دانلود کامل ترین جزوه خواص فیزیکی مواد

جزوه تایپ شده خواص فیزیکی مواد

دانلود فایل

مدرسان شریف کارشناسی ارشد ریدهیل دانشگاه پیام نور دکتر رزاقیان کاردانی مالک نا علمی کاربردی ی برای آزمون استخدامی الهه جباری پیام

-)-(. ً -: ً )-(.

: )-(. : که به فلزات تعلق دارد. در این پیوند الکترونهای ظرفیت به هیچ اتهم خاصهی تعلهق نهدارد و یهک دریهای الکترونی را ایجاد مینماید. این دریا در واقع یک بستر چسوناش با بار منفی است )شکل 4-1(. هستههای م وت باقی مانده از اتمهها در این بستر الکترونی جزوه خواص فیزیکی مواد ور میشوند و به علت تفاوت بارها، یک پیوند قوی را ایجاد مینمایند. الکترونهای متحرش عامل ایجاد هدایت الکتریکی و حرارتی در فلزات است. یونهای م وت نیز میتوانند بدون شکستن پیوند، درون ساختمان اتمی حرکت کننهد. ایهن پدیهدهمونای قابلیت شکل پذیری فلزات بدون گسستن پیوندها و شکست میگردد که از آن مهی تهوان بهه عنهوان مهمتهرین تمهایز فلهزات ازسرامیکها یاد کرد. اصول شکل دهی فلزات بر این واقیعت استوار است.

نحوه قرارگیری اتمها در ماده و ساختار کریستالی
ویژگیهای مواد علاوه بر ساختار اتمی و نوع پیوند به نحوة قرارگیری اتمها در ماده نیز بستگی دارد. از این منظر مواد بهه سهه سهاختارمولکولی، کریستالی و بیشکل)آمورف( تقسیم میشود .در ساختار مولکولی، تعداد معینی از اتمها با پیوندهای غالواً کووالانسهی بهه ههممتصل شده و واحدهای مولکولی توسط پیوندهای ضعیف ثانویه )فرعی( نظیر واندروالس بهه یکهدیگر متصهل مهیشهود. آب نمونههای از ساختار مولکولی است .
در ساختار کریستالی، اتمها در یک شوکه منظم قرار دارند. شوکه اتمی از تکرار واحدهای کوچکی بهه نهام سهلول واحهد سهاخته شهده است .فلزات و برخی از سرامیکها دارای ساختار بلورین هستند. در ساختارهای آمورف نظیر شیشهه بهه عنهوان یهک مهاده سهرامیکی،ممکن است که اتم ها دارای نوعی نظم محلی باشند، اما نظم تکرار پذیری در کل ساختار ندارند.

خواص فیزیکی مواد

2-1. ساختمان شبکههای بلوری
مشخصات سلول واحد
یک شوکه کریستالی دارای نظم داخلی و تکرار پذیر اتمها در فضا است که در سرتاسر شوکه قابل تعمیم اسهت . بهه واحهدهای کوچهککریستالی ،سلول واحد گفته میشود. سلول واحد مانند آجرهایی است که از چینش آنها بر روی یکدیگر، ساختار یک مادة بلوری شکل میگیرد. سلول واحد دارای سه جهت است که در هر جهت دارای ابعاد) a,b,c( و زوایای مشهخص (α , β, γ ( اسهت. بهه عوهارتی سهلولواحد با ابعاد و زوایای مشخصی تعریف میگردد که به آنها در اصطلاح پارامترهای شوکه یا ثوابت شهوکه گفتهه مهیشهود و بهه صهورتنمایش } a, b, c, α , β, γ { داده می شود .در شکل 5-1 یک سلول واحد به همراه ثوابت شوکة آن و همچنین نحوة چیده شدن سلول-های واحد بر روی یکدیگر و ایجاد یک بلور نشان داده شده است.

جزوه خواص فیزیکی مواد دانلود رایگان خلاصه کتاب pdf

هفت سیستم تبلور
با دادن مقادیر مختلف به طولها و زوایای یک سلول واحد، تنها میتوان هفت نوع سلول واحد با پارامترهای شوکة مختلف ساخت. که به آنها هفت سیستم تولور گفته میشود. این هفت سیستم تولوربا پارامترهای شوکة آنها ، در جدول 2-1 آمده است.

