. А, следовательно, их атомы имеют большие радиусы и, как правило, небольшое количество валентных электронов. Для их ионизации требуется относительно небольшая энергия. Возникающие положительные ионы металла удерживаются все вместе за счет притяжения ко всем свободно движущимся в металле электронам.

Преподаватель демонстрирует таблицу “Виды химической связи”, задает вопрос : в чем сходство и различия между металлической связью и ковалентной? ?(сходство с ковалентной: валентные электроны находятся в общем пользовании, но в случае ковалентной в общем пользовании только двух атомов, а в случае металлической связи эти электроны связывают все атомы куска металла, создают “электронный газ”.)

В чем сходство и различия между металлической и ионной связью? ( с ионной связью металлическая сходна наличием ионов, но в металлической положительные ионы удерживаются “электронным газом”, а в ионной – положительными ионами)

Преподаватель демонстрирует таблицу “Типы кристаллических решеток”:

Благодаря притяжению всех свободных электронов всеми положительными ионами металлическая связь очень прочна, поэтому для металлов характерны кристаллические решетки с плотной упаковкой ионов: гексагональная (цинк, магний), кубическая гранецентрированная (медь, серебро, алюминий) и менее плотная – кубическая объемноцентрированная (железо, натрий, барий).

Преподаватель: И так, металл – это вид атомов, способных легко отдавать при химических реакциях электроны, входить в состав химических соединений в виде положительно заряженных ионов, а также образовывать простые вещества с характерными для металлов физическими свойствами.

Рассмотрите образцы металлов и назовите, какими общими физическими свойствами они обладают?

Обучающиеся называют: электропроводность, теплопроводность, металлический блеск, твердость, пластичность.

Преподаватель: Как можно объяснить наличие общих физических свойств у такого большого числа разнообразных простых веществ?

Обучающиеся делают вывод: причина в особенностях металлической связи, структуре кристаллов металлического типа.

Преподаватель: демонстрирует таблицу “Общие физические свойства металлов”

Преподаватель: Действительно, электрическая проводимость металлов объясняется движением свободных электронов. Почему при нагревании электрическая проводимость металлов уменьшается? Чем обусловлена теплопроводность, и как она изменяется при нагревании? (отвечать на вопросы помогает таблица).

Пластичность – способность изменять свою форму при ударе, прокатываться в тонкие листы, вытягиваться в проволоку.

В чем причина пластичности металлов?

В этом нам поможет разобраться следующий опыт: две стеклянные пластинки смачиваем водой и прижимаем друг к другу. Они легко скользят друг по другу, но их трудно разъединить. Прослойка воды имитирует свободные электроны, а значит причина пластичности – также особое строение кристаллической решетки.

Металлический блеск также обусловлен особым строением металлов (благодаря свободным электронам металлы хорошо отражают световые лучи).

Преподаватель: Да, металлы обладают общими физическими свойствами, которые обусловлены их особым строением, но у разных металлов степень проявления каждого свойства различна. Так, лучшей электропроводностью обладает серебро, на втором месте – медь, а на третьем – золото.

Такие различия в проявлении физических свойств связаны с тем, как плотно упакованы ионы в кристаллической решетке металла, каковы их размеры и сколько валентных электронов у каждого атома обобществляется. Например, чем большее число атомов металла находиться в единице объема металла, тем большей плотностью он будет обладать. Наиболее плотная упаковка ионов в кристаллах гексагонального вида. Однако плотность вещества зависит не только от вида кристаллической решетки, но и от массы составляющих его ионов и от их радиусов. Поэтому наименьшей плотностью обладают щелочные металлы. Самый тяжелый из всех металлов – осмий.

Если металлы образуют кристаллы одного вида (например, щелочные металлы), то возрастание плотности по ряду от лития до цезия объясняется увеличением их атомных масс и масс образуемых ионов, т.к. массы возрастают в большей степени, чем атомные радиусы. Если металлы образуют кристаллы разного вида, то закономерность более сложная, и ее описанием занимается больше физика, чем химия.

В зависимости от плотности металлы принято делить на легкие (их плотность менее 5 г/см3) и тяжелые (их плотность более 5 г/см3). Так у алюминия плотность – 2, 7 г/см3– металл легкий.

Пластичность металлов также зависит от вида кристалла и от количества связывающих электронов, от размеров ионов.

Самый пластичный – золото. Кусочек золота величиной со спичечную головку можно расплющить в просвечивающий голубовато-зеленым светом лист площадью 50 квадратных метров. Образец золота весом 1г можно протянуть в проволоку длиной 2 км. Исстари на Руси выделывали “сусальное золото”: сначала его прокатывали в вальцах до толщины листа писчей бумаги, затем укладывали между тонкими пленками, снятыми со слепой кишки коровы и прокатывали на наковальне деревянными молоточками. Повторяя эту операцию неоднократно, получали листочки золота толщиной всего в десятую долю микрона, т.е. 500 атомов. “Сусальное золото” шло на покрытие деревянных предметов, кожи и т.п.

Самые хрупкие металлы V, VI, VII групп. У них от 5 до 7 валентных электронов, следовательно, очень крепкая связь ионов между собой, что препятствует их скольжению друг относительно друга, снижает пластичность. Этим же объясняется их тугоплавкость и твердость.

Чем меньше количество свободных электронов, чем больше размеры ионов, чем слабее связи ионов, тем мягче металлы. Самые мягкие – щелочные металлы, самый твердый – хром.

Температуры плавления металлов изменяются в очень широких пределах: от минус 39°С до 3410 у вольфрама. Ртуть единственный жидкий при обычных условиях металл.

Следует еще раз обратить внимание , что степень проявления физических свойств у разных металлов зависит не только от количества валентных электронов, но и от вида кристаллической решетки, размеров атомов и ионов, т.е. причины проявления металлами физических свойств многообразны.

Самостоятельная работа обучающихся:

1.Заполните таблицу: «Физические свойства металлов»

используя таблицу приложения: «Справочные данные о физических свойствах металлов»

Свойство металла

Примеры металлов, у которых свойство наиболее выражено

Область применения

Пластичность

 

 

Электропроводность

 

 

Теплопроводность

 

 

Металлический блеск

 

 

Твёрдость

 

 

Ковкость

 

 

2. Запишите признаки, по которым можно различить пластины, изготовленные:

а) из алюминия и меди
б) из свинца и алюминия
в) из серебра и графита

III. Закрепление нового материла

1. Где в Периодической системе Д.И. Менделеева располагаются металлы?

2. В чем существенное отличие в строении атомов металлов от неметаллов?

3. Перечислите общие физические свойства металлов.

4. Почему металлы обладают сходными физическими свойствами?

5. Назовите самый пластичный металл, самый электропроводный, самый твердый.

6. От чего зависит степень проявления каждого из физических свойств у разных металлов?

7. Почему возможно образование сплавов?

8. Почему сплавы отличаются по свойствам от исходных металлов? Приведите примеры.

IV. Домашнее задание п 7.1 стр113 №1,2.4 учебник О.С.Габриелян, И.Г.Остроумов

Ответить на вопросы:

Почему соединения с ковалентной связью не проводят электрического тока, а соединения с металлической связью ток проводят?

Приложение

«Справочные данные о физических свойствах металлов»

Название

металла

Удельный

вес, г 1см3

Температура плавления, °С

Коэффициент линейного расширения, α 10-6

Удельная теплоемкость С, кал/г-град

Теплопроводность λ,

Кал/см сек-град

Удельное электросопротивление при 20°,Ом мм/м

Алюминий

2,7

660

23,9

0,21

0,48

0,029

Ванадий

6,0

1720

12,3

0,11

Вольфрам

19,3

3377

45,0

0,34

0,38

0,053

Железо

7,86

1539

11,9

0,11

0,14

0,10

Кобальт

8,9

1480

12,7

0,10

0,16

0,097

Магний

1,74

651

26,0

0,25

0,37

0,044

Марганец

7,2

1260

23,0

0,12

 

0,05

Медь

8,92

1083

26,7

0,09

0,92

0,044

Молибден

10,2

2622

5,2

0,065

0,35

0,054

Никель

8,9

1455

13,7

0,11

0,14

0,070

Олово

7,31

232

22,4

0,055

0,16

0,113

Свинец

11,3

327

29,3

0,031

0,084

0,208

Титан

4,5

1660

7,14

0,11

 

0,048

Хром

7,1

1800

8,4

0,111

 

0,131

Цинк

7,14

420

32,6

0,91

0,27

0,061

Используемая литература

  1. Габриелян О. С., Остроумов И. Г. Химия для профессий и специальностей технического профиля: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования. М., 2014.

  2. Габриелян О. С., Остроумов И. Г., Сладков С. А., Дорофеева Н. М. Практикум: учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования. М., 2014.

  3. Габриелян О. С., Остроумов И. Г., Сладков С. А. Химия: пособие для подготовки к ЕГЭ:учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования. М., 2014.

  4. Габриелян О. С., Лысова Г. Г. Химия. Тесты, задачи и упражнения: учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования. М., 2014.

  5. Ерохин Ю. М. Химия: Задачи и упражнения: учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования. М., 2014.

Кристаллическое строение металлов и дефекты атомно-кристаллической решетки


Основные группы металлов в промышленности

Индустрия делит металлы на большие группы:

  • Черные.
  • Цветные легкие.
  • Цветные тяжелые.
  • Благородные.
  • Редкоземельные и щелочные.

Черные металлы

В эту группу входят железо, марганец, хром и их сплавы. Группа также включает в себя стали, чугуны и ферросплавы. Эти вещества обладают хорошей электропроводностью и уникальными магнитными характеристиками.

Черные металлы

Черные металлы покрывают до 90% мировой потребности в металлоизделиях.

Легкие цветные металлы

Отличаются низкой плотностью. Группа включает в себя алюминий, титан, магний. Эти реже встречаются, чем железо, и обходятся дороже в добыче руды и в производстве. Они используются там, где малый вес изделия или детали окупает ее большую стоимость – в самолетостроении, производстве электроники, в коммуникационной индустрии.

Легкие цветные металлы

Титан не вызывает отторжения со стороны иммунной системы и применяется в протезировании костной ткани.

Тяжелые цветные металлы

Это элементы с большим удельным весом, такие, как медь, олово, свинец, цинк и никель. Обладают хорошей электропроводностью.

Медь Олово Цинк Свинец Чистый никель

Они широко используются как катализаторы реакций, в изготовлении электроматериалов, в электронике, на транспорте – везде, где требуются достаточно прочные, упругие и коррозионностойкие материалы.

Благородные металлы

В эту группу входят золото, серебро, платина, а также редко встречающееся рутений, родий, палладий, осмий, иридий. Они обладают наибольшим удельным весом, высокой коррозионной устойчивостью и высокой электрической и тепловой проводимостью.


Золото и платина


Серебро

На заре человечества золото, серебро и платина применялись как универсальный платежный инструмент и как средство накопления богатств. С развитием цифровой экономики и переходом платежей в виртуальность важнее стаи их уникальные физические свойства

Редкоземельные и щелочные

К редкоземельным относятся скандий, иттрий, лантан и еще 15 редких элементов. Эти элементы отличаются значительным удельным весом, высокой химической активностью и применяются в высокотехнологичных отраслях.


