Введение к работе
Актуальность темы. Машиностроение характеризуется широкой номенклатурой применяемых металлических и неметаллических материалов, требования к надежности и долговечности которых постоянно возрастают. При этом большинство материалов (включая металлические) используемые в машиностроении и энергетике и получаемые традиционными технологиями в настоящее время практически достигли предела своих физико-механических и эксплуатационных характеристик. Именно поэтому сегодня наблюдается всплеск интереса к материалам нового поколения (наноматериалы, сверхпроводники и т.д.), обладающими комплексом свойств не присущих традиционным материалам. Однако их получение требует умения управлять структурой получаемого материала и создания соответствующих технологий, позволяющих осуществлять данные процессы на тонком электронно-ядерном и наноуровнях.
В этом плане актуальность исследования специфики тонкой структуры металлических и неметаллических материалов с единых научных позиций и ее влияния на их конечные свойства не вызывает сомнения. При этом электронно-ядерная микроструктура материала является базовой (исходной) для остальных его уровней: нано- (микро-), мезо- и макро- и следовательно, его изучение должно обеспечить ещё большее совершенствование структуры и свойств материалов.
Отметим, что тип кристаллической решетки (также традиционно относящийся к тонкой структуре) не всегда позволяет понять и объяснить разницу в свойствах различных металлических материалов. В частности это относится к отсутствию внешней зависимости между типом кристаллической решетки и свойствами металлов на основе гомоядерных связей элементов 1 (1а, ОЦК — объемно центрированная кристаллическая решетка) и 2 (Па, ГЦК >- гранецентрированная кристаллическая решетка) групп Периодической системы (ПС). Поэтому изучение специфики гомоядерной химической связи в виде распределения электронной плотности между одинаковыми элементами (типа Fe+—Fe+ и т.д.) тонкой структуры материала позволяет более глубоко описать её влияние на структуру и свойства материалов.
Реальной фундаментальной основой для получения всех практически значимых металлических материалов и сплавов для машиностроения и энергетики являются чистые металлы. Они представляют собой гомоядерные соединения прежде всего s-, d- и части р-элемептов ПС.
Анализ современного состояния взглядов отечественных и зарубежных авторов на специфику гомоядерных связей в металлических (типа FeM, где м — металл) и неметаллических (ковалентных молекулярных, типа [С]п, где п — степень полимеризации) веществах и материалах на их основе свидетельствует о дефиците попыток по созданию универсальных подходов и единой теории к их описанию. Не изучено влияние специфики гомоядерной связи на характер перехода от неметаллов к металлам. В результате на сегодня отсутствуют системные исследования по оценке влияния вклада
каждой из 2-х компонент (ковалентной и металлической) гомоядёрной химической связи на структуру и свойства соединений и материалов на их основе, что снижает эффективность практического использования последних.
Настоящая работа выполнялась при поддержке Академии Наук Республики Татарстан в соответствии с проведением работ по гранту 2002-2004 г.г. «Оценка и прогнозирование структуры и свойств металлических и неметаллических соединений в рамках единой модели химических связей» (проект № 07-7.1-161/ 2002-2004 (Ф)).
Целью работы является установление влияния степеней мсталличности и ковалентности гомоядёрной связи элементов Периодической системы, в рамках единой модели взаимодействия составляющих тонкой структуры (обобществленные электроны и атомные остовы) материала, на образование металлических и неметаллических материалов, особенности их структуры и некоторые свойства металлов.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
обобщение данных и выбор вариантов учета металлической компоненты связи в гомоядерном взаимодействии элементов тонкой структуры материала, а также перспективных направлений практического использования в материаловедении результатов, полученных на основе развиваемых подходов.
оценка закономерностей изменения степеней ковалентности и мсталличности гомоядёрной связи элементов при переходе от металлов к неметаллам в группах и периодах ПС и их влияние на структуру материалов на их основе.
апробация разработанных подходов, методик и полученных результатов оценки особенностей гомоядерных связей элементов в некоторых металлах на основе s-элементов 1 (1а) и 2 (На) групп ПС, а также Fc„, Сп для характеристики тонкой структуры и специфики свойств материалов на их основе, имеющих широкое использование в машиностроении и энергетике.
