Лекции по физике металлов

Обновлено: 22.01.2025

Кокин С.М. Физика. Часть I. Конспект лекций. – М.: МИИТ, 2010. – 244 с.

Учебное пособие представляет собой конспект лекций по общей физике, включающий разделы: «Механика», «Электростатика», «Постоянный электрический ток», «Магнетизм». В основу конспекта положен материал лекций, которые в МИИТе на специальностях АТС и УПМ читает проф. Кокин С.М.

Учебное пособие предназначено для студентов специальностей ИУИТ, ИСУТЭ, ИТТОП, ИЭФ, ИКБ, вечернего факультета.

– зав. кафедрой физики и химии РОАТ проф. Шулиманова З.Л.

– зав. кафедрой «Физика-1» МИИТ доц. Лагидзе Р.М.

© Московский государственный университет

Св. план 2010 г., поз. 163

Кокин Сергей Михайлович

Часть I конспект лекций

П

Формат 60  84/16

Т

127994 Москва, а-55, ул. Образцова д. 9, стр.9. Типография миит

Настоящее пособие является конспектом курса лекций, которые автор читает в первом семестре курса физики студентам МИИТа (весь курс рассчитан на три семестра). Обычно учебные планы рассчитываются, исходя из предположения о том, что в каждом семестре будут прочитаны 18 лекций. Однако по различным причинам (к которым относятся праздники, разного рода мероприятия, требующие присутствия на них студентов-первокурсников и т. д.) реальное число лекций за семестр оказывается меньшим. Именно поэтому данный конспект составлен, исходя из предположения, что лекций удаётся прочитать только 17. Впрочем, во введении ко всему конспекту, а также в качестве примеров проявления тех или иных физических эффектов по теме каждой лекции в пособии приведён материал, который может быть использован преподавателем в аудитории в том случае, если потерь в лекционных часах не происходит.

При нехватке лекционного времени часть материала может быть опущена (например, введение, раздел 12.2 и т. д.).

Конспект не заменяет учебники, рекомендуемые для изучения общей физики; он лишь призван служить дополнительным источником информации, облегчающим освоение студентами этого курса. К числу основных учебников и задачников, используемых в МИИТе, относятся следующие:

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов. – М.: Высш. школа, 2002. – 718 с.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высш. школа, 2004. – 544 с.

3. Савельев И.В. Курс общей физики в 3-х тт. – М.: Астрель АСТ, 2007.

4. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. – М.: Наука, 1985 - 2004.

5. Чертов А.Г., Воробьёв А.А. Задачник по физике: Учеб. пособие для вузов. – М.: Изд. Физ.-мат. литературы, 2002. – 640 с.

6. Сборник задач по дисциплине «Физика» / Под общ. ред. проф. С.М.Кокина – М.: МИИТ, 2006. – 144 с.

Наука и научное знание

На протяжении всей своей истории люди выработали разные способы познания и освоения окружающего их мира, и одним из них является наука. Сам термин «наука» – Science – происходит от латинского слова Scientia (знание). Однако не всякое знание является наукой! Дело в том, что кроме науки по-своему отражают реальность, формируют свои области знаний, например, ещё искусство и религия. Но лишь наука создаёт мир знаний, состоящий лишь из экспериментально доказанных данных об этом мире и выводов, полученных на основе законов логики. В этом мире самому человеку, его субъективным оценкам, предпочтениям отводится весьма незначительная роль.

Когда говорят о научном методе познания, то подразумевается, что этот метод основан на следующих принципах:

Принцип причинности. «Ни одна вещь не возникает беспричинно, но всё возникает на каком-нибудь основании и в силу необходимости», – Демокрит (около 460 – 370 гг. до н. э.). Сказанное означает, что в основе любого следствия всегда должна лежать некоторая причина (возникшее следствие, в свою очередь, может повлиять на причину). Этот принцип имеет объективный и всеобщий характер, и именно поэтому на нём базируется вся материально-техническая деятельность человека.