چهارده شبکه براوه
در هفت سیستم تولور، اتمها در گوشههای یک سلول واحد قرار دارند. براوه نشان داد که اتمها علاوه بر موقعیت گوشهها، میتوانند در موقعیتهای دیگری در سلول واحد قرار گیرند به طوری که با حفظ دو شرط سیستمهای تولور، یک بلور ساخته شود. به طور کلی ههرسیستم تولور جزوه خواص فیزیکی مواد به نحوه مختلف آرایش اتمها بر روی آن میتواند 4 حالت مختلف داشته باشد کهه عوهارت اسهت از حالهت سهاد ه )simple (P)(، مرکز پر) (Body-centered (I(، قاعده مرکز پر)Base-centered (C)( و وجوه مرکز پر )Face-centered (F)(. ههر یهک ازاین ساختار را با حروف مخفف ذکر شده نشان میدهند. نحوة پر شدن اتمها در سلول واحد در ههر یهک از حهالات چههار گانهه بهالا درشکل 6-1 نشان داده شده است .

شکل 6-1. موقعیت های مختلف قرار گرفتن اتم ها در سلول واحد شبکه های براوه.

با این وجود تنها 14 شوکه کریستالی معروف به 14 شوکه براوه وجود دارد؛ در صورتی که طویعی اسهت انتظهار داشهته باشهیم کهه 28 شوکه وجود داشته باشد. در واقع با تکرار برخی از شوکه های براوه در فضا، شوکة براوه دیگری ایجاد میشود؛ از این رو دو شوکه معادل شده و یکی از شوکهها بایستی حذف گردد

بلوری.
شبکه براوه و ساختارهای کریستالی
هر چند ساختارهای کریستالی از تکرار و کنارهم قرار گرفتن شوکه های براوه به عنوان آجرهای اولیهه سهاخته شهدهانهد، امها اتهمههایساختارهای کریستالی علاوه بر موقعیتهای اتمی شوکه براوه )حالات I,C,P,F( میتوانند موقعیتهای مختلف دیگهری را جزوه خواص فیزیکی مواد در درونسلول واحد اشغال کنند. به عوارتی موقعیتهای اتمی شوکه براوه، کل فضای یک سلول واحد را پر نمیکند، به طهوری کهه در خلهل وفرج آنها، فضای کافی برای قرار گیری اتمهای دیگر باقی میماند.

مقدمه
فلزات غالواً در سه ساختار کریستالی مکعب مرکز پر) 1BCC(، مکعهب وجهوه مرکهز پهر) 2FCC( و هگزاگونهال فشهرده ( HCP) متولهور میشوند. در این بخش پس از معرفی سه ساختار اصلی فلزات به بررسی کلیه مشخصات کریستالی آنها میپردازیم.

ساختار کریستالی مکعب مرکزپر )BCC)
این ساختار کریستالی یکی از فرمهای شوکه براوه است. این ساختار از قرار دادن هشت اتم در گوشهها و یک اتهم در مرکهز یهک سهلولواحد مکعوی، ساخته شده است. ساختار کریستالی BCC در شکل 8-1 نشان داده شده است .

این شوکه دارای دو اتم است، یک اتم ) 1= 8/1×8 ( در موقعیت ) 0 , 0 , 0( و یهک اتهم در موقعیهت) 2/1 , 2/1 , 2/1( قهرار گرفتههاست. توجه داشته باشید که یک مکعب، ابعاد برابر در هر سه جهت دارد.

ساختار کریستالی مکعب وجوه مرکز پر) FCC)
این ساختار کریستالی نیز یکی از فرمهای شوکه براوه جزوه خواص فیزیکی مواد که در آن اتمها گوشهها و مراکز وجوه یک سلول مکعب را پرکهرده انهد. ایهنشوکه دارای 4 اتم است. یک اتم ) 1= 8/1×8 ( در موقعیت ) 0 , 0 , 0( و 3 اتم در موقعیتهای )0 , 2/1 , 2/1( 😉 2/1 , 0 , 2/1 ( 😉 2/1 , 2/1 , 0 ( قرار گرفته است. اتمها در این مکعب به گونهای قرار گرفتهاند که در سهط کهاملاً بهر ههم ممهاس هسهتند. سهاختارکریستالی FCC در شکل 9-1 نشان داده شده است.

