bogodukhov_s_i_sinyukhin_a_v_kozik_e_s_kurs_materialovedeniy

№4. C) Неверно. В группу редкоземельных металлов входят лан* таноиды и сходные с ними иттрий и скандий. Вольфрам к лантанои* дам не относится.

№5. C) Правильно.

№6. C) Правильно.

№7. C) Неверно. Sn относят к легкоплавким металлам (tпл

232 °С), к тому же по плотности олово лишь немного уступает железу.

№8. C) Неверно. Низкую температуру плавления имеет только сурьма (630 °С), а у Ni она достаточно высока (1453 °С). Никель отно* сят к металлам железной группы.

№9. C) Правильно.

№10. C) Правильно.

№11. C) Неверно. Анизотропия свойственна всем кристалличе* ским телам, в том числе и с направленными межатомными связями.

№12. C) Неверно.

№13. C) Неверно. Неметаллический материал графит обладает электропроводностью, сравнимой с электропроводностью металлов.

№14. C) Для меди действительно характерна прямая зависимость электросопротивления от температуры, однако так ведет себя не только медь. Ищите более полный ответ.

№15. C) Правильно.

№16. C) Неверно. Дрейф электронов обусловливает электриче* ский ток в среде. Перенос же тепла наблюдается и в отсутствие элек* трического тока.

№17. C) Неверно. Домены связаны с кристаллической структурой ферромагнетиков, но дефектами ее не являются.

Позиция D

№1. D) Неверно. По удельной прочности классифицируют конст* рукционные материалы. К тому же такие материалы, как сплавы ти* тана, бериллия и особенно композиты, обладают более высокой удельной прочностью, чем сплавы на основе железа.

№2. D) Неверно. Дуралюмины — это цветные сплавы на основе алюминия.

№3. D) Неверно. К редкоземельным относят металлы группы лантана — лантаноиды (Ce, Pr, Nd, Sm и др.), а также иттрий (Y) и скандий (Sc). Большинство РЗМ имеют tпл ниже, чем у железа.

№4. D) Правильно.

№5. D) Неверно. К тугоплавким относятся металлы с температу* рой плавления выше tпл железа.

№6. D) Неверно. К редкоземельным относятся металлы группы лантана, иттрий и скандий. Магний в группу лантана не входит.

22КУРС МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ

№7. D) Правильно.

№8. D) Неверно. Низкую температуру плавления имеет только Zn (420 °С), а у Co она достаточно высока (1493 °С). Кобальт относят к металлам железной группы.

№9. D) Неверно. Золото — благородный металл, никель — цвет* ной металл.

№10. D) Неверно. Направленность связей характерна для кова* лентных кристаллов, например, для углерода, кремния. Металличе* ская связь ненаправленная.

№№ 11–13. D) Правильно.

№14. D) Неверно. Для полупроводников характерна обратная за* висимость электросопротивления от температуры.

№15. D) Для полупроводниковых материалов действительно ха* рактерна обратная зависимость электросопротивления от температу* ры. Однако такая взаимосвязь существует для более широкого круга материалов. Ищите более полный ответ.

№16. D) Неверно. Нескомпенсированность собственных (спино* вых) моментов электронов характерна для парамагнетиков. Парамаг* нетизм наблюдается как у металлов, так и у неметаллических мате* риалов. Последние обладают невысокой теплопроводностью.

№17. D) Неверно. Практически бездефектные участки металли* ческого зерна называют блоками мозаичной структуры.

1.2.2. Кристаллическое строение металлов и дефекты кристаллических структур

Все металлы — кристаллические материалы. Положительно заря* женные ионы, образующие каркас металлического тела, совершают непрерывные тепловые колебания около точек, закономерно распо* ложенных в определенных местах пространства. Эти точки являются узлами воображаемой пространственной кристаллической решетки.

