КЛАССИФИКАЦИЯ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

В связи с огромным разнообразием областей применения материалов материаловедение оперирует десятками их разнообразных физических свойств, причем для каждой из областей применения от материала требуется вполне определенный набор физических свойств. На первый взгляд, это должно было бы привести к становлению десятков практически самостоятельных разделов материаловедения, при этом сама задача создания материала с требуемым набором физических свойств становилась бы практически неразрешимой.

В материаловедении было экспериментально установлено, а затем обобщено и теоретически обосновано, что все физические свойства материалов можно разделить на четыре большие группы. При этом для каждой группы свойств закономерности их изменения в зависимости от структуры и фазового состояния материалов по характеру идентичны.

Структурно нечувствительные свойства. В данную группу входят свойства, зависящие от химического и фазового состава материала и слабо зависящие от его структурных особенностей. К таким свойствам, например, относятся:

  • • плотность материала, которая сколько-нибудь заметно не зависит от размера, формы и ориентации зерен материала, точечных и линейных дефектов, текстуры, но зависит от некоторых типов макродефектов (поры);
  • • термический коэффициент объемного расширения, который также не зависит от особенностей микроструктуры. В то же время термический коэффициент линейного расширения для анизотропных материалов зависит от текстуры материала;
  • • теплоемкость материала, которая также практически не зависит от размера, формы и ориентации зерен материала, но слабо зависит от типа и концентрации дефектов.
Зависимость некоторых структурно нечувствительных свойств стали от содержания углерода [55. С. 420]

Рис. 1.1. Зависимость некоторых структурно нечувствительных свойств стали от содержания углерода [55. С. 420]

На рисунке 1.1 в качестве примера приведены зависимости некоторых структурно нечувствительных свойств стали, содержащей углерод в виде перлита, от процентного содержания углерода Сс: плотности d, термического коэффициента объемного расширения X и удельной теплоемкости с.

Структурно чувствительные свойства. В данную группу входят свойства, зависящие как от химического и фазового состава материала, так и от его структурных особенностей. Большинство механических и электрических свойств материалов (твердость, прочность, пластичность, удельное электросопротивление и т.д.) существенно зависят от величины и формы зерен материала, точечных и линейных дефектов, текстуры, упорядочения атомов и т.д.

На рисунке 1.2 в качестве примера приведены зависимости твердости по Виккерсу HV стали (структурно чувствительное свойство), содержащей 0,8% углерода, от формы и размеров карбидных включений: а — включения сферической формы со средним диаметром d, б — включения пластинчатой формы со средней толщиной h.

Зависимости твердости стали от формы и размеров карбидных включений сферической (а) и пластинчатой (б) формы [55. С. 422]

Рис. 1.2. Зависимости твердости стали от формы и размеров карбидных включений сферической (а) и пластинчатой (б) формы [55. С. 422]

Поверхностно чувствительные свойства. Ряд свойств материала, например его каталитические или эмиссионные свойства, определяются составом и состоянием поверхности материала. Для поликристалла возможно отклонение состава поверхности от состава объема материала, для монокристалла — еще и различная кристаллографическая ориентация плоскости поверхности материала. В первом случае говорят о сегрегации компонента материала на поверхности, во втором — об анизотропии свойства. В общем случае явление сегрегации может проявляться и по границам зерен поликристалла, что также проявится в поведении ряда свойств материала.

На рисунке 1.3 в качестве примера анизотропии свойств приведены зависимости коэффициента вторичной электронной эмиссии ат от номера подгруппы для поликристаллов элементов трех больших периодов Периодической системы, а также для монокристаллов некоторых элементов. Индексы (hkl), указанные у соответствующих точек, соответствуют кристаллографическим плоскостям, с которыми совпадает ориентация поверхности монокристаллов.

Изменение коэффициента вторичной электронной эмиссии в больших периодах для поликристаллов и монокристаллов элементов [38. С. 232]

Рис. 1.3. Изменение коэффициента вторичной электронной эмиссии в больших периодах для поликристаллов и монокристаллов элементов [38. С. 232]

На рисунке 1.4 в качестве примере влияния сегрегации на свойства материалов приведены зависимости работы выхода для поликристаллов «Си — Ni» в исходном состоянии и после прогрева.