Научная новизна. В рамках единой модели взаимодействия элементов через соотношение степеней металличности и ковалентности комплексно изучено влияние уровня электронной плотности в гомоядерных связях тонкой структуры материалов на их структуру и свойства, в том числе:
показано определяющее влияние уровня электронной плотности в гомоядерных связях элементов периодической системы Д.И. Менделеева на особенности молекулярной и немолекулярной (металлической) структуры, физико-механических свойств металлов и неметаллов, а также характера перехода этих классов материалов от одного к другому в группах и периодах;
выявлено, что общий характер изменения таких физических и механических свойств металлических материалов на основе гомоядерных соединений элементов ПС как Тпл, ТК1Ш, р, Е, апр и Нм в зависимости от соотношения См/Ск имеет идентичный характер, а при См ~ 60% (Ск = 40%) наблюдается максимум значений вышеуказанных свойств;
- на примере гомоядерных соединений s-элементов 1 и 2 группы ПС показано, что при одинаковом типе кристаллической решетки в чистых металлах на их основе именно соотношение См/Ск определяет разницу в физико-механических свойствах (с увеличением См внутри групп у металлов логично падает твердость, температура плавления материалов и т.д.).
Достоверность полученных результатов подтверждается применением комплекса современных методов расчета Ск и См с использованием электроотрицательностей (х или ЭО) и потенциалов ионизации (її) элементов, квантово-химических расчетов по методу Хартри-Фока-Рутана в приближении РМЗ, а также банка современных данных по структуре и свойствам исследуемых в работе материалов. Полученные данные по структуре и свойствам исследованных материалов не противоречат имеющимся в литературе практическим результатам.
Практическая значимость. Применяемые методики показали общий
характер влияния Ск и См на длину и энергию гомоядерных связей в
свойств материалов на их основе, связанных с их надежностью и конкретной
функциональной практической направленностью.
Полученные данные являются основой для выработки общего подхода к оценке физико-механических свойств (Тпл, ТК|Ш, р, Е, о„р и Нм) металлов, с целью прогнозирования структуры и свойств материалов применяемых в машиностроении и энергетике. Показана перспективность оценки соотношения См/Ск отдельных фаз машиностроительных сталей для определения их конечных эксплуатационных свойств. В частности показано, что причиной роста предела прочности, твердости и уменьшения пластичности, широко применяемых в энергомашиностроении углеродистых сталей, по мере увеличения в них содержания углерода и соответственно цементита, является суммарное повышение ковалентной и ионной (Си) компонент (с соответствующим уменьшением См) связи элементов их тонкой структуры.
Разработанные методики переданы для практического использования и внедрены, в учебный процесс КГЭУ при проведении лекционных и практических расчетных занятий по курсу «Современное материаловедение», в том числе, в методических указаниях и контрольных заданиях для студентов (Современное материаловедение. Казань, КГЭУ, 2004, 40с), в исследовании структуры и свойств материалов, разрабатываемых ФГУП ЦНИИГеолнеруд и других организациях.
Личный вклад автора. Получение новых данных по изучению влияния степеней металличности и ковалентности на структуру и свойства ряда материалов на основе металлических и неметаллических гомоядерных соединений, их апробацию и осуществление работ по их внедрению.
На защиту выносятся;
-результаты оценки закономерностей изменения степеней ковалентности и металличности гомоядерной связи элементов в металлах и
неметаллах в группах и периодах ПС, а также их влияние на структуру материалов на их основе.
-результаты апробации предложенных подходов, методик и результаты оценки особенностей гомоядерных связей в металлических и неметаллических соединениях элементов для- характеристики тонкой структуры и специфики свойств материалов на их основе.
Апробации работы. Результаты работы докладывались и обсуждались
на следующих научных конференциях: X Всероссийская конференция
«Структура и динамика молекулярных систем. Яльчик -2003» (Уфа, 2003г.);
XVII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Казань, 22-26
сентября 2003г.); Седьмая международная конференция «Циклы»
(Ставрополь, 2005г.); Региональная научно-практическая конференция' "'
«Методология и практика образования» (Казань, 2005г.); XII *
Международный симпозиум «Динамические и технологические проблемьг'
механики конструкций и сплошных сред». (Москва, 2006г.) и др. -.:.,,
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ в
центральных журналах, сборниках статей, научных трудов и тезисов"
докладов, включая 5 статей, 5 тезисов докладов и 1 учебно-метоДическую '
работу. ....;>
Структура и объем диссертации. Диссертационная 'работа состоит1 из'
введения, пяти глав, выводов, списка использованной 'литературы и
приложений. Диссертация изложена на 103 страницах, включает 16 рисунков^ >;
и 9 таблиц. Библиографический список включает 87 наименований. '' '''