Принцип воспроизводимости результатов. Естественнонаучная истина проверяется (доказывается) только практикой: наблюдениями, опытами, производственной деятельностью. «Наука началась тогда, когда люди научились мерить; точная наука немыслима без меры», – Д.И. Менделеев (1834 – 1907). Однако говорить о научной истине можно лишь в том случае, если результаты исследований воспроизводимы. Это означает, во первых, что полученный однажды результат должен допускать его повторение независимыми исследователями. Во-вторых, этот критерий выносит в разряд ненаучных такие невоспроизводимые явления, как, например, НЛО. Конечно, по поводу невоспроизводимых явлений можно строить различного рода предположения, отыскивать подтверждения их справедливости, однако даже после получения серии доказательств, говорящих в их пользу, всегда будет оставаться место для сомнений: нельзя ли тот же результат объяснить по иному? В связи с этим следует вспомнить принцип, предложенный английским философом У. Оккамом (около 1300 – 1350): для объяснения чего-либо «не следует умножать сущности без надобности», то есть не нужно выдумывать новых гипотез, если это «что-то» можно объяснить, исходя из уже известных представлений.

С принципом воспроизводимости результатов тесно связан приведённый выше основной признак, который отличает науку от других способов познания окружающего мира: любая гипотеза должна подвергаться проверке экспериментом (не зря научная гипотеза определяется, как научное предположение, требующее проверки на опыте и теоретического обоснования). Пусть в пользу некоторой гипотезы говорит множество фактов, однако достаточно появиться только одному, который её опровергает, гипотезу придётся пересматривать. Так, например, весь массив накопленных наукой экспериментальных данных говорил в пользу справедливости законов классической механики, однако, в конце XIX – начале XX веков появились результаты новых исследований, и оказалось, что эти законы имеют приближённый характер: была создана специальная теория относительности (А. Эйнштейн, 1879 – 1955).

Принцип возможности предсказания новых явлений и эффектов. В основу научной теории гипотеза ложится лишь в том случае, если на её основе удаётся сделать предсказания новых явлений и эффектов, таких, которые, опять-таки допускают экспериментальную проверку, но которые не могут быть объяснены другими гипотезами.

Принцип относительности научного знания. Научные понятия, идеи, концепции, модели, теории, выводы из них всегда относительны и ограничены. Задача учёного – установить границы соответствия существующего научного знания действительности. Здесь, во-первых, следует помнить, любой эксперимент характеризуется ошибками измерения (погрешностью). Совершенствование процедуры измерений позволяет уменьшить эти ошибки, однако, как ни совершенствуй измерительную аппаратуру, соответствующие погрешности хоть и могут стать меньше, но всё же окончательно не исчезнут, поскольку любой прибор характеризуется вполне определёнными диапазоном измерений и чувствительностью.

Во-вторых, существование погрешностей зачастую оказывается принципиально связано с той методикой, с теми теоретическими представлениями, которые положены в основу процедуры измерения. Так, например, долгое время казалось, что по мере совершенствования оптических приборов будут создаваться всё более и более мощные микроскопы, которые, в идеале должны дать возможность измерить размеры отдельных молекулы и атомов. Но этого не произошло из-за того, что для столь малых объектов наблюдения, сами принципы геометрической оптики оказываются неприменимыми. Чем меньше объект, тем более существенной становится необходимость учёта волновых свойств электромагнитного излучения: свет огибает этот объект (явление дифракции), и поэтому увидеть последний оказывается невозможно.

К методам научного познания в настоящее время относят: наблюдение, измерение, индукцию, дедукцию, анализ, синтез, абстрагирование, моделирование и эксперимент.

Описание окружающего мира. Явления и эффекты. Определения. Единицы измерения физических величин. Законы

Понять окружающий мир, это, прежде всего, – описать его. В свою очередь, описание начинается с выявления в природе, в различных областях практической деятельности человека причинно-связанных событий: эффектов и явлений, объяснение которым и даёт наука. Перечислим некоторые из подобных физических явлений:

Термоэлектронная эмиссия – явление испускания электронов нагретыми металлами и полупроводниками;

Интерференция – явление возникновения устойчивой во времени картины распределения максимумов и минимумов колебаний при наложении друг на друга нескольких волн;

Радиоактивный распад – явление распада ядер атомов на более лёгкие ядра и элементарные частицы.