Иттрий


Сканидий


Лантан

К щелочным относятся литий, калий, натрий и другие. Все они отличаются малым удельным весом и исключительной химической активностью и при реакции с водой образуют щелочи, широко применяемы в быту и промышленности в составе мыла и других моющих средств.

Щелочные металлы

Черные и цветные металлы

Выше была приведена классификация рассматриваемых элементов в соответствии с их электронным строением и положением в периодической системе. Помимо нее, существует еще одно разделение, которое не связано с атомным строением — это понятие о черных и цветных металлах.

Черным является железо и все сплавы с его участием. Примеры цветных металлов — это алюминий, золото, серебро, медь и другие, а также сплавы, которые не содержат железа. Причина такого разделения проста, черные металлы являются дешевыми и недолговечными (разрушаются в результате коррозии, ржавеют). Наоборот, цветные металлы характеризуются способностью образовывать пленки оксидные, которые предотвращают основную массу материала от дальнейшего химического разрушения.

Классификация металлов по химическому составу

Химические свойства чистых элементов определяются строением атомов реальных металлов и прежде всего их атомным числом, характеризующим их способность реагировать с водородом, кислородом и другими элементами. Химические характеристики реально применяемых металлов могут сильно отличаться от параметров чистого вещества как в лучшую, так и в худшую сторону.

Нежелательные добавки называют примесями, а те, что вносятся преднамеренно для изменения параметров в нужную сторону — легирующими присадками.

Общепризнанной является классификация, основанная на указании главного компонента сплава.

Атомно — кристаллическое строение металлов

Внутреннее строение металлов и их характеристики определяют их физико-химические свойства. Электроны на внешних орбитах атомов слабо связаны с ядром и имеют отрицательный заряд. При наличии разницы потенциалов электроны мигрируют к положительному полюсу, создавая электрический ток. Это физическое явление обуславливает электропроводность.

Кристаллическое строение свойственно металлам и их сплавам в твердом фазовом состоянии. Атомы выстраиваются в определенную объемную структуру, называемую кристаллической решеткой. Число атомов в вершинах и на гранях этой структуры, а также дистанция между ними определяют такие физические свойства металла, как электро- и теплопроводность, вязкость, текучесть и т.д. Кристаллическое строение металлов и сплавов может быть двух типов:

  • Межатомная дистанция одинакова по всем направлениям. Это так называемое изотропное строение. При этом физические свойства кристалла также одинаковы по всем направлениям.
  • Межатомное расстояние по горизонтали и по вертикали разное. Такой кристалл называют анизотропным, и его физические параметры меняются в зависимости от направления.

Атомно-кристаллическое строение металлов

В реальном куске металлов, составленному из множества изолированных кристаллических фрагментов, атомно кристаллическое строение принадлежит к третьему типу — квазиизотропному. В среднем свойства такого куска близки к изотропным. При выстраивании кристаллической решетки некоторые атомы не попадают на свое место, смещаются или теряются. В этом случае говорят о дефектах кристаллического строения металлов. Дефекты структуры отрицательно влияют на свойства изделия, особенно если оно должно быть монокристаллом, как, например, в электронике, лазерной технике и других отраслях высоких технологий.

Периодическая таблица и металлы

В XIX веке благодаря своему блестящему уму и многим годам труда Дмитрий Иванович Менделеев составил таблицу, собрав в нее все известные на то время химические элементы. Каждому из них в таблице отведено определенное положение в соответствии с числом протонов в атомном ядре. Вся таблица делится на 7 периодов (горизонтальные строки) и 8 групп (вертикальные строки). Чем больше период, тем больше радиус атома соответствующего элемента, и тем на более высоких орбиталях расположены его валентные электроны. Наоборот, чем старше группа (движение по таблице слева направо), тем больше валентных электронов находится на последней орбитали и тем меньше радиус атома.

Любой элемент таблицы можно условно отнести либо к металлам, либо к неметаллам. Металлы расположены по левую сторону от диагонали бор (B) — полоний (Po). Если взглянуть на таблицу, то можно сразу понять, что количество металлов в несколько раз превышает число неметаллов.

Физические свойства металлов

Физические свойства определяются внутренним строением металлов.

Главное отличие металлов от других элементов — это их электропроводность и магнитные свойства.

И хотя ученые создали неметаллические материалы, обладающие другим строением, но такими же свойствами, как у металлов и сплавов, они еще слишком дороги для массового применения. Многие химически чистые металлы обладают недостаточной прочностью для практических применений, чтобы исправить ситуацию, в технике и строительстве используют их сплавы.

Физические свойства металлов

Добавление тех или иных присадок приводит к росту прочность получаемого вещества в десятки раз по отношению к исходному элементу.

Электронное строение металлов и их особенности

Внутреннее строение реальных металлов определяет их физико-химические параметры.

Кристаллическая решетка металлов

Все металлы в твердом фазовом состоянии имеют кристаллическое строение. Это пространственное образование из многократно повторяющихся первичных структур называют кристаллической решеткой. схема кристаллической решетки.

Кристаллическое строение металлов

Кристаллическое строение металлов и сплавов может быть двух типов:

  • Межатомная дистанция равна по всем направлениям. Это так называемое изотропное строение. При этом физические свойства кристалла также одинаковы по всем направлениям.
  • Межатомное расстояние по горизонтали и по вертикали разное. Такой кристалл называют анизотропным, его параметры зависят от направления.

В реальном куске металлов, который состоит из множества кристаллических фрагментов, атомно кристаллическое строение принадлежит к третьему типу — квазиизотропному. Усредненные параметры такого куска близки к изотропным.

Что такое металл и чем он отличается от неметалла?

Иными словами, как можно понять, что перед нами находится металлический материал? Ответы на все эти вопросы можно получить, если рассмотреть уникальные свойства металлов. К ним относятся следующие основные:

  • Наличие металлического блеска при полировке поверхности. Все металлы блестят, в своем большинстве они имеют серый цвет, однако, некоторые металлы обладают специфической окраской, например, висмут розовый, медь красноватая, а золото желтое.
  • Высокая теплопроводность и электропроводность. При комнатной температуре наиболее высокие показатели для этих физических свойств характерны для меди и серебра.
  • При комнатной температуре практически все металлы находятся в твердом агрегатном состоянии материи. Исключение составляет ртуть, которая плавится уже при -39 oC.
  • Будучи в твердом состоянии, металлы кристаллическим строением характеризуются. Если расплав рассматриваемого материала слишком быстро охлаждать, то он приобретает аморфную структуру, в которой все же сохраняется ближний порядок.
  • Температуры плавления и плотности металлов варьируются в широких пределах. Так, элемент вольфрам является самым тугоплавким (3410 oC). Самым же тяжелым считается осмий (в 22,6 раза плотнее воды), а самым легким — литий (почти в 2 раза менее плотный, чем вода).
  • Все металлы химически активны. Поскольку они обладают низкой электроотрицательностью, то в химических реакциях их атомы отдают электроны и превращаются в положительно заряженные ионы (катионы).

Выше в списке были перечислены основные свойства металлов, которые их отличают от неметаллических материалов. Примерами последних являются кислород, азот, благородные газы, сера, кремний, углерод и некоторые другие. Заметим, что все живые организмы состоят в основном из неметаллов.

Типы кристаллических решеток

Дистанцию соседними атомами называют параметром решетки, у разных металлов он составляет 2 — 6 ангстрем. Существуют три основных типа кристаллических решеток:

  • Кубическая: объемно-центрированная — включает в себя девять атомов. Свойственна железу, хрому, молибдену, и ванадию.
  • Кубическая гранецентрированная: включает в себя уже 14 атомов. Присуща меди, золоту, свинцу, алюминию.
  • Гексагональная: атомов уже 17 и размещены они наиболее плотно. Так кристаллизуются магний, цинк кадмий и другие.

Уникальная возможность железа заключается в том, что до 910°С оно имеет кубическую объемно-центрированную структуру, а при нагреве свыше этой температуры переходит к гранецентрированной.

Кристаллическое строение сплавов

Сплав это материал, состоящий из двух и более химических элементов. В его состав могут входить как металлы, так и неметаллы. Например, бронза — это сплав меди и олова, а чугун — сплав железа и углерода. Кроме основных, в состав могут входить и другие вещества, содержащиеся в небольших количествах. Если их добавляют специально и улучшают свойства материала, их называют легирующими присадками, если ухудшают — вредными примесями. Кристаллическое строение сплавов сложнее, чем металлов.

Строение сплавов

Оно определяется взаимовлиянием компонентов при образовании кристалла, и принадлежит к трем подвидам:

  • Твердые растворы. Один элемент растворяется в другом. Ведущий элемент строит кристаллическую структуру, а атомы второстепенного элемента размещаются в объеме этой решетки.
  • Химическое соединение. Элементы химически реагируют друг с другом, образуя новое соединение. Из его молекул и составляется кристаллическая решетка.
  • Механическая смесь. Элементы сплава не реагируют друг с другом. Каждый строит свои кристаллические структуры, срастающиеся в независимые кристаллы. Сплав будет представлять собой затвердевшую смесь из множества кристалликов двух разных типов. Такое вещество будет иметь собственную температуру перехода в жидкую фазу.

Физические свойства сплавов могут заметно меняться при изменении процентного соотношения составляющих.

Реальный кристалл металла

Какой бы химический металлический элемент не рассматривался, в действительности он представляет собой твердое вещество, в котором маленькие монокристаллы (зерна) соединены друг с другом в различных ориентациях. Такая структура образует поликристалл. В нем, помимо границ зерен, присутствуют дефекты всех четырех типов, включая примеси таких неметаллов, как кислород, азот и водород. Последний из-за своих размеров легко проникает в любую кристаллическую решетку, образует с ее ионами твердые фазы, которые приводят к охрупчиванию металла, что является одной из актуальных проблем металловедения.

Теплопроводность кристаллической решетки – Энциклопедия по машиностроению XXL

Учебное пособие содержит те разделы физики твердого тела, знание которых необходимо для четкого представления об энергетическом спектре электронов в твердом теле, для понимания классификации веществ на металлы, полупроводники и изоляторы. Подробно рассматриваются тепловые свойства твердых тел — гармонические колебания, теплоемкость и теплопроводность кристаллической решетки. Уделяется внимание вопросам химической связи в твердом теле и возможности интерпретации ее с помощью магнитных исследований.  [c.2]
Теплопроводность кристаллической решетки  [c.42]

Результаты измерений показывают, что теплопроводность кристаллической решетки Яр по составу уменьшается, что связано с рассеянием фононов на дефектах деформированной решетки.  [c.33]

Проведено измерение общей теплопроводности при комнатной температуре, вычислена теплопроводность кристаллической решетки, проведены рентгеноструктурные и микрострук-турные исследования изучаемой тройной системы и показана возможность корреляции тепловых и структурных свойств.  [c.178]

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ И ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ  [c.343]

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ (ГЛ- XI  [c.344]

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ 1ГЛ. XI  [c.350]

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ кристаллической решетки (гл. XI  [c.354]

Магний — щелочноземельный металл, II группы Периодической системы элементов, порядковый номер 12 (см. табл. 1), атомная масса 24,312. Цвет светло-серый. Характерным свойством магния является малая плотность 1,74 г/см , температура плавления магния 650 °С. Кристаллическая решетка гексагональная (с/а = 1,62354). Теплопроводность магния значительно меньше, чем у алюминия 125 Вт/(м-К), а коэффициенты линейного расширения примерно одинаковы (26,1 10 при (20—100 С) I. Технический магний Мг1 содержит 99,92 % Mg. В качестве примесей присутствуют Ре, Si, Ni, Na, Al, Мп. Вредными примесями являются Ре, Ni, Си и S1, снижающие коррозионную стойкость магния. Механические свойства литого магния сГв = 115 МПа, о ,., = 25 МПа, б 8 %, Е = = 45 ГПа, НВ 300 МПа, а деформированного (прессованные прутки) Оц 200 МПа, ст ,., = 9 МПа, б =– 11,5 %, НВ 400 Л Па. На воздухе м, 11 ит легко воспламеняется. Используется в пиротехнике и химической промышленности.  [c.337]

Эти колебания в реальных веществах имеют затухающий характер, в связи с чем наблюдаются затухание тепловых упругих волн и невысокое значение коэффициента теплопроводности. В теории теплопроводности предполагается, что колебания нормального вида квантуются. В дискретной кристаллической решетке связь между ангармоническими колебаниями приводит к взаимодействию фононов между собой. Для описания этого процесса можно воспользоваться понятием длины свободного пробега. По аналогии с кинетической теорией газов теплопроводность твердого тела можно предста-  [c.157]

Теплопроводность представляет собой процесс распространения теплоты при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела, имеющих различные температуры. Этот вид переноса теплоты может происходить в любых телах, но механизм переноса теплоты зависит от агрегатного состояния тела. В жидкостях и твердых телах — диэлектриках — перенос теплоты осуществляется путем непосредственной передачи теплового движения молекул и атомов соседним частицам вещества. В газообразных телах распространение теплоты теплопроводностью происходит посредством диффузии молекул и атомов, а также за счет обмена энергией при соударении молекул. В металлах распространение теплоты происходит в основном в результате диффузии свободных электронов и упругих колебаний кристаллической решетки, причем последнее имеет второстепенное значение.  [c.89]


Механизм распространения теплоты теплопроводностью зависит от физических свойств тела в газообразных телах перенос теплоты теплопроводностью происходит в результате соударения молекул между собой в металлах — путем диффузии свободных электронов в капельных жидкостях и твердых телах-диэлектриках — путем упругих волн (упругие колебания кристаллической решетки).  [c.270]

В процессе работы реактора происходит передача энергии у-квантами и замедляющимися нейтронами атомам углерода, что вызывает разогрев графитовой кладки. При этом доля генерируемого в графите тепла составляет л 5% тепловой мощности реактора. Наряду с разогревом кладки вследствие смещения атомов углерода из узлов кристаллической решетки происходит значительное снижение теплопроводности графита, а также накопление запасенной энергии. Температура кладки непосредственно определяет величину и характер радиационной деформации ее элементов. Влияние этих радиационно-термических эффектов учитывается при конструировании кладок для обеспечения отвода тепла, генерируемого в графите.  [c.228]

Для условий работы электродов в ЭИ-устройствах S – 14-20 мкм, а глубина лунки при этом оценивается в 10-15 мкм. Результаты расчета и экспериментальные измерения говорят о том, что скорость съема металла с эрозионного следа под действием плазменной струи близка к скорости движения фронта нагрева до температуры фазового перехода за счет теплопроводности. Закаленный металл, застывший в виде кольцевых валиков или отдельных островков-наплывов на не подвергнутой электрической эрозии поверхности, имеет слабое сцепление с материалом электрода, в связи с чем при последующих импульсах он отслаивается. Причиной слабого сцепления может явиться недостаточное количество запасенной в расплавленном металле тепловой энергии для расплавления поверхности электрода и образования единой кристаллической решетки. Это подтверждается также формой зависимости эрозии электрода от количества подаваемых импульсов (рис.4.6). С увеличением количества импульсов эрозия возрастает не по прямой линии, а по ломаной с различными наклонами. Участки с наибольшей крутизной (большой эрозионный износ) соответствуют отслаиванию валиков или отдельных островков-наплывов металла от электрода.  [c.170]

Отдельные составляющие твердой фазы теплозащитного материала могут находиться в кристаллическом либо в аморфном состоянии. Механизм переноса тепла в этих состояниях резко отличен. В свою очередь кристаллы подразделяются на проводники и диэлектрики в зависимости от того, что является основным носителем тепловой энергии электроны или колебания кристаллической решетки — фононы. В последнем случае проводимость определяется длиной свободного пробега, т. е. расстоянием, на котором сохраняется правильная структура кристаллической решетки или так называемый дальний порядок. Аморфные диэлектрики, у которых зерна кристаллов расположены хаотично, имеют меньший коэффициент теплопроводности по сравнению с кристаллическими диэлектриками, у которых структура более упорядочена. При 50 К коэффициент теплопроводности кристаллического кварца в 150 раз выше, чем у аморфного кварцевого стекла.  [c.75]

Это соотношение отличается от закона Видемана — Франца, описывающего электронную проводимость в металлах. В графите перенос тепловой энергии примерно на 99% происходит за счет колебаний кристаллической решетки, а электронная проводимость мала. Это положение подтверждается также тем, что добавка в графит бора изменяет его электрические свойства в широких пределах без заметного воздействия на теплопроводность.  [c.169]

Чем больше внутренних электронов, тем сильнее рассеиваются кристаллической решеткой движущиеся электроны. Поэтому теплопроводность металлов, принадлежащих к одной к той же подгруппе периодической системы элементов, должна, как правило, уменьшаться с увеличением атомного номера, поскольку при этом число валентных электронов не меняется, а число внутренних возрастает.  [c.6]


Посторонние атомы или ионы, внедренные в кристаллическую решетку, искажают силовое поле решетки и вызывают дополнительное рассеяние электронов. Вследствие этого теплопроводность сплавов должна быть меньше, чем теплопроводность каждого из исходных компонентов.  [c.6]

Коэффициент теплопроводности изменяется в весьма широких пределах в зависимости от природы тела, что объясняется различным механизмом переноса тепла, который имеет место в этих телах. Теплопроводность любого твердого вещества состоит из электронной проводимости, обусловленной движением свободных электронов, и так называемой ионной проводимости, связанной с тепловыми колебаниями кристаллической решетки. Удельный вес указанных проводимостей в различных телах различен.  [c.7]

В настоящее время отсутствует не только точное решение, но даже точное написание уравнения процесса переноса электричества в металлах и сплавах вследствие сложной зависимости его от характеристических параметров металла. Еще худшее положение в теории теплопроводности, так как процесс переноса тепла является еще более сложным. Имеющиеся решения обычно сводятся к установлению взаимосвязи между электропроводностью и теплопроводностью. Несмотря на различие методов, эта зависимость имеет один и тот же вид отношение коэффициента теплопроводности Я к произведению коэффициента электропроводности а на абсолютную температуру Т есть величина постоянная L. Кроме того, известно, что теплопроводность в металле осуществляется двумя способами электронами (электронная теплопроводность Хе) и упругими колебаниями атомов в узлах кристаллической решетки (фо-нонная теплопроводность Лф).  [c.115]

К металлам относятся вещества, обладающие хорошей электрической проводимостью, теплопроводностью, ковкостью, необходимой вязкостью, металлическим блеском, прочностью на разрыв, упругостью при деформации и рядом других свойств. В твердом состоянии они имеют кристаллическое строение. Все перечисленные свойства отражают внутреннее строение металла, заключающееся в том, что в металле электроны принадлежат всей кристаллической решетке, а не отдельным атомам или ионам. Благодаря такому расположению электронов возникают особые силы, обеспечивающие так называемый металлический тип связи атомов в решетке.  [c.394]

Медь — металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления 1083 °С. Кристаллическая решетка ГЦК с периодом а = 0,31607 нм. Плотность меди 8,94 г/см . Медь обладает высокими электропроводимостью и теплопроводностью Удельное электрическое сопротивление меди 0,0175 мкОм.м. В зависимости от чистоты медь изготовляют следующих марок МОО (99,99 % Си), МО (99,97 % Си), М1 (99,9 % Си), М2 (99,7 % Си), М3 (99,50 % Си). Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойства.  [c.406]

Неметаллические бескислородные соединения. Карбид кремния Si (или карборунд) представляет собой соединения кремния с углеродом [21, 63, 67, J01 ]. Кроме модификации с гексагональной кристаллической решеткой ( – Si ) имеется модификация с кубической структурой типа алмаза (Р – Si ). Карбид кремния отличается высокой твердостью, теплопроводностью, огнеупорностью, специфическими электрическими и полупроводниковыми свойствами (табл. 9).  [c.142]

Радиационная устойчивость. Оксид бериллия в большей степени, чем какой-либо керамический материал, обладает способностью рассеивать нейтроны. Именно эта способность и определила применение оксида бериллия в атомных реакторах в качестве замедлителей нейтронов. Под воздействием радиоактивного излучения вследствие смещения ионов и возникновения дефектов в кристаллической решетке происходит изменение некоторых физических и теплофизических свойств ВеО. В результате облучения меняется гексагональная решетка, причем отношение осей с/а увеличивается с 1,622 до облучения до 1,627 после облучения, при этом наблюдается удлинение образца на 0,1—0,2%. Наиболее заметно снижаются у облученного ВеО теплопроводность (на 30—50%) и прочность (до 80% первоначальной). После термической обработки первоначальные свойства спеченного ВеО почти полностью восстанавливаются.  [c.136]

Всем кристаллам присуща анизотропия, т.е. неравномерность свойств по направлениям, определяемая различными расстояниями между атомами в кристаллической решетке. Наиболее сильно анизотропия выражена у металлов, имеющих асимметричное кристаллическое строение. В таких кристаллах в зависимости от направления существенно изменяются показатели физических свойств, прочностные характеристики, модуль упругости, термический коэффициент расширения, коэффициенты теплопроводности и электро-  [c.8]

Излучение лазера, сфокусированное специальными оптическими устройствами, может выделять на поверхности металла большое количество теплоты. Часть этой теплоты в виде квантов света поглощается электронами проводимости металла. Они передают свою энергию кристаллическим решеткам. Нагрев последующих слоев осуществляется вследствие теплопроводности. Особенностью светового нагрева является отражение части  [c.455]

Теплопроводность сплавов ухудшается при развитии внутренних напряжений третьего рода (в пределах кристаллической решетки), например в результате образования твердых растворов в сплавах с непрерывным рядом твердых растворов. При этом минимум теплопроводности имеет место примерно при равной концентрации компонентов. Теплопроводность металлов возрастает с увеличением их зерна [78]. Считают, что коэффициент теплопроводности аддитивен для многофазных сплавов.  [c.230]


В углеродисто и малолегированной стали аустенит устойчив только при температурах выше Ас1, немагнитеа вязок твердость НВ 180—220 обла дает пониженной теплопроводностью Кристаллическая решетка аналогична V—Ре.  [c.28]

