Материал: Физика металлов и дефекты кристаллического строения

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени М. И. КАЛИНИНА

С.С. ЕРМАКОВ

/ С Ч

« Г Д Е Ф Е К Т Ы №

кристаллического

строения

Учебное

пособие

ЛЕНИНГРАД ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛЕНИНГРАДСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Принятые на XXVII съезде КПСС решения по коренной ре­ конструкции металлургии, машино- и приборостроения могут быть реализованы только на базе широкого использования фун­ даментальных достижений в области физики, химии, матема­ тики, механики, вычислительной техники. К важнейшим обла­ стям современной науки относится физика твердого тела и один из ее разделов — физика металлов — научное направление, за­ дачей которого является раскрытие взаимосвязей между атом­ но-кристаллической структурой, составом и различными физико­ механическими свойствами (прочностными, электрическими, тепловыми, магнитными и другими) металлов и сплавов, уста­ новление влияния на эти свойства несовершенств кристалли­ ческой структуры реальных металлов.

Научные достижения физики металлов не только расширили познания в области теории металлического состояния и свойств металлов, но и позволили создать новые литые и порошковые материалы с особыми физико-химическими и механическими свойствами (сверхпрочные, сверхтвердые, жаро- и окалиностой­ кие, со специальными электрическими и магнитными свойства­ ми и т. д.), имеющими большое практическое значение. Достиг­ нутые успехи в области физики металлов стали основой для разработки новых материалов и энергосберегающих технологий.

Для успешного решения поставленных задач каждый совре­ менный инженер независимо от его специальности, но связан­ ный с производством металла, его обработкой или эксплуата­ цией, обязан знать характерные особенности металлического состояния и влияния на него как внешних, так и внутренних факторов.

В отличие от ранее изданной монографии «Физика метал­

ствующим программе курса «Физика металлов и дефекты кри­ сталлического строения». В нем добавлен раздел, посвященный кристаллическому строению металлов, их теоретической проч­ ности; введены основные понятия, относящиеся к металлическим сплавам, приводятся примеры использования электронно-зонной теории металлов применительно к равновесию промежуточных фаз. Введены новые главы: глава 6 — «Дефекты кристалли­ ческого строения металлов»; глава 7 — «Диффузия в металлах и сплавах», в главе 8 — «Электрические свойства металлов» — на основе последних достижений науки расширен раздел, посвя­ щенный сверхпроводимости металлов.

Изложение материала построено таким образом, что для понимания его не требуется специальных углубленных знаний в области квантовой механики, теоретической и статистической физики, так как содержание в основном базируется на разделах курсов общей математики и экспериментальной физики. При изложении основного материала все вводимые понятия и опреде­ ления даны курсивом.

Автор выражает искреннюю благодарность коллективу ка­ федры «Оборудование и технология термической обработки металлов» Ленинградского политехнического института им.

М.И. Калинина и рецензентам — проф. Б. И. Бруку, доцентам

М.И. Анисимову, Г. Н. Теплухину — за критические замечания, которые учтены в конечном варианте рукописи.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ АТОМА

Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют кристалли­ ческое строение. Свойства металлических кристаллов зависят от структуры атомов, из которых они состоят. В настоящее время в качестве структурной модели атома принята модель,

ряженного ядра с вращающимися вокруг него отрицательными электронами. Суммарный заряд электронов по величине равен положительному заряду ядра, в результате чего атом в целом остается в электрическом отношении нейтральным. Согласно постулатам Бора движение электронов происходит по стаци­ онарным орбитам и не сопровождается электромагнитными из­ лучениями. Стационарными орбитами считаются такие, на кото­ рых момент количества движения (или импульс — р) электрона относительно ядра равен целому кратному от величины:

р = mvnrn = nh/(2n).

Здесь т — масса электрона; vn— скорость движения электро­ на на орбите п\ гп— радиус орбиты; /г = 1, 2, 3, ...— квантовое число; к — постоянная Планка.

Масса совершенно свободного электрона составляет 9,1095 X X 10'28 г, а его заряд равен е = —4,8032 • КН° электроста­ тических единиц (эл.-ст. ед.). В случае связанных электро­ нов, например находящихся и перемещающихся внутри кри­ сталлической решетки, их масса зависит от природы металла

иможет быть как меньше, так и больше массы свободного электрона. В этом случае она называется эффективной массой

иобозначается символом т*. Эффективная масса является свойством вещества, и, следовательно, соотношения, характери­ зующие какие-либо параметры вещества, должны содержать величину не m, а т*.