Наименьший объем кристалла, при трансляции которого по ко* ординатным осям воспроизводится вся кристаллическая решетка, называется элементарной кристаллической ячейкой. Ячейка характе* ризуется параметрами a, b и c — периодами кристаллической решет* ки (расстояниями между атомами, расположенными на ребрах ячей* ки, направленных по осям x, y и z соответственно) и углами между координатными осями — (между осями x и z), (между y и z),(между x и y).

Различают простые и сложные кристаллические решетки. В эле* ментарной ячейке простой решетки атомы (ионы) расположены толь* ко в вершинах образующего ячейку многогранника. В сложных — они могут находиться также внутри многогранника или на его гранях.

Металлы имеют сложные кристаллические решетки. В большин* стве случаев — это кубическая объемно центрированная (ОЦК), кубиче ская гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная

(ГПУ).

В элементарной ячейке ОЦК атомы находятся в вершинах куба и внутри него, в точке пересечения пространственных диагоналей. В ячейке ГЦК атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. В ячейке ГПУ атомы находятся в вершинах правильной шести* гранной призмы, в центре каждого ее основания и, кроме того, три атома заключены внутри призмы.

Размеры элементарной ячейки определяются размерами образую* щих ее атомов. При этом полагают, что атомы, представляемые в виде жестких шаров, касаются друг друга в направлениях ячейки с наибо* лее плотным их расположением.

Во многих случаях в разных температурных интервалах один и тот же металл обладает различными кристаллическими решетками. Такое явление носит название полиморфизм или аллотропия.

Важными характеристиками кристаллической решетки являются коэффициент компактности, координационное число, базис.

Коэффициент компактности — это отношение объема принадле* жащих кристаллической ячейке атомов к объему всей ячейки. Следу* ет иметь в виду, что в кристаллической решетке часть атомов, состав* ляющих ячейку, относится не только к данной ячейке, но и к ячей* кам, находящимся по соседству. Например, атом, расположенный в вершине кубической ячейки (простая кубическая, ОЦК, ГЦК), при* надлежит еще семи соседним ячейкам, т.е. данной ячейке принадле* жит лишь 1/8 атома.

Коэффициент компактности простой кубической решетки равен 52 %, ОЦК — 68 %, ГЦК — 74 % (столь же компактна решетка ГПУ). Остальное пространство занято порами. В ячейке ГЦК в центре рас* положена крупная октаэдрическая пора с радиусом, равным 0,41 ра* диуса атома. В ячейке ОЦК больших пор нет. Поры, расположенные на ребрах ячейки, имеют радиус, равный 0,16 радиуса атома.

Координационное число — это число атомов, находящихся в кри* сталлической решетке на равном наименьшем расстоянии от данного атома. Каждый атом простой кубической решетки имеет 6 ближай* ших соседей, расположенных на расстоянии длины ребра куба (на расстоянии периода решетки). Координационное число такой решет* ки обозначают К6. В ОЦК*решетке у каждого атома 8 ближайших со* седей и координационное число равно 8 (К8). В ГЦК и ГПУ решетках каждый атом имеет 12 ближайших соседей. Соответственно коорди* национные числа К12 и Г12.

24 КУРС МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ

Чем выше координационное число, тем плотнее пространственная кристаллическая решетка материала.

Базис кристаллической решетки — это таблица координат атомов, принадлежащих элементарной ячейке, рассматриваемой в простран* ственных координатных осях. Базис простой кубической решетки (0,0,0), ОЦК — (0,0,0; 1/2,1/2,1/2), ГЦК — (0,0,0; 1/2,0,1/2; 0,1/2,1/2; 1/2,1/2,0).

Пространственное положение кристаллографических плоскостей (плоскостей, проходящих через определенные группы атомов кри* сталлической решетки), а также кристаллографических направлений характеризуется кристаллографическими индексами.