Напряжения второго рода возникают вследствие неоднородности кристаллического строения и различия физико-механических свойств фаз и структур сплавов. Фазы, например в черных металлах, феррит, аустенит, цементит, графит обладают различной кристаллической решеткой их плотность, прочность и упругость, теплопроводность, теплоемкость, характеристики теплового расширения различные. Структуры, представляющие собой смесь фаз, например перлит в сталях, а также закалочные структуры, в свою очередь, обладают отличными от смежных структур свойствами. Различие кристаллической ориентации зерен металла обусловливает анизотропию физико-механических свойств микрообъемов металла. В результате совместного действия этих факторов возникают внутри-зеренные и межзеренные напряжения еще в нронессе первичной кристаллизации и при последующих прев эащениях во время охлаждения. При высоких температурах напряжения уравновешиваются благодаря пластичности материала. Однако они проявляются в низкотемпературной области, возникая при фазовой перекристаллизации и выпадении вторичных и третичных фаз (фазовый наклеп), при каждом общем или местном повышении температуры (из-за различия теплопроводности и коэффициентов линейного расширения структурных составляющих), приложении внешних нагрузок (из-за различия и анизотропии механических свойств), а также нрп наклепе, наступающем в результате общего или местного перехода напряжений за предел текучести материала.  [c.152]

С колебаниями атомов кристаллической решетки связаны многие физические явления в твердых телах — теплоемкость, теплопроводность, термическое расширение, электропроводность и др. Теория коле баннй атомов трехмерного кристалла крайне сложна. Поэтому мы сначала рассмотрим распространение упругих волн в однородной упругой струне и в кристаллах без учета их дискретной структуры. Затем рассмотрим колебание атомов в одно-ме13Ной решетке. После этого полученные результаты обобщим для случая трехмерной кристаллической решетки.  [c.141]

При рассмотрении колебаний атомов кристаллической решетки а также теплоемкости твердых тел, связанной с этими колебания ми, предполагалось, что силы, действующие между атомами, упру гие и атомы совершают гармонические колебания с малыми ам плитудами около их средних положений равновесия. Это позволи ло разделить весь спектр колебаний на независимые моды, рассчи тать в этом приближении тепловую энергию кристалла и получить формулу для теплоемкости, хорошо описывающую ее поведение при низких и высоких температурах. Однако для объяснения ряда явлений, таких, например, как тепловое расширение твердых тел и теплопроводность, сделанных предположений уже недостаточно и необходимо принимать во внимание тот факт, что силы взаимодействия между атомами в решетке не совсем упругие, т. е. они зависят от смещения атомов из положения равновесия не линейно, а содержат ангармонические члены второй и более высоких степеней, влияние которых возрастает с ростом температуры.  [c.183]

При объяснении явления теплопроводности мы уже не можем считать, что атомы совершают строго гармонические колебания, распространяющиеся в кристаллической решетке в виде системы не взаимодействуюш,их между собой упругих волн. Такие волны распространялись бы в кристалле свободно без затухания, следовательно, имели бы неограниченный свободный пробег тепловой поток, даже при малых градиентах температуры, мог бы существовать неопределенно долго, прежде чем установилось бы тепловое равновесие, а теплопроводность была бы бесконечна.  [c.188]

Рений (Re) имеет плотность 21,02 г/см , температуру плавления 3180°С, кипения 5627°С, теплопроводность при 20°С составляет 170 Вт/(м -К), модуль нормальной упругости 469 МПа, твердость 2.50 НВ. При 90°С рений переходит в сверхпроводящее состояние. Он расположен в V11A группе Периодической системы элементов Д. И. Менделеева под номером 75, имеет весьма тяжелую массу, равную 186,31, кристаллическая решетка гексагональная, плотноупакованная (ГП), атомный радиус л = 0,138 hmi. Параметры кристаллической решетки и = 0,2758 нм, с = 0,45 нм, с а = = 1,615  [c.96]

В металлах перенос теплоты осуществляется главным образом вследствие диффузии свободных электронов. Доля упругих колебании крпсталлнческо решетки в общем процессе переноса теплоты незначительна из-за огромной иодвижности электронов ( электронного газа ). По этой же причине теплопроводность металлов значительно выше диэлектриков и других веществ. При повышении температуры колебание кристаллической решетки не только способствует переносу энергии, но в то же время создает помехи движению электронного газа , что сказывается на электро-и теплопроводности металлов. Теплопроводность чистых металлов (кроме алюминия) с повышением температуры уменьшается, особенно резко теплопроводность снижается при наличии примесей, что объясняется увеличением структурных неоднородностей, которые препятствуют направленному движению электронов и приводят к их рассеиванию. В отличие от металлов теплопроводность сплавов с возрастанием температуры увеличивается.  [c.64]

Когда подобраны активный ион и матрица, следует рассмотреть диаграмму состояний, которая показывает, что получается в результате взаимодействия двух (и более) веществ. В твердотельной электронике в качестве активной среды применяют сложные оксиды (например, 5 А12О,, X 3 У,Оз — гранат), так как они обладают высокими прозрачностью в нужном диапазоне длин волн, теплопроводностью и температурой плавления, а также отсутствием взаимодействия с агрессивными средами. При выборе оптимального состава активной среды необходимо учитывать изоморфное замещение с минимальным искажением кристаллической решетки матрицы ее ионов ионами редкоземельного элемента и метод выращивания монокристаллов.  [c.58]

Параллельно под руководством И. В. Курчатова проводились исследования, в процессе которых открыты весьма интересные явления, имевшие важнейшее значение для работы реакторов и понимания действия излучения на вещество. При изучении физических свойств графита в условиях интенсивного нейтронного облучения были обнаружены значительные их изменения уменьшение теплопроводности и электропроводности,, изменение объема и механической прочности. Далее было установлено, что при отжиге облученного графита выделяется скрытая энергия, запасенная кристаллической решеткой. Эти исследования позволили выяснить природу радиационных нарушений в графите и решить ряд практических задач, возникших Т1ри проектировании и эксплуатации ядерных реакторов с графитовым замедлителем.  [c.5]

На горячих участках твердого и жидкого металлического тела электроны обладают большей средней энергией, чем на холодных. Легко переходя в области с низкой температурой, электроны вносят добавочную энергию и повышают температуру. Большой подвижностью общих электронов объясняют высокую электро- и теплопроводность металлов. Следовательно, с увеличением валентности теплопроводность металлов должна расти и для металлов с однотипной кристаллической решеткой должна быть периодической функцией порядкового номера со-01ветствующих химических элементов. На опыте это и наблюдается. Например, для натрия, магния и алюминия с числом валентных электронов 1, 2 и 3 коэффициент теплопроводности при 325″ К составляет соответственно 100,8 135,4 и 178 ккал м-ч-град). В отличие от металлов в телах с ионной к ковалентной связью главную роль играет теплопроводность основной решетки, вызванная колебаниями ее узлов. Такие тела относительно мало теплопроводны.  [c.6]


ТЕПЛОЕМКОСТЬ (решеточная — теплоемкость, связанная с поглощением теплоты кристаллической решеткой удельная— тепловая характеристика вещества, определяемая отношением теплоемкости тела к его массе электронная — теплоемкость металлов, связанная с поглощением теплоты электронным газом) ТЕПЛООБМЕН (излучением осущесгв-ляется телами вследствие испускания и поглощения ими электромагнитного излучения конвективный происходит в жидкостях, газах или сыпучих средах путем переноса теплоты потоками вещества и его теплопроводности теплопровод-ноетью проходит путем направленного переноса теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящего к выравниванию их температуры) ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ (решеточная осуществляется кристаллической решеткой стационарная характеризуется неизменностью температуры различных частей тела во времени электронная — теплопроводность металлов, осуществляемая электронами проводимости) ТЕПЛОТА (иенарения поглощается жидкостью в процессе ее испарения при данной температуре конденсации выделяется насыщенным паром при его конденсации образования — тепловой эффект химического соединения из простых веществ в их стандартных состояниях плавления поглощается твердым телом в процессе его плавления при данной температуре сгорания — отношение теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, к объему или массе сгоревшего топлива удельная — отношение теплоты фазового перехода к массе вещества фазового перехода — теплота, поглощаемая или выделяемая при фазовом переходе первого рода) ТЕРМОДЕСОРБЦИЯ — удаление путем нагревания тела атомов и молекул, адсорбированных поверхностью тела ТЕРМОДИНАМИКА — раздел физики, изучающий свойства макроскопических физических систем на основе анализа превращений без обращения к атомно-молекулярному строению вещества  [c.286]

Относительно этих фактов высказывалось предположение, что уменьшение теплопроводности углеродистых сталей после закалки вызывается увеличением содержания примесей в твердом растворе (в который они переходят при закалке), а теплопроводность аустенита низка потому, что “1–железо обладает большей способностью растворять примесные элементы, чем а-железо. Однако теплопроводность и чистого железа зависит от строения атомной решетки железа. Согласно ряду достоверных исследований, теплопроводность чистого железа имеет минимум в области превращения а- в у-железо (900°), т. е. для объемноцентрирован-ной решетки железа характерно уменьшение теплопроводности с температурой, а для плотной гранецентрированной упаковки атомов железа характерен положительный температурный коэффициент теплопроводности. Таким образом, для чистого железа, влияние на теплопроводность которого различной растворимости примесей в модификациях решетки вряд ли следует принимать во внимание, заметна связь между температурным коэффициентом теплопроводности и строением кристаллической решетки железа.  [c.122]

Отжиг и отпуск, снимая напряжения кристаллической решетки и способствуя выделению растворенных примесей, обычно вызывают увеличение теплопроводности и электропроводности. Закалка, фиксируя высокотемпературную структуру и состав твердого раствора при низких температурах, обычно способствует уменьшеникр проводимости тепла и электричества. Однако здесь имеются некоторые особенности, на которые следует обратить внимание.  [c.123]

Рассмотрим причины высокой теплопроводности металлов. Ионы в узлах кристаллической решетки совершают колебательные движения. Средняя амплитуда этих колебаний определяет TeMneipa-rypy металла. Чем выше температура, тем больше средняя амплитуда колебаний. В неметаллах в передаче тепловой энергии от одного объема к другому принимают участие только ионы. В металлах, кроме ионов, в процессе передачи тепла участвует также легкоподвижный электронный газ. Поэтому скорость передачи тепла в металлах значительно выше, чем в неме- таллах.  [c.12]


Пластичность кристаллов – обзор

11.1 Модели пластичности кристаллов первого порядка в спектральной структуре

Модели пластичности кристаллов широко используются для понимания и прогнозирования эволюции лежащей в основе эволюции микроструктуры и сопутствующей анизотропной реакции на напряжение-деформацию в поликристаллических металлах, подверженных к большим пластическим деформациям. В подходах первого порядка (например, модель Тейлора, модель Сакса) каждое отдельное зерно в репрезентативном элементе объема (RVE) поликристалла рассматривается совершенно независимо от всех других зерен в поликристалле.В литературе также было продемонстрировано, что предсказания этих теорий первого порядка соответствуют границам первого порядка для анизотропной реакции поликристаллов на напряжение-деформацию (см. также главу 8). Самое главное, эти теории первого порядка используют только одноточечную статистику микроструктуры (то есть ФРО). Было продемонстрировано, что из различных теорий пластичности кристаллов первого порядка модели типа Тейлора обеспечивают хорошие предсказания эволюции усредненной текстуры и общего анизотропного поведения напряжения-деформации для однофазных кубических металлов с энергией разломов от средней до высокой. .

Следует также отметить, что действительно существуют другие подходы, отличные от описанных здесь, для отражения основных особенностей моделей пластичности кристаллов в эффективной спектральной структуре. Например, концепция, первоначально предложенная Бунге и Эслингом (1984), была пересмотрена и подробно изложена в нескольких недавних работах. Хотя эта концепция подавала большие надежды, было установлено, что оценка членов более высокого порядка спектрального представления в этой конкретной методологии требует непомерно высоких вычислительных затрат.

В спектральных связях, описанных в этой главе, наша главная цель состоит в том, чтобы создать подходящие базы данных, которые эффективно фиксируют наиболее важные аспекты эволюции микроструктуры в выбранном классе операций обработки. Обзор теории пластичности кристаллов, представленный в главе 7, предполагает, что основное внимание должно быть сосредоточено на учете зависимости напряжений, спинов решетки и скоростей деформационного упрочнения в отдельных кристаллах в зависимости от их ориентации решетки для заданного монотонного пути деформации. .Расширение этого подхода для включения всех путей деформации будет обсуждаться позже. Мы будем стремиться развивать эти связи в той же спектральной структуре, которая была представлена ​​ранее для установления связей между микроструктурой и свойствами, поскольку это позволит нам беспрепятственно интегрировать решения по проектированию микроструктуры с решениями по проектированию процессов. В последующем обсуждении мы также будем использовать обобщенные сферические гармоники в качестве базисных функций, потому что они гораздо более экономичны в улавливании искомых связей по сравнению с индикаторными функциями.

В частности, мы стремимся установить следующие представления: 11.2)σij(g)=∑l=0∞∑µ=1M(l)∑ν=12l+1SlµνijT˙˙lµν(g)

(11.3)∑α|γ˙α|(g)=∑l= 0∞∑µ=1M(l)∑ν=12l+1GlµνT˙˙lµν(g)

Обратите внимание, что уравнения Из (11.1), (11.2) и (11.3) следует, что мы ищем представления Фурье для трех независимых компонент кососимметричного Wij∗(g), для пяти независимых компонент симметричной и девиаторной компонент σij(g) ( изохорные режимы деформации, связанные с пластичностью металла, создают девиаторные компоненты напряжения (при необходимости может накладываться гидростатическое напряжение для восстановления полного напряженного состояния), а также для суммы абсолютных значений скоростей скольжения по различным системам скольжения в кристалле.Эти переменные были выбраны потому, что они представляют собой важную информацию, необходимую для прогнозирования эволюции текстуры деформации и общего анизотропного поведения напряжения-деформации поликристаллов. В представленных здесь примерах предполагается, что все системы скольжения затвердевают одинаково, и в этой ситуации накопленное скольжение является единственной информацией, необходимой для описания упрочнения скольжением. Если будет введено скрытое упрочнение, то необходимо будет отслеживать скорости проскальзывания на разных системах проскальзывания по отдельности.

Коэффициенты Фурье в уравнениях. (11.1), (11.2) и (11.3) можно представить в виде 1∮σij(g)T˙˙lµν¯(g)dg

(11.6)Glµν=12l+1∮∑α|γ˙α|(g)T˙˙lµν¯(g)dg

где верхняя черта указывает на комплексное сопряжение. Коэффициенты в уравнениях (11.4)–(11.6) могут быть оценены численно с использованием соответствующей схемы численного интегрирования (например, метода Симпсона) после выбора подходящей модели для прогнозирования Wij∗(g), σij(g) и ∑α|γ˙ а|(г).

Как отмечалось ранее, наиболее успешным подходом первого порядка к получению отклика поликристалла по отклику отдельных зерен является использование расширенного предположения Тейлора о градиенте изодеформации во всех кристаллах, составляющих поликристалл. В этой модели напряжение Коши в поликристалле принимается как среднее по объему напряжение Коши в составляющих зернах. В следующих примерах модель типа Тейлора, описанная в главе 7, использовалась для получения значений Wij∗, σij и ∑α|γ˙α| для выбранных ориентаций зерен, которые были распределены в кубо-триклинной фундаментальной зоне, чтобы обеспечить численное интегрирование в уравнениях.(11.4) – (11.6). Чтобы вычислить эти значения, на выбранные кристаллы был наложен небольшой шаг деформации ( ε = 2%), а желаемые переменные были извлечены из вычислений типа Тейлора.

Мы представляем здесь некоторые примеры вычислений для сжатия плоской деформации, где коэффициенты Фурье в уравнениях. (11.4) — (11.6) были вычислены до l = 23. Позже было обнаружено, что вклады от слагаемых, соответствующих l > 10, пренебрежимо малы и ими можно пренебречь в показанных здесь примерах.Используя представление Фурье, полученное рекурсивно с небольшими шагами деформации, и непрерывное обновление ориентаций кристаллов и их сопротивления скольжению на каждом шаге, было смоделировано плоское деформационное сжатие до ε = -1,0 для двух различных исходных текстур: (1) случайная начальная текстура и (2) текстура волокна <110>. Деформированные текстуры и анизотропные кривые напряжение-деформация, предсказанные с использованием как модели Тейлора, так и спектральных представлений, показаны на рисунках 11.2–11.4.Видно, что спектральные методы точно воспроизводят все важные аспекты предсказаний модели типа Тейлора.

РИСУНОК 11.2. Сравнение предсказанных полюсных фигур (111), (100) и (110) при сжатии ГЦК-металлов плоской деформацией после истинной деформации сжатия -1,0. Исходной текстурой для этих симуляций является случайная текстура.

РИСУНОК 11.3. Сравнение предсказанных полюсных фигур (111), (100) и (110) при сжатии ГЦК-металлов плоской деформацией после истинной деформации сжатия -1.0. Исходной текстурой для этих симуляций является <110> текстура волокна, полученная путем имитации простого сжатия до деформации -1,0 на изначально случайной текстуре с использованием модели типа Тейлора.

РИСУНОК 11.4. Прогнозируемая реакция напряжение-деформация при сжатии плоской деформации: (а) случайная начальная текстура; (b) начальная текстура представляет собой <110> текстура волокна.

Самый общий путь изохорной деформации, который должен быть наложен на поликристаллический металл, может быть выражен в главной системе координат тензора растяжения как

(11.7)L=ε˙ε˙oDo+W,Do=[cosθ2+sin2θε˙o000sinθ2+sin2θε˙o000−(cosθ+sinθ)2+sin2θε˙o]

, где ε˙o – эталонное значение скорости деформации и θ∈[0,2π). Это означает, что для расширения ранее описанного спектрального метода на наиболее общий путь деформации необходимо создать базу данных коэффициентов Фурье в уравнениях. (11.4) — (11.6) для всех описаний Do. Это может быть достигнуто путем расширения представлений Фурье в уравнениях. (11.4)–(11.6), чтобы включить дополнительную скалярную переменную θ .

Обратите внимание, что представление пути деформации в уравнении. (11.7) находится в главном репере наложенного тензора растяжения. Следовательно, спины решетки и напряжения, вычисляемые по уравнениям (11.1)-(11.3) также будут в той же системе отсчета. При необходимости их можно преобразовать в систему координат образца. Введение эталонной скорости деформации и наложенного спина на траекторию деформации в уравнении. (11.7) требует от нас модификации уравнений. (11.1) – (11.3) как

(11.8)Wij∗(g,θ)=ε˙ε˙o∑l=0∞∑µ=1M(l)∑ν=12l+1Alµνij(θ)T˙˙lµν(g)+Wij

(11.9) σij(g,θ)=|ε˙ε˙o|msgn(ε˙ε˙o)∑l=0∞∑μ=1M(l)∑ν=12l+1Slμνij(θ)T˙˙lμν(g)

(11.10)∑α|γ˙α|(g,θ)=|ε˙ε˙o|∑l=0∞∑μ=1M(l)∑ν=12l+1Glμν(θ)T˙˙lμν (g)

, где подразумевается, что коэффициенты Фурье были получены при ε˙=ε˙o и W = 0.

В качестве альтернативы можно также использовать новый базис Фурье, определяемый как произведение пространства сферической гармоники функции для переменной ориентации g и классические гармонические функции для переменной θ .В таком базисе Фурье коэффициенты Фурье в описании Wij∗(g,θ), σij(g,θ) и ∑α|γ˙α|(g,θ) были бы просто константами.

Пластичность поликристаллов с диффузной границей раздела: выражение границ зерен в виде геометрически необходимых дислокаций | Теория материалов

В этом разделе мы обсуждаем трехмерную численную реализацию испытаний на растяжение поликристаллов различной текстуры с использованием модели диффузной поверхности раздела, представленной в разделе «Пластичность поликристаллов с диффузной границей раздела».{\alpha} = g_{0} + b\mu_{0}\sqrt{h_{n} \rho_{n}}, \end{массив} $$

(15)

где константа г 0 =90 МПа относится к сопротивлению скольжению в монокристалле, мк 0 =86 ГПа – модуль жесткости железа, а ч п = 0,125.{\mathrm{L}} $$

где \(\mathbb {C}\) – матрица упругости, которая для кубического материала полностью характеризуется три независимых упругих постоянных, значения которых для Fe равны: C 11 =228 МПа, С 12 =132 МПа и С 44 =116 МПа (Barton et al.2013).

Конечно-элементная реализация

Методом конечных элементов решается полученная система уравнений (4), (7) и (16), с полем перемещений u , пластической дисторсией F P , а объемная плотность сетевых дислокаций ρ п как неизвестные. В частности, три переменные смещения и 1 , и 2 и и 3 интерполируются с использованием квадратичных конечных элементов Лагранжа, а ρ п интерполируется с использованием линейных конечных элементов Лагранжа.Напомним, что при t =0, F P — это поле в SO (3). Отсюда следует, что он удовлетворяет условию ортогональности, т. е. ( F П ) Т Ф P ( X ,0)≡ I . С другой стороны, компоненты F P , интерполированный с использованием конечных элементов Лагранжа, не может удовлетворять ограничению ортогональности внутри конечных элементов.Поэтому компоненты F P нельзя интерполировать с использованием конечных элементов Лагранжа. Вместо этого, используя полярное разложение, F P выражается как R П У Р , где Р P ( X,t )∈ SO (3) и U P ( X,t ) — результирующий положительно определенный тензор пластического растяжения.{2}, \end{массив} $$

(18)

, где W — кососимметричная матрица, связанная с q , и | q | и q /| q | представляют собой угол и ось тензора вращения. Затем для переменных U выбирается линейная интерполяция конечных элементов Лагранжа. P и q , из которых F P вычисляется локально как F Р = Р П ( к ) У Р .Этот метод гарантирует, что F P ( X ,0) может описать точное пластическое поле вращения без численных артефактов из-за метода интерполяции.{0}) \ эквивалент 20 \rho_{0}, \end{массив} $$

(19)

Рис.{-1}\)

соответственно. Остальные начальные условия для q , определяющие текстуру поликристалла, обсуждаются в разделе «Построение поликристаллов с различной текстурой».

Система уравнений. Уравнения (4), (7) и (16) вычисляются раздельно с использованием прямого решателя MUMPS и алгоритма временного шага BDF (обратная дифференциальная формула), реализованного в COMSOL5.2. В частности, из-за сильно нелинейного характера (4), выраженного в q и U , мы включаем опцию «автоматический сильно нелинейный (Ньютон)» для получения правильных решений.С другой стороны, мы полагаемся на параметр по умолчанию «постоянная (Ньютон)» для решения (7) и (16). Все симуляции были выполнены на сетке конечных элементов с 99883 элементами и 595620 степенями свободы.