Зависимость работы выхода поликристаллов сплавов «Си - Ni» от состава [38. С. 174]

Рис. 1.4. Зависимость работы выхода поликристаллов сплавов «Си - Ni» от состава [38. С. 174]:

1 — в исходном состоянии; 2 — после прогрева при температуре 200 °С

Для материалов на основе чистых элементов имеет место существенная анизотропия поверхностно-чувствительных свойств, в частности эмиссионных свойств материалов. В сплавах «Си — Ni» после прогрева имеет место сегрегация меди на поверхности образца (обогащение поверхности атомами меди с образованием пленки на основе меди), поэтому величина работы выхода таких сплавов практически совпадает с работой выхода чистой меди.

Свойства с переменной чувствительностью. Некоторые физические свойства материала проявляют так называемую переменную чувствительность, а именно: для некоторых классов материалов (металлы) они являются структурно нечувствительными, а для некоторых классов (полупроводники и диэлектрики) — структурно чувствительными. Такая особенность проявляется для свойств, которые в значительной мере определяются положением уровня Ферми в электронной структуре материала.

На рисунке 1.5 схематично приведены электронно-зонные структуры металла, собственного полупроводника и полупроводника с примесью донорного типа.

Электронно-зонные структуры металла (а), собственного полупроводника (б) и полупроводника с примесью донорного типа (в)

Рис. 1.5. Электронно-зонные структуры металла (а), собственного полупроводника (б) и полупроводника с примесью донорного типа (в):

Е0 — электронный уровень вакуума; Ес — электронный уровень дна зоны проводимости; Ev— электронный уровень верха валентной зоны; Е0 — электронный уровень донорной примеси; EF—электронный уровень Ферми

В случае металла или металлического сплава создание в материале точечных дефектов (вакансий, дефектов внедрения или замещения) не приведет к существенному изменению положения уровня Ферми как в случае попадания электронного уровня дефекта в область зоны проводимости, так и в случае попадания его в запрещенную зону. Поэтому для металлических материалов эмиссионные свойства, определяемые положением уровня Ферми, будут структурно не чувствительными. В качестве примера приведены зависимости работы выхода электрона от состава монокристаллов сплавов «молибден — ниобий» с кристаллографической ориентацией поверхности (100) и (///) на рис. 1.6.

Формально легирование молибдена ниобием или ниобия молибденом можно рассматривать как формирование точечных дефектов замещения соответственно в молибдене или ниобии. При изменении состава сплавов величина работы выхода изменяется практически линейно от состава, при этом имеет место анизотропия эмиссионных свойств для различной кристаллографической ориентации поверхности сплавов.

Б. Зависимости работы выхода монокристаллов сплавов «Мо - Nb» от состава для кристаллографических плоскостей (700) и (777) [38. С. 171]

Рис. 1.Б. Зависимости работы выхода монокристаллов сплавов «Мо - Nb» от состава для кристаллографических плоскостей (700) и (777) [38. С. 171]

При создании точечных дефектов в полупроводнике или диэлектрике (см. рис. 1.5, переход от б к в) резко изменяется положение уровня Ферми в электронной структуре материала, которое к тому же будет сильно зависеть и от температуры материала. Это приведет к сильной зависимости величины работы выхода такого материала от концентрации дефектов и температуры. Зависимости работы выхода оксида бария ВаО от концентрации Ngточечных дефектов (кислородных вакансий) при различных значениях температуры материала Т(К) приведены в качестве примера на рис. 1.7.

Зависимости работы выхода ВаО от температуры и концентрации точечных дефектов (кислородных вакансий) в оксиде

Рис. 1.7. Зависимости работы выхода ВаО от температуры и концентрации точечных дефектов (кислородных вакансий) в оксиде

При фиксированной температуре материала зависимость работы выхода от концентрации кислородных вакансий имеет минимум, причем концентрация вакансий в минимуме работы выхода растет с ростом температуры. Характер данной зависимости позволяет оптимизировать концентрацию кислородных вакансий в оксиде при рабочей температуре материала, обеспечивающую работу материала в качестве эффективного термоэмиттера электронов в электровакуумных приборах.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >