Материаловедение

Лекція 1.

Ударна в'язкість, здатність матеріалу поглинати механічну енергію в процесі деформації і руйнування під дією ударного навантаження. Звичайно оцінюється роботою до руйнування надрізаного зразка при ударному вигині, віднесеної до площі його перетину в місці надрізу. Розмірність, Дж/м².

   Легування (німий. legieren – сплавлять, від лат.  ligo – зв'язую, сполучаю), введення до складу металевих сплавів так званих легуючих елементів (наприклад, в сталь -   Cr, Ni, Mo, W, V, Nb, Ti і ін.) для додання сплавам певних фізичних, хімічних або механічних властивостей. Другій метод - введенням сторонніх атомів в тверде тіло (наприклад, в напівпровідники для створення необхідної електричної провідності) іонним упровадженням (іонне легування).

Легована  сталь, крім звичайних домішок містить так звані легуючі елементи. Розрізняють низьколеговану (сумарний зміст легуючих елементів до 2,5%), середньолеговану (2,5...10%) і високолеговану (понад 10%) сталь.

Ефект пам'яті (в матеріалознавстві), відновлення в результаті нагріву після пластичної деформації первинної форми виробу. Спостерігається у виробах із сплавів нікелю і титана (нітинол), Au-Cd, Ti-Co, Ti-Fe і ін. Ефект пам'яті виявляється, наприклад, якщо пластична деформація супроводилася мартенсітним перетворенням.

Надпровідність, фізичне явище, спостережуване у деяких речовин (надпровідників) при охолоджуванні їх нижче певної критичної температури Т_к і полягає в обігу в нуль електричного опору постійного струму і у виштовхуванні магнітного поля з об'єму зразка (ефект Мейснера). Надпровідність відкрита Х.Камерлінг-Оннесом (1911); перехід в надпровідний стан пов'язаний з утворенням куперовських пар електронів.

Купера ефект – Купер Леон (1930 р.н.). американський фізик-теоретик. Один з авторів мікроскопічної теорії надпровідності (1957) Нобілевській лауреат (1972). Передбачив (1956) ефект, об'єднання вільних електронів в металі в пари (куперовські пари) в результаті їх тяжіння, викликаного коливаннями кристалічних грат, що й приводить до появленню надпровідності.

Надпровідники, речовини, перехідні в надпровідний стан при температурах від 23К (Nb₃Ge) і нижче. До надпровідників відносяться близько половини металів, декілька сотен сплавів, у тому числі інтерметалеві з'єднання, безліч напівпровідників. По магнітних властивостях розрізняють надпровідники 1-го і 2-го роду.

Надпровідні магнітометри, прилади для вимірювання магнітних полів і їх градієнтів, дія яких заснована на ефекті Джозефсона. Чутливість надпровідного магнітометра досягає 10^-13 Т (10^-9Гс).

Ефект Джозефсона  - протікання надпровідного струму через тонкий (близько 10 А) шар ізолятора, що розділяє два надпровідники (так званий контакт Джозефсона). Якщо струм і не перевищує критичні значення ік, то падіння напруги на контакті відсутнє (так званий стаціонарний Джозефсоновській ефект). При і > і_к, на контакті виникає падіння напруги і контакт випромінює електромагнітні хвилі (не стаціонарний Джозефсоновській ефект). Ефект був передбачений Брайан Джозефсоном (1940 р.н.), англійським фізиком (1962) квантові ефекти при протіканні надпровідного струму. (Нобелівський лауреат 1973). На основі Джозефсоновського ефекту створені високочутливі (до 10^-9 Гс, або 10^-13 Т) магнітометри, уточнені значення ряду фундаментальних фізичних постійних.

Надпровідний  магніт, електромагніт або соленоїд, обмотки яких виконані з матеріалу, що знаходиться під час роботи в надпровідному стані.

Металкрілати, складні ефіри метакрилової кислоти або її солі; ефіри СН₂=С(CH₃)СOOR – безбарвні рідини, солі [СН₂=С(CH₃)СOO]_nM – кристалічні речовини (R – органічний радикал, наприклад, CH₃^- ;  M – метал із ступенем окислення n). Промислове застосування мають головним чином ефіри (метил-, этил- і бутилметакрилати). З яких синтезують полімери, вживані у виробництві безосколочних стекол, клеїв, лаків, шаруватих пластиків, а також в хірургії і стоматології для виготовлення протезів.

Металіди (інтерметаліди, металеві з'єднання), хімічні з'єднання металів між собою. Метали входять до складу металідів, як правило, в стехіометрічних співвідношеннях, утворюють так звані дальтоніди (рідше в нестехіометрічних, утворюючи так звані бертоліди). Багато металідів застосовується як магнітні матеріали, напівпровідники, надпровідники. Іноді до металідів відносять з'єднання металів з деякими неметалами (наприклад, Mg₂Si, Mg₃P₂).