Важным этапом описания наблюдаемого эффекта является введение общепринятых терминов, определений, оперируя которыми можно однозначно информировать окружающих о результатах исследований. В каждой области человеческой деятельности есть свои термины и определения. Приведём примеры определений, используемых в физике (а также в разных областях техники): путь, перемещение, ускорение, импульс, работа, давление, потенциал, эдс, магнитный поток, индуктивность и т.д. Знакомство с любой новой отраслью знаний, – это, прежде всего, освоение используемой в этой отрасли системой терминов и определений, и физика здесь не является исключением.

Количественное соотношение между параметрами, вводимыми а основе определений, невозможно без установления системы единиц измерения величин этих параметров. Часть из этих единиц принимаются за основные (по договорённости для их определения выбираются эталоны), оставшиеся являются производными, определяемыми через основные (хотя производные единицы зачастую и имеют собственное название).

В широко распространённой в настоящее время международной системе единиц СИ основных единиц семь:

метр – единица измерения длины (м);

секунда – единица измерения времени (с);

килограмм – единица измерения массы (кг);

кельвин – единица измерения температуры (К);

моль – единица измерения количества вещества (моль);

ампер – единица измерения силы тока (А);

кандела – единица измерения силы света (кд).

Примеры производных единиц с указанием того, что в них измеряется: метр в секунду (м/с) – скорость; метр в секунду за секунду, (м/с 2 ) – ускорение; килограмм на метр в секунду (кгм/с) – импульс.

Примеры производных единиц, которые имеют в СИ собственное название, с указанием того, что в них измеряется и общепринятыми обозначениями соответствующих параметров:

ньютон – сила F; 1 Н  1 кгмс  2 ;

джоуль – работа A, энергия E, W, количество теплоты Q;

1 Дж  1 Нм  1 кгм 2 с  2 ;

ватт – мощность N, P; 1 Вт  1 Джс  1  1 кгм 2 с  3 ;

паскаль – давление p; 1 Па  1 Нм  2  1 кгм  1 с 2 ;

кулон – заряд q; 1 Кл  1 Ас;

вольт – потенциал , напряжение U, э. д. с. E;

1 В  1 Дж/Кл  1 кгА  1 м 2 с  3 ;

фарад – электроёмкость C; 1 Ф  1 Кл/В  1 А 2 с 4 кг  1 м  2 ;

ом – электрическое сопротивление R, r;

1 Ом  1 В/А  1 кгм 2 с  3 А  2 ;

тесла – индукция магнитного поля B;

1 Тл  1 Н/(Ам)  1 кгА  1 с  2 ;

вебер – магнитный поток ; 1 Вб  1 Тлм 2  1 кг м 2 А  1 с  2 ;

генри – индуктивность L; 1 Гн  1 Вб/А  1 кг м 2 А  2 с  2 ;

(Напомним, сокращения единиц измерения, названных так в честь известных учёных, пишутся с большой буквы).

На основании экспериментальных данных и теоретических построений, призванных объяснить эти данные, удаётся устанавливать определённые законы. Для количественного отображения связи между соответствующими физическими величинами используются формулы, однако следует помнить, что далеко не всегда записанная формула полностью отображает суть закона. Так, например, формулу для силы Ампера, которая действует на проводник с током, помещённый в магнитное поле, можно записать в виде:

FАBIlsin.

Однако, во-первых, следует объяснить, что имеется в виду под символами FА, I, l, B и о каком угле  идёт речь, но и, во-вторых, необходимо сказать, как определяется направление действия этой силы.

Заметим, многие из переменных, входящих в формулы физических законов, являются векторами, и об этом нельзя забывать. Так, запись формулы для силы Ампера в векторном виде выглядит следующим образом:

I[]


(здесь квадратными скобками обозначено векторное произведение векторов и : понятно, что, используя эту формулу, нужно знать, как выбирается направление этих векторов).

Сталкиваясь с конкретной практической ситуацией, исследователь прежде всего создаёт её упрощенную модель, отражающую основные особенности ситуации. Примерами моделей являются материальная точка, нерастяжимая нить, абсолютно твёрдое тело, идеальный газ, точечный заряд и др. Чем проще модель, тем легче описать её математически. Именно это и имеет место в учебных задачах, которые приведены в стандартных задачниках по физике. В большинстве случаев там сразу понятно, о каких явлениях, эффектах идёт речь, какие законы соответствуют этим явлениям, и какие, описывающие эти законы формулы, должны быть привлечены для решения задачи. В реальности, однако, зачастую неизвестно, какие из параметров являются существенными, а какие – нет, и только эксперимент подскажет, правильно ли вы рассчитали результат, или он далёк от истины. Но только решая учебные задачи можно научиться «чувствовать ситуацию», овладеть навыками самостоятельной работы, то есть – стать грамотным специалистом.