21BodyFace– centered cubic centered cubic
ساختار کریستالی هگزاگونال فشرده )(HCP
در شوکههای براوه، ساختار هگزاگونال ساده توصیف شده است .اما در فلزات، هگزاگونال به صهورت متهراکم )فشهرده( متولهور مهیشهود . تعداد اتمها را میتوان به این نحو محاسوه کرد: 12 اتم در گوشه که هر کدام به شش سلول واحد تعلق دارند، دو اتم درسطوح قاعده که به دو سلول تعلق دارد و سه اتم که در درون آن قرار گرفته است، مجموعاً 6 اتم را نشان میدهد.

جهات کریستالی در ساختارهای مکعبی
جهت کریستالی یکی از مشخصات مهم کریستالی است که به صورت بردار اتصال دهندة دو موقعیت اتمی مختلف در ساختار کریستالی تعریف میگردد .جهات کریستالی از مشخصات کلی زیر پیروی میکند.
1- بردار جهت با سه مشخصة 0W( c0 ، )V ( b0 ،)U( a( تعریف میگردد که به جزوه خواص فیزیکی مواد عوهارت اسهت از تصهویر بهردا ر بهر روی
. c(z),b(y) ،a(x)محورهای
2- اندیس بردار جهت در واقع از تفاضل مولفههای موقعیت انتها و ابتدا به دست میآید.
3- اندیس بردار جهت به صورت کوچکترین اعداد صحی ممکن نمایش داده میشود. به این منظور مولفهههای آن در اعهدادصحی مناسب ضرب یا تقسیم میگردد.
4- اندیس یک برادر در یک براکت قرار گرفته و بین بین مولفههای آن ویرگول قرار نمیگیرد. مانند: uvw111.

دانلود رایگان خلاصه کتاب خواص فیزیکی مواد

آشنایی با خواص فیزیکی مواد
ر به دست آورد. در این شکل جهت [001] یعنی بهردار کههتصویر آن در راستای محور a(x) یک واحد و در راستای محورهای دیگر صفر واحد است. یا به عوارتی به انهدازه یهک واحهد در راسهتایمحور a حرکت کرده اما حرکتی در امتدادهای محور های دیگر نداشته است .جهات دیگر را نیز بر همین مونا نام گذاری میگردد.

 حالات خاص:
الف( اگر تصویر بردار بر امتداد محورهای اصلی یک عدد صحی نواشد، در این صورت مولفهها در کوچکترین مضرب مشترش مخرج آنها ضرب میشود.
مثال 1-1. اندیس جهات کریستالی زیر را مشخص نمایید.

ب( اگر موداء آغاز یک جهت در موداء محور مختصات ) 0 , 0 , 0( نواشد، آنگاه ابتدا مودا محور مختصات با حفظ جهات به نقطه آغازین بردار منتقل میشود. موداء مختصات در راستای هر بردار که جابه جا شود ،علامت مولفة مربهوط بهه آن منفهی مهیشهود. سه س جزوه خواص فیزیکی مواد میشود و علایم منفی بر روی اندیسهای آن گذاشته میشود. به م ال 2-1 توجه کنید .

جهت رسم یک صفحه کریستالی کافی است در عکس مسیر بالا حرکت کرد. به عنوان م ال صفحه (002) را رسم نمایید.

جهت تعیین اندیس صفحاتی که از موداء مختصات میگذرد، باید ابتدا مکان موداء را انتقال داد به نحوی که به سهولت محل تقهاطع ههاخوانده شود. به ازای انتقال موداء در هر جهت، اندیس میلر جهت مربوطه منفی میشود. به م ال زیر توجه کنید:

صفحهای که یکی از اندیسهای آن صفر است، با بردار یکه آن جهت سیستم مختصاتی موازی است .به عنوان نمونه در م ال بالا انهدیسh صفحه مربوطه صفر است؛ بنابراین این صفحه به موازات محور x است.
در رسم صفحات کریستالی که اندیس منفی دارند نیز به روش مشابه عمل میشود. یعنی ابتدا موداء را متناسهب بها انهدیس جهتهی کههمنفی است، منتقل شده و س س محل صفحه به سادگی به دست میآید. به عنوان م ال موقعیت صفحه جزوه خواص فیزیکی مواد) در زیهر بهه دسهت آمهده