Металізація, покриття поверхні виробу шаром метала або сплаву для повідомлення їй фізичних, хімічних і механічних властивостей, відмінних від властивостей матеріалу, що металізується. Застосовується для захисту виробів від корозії, зносу, ерозії, підвищення контактної електричної провідників, в декоративного покриття тощо. Види металізації: електролітична, хімічна, плазмова (напиленням), плакируванням, осадженням хімічних з'єднань з газовій фазі, електрофорезом, вакуумна, вибухом, лазерна, плазмова, зануренням в розплави, дифузійна тощо.

Металоїди (від метали і греч. eidos - вигляд), застаріла назва неметалів. Іноді металоїдами називають елементи, які по властивостях займають проміжне положення між металами і неметалами: бор, кремній, германій, миш'як, сурьма, телур, полоній.

Металокераміка, застаріла назва спечених матеріалів, одержуваних методами порошкової металургії.

Металокерамічна  лампа, електронна лампа (тріод, тетрод), балон, який виконаний з метала і кераміки. Використовуються в якості приємно-підсилювальних або генераторних ламп в діапазонах дециметрових і сантиметрових хвиль.

Металонаповнені пластики (металополімери), пластмаси, що містять як наповнювач металеві порошки. Замінюють метали у виробах, які повинні мати високу теплопровідність і низький температурний коефіцієнт розширення (наприклад, деталі підшипників); застосовуються у виробництві магнітних стрічок,  пристроїв  для відведення статичної електрики і ін.

Металооптика, розділ оптики, в якому вивчається взаємодія металів з електромагнітними хвилями в широкій області довжин хвиль, що включає оптичний діапазон.

Металорганічні  з'єднання, містять в молекулі атом якого-небудь металу, що безпосередньо пов'язаний з атомом вуглецю, тобто мають зв'язок С – М, наприклад, фенілітій С₆Н₅Li, метімагнійбромід  CH₃MgBr, тетраетілсвинець (C₂H₅)₄Pb. Металоорганічні сполуки – реагенти органічного синтезу, каталізатори полімеризації у виробництві пластмас і каучуків, фунгіциди, бактерициди і ін.

Елементоорганічні з'єднання, органічні сполуки, що містять в молекулі крім вуглецю і водню будь-який елемент (за винятком азоту, кисню, сірки і галогенів), безпосередньо пов'язаний з вуглецем, де елемент – метал. Звичайно застосовується в органічному синтезі, як каталізатори, пестициди тощо.

Металопласт, конструкційний матеріал, що складається з металевого листа (сталь, алюміній, титан і ін.), покритого з однієї або двох сторін шаром полімеру, наприклад, поліетилену, фторопласту, полівінілхлориду. Одержують наклеюванням полімерної плівки, напиленням порошкоподібного полімеру або ін. методами. При механічній обробці не розшаровується.  Застосовують для захисту від корозії і декоративної обробки стін і дахів будівель, у виробництві кузовів автомобілів і ін.

Металопротєїди, комплекси білків з важкими металами – Fe, Zn, Cu,  Mn і ін. Виконують роль дихальних пігментів, переносників металів в організмі, ферментів (металоферменти).

Метали (греч., metallon), речовини, що володіють в звичайних умовах високими (10⁶...10⁷ Ом^-1 см^-1, зменшується із зростанням температури) електро- і теплопровідністю, ковкою, металевим блиском і ін. властивостями, обумовленими наявністю в їх кристалічних гратах великої кількості (10²²...10²³ в 1 см³) не пов'язаних з атомними ядрами рухомих електронів провідності. Метали можна представити у вигляді іонного кристалічного остову, зануреного в «електронний газ», який, компенсуючи електростатичне відштовхування іонів, зв'язує їх в тверде тіло (металевий зв'язок). Металевими властивостями володіють більше 80 хімічних елементів і безліч сплавів. Хімічні властивості металів обумовлені слабим зв'язком валентних електронів з ядрами атомів: вони легко утворюють позитивні іони, проявляють позитивний ступінь окислення, утворюють основні оксиди і гідроокиси, більшість металів заміщає водень в кислотах і т.д. В техніці метал прийнято ділити на чорні (Fe і сплави на його основі) і кольорові (всі інші). Метали грають величезну роль головним чином як конструкційні і електротехнічні матеріали.

Кермети (кераміко-металічні матеріали), штучні матеріали, одержувані спеканням металевих і керамічних порошків, що поєднують цінні властивості керамічних речовин і металів. Вироби з керметів – деталі турбін і авіаційних двигунів, ріжучий інструмент тощо.

Жароміцність, здатність конструкційних матеріалів (головним чином металевих) витримувати без істотних деформацій механічні навантаження при високих температурах. Визначається комплексом властивостей: опором повзучості, тривалою міцністю і жаростійкістю.

Жаротривкість (жаростійкість, окаліностійкість), здатність металевих матеріалів протистояти хімічному руйнуванню поверхні під дією повітря або іншого окислювального газового середовища при високих температурах.