Создание поликристаллов с различными текстурами

В этом разделе мы описываем создание поликристаллов с диффузным интерфейсом различных текстур. Ориентации зерен выводятся в виде сглаженного векторного поля вращения q ( X ,0), которое служит начальным условием наряду с условиями, заданными в (19).{N}\) внутри домена и построение соответствующей диффузной мозаики Вороного. Ориентация зерен задается ассоциированием векторов случайного вращения q 1 ,…, q N на каждое зерно. Диффузная мозаика строится с использованием сетки размером 100×100×100 и присвоением каждой точки сетки зерну на основе конструкции Вороного, т.е.{\ бета} \). Наконец, вектор вращения q α связан с точкой сетки p я .{\beta}\right): \beta\in\{1,\dots,N\}, \beta\ne \alpha\right\} .\end{массив} $$

(21)

Зерна с логнормальным распределением размеров генерируются путем выборки исходных N точек из логарифмически нормального распределения на основе Алгоритма 1, описанного в Приложении A.

Мы используем стандартную евклидову метрику для dist в (20) при генерации текстуры с логарифмически нормальным распределением зерен по размерам. С другой стороны, удлиненные и плоские зерна с соотношением сторон, равным 4, генерируются путем выборки начальных N точек из вероятностной меры Дирака, поддерживаемой на 0.{2}, \end{массив} $$

(22)

со шкалами sx =1, sy =1, sz =4 для удлиненных зерен, sx =0,25, sy =0,25 и sz 1 . Поликристаллы с тремя текстурами, изученными в данной статье, показаны на рис. 3 с цветами, полученными путем построения графика q 3 компонент, указывающий на разную зернистость.Рис. 3 соотношение сторон 4

%PDF-1.4 % 1 0 объект >поток 2016-09-20T12:38:44-04:00Microsoft® Word 20102022-02-26T05:00:37-08:002022-02-26T05:00:37-08:00iText 4.2.0 от 1T3XTapplication/pdf

  • V.А. Романова Р. Р.
  • Balokhonov А.В. Панин
  • МС Казаченок
  • В.С. Shakhijanov
  • НЕТ Shakhijanova
  • ЕЕ Batukhtina UUID: 882a43ac-e0ad-4485-a51f-2d2c49242a3buuid: 5df2be4f-ba2f-485A-803B-6840fe7db5eauuid: 882a43ac-e0ad-4485-a51f-2d2c49242a3b
  • savexmp.iid:838ECADD6F9AE6118CA3F0A8F6E803232016-10-25T10:29:53+05:30Adobe Bridge CS6 (Windows)/метаданные
  • конечный поток эндообъект 2 0 объект > эндообъект 3 0 объект >поток xXɎ6WL$ s3|J_2&~*[email protected]#D_-ﱤY4)a Fz?i’^re۟r)[email protected]’-FthrjL/%*Ak}nyIRy

    sgnꕤ1esq3ztZ4′ DgM[ {$>G^m{CP`l ֔x”&Xo”/ \*Ef`KKaPq*

    Разработка и применение моделей пластичности кристаллов металлов: Ingenta Connect

    Материалы со структурой ГПУ не так широко используются, как другие металлы, отчасти из-за трудностей, возникающих при их успешной деформации.Эти металлы демонстрируют деформационное поведение, называемое «двойникованием» и «дислокациями скольжения». Говоря простым языком, твиннинг означает два кристалла с одинаковой структурой решетки в зеркальной конфигурации. Это вызывает сильное анизотропное и асимметричное поведение деформации. Модели пластичности кристаллов, разработанные группой Хамы, точно предсказывают развитие двойникования при воздействии деформационных напряжений, т.е. что моделирование может быть запущено для определения оптимальных процессов формования с учетом характерного поведения деформации этих металлов.
    В настоящее время модели также расширяются для охвата других типов металлов и учета зависимости формирования металла от времени. Поскольку гранецентрированная кубическая а кубические металлы, ориентированные на тело, используются гораздо чаще, чем магний и титан, отчасти из-за стоимости, команда сейчас разрабатывает модели для них. В работе рассматривалось поведение деформации, не зависящее от времени, но, как объясняет Хама: «Хорошо известно, что в промышленных приложениях деформационное поведение меняется в зависимости от скорости формования.Например, листовой металл, которому быстро придают форму, часто проявляет пружинящее действие, когда металл пытается восстановить свою прежнюю форму. Напротив, когда металл медленно сжимается и удерживается на месте, внутренние напряжения может расслабиться, и при снятии нагрузки наблюдается меньшее пружинение. Методы формовки разрабатываются, чтобы учесть это поведение, и Хама объясняет: «Мы планируем усовершенствовать наши модели, чтобы предсказывать эффекты этих новых методов формовки, зависящих от времени.«Группа предвидит их модели используются для создания новых металлических сплавов с требуемыми характеристиками деформации путем расчета кристаллических микро- и мезомасштабных структур, необходимых для достижения желаемых макросвойств. Работа команды направлена ​​на то, чтобы сэкономить время и деньги производителей и повысить надежность и эффективность металлических компонентов будущего.

    Нет ссылок на эту статью.

    Нет дополнительных данных.

    Нет статьи Носитель

    Нет показателей

    Пластическая анизотропия и траектория дислокации в ОЦК-металлах

    Abstract

    Пластичность в объемно-центрированных кубических (ОЦК) металлах при низких температурах нетипична, отмечена, в частности, анизотропным пределом упругости в явном нарушении известного закона Шмида, применимого к большинству других металлы.Известно, что этот эффект возникает из-за поведения винтовых дислокаций; однако основная физика до сих пор оставалась недостаточно изученной, чтобы предсказывать пластическую анизотропию без регулируемых параметров. Здесь мы показываем, что отклонения от закона Шмида могут быть количественно определены по отклонениям траектории винтовой дислокации от прямого пути между равновесными конфигурациями, что является следствием асимметричного и зависящего от металла ландшафта потенциальной энергии дислокации.Мы предлагаем модифицированный закон Шмида без параметров, основанный на проекции приложенного напряжения на криволинейную траекторию, который хорошо согласуется с экспериментальными вариантами и расчетами из первых принципов дислокационного напряжения Пайерлса как функции ориентации кристалла.

    Кристаллическая структура металлов сильно влияет на их пластичность. В гранецентрированных кубических и гексагональных плотноупакованных металлах с базисным скольжением пластическое течение начинается, когда разрешенное касательное напряжение (RSS, компонент тензора приложенных напряжений, который создает касательное напряжение вдоль направления скольжения и параллельно плоскости скольжения) достигает критического значения.В этом критерии текучести, известном как закон Шмида 1 , критическая RSS является структурным параметром, зависящим от термомеханической истории металла, но не от смысла и направления приложенного напряжения.

    Известно, что объемно-центрированные кубические (ОЦК) металлы не подчиняются закону Шмида, в частности потому, что критическая RSS зависит от ориентации и направления приложенного напряжения 2 ,3 ,4 . ОЦК-металлы скользят по плотным направлениям 〈111〉, но потенциальные плоскости скольжения меняются в зависимости от элемента, температуры и ориентации максимальной плоскости РСС 3 ,5 .Пластическая анизотропия в этих металлах первоначально интерпретировалась как результат скольжения по плоскостям {112} 2 ,6 . Причина в том, что эти плоскости не симметричны относительно сдвига вдоль 〈111〉, с направлением, ведущим к двойникованию (Т), более мягкому, чем противоположное, антидвойниковое (АТ) направление. Однако эта гипотеза не выполняется, так как асимметрия Т/АТ сохраняется при низких температурах в α-Fe и металлах VI группы (Mo и W), которые скользят по плоскостям {110}, симметричным относительно 〈111〉 сдвиг 3 ,7 .Более того, с помощью атомистических расчетов было показано, что винтовые дислокации с векторами Бюргерса 1/2〈111〉, которые, как известно, являются источником пластической анизотропии 4 ,8 , не подчиняются закону Шмида, даже когда они скользят по { 110} самолеты 9 ,10 ,11 . Другой особенностью, возможно, менее известной, является то, что отклонения от закона Шмида зависят от металла 12 .

    Для описания нешмидовских эффектов был предложен феноменологический критерий текучести как линейная комбинация напряжений, влияющих на пластичность 13 ,14 .Напряжения были определены с помощью атомистического моделирования 9 ,14 ,15 , и было показано, что результирующий обобщенный критерий текучести точно воспроизводит атомистически рассчитанные анизотропные напряжения Пайерлса, то есть критическое RSS для приведения в движение изолированной винтовой дислокации в отсутствие термической активации 10 ,14 ,16 ,17 . Однако до сих пор не было физического объяснения зависимости критерия текучести от этих различных компонентов напряжения, а также различий между металлами параметров, входящих в закон, что отражает наше непонимание асимметрии T/AT.

    Мы показываем здесь, используя расчеты теории функционала плотности (DFT), что связь между асимметрией T/AT и винтовыми дислокациями заключается в траектории дислокации, которая отклоняется от средней плоскости скольжения {110}. Применение закона Шмида к реальной траектории дислокации вместо средней плоскости скольжения {110} позволяет дать физическую интерпретацию феноменологического обобщенного критерия текучести и приводит к предсказаниям асимметрий T/AT, которые находятся в качественном согласии с экспериментом и в количественном согласии с DFT. расчет напряжения Пайерлса.

    Результаты

    T/AT-асимметрия

    Чтобы исследовать пластическую анизотропию, мы используем расчеты DFT из первых принципов для определения энергетики и траекторий b =1/2[111] винтовых дислокаций, скользящих между соседними равновесными конфигурациями. Мы рассматриваем предел напряжения Пайерлса 0 K, когда дислокации жестко скользят, что позволяет моделировать прямые периодические дислокационные линии. Расчеты выполняются как при отсутствии, так и при наличии касательного напряжения, приложенного в плоскости максимального РСС.Эта плоскость принадлежит зоне [111], но может отличаться от плоскости (10), встречающейся при испытаниях на растяжение (). Мы рассмотрели следующие ОЦК переходные металлы: V, Nb и Ta из группы V; Mo и W из группы VI; и Фе. Энергетические барьеры против скольжения в зависимости от приложенного напряжения и ориентации максимальной плоскости RSS получаются путем условной минимизации, а положения дислокаций, определяющие соответствующую траекторию, выводятся из вариаций напряжения, рассчитанных вдоль траекторий (подробнее см. Методы).

    ОЦК пластичность и кристаллография металлов.

