CC BY
0
Металлургия и материаловедение
УДК 669.01
О ВЛИЯНИИ АСИММЕТРИИ ВО ВЗАИМОДЕЙСТВИИ И РАСПОЛОЖЕНИИ АТОМОВ НА СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА Амосов Евгений Александрович, к.т.н., доцент (e-mail: amosov-ea@mail.ru) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
В данной статье рассмотрен вопрос о влиянии асимметрии в расположении и взаимодействии атомов металла на такие свойства как тепловое расширение материала при нагревании, а также механические свойства металла.
Ключевые слова: свойства металлов, тепловое расширение, асимметрия, дислокации
При рассмотрении свойств металлов (также, как и других материалов) обычно в первую обращается внимание на симметрию в расположении атомов или ионов в кристаллической решётке [1-7, 18-21]. Как уже отмечалось нами ранее, симметрия влияет на такие свойства материала, как, например, пластичность металла (чем выше порядок осей симметрии в материале, тем, чаще всего, выше пластичность, поэтому, например, ГЦК металлы чаще более пластичны, чем ОЦК, так как у выделенного атома в случае ГЦК структуры большее число ближайших соседей и, следовательно, другой порядок оси симметрии, чем в случае ОЦК) [7].
В данной же статье разберём более детально влияние именно асимметрии на свойства металлических материалов.
Рисунок 1 - Модель теплового рамширения металла [9]
Начнём с теплового расширения. Согласно представлениям Френкеля [9, 14], тепловое расширение можно объяснить ангармоничностью колебаний атомов металла.
Согласно модели расширения Френкеля, тепловое расширение, в частности, вызвано тем, что атомы за счёт колебаний в среднем становятся дальше друг от друга, как это схематически представлено на рисунке 1. Буквой Ж с цифрами на рисунке 1 отмечены уровни энергии атома, которой он начинает обладать при увеличении абсолютной температуры материала на определённое (одинаковое) число градусов Кельвина, а буквами а с цифрами - положения центров несимметричной потенциальной ямы при каждом повышении температуры. Как видно из рисунка 1, с ростом энергии (и температуры) положения точек а изменяются, атомы становятся дальше друг от друга.
Удаление атомов друг от друга является, очевидно, следствием асимметрии формы потенциальной ямы, в которой атомы колеблются, в противном случае атомы в среднем оставались бы на своих местах (как показано штриховой вертикальной линией на рисунке 1) и тепловое расширение отсутствовало бы, что противоречит наблюдаемым явлениям.
Таким образом, асимметрией потенциальной ямы может быть объяснено такое явление, как тепловое расширение твёрдых тел, в частности, металлов.
Рассмотрим, как влияет изменение симметрии в расположение атомов на механические свойства металлического материала.
По существующим представлениям, механические свойства металлов объясняются в основном поведением линейных дефектов или дислокаций в кристаллической решётке реальных металлов [5, 15, 17].
Модель одной из разновидности дислокаций представлена на рисунке 2 (справа). Это так называемая краевая дислокация, представляющая собой обрыв атомной плоскости внутри кристалла.
Как видно из рисунка 2, в районе дислокации происходит изменение расположения атомов, иначе говоря, изменение симметрии в расположении атомов. Симметрия кристаллической решетки понижается за счёт сдвига атомов, как это видно из рисунка 2 (решётку без дефекта можно со-
1 ■_ ■ •_ *
О-ОСОСХ^-'
\_С ПП
\ _ 1_ 1_ С'
( — '— ■—1.. —■;—'. >-<—... 1 ,■
Рисунок 2 - Модель решёток с дислокацией и без неё с отмеченной оборванной полуплоскостью [22]
вместить саму с собой, повернув фигуру на 90 градусов, а в решётке с дислокацией такая операция не приведёт к само совмещению фигуры).
Асимметрия в расположении атомов приводит к изменению расстояния между атомами и, как следствие этого, к изменению энергии взаимодействия. Удаление атомов друг от друга уменьшает энергию их взаимодействия, что приводит, соответственно, к меньшему усилию, необходимому для деформации кристаллической решётки (путём сдвига её части).
Действительные фото дислокаций в просвечивающем электронном микроскопе подтверждают подобные предположения (о нарушении симметрии в расположении в основном именно в области дислокаций) [5, 8, 23]. Для примера на рисунке 3 приведено фото дислокации, полученное в электронном микроскопе.
Рисунок 3 - Фото реальной дислокации в кристалле [23]
Из рисунков 2 и 3 можно сделать вывод, что области дислокаций по-иному реагируют на внешнее механическое воздействие (как области изменения симметрии), что подтверждается многочисленными опытами [5, 6, 8, 10]. В частности, пластическая деформация материала на основе металла по современным представлениям объясняется именно перемещением дислокаций по кристаллу (то есть, мест, симметрия расположения атомов в которых отличается от симметрии в расположении атомов в бездефектной части кристалла).
Аналогичным образом, границы зёрен также являются местом нарушения (или изменения симметрии), как это можно увидеть на примере фотографии границы зерна, полученной в электронном микроскопе (рисунок 4).
Как видно из фотографии (рисунок 4), на некотором удалении от границы кристалл можно повернуть на 90 градусов, и он совместится сам с со-
бой , в области границы (отмечена линией) такое само совмещение не произойдёт, то есть, действительно, в этой области симметрия другая.
Рисунок 4 - Фото границы зёрен [23]
Из литературы известно [5, 8], что область границы зерна в кристаллическом материале оказывает существенное влияние на механические свойства (предел текучести, например), то есть, изменение симметрии в расположении атомов в области границы зерна влияет на механические свойства металлического материала.