Далі переходимо до безпосереднього вивчання дисципліни „Нові матеріали і речовини”. (Попереджую, що по цьому матеріалу буде проведено 5-ти хвилину індивідуальну перевірку знань на початку другої лекції).

Лекція 2. КОМПЛЕКСОНИ  МЕТАЛІВ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ

Основні поняття.

Комплексони – амінополікарбонові кислоти та їх похідні. Наприклад, двонатріва сіль етилендіамінтетраоцктової кислоти (NaOOCCH₂)₂NCH₂CH₂N(CH₂COONa)₂ – комплексон III, або трилон Б. Застосовується в комплексометрії, для зм'якшування води, лікування професійної інтоксикації (переважно металами та їх з'єднаннями) тощо.

Комплексометрія – сукупність титрометричних методів, заснованих на різних реакціях комплексоутворення. Наприклад, меркуметрія, фторометрія, Комплексонати – комплексони, що утворюють добре розчинні  та високостійкі речовини.

Меркуметрія - тетриметричний метод кількісного аналізу, заснований на утворенні малодисоциюючих з'єднань ртуті (II). Наприклад, HgCl₂, HgBr₂).

Фторометрія – те ж, але на основі фтору з утворенням фторидів (хімічних з'єднань фтору з іншими елементами).

Фториди більшості металів – це солі фтористоводневої кислоти – тверді речовини з високими температурами плавлення, а також фториди неметалів – рідини і гази. Фториди використовують для отримання фтору (флюорит), як окислювачі в ракетних паливах (ClF₃, ClF₅), для ізотопного розділення урану (UF₆), виробництва оптичних стекол (LiF, MgF₂, CaF₂ та ін.), фторування  води (CoF₃, AgF), як діелектрики (SF₆).

Комплексонометрія (хелатометрія, трилонометрія), титрометрічний  метод хімічного аналізу, заснований на утворенні комплексних з'єднань, наприклад, металів з комплексонами.

Хелатометрія – те ж, але з утворенням хелатних з'єднань (хелати, від грецького chele - клішня), то ж, що внутрішньокомплексні з'єднання.

Внутрішньокомплексні  з'єднання (хелатні з'єднання, клешнеподібні з'єднання), комплексні з'єднання, в яких ліганд приєднаний до центрального атома металу за допомогою двох або більшого числа ковалентних зв'язків. Характерна особливість внутрішньокомплексного з'єднання – наявність циклічних угрупувань атомів, що включають атом метала, як, наприклад, в гемоглобіні, хлорофілі. Внутрішньокомплексні з'єднання використовуються в хімічних виробництвах, наприклад, для розділення близьких за властивостями металів в аналітичній хімії.

Ліганди, аденди (від лат. ligo - зв'язую). В хімічних комплексних з'єднаннях молекули або іони, безпосередньо пов'язані з центральним атомом (комплексоутворювачем), наприклад, в з'єднанні [Co(NH₃)₆]Cl₃ центральний атом – З, а ліганди – молекули NH₃.

Фундаментальні  дослідження закономірностей реакцій комплексоутворення з участю комплексонів відкрили широкі перспективи для вирішення конкретних практичних задач, пов'язаних з управлінням процесами, що відбуваються в складних багатокомпонентних системах. Стратегія використовування комплексонів визначається характером вирішуваних з їх допомогою проблем, які, у свою чергу, можна умовно підрозділити на три групи: а) усунення дії катіона металу, що заважає; б) додання катіону за допомогою комплексоутворення нових, нехарактерних для нього властивостей або незвичайного поєднання властивостей; в) введення металу в певну систему або частину системи.

Усунення дії  катіона, що заважає, здійснюється двома принципово різними способами. Перший з них припускає виведення металу з сфери дії (в іншу фазу) і на практиці реалізується при відмиванні в м'яких умовах теплотехнічного устаткування, дезактивації поверхні, труїть поверхні, при виведенні з організму радіоактивних ізотопів і токсичних металів. Для цього комплексони повинні утворювати добре розчинні, високостійкі комплексонати, що не руйнуються  при підвищенні температури до 90...200 °С під час відмивання казанів, теплообмінних пристроїв та дезактивації, і бути відносно дешевими. Вимоги до ступеня чистоти у всіх даних випадках, окрім використовування комплексонів в лікарській практиці, невисокі, що дозволяє застосовувати технічні продукти і відходи промислового виробництва самих хелантів, для створення на їх основі ефективних композицій універсальної дії.

Виведення катіона металу з розчину за рахунок утворення малорозчинних з'єднань застосовується порівняно рідко. Прикладом може служити деметалізація вин за допомогою НТФ (нітрилтри(метиленфосфонова) кислота, H₆ntph). Комплексони амінофосфонового ряду можуть також використовуватися для гравіметричного аналізу, розділення близьких за властивостями металів.