Индексы плоскости — это три целых числа, заключенных в круглые скобки и представляющих собой приведенные к целым числам значе* ния обратных величин отрезков, отсекаемых плоскостью на осях x, y, z. За единицы длины принимают параметры решетки a, b, c. Напри* мер, плоскость, включающая пространственные диагонали куба, име* ет индексы (101). Если плоскость отсекает отрицательные отрезки, то знак минус ставится над соответствующим индексом. Кристаллогра* фические индексы отражают положение не только данной плоскости, но целого семейства плоскостей, ей параллельных.

Индексы направлений — это три числа, заключенных в квадратные скобки и представляющих собой приведенные к целым значениям координаты любой точки направления после его параллельного пере* носа в начало координат. За единицы длины принимают параметры кристаллической решетки. Например, направление, совпадающее с пространственной диагональю куба, имеет индексы [111]. Если на* правление имеет отрицательные координаты, то над соответствую* щим индексом ставится знак минус.

В различных направлениях кристаллической решетки плотность расположения атомов различна, что влечет за собой различие в свой* ствах кристалла в зависимости от направления, в котором это свойст* во измерено — анизотропию. В поликристаллических телах в пределах отдельных зерен наблюдается явление анизотропии. Однако, по* скольку ориентация кристаллической решетки в различных зернах различна, в целом по куску материала свойства усредняются. Поэто* му реальные металлы являются изотропными, т.е. телами с примерно одинаковыми свойствами по всем направлениям. Поскольку их изо* тропность является не истинной, а усредненной, то их принято назы* вать квазиизотропными. Если каким*либо способом, например давле* нием, сориентировать кристаллические решетки в зернах одинаково (создать текстуру деформации), то такое поликристаллическое тело станет анизотропным.

Реальные кристаллы всегда содержат дефекты — искажения пра* вильного расположения атомов в пространстве. Различают точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты.

Точечные дефекты по размерам сравнимы с межатомными рас* стояниями. К ним относятся вакансии (отсутствие атома в узле кри* сталлической решетки), межузельные или дислоцированные атомы (атом находится в межузельном пространстве кристаллической ре* шетки) и примесные атомы. Среди последних различают атомы заме* щения (чужеродный атом занимает место в узле кристаллической ре* шетки) и атомы внедрения (чужеродный атом находится в межузель* ном пространстве решетки).

Линейные дефекты по размерам в двух направлениях сравнимы с межатомными расстояниями, а в третьем простираются на многие тысячи периодов кристаллической решетки. Важнейшими видами линейных несовершенств являются краевые (линейные) и винтовые дислокации.

Образование краевых дислокаций вызвано присутствием в кристал* лической решетке неполных кристаллографических плоскостей. Та* кие полуплоскости, не имеющие продолжения в нижней или верхней частях кристаллической решетки, называются экстраплоскостями. Краевая дислокация представляет собой область упругих искажений, проходящих вдоль края экстраплоскости. Различают положительные и отрицательные дислокации. Положительная дислокация (ее отме* чают знаком ) возникает, если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, если в нижней — отрицательная (ее отмечают зна* ком ).

Винтовая дислокация — это область упругих искажений кристалли* ческой решетки, проходящая вдоль линии, вокруг которой атомные плоскости изогнуты по винтовой поверхности. В зависимости от на* правления изгиба различают правые и левые винтовые дислокации.

Дислокации (краевые и винтовые) не могут обрываться внутри кристалла. Они выходят на границы кристалла, прерываются другими дислокациями или образуют дислокационные петли.

Поверхностные дефекты малы только в одном направлении. Они представляют собой упругие искажения кристаллической решетки по границам зерен или их фрагментов (блоков мозаичной структуры). Различают большеугловые (высокоугловые) и малоугловые (низкоуг* ловые) границы.

Большеугловые границы представляют собой области в несколько периодов кристаллической решетки, на протяжении которых решетка одной кристаллографической ориентации переходит в решетку дру* гой ориентации. Такое строение имеют межзеренные границы.

№21. Сколько атомов принадлежит представленной на рис. 3 эле* ментарной ячейке?

A)8. B) 6. C) 4. D) 14.

№22. Какую структуру кристаллической решетки имеет медь при комнатной температуре?