Лекции по физике металлов


Одним из главных принципов уникальной «системы Физтеха», заложенной в основу образования в МФТИ, является тщательный отбор одаренных и склонных к творческой работе представителей молодежи. Абитуриентами Физтеха становятся самые талантливые и высокообразованные выпускники школ всей России и десятков стран мира.



МФТИ является одним из ведущих технических вузов России. Институт по праву занимает лидирующее место по качественному приему абитуриентов и квалифицированной подготовке выпускников. Студенты и выпускники МФТИ являются представителями узкого круга лиц, которые, благодаря окружающим их возможностям междисциплинарного научного образования, могут в полной мере реализовать свой потенциал.

  • Общая информация
  • Руководство
  • Физтех-школы
  • Подразделения
  • Публикации в СМИ
  • МФТИ в рейтингах
  • История Физтеха
  • Сведения об образовательной организации
  • Партнеры
  • Абитуриенту
  • Профилактика коронавируса
  • Цели устойчивого развития
  • Физтех.Оплата


Уникальная ­­«Система обучения Физтеха» является одним из лучших подходов к образованию, что доказывает ее существование почти в неизменном виде уже более 60 лет. Получение фундаментального образования в области математики и физики, предварительное знакомство с избранной специализацией наряду с приобретением навыков самостоятельной работы уже на 4м курсе обеспечивают каждого студента объемом знаний и опыта полноценного ученого. Таким образом, к окончанию обучения студенты уже имеют значительные достижения в избранном ими направлении деятельности.

  • Дистанционное обучение
  • Открытые онлайн-курсы МФТИ
  • Институтские кафедры и департаменты
  • Преподаватели
  • Базовые и факультетские кафедры
  • Абитуриентам и школьникам
  • Иностранным гражданам
  • Повышение квалификации
  • Повышение квалификации ФПМИ
  • Диссертационные советы
  • Совместные программы
  • Аспирантура


Исследования в МФТИ охватывают широкий круг областей теоретической и экспериментальной физики, энергетики и биомедицины, химии и прикладной математики. Поддержка ряда государственных и частных научных и инвестиционных фондов позволяет нашим ученым каждый день вести разработки на переднем крае науки, чтобы сделать мир более совершенным, удобным и безопасным.

  • Лаборатории и научные центры
  • Центр коллективного пользования
  • Сопровождение научной деятельности
  • Визит-профессора МФТИ
  • Проект 5—100
  • Гранты и конкурсы
  • Программы развития
  • ФИП
  • Тренинги предпринимательских компетенций
  • Отдел по интеллектуальной собственности
  • Научно-технический совет
  • Конференции
  • Научные журналы МФТИ
  • База научных статей
  • Результаты интеллектуальной деятельности
  • Всероссийский конкурс научно-популярной журналистики «Импульс»
  • Экспертно-консультационная поддержка по вопросам внедрения программ развития
  • Публикационная активность

КУРС ЛЕКЦИЙ

ПО ОСНОВАМ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ:

Лекция №1 "Кристаллические структуры твердых тел" от 08 февраля 2019 г.

Содержание лекции: История физики твердого тела. Классификация кристаллических решеток Бравэ. Параметры ячейки Бравэ. Вектора трансляции. Примитивная ячейка. Примитивная ячейка Вигнера-Зейтца. Примитивная ячейка ГЦК. Примитивная ячейка ОЦК. Индексы Миллера. [Обозначение направления с помощью индексов Миллера - частично отсутствует из-за технических неполадок!]. Динамика кристаллической решетки. Связи в кристаллических решетках. Ван-дер-Ваальсовы силы. Потенциал Леннарда-Джонса. Ионная связь. Ковалентная связь. Металлическая связь. Уравнение движения в кристаллической решетке. Закон дисперсии звуковой волны. Зона Бриллюэна.

Лекция №2 "Частные случаи кристаллических структур" от 15 февраля 2019 г.

Содержание лекции: Задача влияния ближайших соседей. Зона Бриллюэна. Рассмотрение продольных и поперечных колебаний. Цепочка из разных атомов. Колебания в фазе и противофазе. Упругое рассеяние нейтронов и рентгеновских квантов в кристаллах. Условие Брэгга-Вульфа. w(K_x, K_y, K_z).

Лекция №3 "Кристаллические решетки" от 22 февраля 2019 г.

Содержание лекции: Теплоёмкость кристаллической решётки. Модель Дебая. Фононы, их импульс и энергия. Квазиимпульс. Сфера с дебаевским радиусом. Приближение при низких температурах. Приближение при высоких температурах. Модель Эйнштейна. Задача о концентрации фононов. Средняя энергия фононов. Средний импульс фононов w(K_x, K_y, K_z).

Лекция №4 "Теплопроводность" от 1 марта 2019 г.

Содержание лекции: теплопроводность, коэффициент теплопроводности. Дополнение модели Дебая (учёт ангармонизма). Нормальные столкновения фононов (без переброса) и U-процессы (с перебросом) Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры. Механическая модель колебаний атомов в кристалле. Потенциальные ямы в металлах. Предельная частота фононов. Предельная скорость движения атомов в кристалле. Распределение Ферми.

Лекция №5 "Теплоёмкость электронного газа" от 15 марта 2019 г.

Содержание лекции: Распределение Ферми. Химический потенциал и его зависимость от температуры. Теплоёмкость электронного газа. Рассеяние электронов на узлах кристаллической решётки. Задача о движении электрона в периодическом поле кристалла. Групповая скорость. Эффективная масса.

Лекция №6 "Электропроводность, теплопроводность" от 22 марта 2019 г.

Содержание лекции: Закон дисперсии электронов. Электропроводность. Плотность электрического тока. Формула Друде. Правило Маттисена. Зависимость удельного сопротивления от температуры. Закон Грюнайзена-Блоха. Теплопроводность. Закон Видемона-Франца. Полупроводники.

Лекция №7 "Полупроводники" от 29 марта 2019 г.

Содержание лекции: Концентрация электронов и дырок. Электронный газ. Условие электронейтральности. Химический потенциал. Чистый полупроводник. Полупроводники n- и p-типа. Электропроводность и подвижность носителей в металлах и полупроводниках.

Лекция №8 "Полупроводники, сверхпроводники" от 5 апреля 2019 г.

Лекция №9 "Сверхпроводники" от 12 апреля 2019 г.

Содержание лекции: Куперовские пары. Энергетическая щель в различных веществах. Длина когерентности куперовской пары. Лондоновская глубина проникновения магнитного поля в Сверхпроводник. Сверхпроводники 1 рода. Сверхпроводники 2 рода. Квантование магнитного потока. Сверхтекучесть.

Лекция №10 "Сверхтекучесть, Низкоразмерные системы" от 19 апреля 2019 г.

Содержание лекции: Немного о сверхтекучести. Гелий-2. Критическая скорость. Ротоны. Зависимость теплоёмкости от температуры в сверхтекучем состоянии. Низкоразмерные системы. Эффект Ааронова-Бома. Квантовые явления в низкоразмерных системах. Полевой транзистор. Классический эффект Холла. Квантование Ландау.

Лекция №11 "Магнетизм" от 26 апреля 2019 г.

Содержание лекции: Уровни Ландау. Квант магнитного потока. Количество квантов магнитного потока на 1 см^2. Квантовый целочисленный эффект Холла. Определение электрического сопротивления. Магнитные свойства вещества. Классификация магнетиков. Диамагнетизм. Парамагнетизм.

Лекция №12 "Магнетизм (продолжение)" от 10 мая 2019 г.

Содержание лекции: Повторение материала прошедших лекций. Парамагнетизм Паули. Диамагнетизм Ландау. Ферромагнетизм. Поле Кюри-Вейсса. Антиферромагнетизм. Магнон. Закон Блоха (закон трёх вторых).

Федеральное агентство по образованию рф

Материаловедение –наука, изучающая строение и свойства материалов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами. Под материалами нужно понимать как металлы, так и неметаллические соединения.