В частности, благодаря наличию областей с изменённой симметрией (областей дислокаций) предел текучести материала понижается примерно в сотни раз по сравнению с теми значениями, которые дают расчёты на основе модели Френкеля [14]
Итак, асимметрия расположения и взаимодействия атомов металла в кристаллической решётке влияет на следующие свойства материала с кристаллическим строением:
-тепловое расширение материала, -предел текучести материала.
Это позволяет нам выдвинуть предположение, что асимметрия в расположении и взаимодействии атомов кристаллического материала может оказывать существенное влияние на такие важные в применении материала параметры, как коэффициент теплового расширения (например, если материал применяется в авиационном тепловом двигателе) и предел текучести материала (который является существенной характеристикой металла и изготовленного из него изделия во многих случаях, в частности, в устройствах, работающих при высоких давлениях, например, в тех же самых тепловых авиадвигателях). Следовательно, имеет смысл рассматривать влияние асимметрии на свойства материалов с кристаллической структурой, например, на основе металлов.
Данная научная работа является инициативной.
Список литературы
1. Сергеев, Н.А. Кристаллофизика / Н.А. Сергеев, Д.С. Рябушкин. - М.: Университетская книга, 2016. - 160 с.
2. Розин, К. М. Практическая кристаллография / К. М, Розин. - М.: МИСИС, 2005. - 488 с.
3. Маейр, К. Физико-химическая кристаллография / К. Майер. - М.: Металлургия, 1972. - 480 с.
4. Егоров-Тисменко, Ю.К. Кристаллография и кристаллохимия / Ю.К. Егоров-Тисменко. - М.: МГУ, 2005. - 592 с.
5. Материаловедение / Ю.П. Солнцев и другие. - М.: Химиздат, 2020. -784 с.
6. Фистуль, В И Химия и физика твердого тела /В.И. Фистуль. - М.: Металлургия, 1995. - 800 с
7. Амосов, Е.А. Простые модели некоторых процессов / Е.А. Амосов. -LAP, 2012. - 63 с.
8. Амосов, А. П. Основы материаловедения и технологии новых материалов / А. П. Амосов. — Самара: СамГТУ, ЭБС АСВ, 2016. — 203 с.
9. Лившиц, Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов / Б.Г. Лиф-шиц и др. - М., 1980. - 320 с.
10. Павлов, П.В. Физика твердого тела / П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов. - М., 2000. - 494 с.
11. ШрБ://га.^1к1реё1а.о^/,шк1/Тепловое_расширение
12. https://him.1sept.ru/article.php?ID=200601009
13. Новикова, С.И. Тепловое расширение твёрдых тел / С.И. Новикова. 0 М.: Наука, 1974. - 291 с.
14. Френкель, Я.И. Введение в теорию металлов и сплавов / Я.И. Френкель. - М., 1958. - 426 с.
15. Фридель, Ж. Дислокации /Ж. Фридель. - М.: Мир, 1967. - 643 с.
16. .Рехвиашвили, С.Ш. О температуре плавления наночастиц и наност-руктурных веществ / С.Ш. Рехвиашвили, Е.В. Киштикова // Письма в ЖТФ. - 2005. - Т.32. - Вып. 10. - С.50-55.
17. https://ru.wikipedia.org/wiki/Дислокация_(кристаллография)
18. Шаскольская, М.П. Кристаллография / М.П. Шаскольская. - М.: Высш. шк., 1984. - 392 с.
19. Шаскольская, М.П. Основы кристаллофизики / М.П. Шаскольская, Ю.И. Сиротин. - М.: Наука, 1975. - 680 с.
20. Кузьмичева, Г.М. Основные разделы кристаллографии / Г.М. Кузь-мичева. - М.: МИТХТ, 2002. - 80 с.
21. Шафрановский, И.Н. Краткий курс кристаллографии / И.Н. Шафра-новский, В.Ф. Аляндин. - М.: Высш. шк.,1984. - 120 с.
22. https://present5.com/materialovedenie-dobrovolskaya-irina-petrovna-doktor-fiziko-matematicheskix-nauk/
23. https://present5.com/defekty-kristallicheskogo-stroeniya-i-ix-vliyanie-na-svojstva/
24. Лившиц, Б. Г. Металлография / Б. Г. Лившиц. - М.: Металлургия, 1971. - 405 с.
25. 25.Сивухин, Д.В, Курс общей физики. Термодинамика и молекулярная физика / Д.В. Сивухин. - М., 2005. - 544 с.
26. Энергетическая модель технологий упрочнения сплавов/ Амосов Е.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. №2 2 (2). С. 196-199.
27. Взаимодействие расплава железа и карбосилицида титана/ Латухин Е.И., Амосов Е.А., Умеров Э.Р.// Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 6 (14). С. 54-60.
28. О взаимодействии частиц графита разного размера с расплавом титана в ходе СВС реакции/ Рыбаков А.Д., Амосов Е.А., Умеров Э.Р.// Современные материалы, техника и технологии. 2019. № 5 (26). С. 154-158.
29. Получение порошка нитрида кремния по азидной технологии СВС/ Белова Г.С., Амосов Е.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 2 (5). С. 32-36.
Amosov Evgeniy Aleksandrovich, cand.tech.sci., associate professor
(e-mail: amosov-ea@mail.ru)
Samara state technical university, Samara, Russia
THE INFLUENCE OF ASYMMETRY IN THE INTERACTION AND
ARRANGEMENT OF ATOMS ON THE METAL MATERIAL
PROPERTIES
Abstract. The question of the influence of asymmetry in the arrangement and interaction of metal atoms on such properties as the thermal expansion of the material during heating, as well as the mechanical properties of the metal is considered.
Keywords: properties of metals, thermal expansion, asymmetry, dislocations