    ( a ) Схематическое изображение плоскости скольжения (10) и плоскости максимальной RSS (MRSSP) во время испытания на растяжение. ( b ) Проекция ОЦК-решетки на плоскость (111), показывающая высокосимметричные положения дислокаций (E, легкое ядро; H, твердое ядро; S, расщепленное ядро). Угол х между плоскостью (10) и плоскостью максимума RSS положителен в области АТ (красная область) и отрицателен в области Т (зеленая область).( c ) Пример траектории дислокации (зеленая линия), рассчитанной с помощью DFT в Мо и определении угла отклонения α . Зеленый ромб показывает положение седловой точки. ( d ) Энергетический профиль вдоль четко разделенной линии (сегмент HS в b , c ), рассчитанный с помощью DFT в Mo. положения симметрии винтовой дислокации 1/2〈111〉. Конфигурация легкого ядра сосредоточена на направленных вверх треугольниках, образованных тремя столбцами атомов [111], и соответствует стабильному положению дислокации с минимальной энергией.Жесткое ядро ​​​​- это неустойчивое положение, центрированное на нисходящих треугольниках, где три столбца [111] находятся на одной высоте. Мы использовали конфигурацию с расщепленным ядром для моделирования дислокации вблизи столбца атомов [111]. Это соответствует сдвигу высоты ± b /6 для двух противоположных столбцов (столбцы A и B для разделенного ядра рядом с столбцом S в треугольнике ABS) 18 ,19 . Разделенное ядро ​​нестабильно в расчетах DFT 19 ,20 , но метастабильно с некоторыми межатомными потенциалами 21 ,22 ,23 .Асимметрия T/AT возникает, когда простое касательное напряжение прикладывается вдоль направления [111] с максимальной плоскостью RSS, которая не является центральной плоскостью (10) 4 . Ориентация максимальной плоскости RSS обычно обозначается ее углом х относительно плоскости (10), как показано на рис. Плоскости {112} не являются симметричными при сдвиге вдоль направления [111]. При положительных напряжениях, когда х =+30°, плоскость (11) сдвигается в направлении АТ, тогда как при х =-30° плоскость (11) сдвигается в направлении Т.Поэтому область с х >0 (соответственно х <0) называется антивыигрышной (соответственно двойниковой). Интересно, что асимметрия Т/АТ также видна в топологии плоскости (111) (см. ), поскольку плоскость (11) в области АТ содержит твердое ядро, тогда как плоскость (11) в области Т содержит твердое ядро. [111] атомная колонка. Следовательно, касательное напряжение, приложенное вдоль максимальной плоскости RSS с х > 0, толкает дислокацию к твердому ядру, тогда как при х < 0 дислокация отталкивается к расщепленному ядру.

    Траектория дислокации

    Барьеры Пайерлса между двумя соседними легкими ядрами рассчитывались во всех ОЦК металлах, и соответствующие траектории дислокаций определялись по изменениям напряжения, наблюдаемым вдоль траекторий (см. Методы). Извлечение этих траекторий из атомистического моделирования с помощью подгонки атомных смещений, а не с использованием изменения напряжения, качественно приводит к тем же траекториям (см. Дополнительный рис. 1). Пример траектории дислокации в отсутствие приложенного напряжения показан на рис.Как и ожидалось из предыдущих исследований 19 ,20 ,24 ,25 ,26 ,27 , траектория не является прямой, и максимальное отклонение достигается на половине пути, когда дислокация находится на пути. седловое состояние максимальной энергии между начальной и конечной конфигурациями. В этой точке траектория дислокации пересекает линию, соединяющую жесткое ядро ​​с конфигурациями расщепленного ядра, называемую в дальнейшем линией жесткого расщепления. Так как траектории близки к кусочно-линейным, будем характеризовать отклонение пути от прямой углом α между первым участком траектории и горизонтальной (10) плоскостью (см. ).

    Углы α , рассчитанные в отсутствие приложенного напряжения, приведены в . Они систематически отрицательны, отражая, что отклонение всегда указывает на столбец атомов [111], расположенный в Т-области. Это можно понять из дислокационного двумерного (2D) потенциала Пайерлса (энергетический ландшафт, описывающий взаимодействие между дислокацией и кристаллической решеткой) ,28 .Энергия вдоль жестко разделенной линии, рассчитанная с помощью DFT, показана в Мо в . Этот энергетический профиль сильно асимметричен относительно центральной плоскости (10), а локальный минимум, соответствующий седловой точке двумерного потенциала Пайерлса, смещен в сторону расщепленного ядра в Т-области. Поскольку скользящая дислокация стремится пройти путь минимума энергии на потенциале Пайерлса, смещение положения седловой точки относительно плоскости (10) объясняет отрицательные углы α в .

    Таблица 1

    Угол отклонения и соотношение энергий из расчетов DFT 20 в отсутствие приложенного напряжения во всех ОЦК переходных металлах. Fe 0
    90 796 V Nb, Та Мо Вт
    α (°) -10,6 -21,7 -7,1 – 9,9 −10,9 −1,7
    E S / E H 98 1,03 1,48 1,67 1,62 2,73

    Отметим также, что величина отклонения металла сильно зависима. Как показано на , отклонение наибольшее в Nb, где дислокация проходит близко к столбцу [111], промежуточное в Мо и минимальное в α -Fe, где траектория почти прямая. Это прямое следствие асимметрии жесткой расщепленной линии, которая сама сильно зависит от металла 20 .Мы указали соотношение энергий между расщепленным и твердым ядрами E S / E H , взяв за основу легкое ядро. Мы видим, что, за исключением V, энергия расщепленного ядра относительно энергии твердого ядра контролирует положение седловой точки, то есть чем больше отношение E S / E H , тем меньше угол отклонения. В частности, Fe имеет наибольшее отношение и наименьшее значение α , тогда как Nb имеет отношение E S / E H , близкое к 1, и наибольший угол отклонения.Причина, по которой энергетические отношения зависят от металла, еще предстоит понять; однако дальнейшие пояснения требуют исследований, выходящих за рамки настоящей публикации.

    Траектория дислокации и отклонение закона Шмида в ОЦК металлах.

    ( a ) Траектория дислокации между легкими конфигурациями ядра, полученная методом DFT в Nb, Mo и Fe, с соответствующим углом отклонения α . ( b ) Изменения напряжения Пайерлса с ориентацией кристаллов, предсказанные модифицированным законом Шмида уравнения (2) (цветные линии) и сравненные с экспериментальными данными на 4.2 K (арт. 12 ) (черные линии). Закон Шмида показан пунктирными серыми линиями.

    Сравнение с экспериментами

    Чтобы проверить точность приведенного выше закона, мы хотим сравнить его предсказания с экспериментальными данными. Мы рассмотрим три металла, Nb, Mo и Fe, для которых доступны очень низкотемпературные (4,2 K) измерения изменения предела текучести в зависимости от ориентации кристалла, и которые дадут наилучшие экспериментальные оценки напряжения Пайерлса винтовой дислокации 12 .Воспроизведение напряжений Пайерлса из атомистических расчетов является общеизвестной трудностью 29 ,30 ,31 из-за необходимости учета нулевых колебаний, которые играют важную роль в скольжении дислокаций при низких температурах 31 ,32 и нескользящие напряжения, сильно влияющие на напряжение Пайерлса 14 ,16 ,17 ,33 . Включение обоих эффектов было бы чрезвычайно затратным с вычислительной точки зрения. По этой причине, а также потому, что нас здесь интересует асимметрия напряжения Пайерлса, а не его величина, мы взяли значения углов α из наших расчетов нулевого напряжения DFT в ; однако мы выбрали так, чтобы воспроизвести экспериментальное значение при х = 0°.

    Прогнозы из уравнения (2) сравниваются с экспериментальными данными в . Получаем качественно хорошее согласие, особенно с учетом простоты уравнения (2). Примечательно, что мы установили, что Nb имеет наибольшую асимметрию T/AT, Mo занимает промежуточное положение, а α -Fe почти симметрично. Это совпадение показывает, что асимметрия Т/АТ является прямым следствием отклонения траектории дислокации от прямого пути с большими отклонениями (более отрицательными α -углами или, что то же самое, седловыми состояниями ближе к столбцу атомов [111]). ), что приводит к большей асимметрии.Тот факт, что предел текучести систематически ниже в Т-области, чем в АТ-области 3 , таким образом, напрямую связан с отрицательным значением α во всех ОЦК-металлах. Расхождения между модифицированным законом Шмида и экспериментами могут возникать из-за нескользящих напряжений, которые присутствуют в экспериментах, но не учитываются в уравнении (2).

    До сих пор нешмидовские эффекты моделировались с использованием феноменологического закона, основанного на линейной комбинации напряжений, влияющих на движение дислокаций, которые в случае асимметрии T/AT представляют собой РСС, спроецированные на две разные плоскости 〈 111〉 зона 14 .Выбор этих плоскостей произволен, если они не параллельны 33 ,34 . Когда выбраны горизонтальная плоскость (10) и плоскость (01) в области двойникования, критерий текучести выражается как:

    с и a , два феноменологических параметра, которые можно подобрать по экспериментальным или числовым данным. Раскрывая и реорганизуя уравнения (2) и (3), можно показать, что . Таким образом, уравнение (2) обеспечивает физическое обоснование феноменологического закона в уравнении (3).В частности, приведенное выше соотношение показывает, что a монотонно возрастает от 0 до 1, когда α уменьшается от 0 (прямой путь) до − π /6 (путь, проходящий через столбец атомов [111]). Таким образом, параметр a напрямую связан с отклонением траектории дислокации от прямой (10) плоскости.

    Расчеты DFT под напряжением

    Чтобы показать, что можно получить количественное согласие с модифицированным законом Шмида, и избежать упомянутых выше трудностей, связанных со сравнением экспериментальных и атомистических данных, мы теперь сравним предсказания из уравнения (2) с DFT-расчет напряжения Пайерлса.Мы рассматриваем металлы группы VI, Mo и W, которые скользят по плоскости {110} максимального RSS при низких температурах 12 . Учитывая вычислительную нагрузку, связанную с такими расчетами, мы исследовали три ориентации: х = 0°, х = -20° в Т-области и х = +20° в АТ-области.

    Чтобы получить напряжения Пайерлса, мы не вычисляли максимальные производные от двумерных потенциалов Пайерлса, которые недостаточно точны, а напрямую определяли приложенное напряжение, которое устраняет барьер Пайерлса.Сначала мы определили барьеры Пайерлса при возрастающих напряжениях простого сдвига, τ , приложенных вдоль трех только что упомянутых направлений (см. Методы). Чтобы уменьшить вычислительную нагрузку, мы вычисляли только первую половину путей, где находится активированное состояние. Результаты проиллюстрированы для Mo. Как и ожидалось, энтальпийные барьеры уменьшаются с увеличением приложенного напряжения. Соответствующие траектории дислокаций не зависят от приложенного напряжения, за исключением небольшого смещения, обусловленного смещением положения равновесия дислокаций от дна долины Пайерлса.Это позволит нам в дальнейшем использовать значения α , вычисленные в отсутствие приложенного напряжения (), для параметризации уравнения (2). Из барьеров, рассчитанных при различных приложенных напряжениях и ориентациях, были извлечены энтальпии Пайерлса, H P ( τ , χ ), максимум барьеров Пайерлса. Напряжения Пайерлса, τ P ( х ), были затем получены как критические напряжения, при которых исчезают энтальпии Пайерлса.Для этого мы использовали аппроксимацию по степенному закону типа Кокса 35 , . Первоначально этот закон был предложен для феноменологического моделирования зависимости энтальпии образования пар перегиба от напряжения, но, что интересно, здесь мы обнаружили, что энтальпии Пайерлса следуют той же тенденции. Поэтому наши подгонки не должны использоваться для предсказания кинетики дислокаций, а только для извлечения напряжений Пайерлса, τ P ( χ ). Кроме того, как показано в , мы провели расчеты вблизи подогнанных τ P ( χ ), чтобы убедиться, что энтальпии Пайерлса обращаются в нуль при этих напряжениях.

    Траектории дислокаций и барьеры Пайерлса под напряжением в Mo.