A)ОЦК. B) ГЦК. C) ГПУ. D) Аморфное строение.

№23. Какую структуру кристаллической решетки имеет титан при комнатной температуре?

A)ОЦК. B) ГЦК. C) ГПУ. D) Аморфное строение.

№24. Какова химическая формула сплава, кристаллическая ре* шетка которого представлена на рис. 4?

A)A2B. B) A8B. C) A4B. D) AB.

№25. Как называется свойство, состоящее в способности вещест* ва существовать в различных кристаллических модификациях?

A)Полиморфизм. B) Изомерия. C) Анизотропия. D) Текстура.

№26. Как называется характеристика кристаллической решетки, определяющая число атомов, находящихся на наименьшем равном расстоянии от любого данного атома?

A)Базис решетки. B) Параметр решетки. C) Коэффициент ком* пактности. D) Координационное число.

№27. Каково координационное число кри*

сталлической решетки, элементарная ячейка которой представлена на рис. 5?

A) К8. B) К12. C) К6. D) Г12.

№ 28. Почему вещества, обладающие кри* сталлической решеткой, представленного на рис. 6 типа, не образуют растворов внедрения

A) (2 1 4). B) (2 4 1). C) (1 2 1/2). D) (1 1/2 2).

№34. Как называется явление, заключающееся в неоднородно* сти свойств материала в различных кристаллографических направ* лениях?

A) Изотропность. B) Анизотропия. C) Текстура. D) Полимор* физм.

№35. Какие тела обладают анизотропией?

A) Текстурованные поликристаллические материалы. B) Ферромаг* нитные материалы. C) Поликристаллические вещества. D) Аморфные материалы.

№ 36. Какие тела обладают анизотропией?

A) Парамагнетики. B) Монокристаллы. C) Вещества, обладающие полиморфизмом. D) Переохлажденные жидкости.

№37. К какой группе дефектов кристаллических структур можно отнести дефект представленного на рис. 10 фрагмента кристалличе* ской решетки?

A)К точечным. B) К линейным. C) К поверхностным. D) К объем*

ным.

№38. Какую группу дефектов представляют собой искажения, ох* ватывающие области в радиусе 6–7 периодов кристаллической ре* шетки?

A)Поверхностные. B) Объемные. C) Точечные. D) Линейные.

№39. Как называется дефект, вызванный отсутствием атома в узле кристаллической решетки?

A)Дислокация. B) Пора. C) Вакансия. D) Межузельный атом.

30 КУРС МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ

№ 40. Какого рода дефект кристаллической структуры представ* лен на рис. 11?

A) Примесный атом внедрения. B) Межузельный атом. C) При* месный атом замещения. D) Вакансия.

№41. Как называется элемент кристаллической структуры, поме* ченный на рис. 12 знаком вопроса?

A)Плоскость скольжения. B) Краевая дислокация. C) Цепочка межузельных атомов. D) Экстраплоскость.

№42. Как называются дефекты, измеряемые в двух направлениях несколькими периодами, а в третьем — десятками и сотнями тысяч периодов кристаллической решетки?

A)Межузельные атомы. B) Поверхностные дефекты. C) Дислока* ции. D) Микротрещины.

№43. Что такое экстраплоскость?

A)Плоскость раздела фрагментов зерна или блоков мозаичной струк* туры. B) Поверхностный дефект кристаллической решетки. C) Атомная полуплоскость, не имеющая продолжения в нижней или верхней частях кристаллической решетки. D) Атомная плоскость, по которой происхо* дит скольжение одной части кристалла относительно другой.

№44. Как называется дефект, представляющий собой область ис* кажений кристаллической решетки вдоль края экстраплоскости?

A)Краевая дислокация. B) Цепочка вакансий. C) Микротрещина.

D)Винтовая дислокация.

№45. «... представляет собой переходную область в 3–4 периода от кристаллической решетки одной ориентации к решетке другой ориентации». О какой структуре идет речь?