مکانیزم تبلور
متبلور شدن ، تبدیل از حالت مذاب به جامد است و در دو مرحله انجام می شود:
1( تشکیل جوانه
2( رشد بلور
اگر چه اتم ها در حالت مذاب دارای نظم و ترتیب مشخصی نیستند لیکن این امکان وجود دارد که در هر لحظه ، گروه کوچکی از اتم ها در داخل مذاب دارای نظم و ترتیب همانند حالت جامد باشد .اینکه چه مدت این گروه از اتم ها می توانند به صورت حالت جامد باقی بماند، بستگی به دما و اندازه این گروه از اتم ها دارد. هرچه دما بالاتر باشد ، انرژی جنبشی اتم ها بیشتر است و در ضمن عمر این گروه از اتم ها کوتاه تر است. با کاهش دمای مذاب ، حرکت اتم ها کم می شود، عمر این گروه از اتم ها طولانی می شود و در ضمن گروه های بیشتری از اتم ها در یک لحظه وجود خواهند داشت.
اتم ها در یک ماده دارای انرژی جنبشی و پتانسیل هستند. انرژی جنبشی مربوط به سرعت حرکت اتم ها است و به شدت تابعی از دما است. هر چه دما بالاتر باشد، اتم ها فعال تر هستند و انرژی جنبشی بالاتری دارند. انرژی پتانسیل مربوط به فاصله بین اتم هاست. هر چه فاصله متوسط بین اتم ها بیشتر باشد، انرژی پتانسیل آنها نیز بیشتر خواهد بود.
حال یک فلز خالص را در نقطه انجماد آن که جزوه خواص فیزیکی مواد و جامد در حال تعادل با یکدیگر هستند، در نظر بگیرید. انرژی جنبشی اتم ها در حالت مذاب و جامد ) در دمای ذوب ( باید یکسان باشد، لیکن تفاوت قابل توجهی بین انرژی پتانسیل اتم ها در حالت مذاب و جامد وجود دارد . اتم ها در حالت جامد بسیار بیشتر به هم نزدیک هستند، به گونه ای که انجماد با آزاد شدن انرژی صورت می گیرد. این اختلاف در انرژی پتانسیل بین حالت های مذاب و جامد گرمای نهان ذوب نامیده می شود. از طرف دیگر ، برای ایجاد سطح بیم مذاب و جامد مقداری انرژی لازم است. در فلزات مواد خالص ، در نقطه انجماد، انرژی کافی به وسیله گرمای نهان ذوب برای تشکیل جوانه پایدار آزاد نمی شود. بنابراین همبشه مقداری فوق تبرید برای تشکیل جوانه پایدار لازم است. آزاد شدن بیشتر گرمای نهان ذوب ، دما را تا نقطه انجماد بالا خواهد برد.
هنگامی که دمای مذاب به اندازه کافی تا زیر دمای انجماد آن افت کند، جوانه های پایدار به طور خود به خودی در نقاط مختلف مذاب ظاهر می شوند. جوانه هایی که منجمد شده اند به عنوان مراکزی برای متبلور شدن بیشتر عمل می کنند. هر جوانه با جذب اتم ها در جهات ترجیحی و معین که معمولا در امتداد محور های بلور است به جوانه ها متصل می شوند. این پدیده منجر به ساختاری شبیه درخت می شود که دندریت نامیده می شود. هر بلور را دانه و ناحیه ای که بلور ها به هم برخورد می کنند را مرز دانه می نامند.

آشنایی با عیوب کریستالی

مقدمه
در یک بلور واقعی نظم اتم ها کامل نیست. تنها در یک بلور کامل یا ایده آل تمام نقاط شیکه در سلول واحد به وسیله اتم ها اشغال شده است. اصطلاح نقص یا عیب معمولا برای بیان هر گونه انحراف از آرایش منظم نقاط شبکه به کار می رود. این انحراف از حالت بلور کامل در حین انجماد به وجود می آید. این نقایص بر روی خصوصیات ماده اثر می گذارد .
هنگامی که انحراف از نظم و ترتیب تکراری در شبکه به طور موضعی فقط در نزدیکی چند اتم وجود داشته باشد، عیب نقطه ای ایجاد می شود. اگر این نقص در داخل مناطق میکروسکوپی بلور امتداد یابد به آن نقص شبکه گویند. نقایص شبکه به دو دسته خطی و سطحی یا صفحه ای تقسیم می شوند. نقایص خطی همان نابه جایی ها هستند که به دو صورت لبه ای و پیچی وجود دارند. نقایص سطحی از تجمع عیوب خطی در یک صفحه ناشی می شوند. مرزهای کوچک زاویه و مرزدانه ها نقایص سطحی هستند. عیوب حجمی حاوی سه بعد هندسی است؛ نظیر: حفرههای داخلی، ترک و ناخالصی در مقیاس تودهای از اتمها )آخال(.