Наука «металловедение» –как часть материаловедения возникла в середине XIX в. Впервые связь между строением и свойствами металлов установил П.П.Аносов (1799-1855 гг.),применивший для изучения стали микроскоп. Позднее (1863 г.) микроскоп для исследования строения металлов использовал Сорби (Англия).Однако основы научного металловедения были заложены выдающимся русским металлургом Д.К.Черновым (1839-1921гг.),который за свои работы был назван в литературе отцом металлогра­фии.

Продолжением работ Чернова Д.К. явились исследования Н.В.Гутовского, Н.П.Чижевского, Р.Аустена, а позднее А.М.Бочвара. Г.В.Курдюмова. Н.С.Курнакова и др.

Достижения в области физики прочности и пластичности за последние годы позволили перевести физическое металловедение на качественно но­вый уровень и обеспечили небывалый прогресс в разработке конструкцион­ных и инструментальных материалов в различных областях техники.

1.Атомно-кристаллическая структура металлов

1.1. Классификация металлов

Под металлами понимают определенную группу элементов, расположен­ную в левой части Периодической таблицы Д.И.Менделеева. В технике под металлом понимают вещества, обладающие "металлическим блеском", в той или иной мере присущим всем металлам, и пластичностью. По этому приз­наку металлы можно легко отличить от неметаллов, например дерева, кам­ня, стекла или фарфора.

Особенность строения металлических веществ заключается в том, что они все построены в основном из таких атомов, у которых внешние элект­роны слабо связаны с ядром. Это обусловливает и особый характер хими­ческого взаимодействия атомов металла, и металлические свойства. Элект­роны имеют отрицательный заряд, и достаточно создать ничтожную раз­ность потенциалов, чтобы началось перемещение электронов по направле­нию к положительно заряженному полюсу, создающие электрический ток. Вот почему металлы являются хорошими проводниками электрического тока, а неметаллы или не являются. Слабая связь наружных электронов с ядром обусловливает химические и физические свойства металлов.

В силу указанных выше особенностей металлы и их сплавы имеют сле­дующее атомно-кристаллическое строение. В определенных местах кристал­лической решетки располагаются положительно заряженые ионы, а наруж­ные свободные электроны создают внутри металла, как бы легкотекучую жидкость, или электронный газ, который беспорядочно движется во всех направлениях. При определенных условиях, например при создании разнос­ти потенциалов, движение электронов получает определенное направление и возникает электрический ток.

Теория металлического состояния рассматривает металл как вещест­во, состоящее из положительно заряженных ионов, окруженных отрицатель­но заряженными частицами - электронами, слабо связанными с ядром. Эти электроны непрерывно перемещаются внутри металла и принадлежат не од­ному какому-то атому, а всей совокупности атомов.

Таким образом, характерной особенностью атомно-кристаллического строения металлов является наличие электронного газа внутри металла, слабо связанного с положительно заряженными ионами. Легкое перемещение этих электронов внутри металла и малая их связь с атомами обусловлива­ют наличие у металлов определенных металлических свойств (высокая электро- и теплопроводность, металлический блеск, пластичность и др.)

Все металлы можно разделить на две большие группы - черные и цветные металлы.

Черные металлы темно-серого цвета, с большой плотностью (кроме щелочноземельных) , высокой температурой плавления, и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типич­ным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, отно­сительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Все металлы - можно подразделить следующим об­разом:

1. Железные металлы - железо, кобальт, никель и близкий к ним по своим свойствам марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответс­твующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

2. Тугоплавкие металлы (вольфрам), температура плавления которых выше, чем железа (т.е. 1539 о С),применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.

3. Редкоземельные металлы (РМЗ) - лантан, церий, неодим, празео­дим и др., объединяемые под названием лантаноидов, и сходные с ними по свойствам иттрий и скандий.

4. Щелочноземельные металлы (литий, калий, натрий и др) в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением специальных случаев.

Цветные металлы подразделяются :

1. Легкие металлы - бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью.

2. Благородные металлы - серебро, золото, металлы платиновой группы.

3. Легкоплавкие металлы - цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойс­твами - галлий, германий.

Физика металлов

Ш25 Шарипов И.З. Физика металлов: Учебное пособие/ Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т.– Уфа, 2005.– 89 с.