    Только первая половина траекторий, содержащих максимумы энтальпии, была рассчитана с помощью DFT. В a в отсутствие приложенного напряжения показаны полные траектории из-за их симметрии (черные линии). В b положения дислокаций проецируются на горизонтальную (10) плоскость и нормализуются между 0 и 1, когда дислокация перемещается между начальной и конечной конфигурациями легкого ядра.

    Нормализованные изменения энтальпии Пайерлса в зависимости от приложенного напряжения в Mo и W.

    Энтальпия Пайерлса H P нормализована энергетическим барьером, E P , рассчитанным с помощью DFT при нулевом приложенном напряжении. Приложенное напряжение, τ, нормировано напряжением Пайерлса, τ P для каждой ориентации. Символы представляют собой данные ДПФ, черные линии соответствуют степенным законам типа Кокса. Мы обнаружили, что один набор параметров p и q соответствует всем данным для данного материала (( p , q )=(0.94, 1,51) для Mo и (0,85, 1,27) для W).

    Из результатов, показанных на , мы получили вариации напряжения Пайерлса с максимальной ориентацией плоскости RSS в Mo и W, показанные в (кружки). Мы находим, что W более асимметричен, чем Mo, что согласуется с тем фактом, что угол α в W более отрицателен, чем в Mo (см. ). В мы также сообщили об изменениях напряжения Пайерлса, предсказанных уравнением (2) (сплошная линия). Значения в этом уравнении были установлены для воспроизведения напряжений Пайерлса, полученных с помощью DFT при х = 0°.Мы видим, что существует очень хорошее соответствие между значениями, полученными с помощью DFT, и напряжениями Пайерлса, предсказанными модифицированным законом Шмида. Это подтверждает правильность этого закона и тот факт, что асимметрия Т/АТ тесно связана с отклонением траектории дислокации от прямой линии между равновесными конфигурациями.

    Изменения напряжения Пайерлса в зависимости от ориентации кристаллов в Mo и W.

    Изменения напряжения Пайерлса, рассчитанные с помощью DFT под напряжением (кружки), сравниваются с исходным законом Шмида (штриховые линии) и с модифицированным законом Шмида из уравнения (2) ( полные строки).

    Очевидно, что данный закон не ограничивается вычислениями DFT и может быть применен к межатомным потенциалам. В частности, мы знаем, что потенциал метода встроенного атома (EAM), разработанный Менделевым и др. . 23 для Fe предсказывает двугорбый барьер Пайерлса, который проходит через конфигурацию расщепленного ядра, которая является метастабильной с этим потенциалом В результате без вычислений мы знаем, что α = − π /6.В этом случае уравнение (2) предсказывает самую сильную асимметрию T/AT. Это подтверждается расчетами напряжения Пайерлса, представленными в ref. 10 и сравнить с уравнением (2) на дополнительном рис. 2. 10) средняя плоскость планирования. Само отклонение связано с положением седловой конфигурации, систематически расположенной в Т-области.Поскольку дислокационный двумерный потенциал Пайерлса зависит от металла, то же самое происходит и с отклонением и, следовательно, с асимметрией T/AT. Это происхождение пластической анизотропии, подтвержденное атомистическим моделированием, может быть объяснено в модифицированной версии закона Шмида, где мы показали, что компонент тензора приложенного напряжения, который влияет на движение дислокации, представляет собой касательное напряжение, разрешенное на фактической наклонной траектории, а не чем средняя (10) плоскость. Седловая точка, расположенная в Т-области, таким образом, примиряет кажущийся парадокс более высокой энергии ядра для расщепления, чем для жесткого ядра, с одновременным более низким сопротивлением в Т-области, чем в АТ-области 19 ,20 ,28 .

    Благодаря этому новому пониманию асимметрии T/AT при 0 K теперь можно будет моделировать пластическую анизотропию при конечных температурах. Модели линейного натяжения, использующие барьер Пайерлса в качестве входного параметра, доказали, что они точно описывают механизм пары перегибов, работающий при конечных температурах вплоть до довольно низких напряжений 26 ,36 ,37 . Чтобы исследовать эволюцию асимметрии T/AT с температурой, необходимо рассмотреть двумерные потенциалы Пайерлса. Используя феноменологические потенциалы, Эдагава и др. ., 24, , , 25, показали, что этот подход воспроизводит температурную зависимость T/AT-асимметрии, наблюдаемую экспериментально в ОЦК-переходных металлах. Теперь следует использовать атомистически определенные двумерные потенциалы 20 . Мы ожидаем, что сегменты дислокаций внутри зарождающихся пар изломов будут следовать по изогнутой траектории, аналогичной прямой дислокации, чтобы минимизировать энергию их ядра, подтверждая важность траектории дислокации для асимметрии T/AT при конечных температурах.

    Теперь также будет чрезвычайно важно рассмотреть другой аспект пластической анизотропии, а именно влияние нескользящих напряжений. Эти напряжения разрешаются перпендикулярно вектору дислокации Бюргерса. Они не оказывают никакого воздействия на дислокацию, но все же сильно влияют на структуру ее ядра, напряжение Пайерлса и подвижность 9 ,15 . Феноменологически нескользящие напряжения были включены в линейную комбинацию уравнения (3) (ссылки 16 , 17 , 38 ), но еще предстоит оценить, как эти напряжения влияют на траекторию дислокации. и можно ли их включить в уравнение (2) как дополнительную зависимость угла отклонения.Такие расчеты DFT чрезвычайно затратны в вычислительном отношении, но позволяют получить полную и физическую картину пластической анизотропии в ОЦК-металлах.

    Методы

    Расчеты DFT

    Расчеты электронной структуры из первых принципов были выполнены в рамках DFT с использованием кода плоской волны PWSCF 39 . Псевдопотенциалы ультрамягкие с полуостовными электронами для элементов V и VI групп и без полуостовных электронов, но с нелинейными остовными поправками для Fe.Остаточные силы после релаксации меньше 10 -2  эВ Å -1 . Использовалась схема Эрмита–Гаусса для уширения плотности электронных состояний с размытием 0,3 эВ. Расчеты в Fe поляризованы по спину, и использовалось приближение обобщенного градиента Пердью–Берка–Эрнзергофа с обрезанием волновой функции 40 Ry и смещенной сеткой 1 × 2 × 16 k точек для всех элементов. Никакой оператор симметрии не применялся, кроме инверсионной симметрии. Расчеты проводились с использованием периодического массива дислокационных диполей с квадрупольным расположением, как и в предыдущих исследованиях 19 ,20 ,40 ,41 , где мы тщательно проверили правильность получения свойств изолированного дислокации путем корректировки упругих взаимодействий с периодическими изображениями.В частности, мы показали, что положение седловой точки не зависит от размера ячейки (см. рис. 15 в ссылке 20 ).

    Барьеры Пайерлса

    Барьеры Пайерлса рассчитывались при фиксированных векторах периодичности путем смещения одной дислокации диполя, в то время как вторая дислокация оставалась неподвижной (см. Дополнительный рис. 3). Начальные пути были дискретизированы линейно, и первая половина каждого пути была релаксирована с использованием метода координат реакции 42 , который, как известно, точно предсказывает пути с минимальной энергией в случае простых путей, рассматриваемых здесь 19 .Чтобы избежать сохранения координаты реакции за счет добавления малых смещений, распределенных по всем атомам ячейки моделирования (вместо больших смещений вокруг ядра дислокации, как предполагалось), ограничение было наложено только на пять атомов, ближайших к ядру дислокации. Поскольку расстояние между дислокациями изменяется вдоль траекторий, меняется и энергия их упругого взаимодействия. Как только положения дислокаций были определены (см.3 для проверки этого подхода).

    Положение дислокации

    Из-за фиксированных векторов периодичности и различного расстояния между двумя дислокациями, составляющими диполь, при моделировании наблюдается изменение напряжения. Из этой вариации можно вывести положения дислокаций 44 . Обращая систему в уравнении (5) для винтовой дислокации 〈111〉, положения задаются как:

    с упругими константами, записанными в нотации Фойгта в дислокационной системе отсчета, то есть с x , y и z по направлениям [2], [10] и [111] соответственно.Уравнения (6) и (7) дают взаимное расположение дислокаций. Чтобы получить абсолютные положения, мы сначала считаем, что, когда дислокации находятся в покое, то есть в их равновесных начальном и конечном положениях, они обе смещены на одинаковое расстояние от дна своих долин Пайерлса, но в противоположных направлениях. Затем мы предполагаем, что положение дислокации, остающейся в одной и той же долине Пайерлса, изменяется линейно между начальной и конечной конфигурациями, что является разумным предположением, учитывая небольшое смещение, испытываемое этой дислокацией по сравнению со скользящей дислокацией.

    Мы проверили, что предсказания модифицированного закона Шмида не зависят от определения, используемого для положения дислокации, выполнив всю упомянутую выше постобработку со вторым определением положения дислокации: «методом функции стоимости», который состоит в корректировке атомных позиций, рассчитанных с помощью DFT, в атомные позиции, рассчитанные для компактной винтовой дислокации в пределах анизотропной упругости путем минимизации функции стоимости. Этот метод подробно описан в ссылках 19 , 20 .Все полученные данные представлены на дополнительных рисунках 1 и 4 и в дополнительной таблице 1. Значения α , рассчитанные с помощью метода функции стоимости, следуют той же тенденции, что и рассчитанные с помощью метода, основанного на напряжении, и мы снова находим очень хорошее соответствие между значениями ДПФ и предсказаниями модифицированного закона Шмида, что подтверждает справедливость настоящего подхода.

    Доступность данных

    Данные, подтверждающие результаты этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

    Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


    Настройка браузера на прием файлов cookie

    Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

    • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
    • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
    • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
    • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
    • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

    Почему этому сайту требуются файлы cookie?

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


    Что сохраняется в файле cookie?

    Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

    Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

    Дефекты решетки и пластичность органических тел

    Бюлл. соц. фр. Минеральная. Кристаллогр.

    (1972), 95, 253-261.

    Дефекты решетки и пластичность органических твердых тел

    пар John Neil SHERWOOD,

    Факультет теоретической и прикладной химии, Университет Стратклайд, Глазго, C. 1., Шотландия.

    Дефекты решетки и пластичность органических тел.

    Одной из многих интригующих проблем при изучении твердого органического состояния является широкое разнообразие механических свойств этих материалов.Эти свойства охватывают весь диапазон поведения от очень хрупких твердых тел, которые многие считают типичными, до очень пластичных твердых тел, которые в некоторых случаях текут под действием силы тяжести. Последний тип вызвал интерес у многих с тех пор, как Тиммерманс в 1938 году признал их отдельной фазой. За прошедшие годы молекулярные и кристаллографические свойства этих высокопластичных материалов оценивались с помощью различных методов, включая рентгеновский анализ. рассеяние нейтронов и дифракция (Dunning, 1961, de Graaf, 1969, 1970), рассеяние света (Hyde et al., 1970) термодинамические исследования (McCullough and

    Bull. Soc. jr. Minéral. Cristallogr., 1972;

    Westrum, 1963; Staveley, 1962) диэлектрическая релаксация (Smyth, 1963), ядерно-магнитная релаксация (Andrew, 1961). ) и ослабление ультразвука (Fontaine et al., 1968, Green et al., 1967). Благодаря этим исследованиям мы пришли к пониманию основных характеристик этих твердых тел (Астон, 1963). В общих чертах, это высокотемпературные вращающиеся фазы твердых тел, которые состоят из молекул шаровидной формы.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.