انواع عیوب کریستالی

عیوب نقطهای) Point defect( پنج نوع نقص نقطه ای وجود دارد .
1- جای خالی : سادهترین عیب نقطهای، جای خالی یک اتم در شبکه کریستالی است؛ این عیب کریستالی که جایخالی) Vacancy( یا تهیجا نامیده میشود، در شکل 12-1 نشان داده شده است. همة مواد بلوری حاوی این عیب هستند؛ به عبارت دیگر، امکان ایجاد یک مادة کریستالی بدونجایخالی وجود ندارد .حضور جایخالی در شبکة کریستالی به اعوجاج اندکی در شبکه کریستالی منجر میشود )شکل 12-1(. جاهای خالی یکی از مهمترین عیوب بلوری هستند. وجود جای خالی در بلورها پایه و اساس نفوذ در حالت جامد است .جای خالی در نتیجه جهش یک اتم از یک جای خالی شبکه به حفره مجاور حرکت می کند .برای جهش، اتم باید بر نیروی جاذبه اتم های مجاور خود کند که برای این امر کار لازم است. به عبارت جزوه خواص فیزیکی مواد اتم برای جهش به داخل حفره باید از یک سد انرژی بگذرد. انرژی لازم برای این منظور به وسیله جزوه فیزیک پایه ۱ حرارتی شبکه بلور تامین می شود.در نتیجه سرعت نفوذ با افزایش دما به سرعت افزایش می یابد.
2- بین نشینی: نوع دیگر عیوب نقطهای در فلزات که در شکل 12-1 نشان داده شده است، خود- بین نشینی) Self-interstitial( است. در این عیب، یک اتم فلز در یکی از موقعیتهای بین نشین قرار میگیرد. از آنجاکه شعاع اتمی اتم بین نشین نسبت به شعاع فضای خالی بزرگتر است، شبکه کریستالی اطراف این عیب دچار اعوجاج شبکهای شدیدی میشود )شکل 13-1(؛ به همین دلیل احتمال ایجاد عیب خود-بین نشینی در مقایسه با جایخالی بسیار کمتر است. آشفتگی شبکه کریستالی در اطراف این عیوب نقطهای در خواص مکانیکی اثراتی به جا میگذارد .

3- عیب شاتکی و فرانکل
در ساختارهای سرامیکی نیز هر دو عیب نقطهای جای خالی و بین نشین وجود دارد؛ با این تفاوت کهه یهک سهاختار سهرامیکی حهداقلحاوی دو نوع یون متفاوت است و هر دو عیب برای هر یک از یونها میتواند حضور داشته باشد. به عنوان مثال ساختار کریستالی NaCl را در نظر بگیرید؛ مطابق با پیش فرض ما یک عیب نقطهای و یک عیب بین نشینی برای یونهای Na+ و یک عیب نقطهای و یک عیهببین نشینی برای یونهای -Cl وجود خواهد داشت. اما از آنجا که شعاع اتمی آنیون) -Cl( بسیار بزرگتر از فضاهای بین نشین خالی است ،احتمال ایجاد عیب بین نشین آنیونی امکان پذیر نمی باشد؛ به همین دلیل احتمال وقوع عیب بین نشینی آنیونی کاهش مییابهد و سههعیب جایخالی آنیونی، جایخالی کاتیونی و بیننشین کاتیونی باقی میماند. این عیوب سه گانه در شکل 14-1 نشان داده شده است.

اما آیا این سه عیب نقطهای باقی مانده به هر نسبتی و مقداری نمیتواند وجهود داشهته باشهد؛ زیهرا ایهن ترکیهب بایسهتی از نظهر بهارالکتریکی خنثی باشد و خنثایی الکتریکی به معنای تعداد یکسان بار مثبت و منفی است. بنابراین هیچ کدام از عیوب سهه گانهة بهالا بههصورت تنها نمیتواند حضور داشته باشد .در ترکیبها حضور عیوب نقطهای فقط به دو صهورت ممکهن مهیگهردد. در حالهت اول عیهبنقطهای شامل یک جفت جایخالی کاتیونی و بیننشین کاتیونی است. به این عیب نقطهای، عیب فرانکهل) Frenkel defect( گفتهه مهی-شود. در حالت دوم عیب نقطهای شامل یک جفت جایخالی آنیونی و جایخالی کاتیونی است. )( -)() ( )( ؛ –)(( )( -)( -؛ -))( -(. )) ( -(.