Изложены основы строения и физики явлений, происходящих в металлических материалах. Рассмотрено влияние структуры, химического состава на их свойства. Пособие рассчитано на студентов, обучающихся по заочной и вечерней форме по направлению подготовки дипломированных специалистов 657800 - «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных процессов», специальность 120100 «Технология машиностроения», и по направлению подготовки бакалавров 552900 - «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительного производства».

Табл. 10. Ил. 42. Библиогр. 15 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Уфимского государственного авиационного технического университета.

Д-р физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. ИПСМ РАН Пшеничнюк А.И.

Канд. физ.-мат. наук, Балапанов М.Х.

доц. каф. общей физики БашГУ

ISBN5–86911–503–5 © И.З. Шарипов, 2005

© Уфимский государственный авиационный

технический университет, 2005

Федеральное агентство по образованию 1

I. строение веществ 7

II. Кристаллизация металлов 48

III. Проводниковые материалы 58

IV. Магнитные материалы 70

Список литературы 93

Введение

Умение получать необходимые материалы из имеющихся в окружающем мире ресурсов является необходимой предпосылкой развития цивилизации. В древние времена для создания орудия и инструмента человек применял только те материалы, которые ему предлагала природа: дерево, камень, так или иначе отвечающие требованиям твердости, прочности.

Около 6-7 тысяч лет назад человек начал использовать самородные металлы: золото, серебро, медь, добыча которых не требовала больших знаний и техники. В 4-3-м тысячелетии до н. э. научились выплавлять металл из руды: медь, олово, свинец. Благодаря добавлению относительно легко получаемого олова к меди получили новый материал – сплав бронзу. В сплаве удалось снизить точку плавления по сравнению с медью (медь Тпл – 1083 о С, бронза Тпл ниже 415 о С), что значительно облегчило обработку этого сплава. Началась бронзовая эра. Применение железа началось во II тысячелетии в Египте и Малой Азии, затем распространилось в Европу. Железо тверже , прочнее меди и бронзы, поэтому народы, овладевшие новой технологией, становились лидерами в развитии цивилизации. Это открыло железный век - эпоху железного меча, а также железного плуга и топора. К XVII - XVIII вв. железо стало наиболее употребляемым металлом.

Рассмотрим табл. В1:

Мы видим, что положение металла в электрохимическом ряду напряжений определяет время его освоения, что, в свою очередь, оказало значительно большее влияние на развитие человечества, чем события и личности, которые историки выдвигают на передний план. Человек начинал активно использовать тот или иной металл лишь после накопления определенной суммы знаний, овладев достаточным мастерством. Так, железо или цинк требовали более высокоразвитой технологии по сравнению с благородными металлами, а металлы, как алюминий и магний, освоены совсем недавно. Титан как элемент был открыт в 1791 году, а получить первые тонны промышленного металла смогли лишь в 1948 году.

Уже в ранние исторические времена были развиты технические приемы по регулированию свойств материалов. Применением различных технологических приемов можно задавать материалу различные свойства, как прочность, жаростойкость, коррозионная стойкость, получать комбинации или соединения материалов, которые обычными способами достичь нельзя. С развитием технологии стало возможным массовое производство микролегированных сталей, материалов с направленной кристаллизацией, монокристаллов, аморфных сплавов, композиционных материалов, металлов с памятью формы и др.

Обратившись к истории техники, мы можем увидеть тесную связь между техническим прогрессом и наличием подходящих материалов. Например, в 1820 году в Англии была запатентована прокатка сортового металла, что дало толчок строительству железных дорог, так как стало возможным изготавливать рельсы в большом количестве и с высокой точностью. Сегодня новые технологии и специальные сплавы с уникальными свойствами позволяют создавать компьютеры, мощные самолеты, космическую и ядерную технику. Поэтому для современного специалиста крайне важно знание многообразия применяемых металлических материалов и умение сделать выбор наиболее эффективного материала для конкретной цели.

В учебном пособии даются представления об основных процессах и явлениях, происходящих в металлических материалах при различных физических воздействиях и технологических операциях. Более подробные сведения можно почерпнуть из учебников и пособий перечисленных в списке литературы 9. Некоторые более специальные вопросы освещены в 11. В 13 рассмотрены материалы, применяемые в электронной промышленности и технике.

Читайте также: