Атомно-кристаллическое строение металлов

Атомно-кристаллическое строение металлов (стр. 1 из 2)

Атомно-кристаллическое строение металлов

Министерство образования и науки Украины

Донбасский государственный технический университет

Кафедра ОМД

ЛЕКЦИЯ

по дисциплине Металловедение

на тему

«Атомно-кристаллическое строение металлов»

Ст.преп. Горецкий Ю.В.

Алчевск 2009

«Атомно-кристаллическое строение металлов»

1. Строение металлов в твердом состоянии

Все металлы и металлические сплавы – тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металле закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы расположены хаотично.

Металлическое состояние возникает в комплексе атомов, когда при их сближении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими, т.е. коллективизируются и свободно перемещаются между положительно заряженными и периодически расположенными ионами.

Устойчивость металла определяется электрическим притяжением между положительно заряженными ионами и обобщенными электронами (такое взаимодействие получило название металлической связи).

Сила связи в металлах определяется силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной (рис. 1)

Рисунок 1. Энергетические условия взаимодействия атомов в кристаллической решетке вещества

Величина а соответствует расстояние между атомами в кристаллической решетке, а а0 соответствует равновесному расстоянию между атомами. В связи с этим в металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.

Металлические состояния характеризуются высокой энергией связи между атомами. Мерой ее служит теплота сублимации (сумма энергии необходимой для перехода твердого металла к парообразному состоянию, для металла – от 20 до 200 ккал/(г·атом)).

2. Атомно-кристаллическое строение металлов

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Атомы в кристалле расположены в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узле которой располагаются атомы (ионы), образующие металл.

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки (решетки).

Для характеристики элементарной ячейки задают шесть величин: три ребра ячейки a, b, c и три угла между ними α, β, γ. Эти величины называют параметрами кристаллической решетки.

Кристаллические решетки бывают простыми (атомы только в вершинах решетки) и сложными.

Металлы образуют одну из следующих высокосимметричных сложных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемноцентрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную (ГПУ) (рис. 2).

ОЦК: Rb, K, Na, Li, Tiβ, Tlβ, Zrβ, Ta, W, V, Feα, Cr, Nb, Ba, и др.

ГЦК: Cu, Al, Pt, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Feγ, Coα, Caα, Ce, Srα, Th, Sc и др.

ГПУ: Mg, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Be, Coβ, Caα, Zrα, Laα, Tiα и др.

Рисунок 2. Кристаллические решетки металлов и схемы упаковки атомов

Расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку, называют периодом решетки, измеряется в нанометрах (1нм = 10-9см = Å= 10-8см).

Периоды решетки металлов находятся в пределах 0,2 – 0,7 нм.

ДляОЦК: a, b, c; a = b = c.

ДляГЦК: a, b, c; a = b = c.

Для ГПУ: а, с; с/а = 1,633 (к Zn не относится)

Число атомов в каждой элементарной ячейке (плотность упаковки – равняется числу атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку):

ОЦК: ПУ (плотноупакованная) =

;

ГЦК: ПУ =

;

ГПУ: ПУ =

.

Координационное число – под ним понимают число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. Чем выше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов:

ОЦК: расстояние (min) между атомами

, на этом расстоянии от рассматриваемого атома находится 8 соседей – К8 .

ГЦК:

, К12.

ГПУ: Г12 (с/а = 1,633).

Коэффициент заполнения ячейки (плотность укладки) – определяется как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки:

ОЦК: 68%

ГЦК: 74%

ГПУ: 74%

Для характеристики величины атома служит атомный радиус, под которым понимается половина расстояния между ближайшими соседними атомами. Атомный радиус возрастает при уменьшении координационного числа.

3. Полиморфные (аллотропические) превращения

Атомы металла – исходя из геометрических соображений, могут образовать любую кристаллическую решетку.

Однако устойчивым, а, следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах (т.н. полиморфных (аллотропических) модификациях). В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющего решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа.

Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой α, при более высокой температуре β, затем γ и т.д.

Полиморфное превращение протекает при постоянной температуре (например, при нагреве идет поглощение теплоты).

Известные полиморфные превращения: Feα ↔ Feβ; Coα ↔ Coβ; Tiα ↔ Tiβ; Mnα ↔ Mnβ ↔ Mnγ ↔ Mnδ; Snα ↔ Snβ, а также для Ca, Li, N, Cs, Sr, Te, Zr, V и др.

Металл с данной кристаллической решеткой должен обладать меньшим запасом свободной энергии.

Рисунок 3. Полиморфизм железа и его связь со свободной энергией системы

Полиморфизм железа. Из рис. 3, видно, что в интервале температур 911 – 1392°С устойчивым является γ-железо (К 12) (имеет min свободную энергию), а при температурах ниже 911°С и выше 1392°С устойчиво α-железо (К 8).

В твердом металле полиморфные превращения происходят в результате зарождения и роста кристаллов аналогично кристаллизации из жидкого состояния. Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зерна исходных кристаллов.

В результате полиморфного превращения образуется новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому превращение также называют перекристаллизацией.

Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов и сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств, механических и химических свойств и т.д.

Высокотемпературная модификация имеет высокую пластичность.

В таблице № 1 показан интервал температур существования различных аллотропических форм некоторых, имеющих практическое значение металлов, у которых обнаружена температурная аллотропия.

4. Анизотропия свойств металлов

Из атомно-кристаллического строения металлов видно, что плотность расположения атомов по различным плоскостям в кристаллических решетках неодинакова (рис. 4).

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки многие свойства (химические, физические, механические) каждого кристалла зависят от направления решетки. Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией.

Рисунок 4. Расположение атомов в различных плоскостях и направлениях в кубической решетке (ОЦК)

Кристалл – тело анизотропное в отличие от аморфных тел (стекло, пластмассы и т.д.), свойства которых не зависят от направления.

Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллов. В большинстве случаев, как уже указывалось выше, кристаллы статистически неупорядоченно ориентированы один по отношению к другому, поэтому во всех направлениях свойства более или менее одинаковы, т.е.

поликристаллическое тело является изотропным (вернее – квазиизотропным (ложная изотропия)). Такая мнимая изотропность не будет наблюдаться, если кристаллы имеют одинаковую преимущественную ориентировку в каких-то направлениях.

Эта ориентированность, или текстура, создается в известной степени, но не полностью в результате значительной холодной деформации; в этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств.

Литература

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.

2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.

3. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. М., 1983.

Источник: https://mirznanii.com/a/324635/atomno-kristallicheskoe-stroenie-metallov

Кристаллическое строение металлов

Атомно-кристаллическое строение металлов

Металлы — один из самых распространенных веществ в материальной культуре человека.

Тысячелетиями медь, железо, серебро и золото были основным материалом для производства оружия, инструментов, ответственных частей транспорта и механизмов, деталей домашней утвари и украшений.

В XIX веке, с освоением технологии получения чугуна, металлы пришли в строительство и станкостроение. XX век был веком металлов.

Металлы

В нашу жизнь вошли алюминий, титан, бор и многие более редкие металлы. Используя их, человечество шагнуло в небо, космос и глубины океана. Металлы сделали возможным массовое производство домашней бытовой техники.

В конце XX века пластмассы и композитные вещества ощутимо потеснили металлы с лидирующих позиций.

Основные характеристики металлов — прочность, упругость и пластичность определяются их физико-химическими свойствами и атомным строением.

Основные группы металлов в промышленности

Индустрия делит металлы на большие группы:

  • Черные.
  • Цветные легкие.
  • Цветные тяжелые.
  • Благородные.
  • Редкоземельные и щелочные.

Черные металлы

В эту группу входят железо, марганец, хром и их сплавы. Группа также включает в себя стали, чугуны и ферросплавы. Эти вещества обладают хорошей электропроводностью и уникальными магнитными характеристиками.

Черные металлы

Черные металлы покрывают до 90% мировой потребности в металлоизделиях.

Легкие цветные металлы

Отличаются низкой плотностью. Группа включает в себя алюминий, титан, магний. Эти реже встречаются, чем железо, и обходятся дороже в добыче руды и в производстве. Они используются там, где малый вес изделия или детали окупает ее большую стоимость – в самолетостроении, производстве электроники, в коммуникационной индустрии.

Легкие цветные металлы

Титан не вызывает отторжения со стороны иммунной системы и применяется в протезировании костной ткани.

Тяжелые цветные металлы

Это элементы с большим удельным весом, такие, как медь, олово, свинец, цинк и никель. Обладают хорошей электропроводностью.

МедьОловоЦинкСвинец
Чистый никель

Они широко используются как катализаторы реакций, в изготовлении электроматериалов, в электронике, на транспорте – везде, где требуются достаточно прочные, упругие и коррозионностойкие материалы.

Благородные металлы

В эту группу входят золото, серебро, платина, а также редко встречающееся рутений, родий, палладий, осмий, иридий. Они обладают наибольшим удельным весом, высокой коррозионной устойчивостью и высокой электрической и тепловой проводимостью.

Золото и платинаСеребро

На заре человечества золото, серебро и платина применялись как универсальный платежный инструмент и как средство накопления богатств. С развитием цифровой экономики и переходом платежей в виртуальность важнее стаи их уникальные физические свойства

Редкоземельные и щелочные

К редкоземельным относятся скандий, иттрий, лантан и еще 15 редких элементов. Эти элементы отличаются значительным удельным весом, высокой химической активностью и применяются в высокотехнологичных отраслях.

ИттрийСканидийЛантан

К щелочным относятся литий, калий, натрий и другие. Все они отличаются малым удельным весом и исключительной химической активностью и при реакции с водой образуют щелочи, широко применяемы в быту и промышленности в составе мыла и других моющих средств.

Щелочные металлы

Классификация металлов по химическому составу

Химические свойства чистых элементов определяются строением атомов реальных металлов и прежде всего их атомным числом, характеризующим их способность реагировать с водородом, кислородом и другими элементами. Химические характеристики реально применяемых металлов могут сильно отличаться от параметров чистого вещества как в лучшую, так и в худшую сторону.

Нежелательные добавки называют примесями, а те, что вносятся преднамеренно для изменения параметров в нужную сторону — легирующими присадками.

Общепризнанной является классификация, основанная на указании главного компонента сплава.

Атомно — кристаллическое строение металлов

Внутреннее строение металлов и их характеристики определяют их физико-химические свойства. Электроны на внешних орбитах атомов слабо связаны с ядром и имеют отрицательный заряд. При наличии разницы потенциалов электроны мигрируют к положительному полюсу, создавая электрический ток. Это физическое явление обуславливает электропроводность.

Кристаллическое строение свойственно металлам и их сплавам в твердом фазовом состоянии. Атомы выстраиваются в определенную объемную структуру, называемую кристаллической решеткой.

Число атомов в вершинах и на гранях этой структуры, а также дистанция между ними определяют такие физические свойства металла, как электро- и теплопроводность, вязкость, текучесть и т.д.

Кристаллическое строение металлов и сплавов может быть двух типов:

  • Межатомная дистанция одинакова по всем направлениям. Это так называемое изотропное строение. При этом физические свойства кристалла также одинаковы по всем направлениям.
  • Межатомное расстояние по горизонтали и по вертикали разное. Такой кристалл называют анизотропным, и его физические параметры меняются в зависимости от направления.

Атомно-кристаллическое строение металлов

В реальном куске металлов, составленному из множества изолированных кристаллических фрагментов, атомно кристаллическое строение принадлежит к третьему типу — квазиизотропному. В среднем свойства такого куска близки к изотропным.

При выстраивании кристаллической решетки некоторые атомы не попадают на свое место, смещаются или теряются. В этом случае говорят о дефектах кристаллического строения металлов.

Дефекты структуры отрицательно влияют на свойства изделия, особенно если оно должно быть монокристаллом, как, например, в электронике, лазерной технике и других отраслях высоких технологий.

Физические свойства металлов

Физические свойства определяются внутренним строением металлов.

Главное отличие металлов от других элементов — это их электропроводность и магнитные свойства.

И хотя ученые создали неметаллические материалы, обладающие другим строением, но такими же свойствами, как у металлов и сплавов, они еще слишком дороги для массового применения. Многие химически чистые металлы обладают недостаточной прочностью для практических применений, чтобы исправить ситуацию, в технике и строительстве используют их сплавы.

Физические свойства металлов

Добавление тех или иных присадок приводит к росту прочность получаемого вещества в десятки раз по отношению к исходному элементу.

Электронное строение металлов и их особенности

Внутреннее строение реальных металлов определяет их физико-химические параметры.

Кристаллическая решетка металлов

Все металлы в твердом фазовом состоянии имеют кристаллическое строение. Это пространственное образование из многократно повторяющихся первичных структур называют кристаллической решеткой.
схема кристаллической решетки.

Кристаллическое строение металлов

Кристаллическое строение металлов и сплавов может быть двух типов:

  • Межатомная дистанция равна по всем направлениям. Это так называемое изотропное строение. При этом физические свойства кристалла также одинаковы по всем направлениям.
  • Межатомное расстояние по горизонтали и по вертикали разное. Такой кристалл называют анизотропным, его параметры зависят от направления.

В реальном куске металлов, который состоит из множества кристаллических фрагментов, атомно кристаллическое строение принадлежит к третьему типу — квазиизотропному. Усредненные параметры такого куска близки к изотропным.

Типы кристаллических решеток

Дистанцию соседними атомами называют параметром решетки, у разных металлов он составляет 2 — 6 ангстрем. Существуют три основных типа кристаллических решеток:

  • Кубическая: объемно-центрированная — включает в себя девять атомов. Свойственна железу, хрому, молибдену, и ванадию.
  • Кубическая гранецентрированная: включает в себя уже 14 атомов. Присуща меди, золоту, свинцу, алюминию.
  • Гексагональная: атомов уже 17 и размещены они наиболее плотно. Так кристаллизуются магний, цинк кадмий и другие.

Уникальная возможность железа заключается в том, что до 910°С оно имеет кубическую объемно-центрированную структуру, а при нагреве свыше этой температуры переходит к гранецентрированной.

Кристаллическое строение сплавов

Сплав это материал, состоящий из двух и более химических элементов. В его состав могут входить как металлы, так и неметаллы. Например, бронза — это сплав меди и олова, а чугун — сплав железа и углерода.

Кроме основных, в состав могут входить и другие вещества, содержащиеся в небольших количествах. Если их добавляют специально и улучшают свойства материала, их называют легирующими присадками, если ухудшают — вредными примесями.

Кристаллическое строение сплавов сложнее, чем металлов.

Строение сплавов

Оно определяется взаимовлиянием компонентов при образовании кристалла, и принадлежит к трем подвидам:

  • Твердые растворы. Один элемент растворяется в другом. Ведущий элемент строит кристаллическую структуру, а атомы второстепенного элемента размещаются в объеме этой решетки.
  • Химическое соединение. Элементы химически реагируют друг с другом, образуя новое соединение. Из его молекул и составляется кристаллическая решетка.
  • Механическая смесь. Элементы сплава не реагируют друг с другом. Каждый строит свои кристаллические структуры, срастающиеся в независимые кристаллы. Сплав будет представлять собой затвердевшую смесь из множества кристалликов двух разных типов. Такое вещество будет иметь собственную температуру перехода в жидкую фазу.

Физические свойства сплавов могут заметно меняться при изменении процентного соотношения составляющих.

Кристаллизация сплавов

Первичная кристаллизация — это затвердевание расплава с образованием кристаллических решеток. Пространственные атомные и молекулярные структуры, возникающие в ходе такого процесса, оказывают решающее влияние на свойства получаемого сплава.

Сначала в остывающем расплаве возникают центры кристаллизации, вокруг них в ходе процесса и нарастают кристаллы, многократно повторяя структуру центра. В качестве центров кристаллизации могут выступать:

  • Первые образовавшиеся кристаллы в зонах локального охлаждения, чаще всего у стенок литейной формы.
  • Частички неметаллических примесей.
  • Тугоплавкие примеси, уже находящиеся в твердой форме.

Процесс кристаллизации металлов и сплавов

Кристаллы обычно растут в направлении роста градиента температуры. Если рост решеток не встречает физических препятствий, образуются ветвящиеся кристаллические структуры, напоминающие кораллы — дендриты. Если они растут из разных центров и встречаются в расплаве, то препятствуют росту друг друга и искажают свою форму.

Такие искаженные кристаллы – это кристаллиты, или зерна. Совокупность отдельных зерен срастается в поликристаллическое тело.
Отдельные кристаллиты достигают размеров от одного до 10 000 микрон и по-разному развернуты в пространстве. На стыках отдельных кристаллитов образуется граничный слой, в котором кристаллические решетки разорваны.

Такие слои обладают измененными химическими и физическими свойствами.

Решетки кристаллитов могут обладать разными дефектами структуры:

  • точечные;
  • линейные;
  • поверхностные;

Дефекты кристаллического строения металлов

Дефекты определяются отсутствием атома или группы атомов в вершинах или гранях кристаллической решетки, смещением этих атомов со своих мест или замещением атома или их группы атомами или молекулами примесей.

Источник: https://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/kristallicheskoe-stroenie-metallov.html

Атомно-кристаллическое строение металлов

Атомно-кристаллическое строение металлов

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 5Следующая ⇒

Под атомно-кристаллическим строением понимают взаимное расположение атомов (ионов), существующее в реальном кристалле.

В твердом состоянии металл – это структура, состоящая из положительных ионов, омываемых коллективизированными электронами или, как говорят, электронным «газом». Между ионами и коллективизированными электронами проводимости возникают электростатические силы притяжения. Такая связь называется металлической.

Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами.

Ионы располагаются на таком расстоянии друг от друга, при котором энергия взаимодействия минимальна.

Сближение атомов (ионов), равно как и их удаление на расстояние, отличное от этого оптимального расстояния, осуществимо лишь при совершении определенной работы против сил отталкивания и притяжения.

Рис. 5. Схема кристал- лической решетки

Этот наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.

Большинство металлов образует одну из следующих высоко симметричных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную плотноупакованную (рис. 6).

Рис. 6. Кристаллические решетки металлов: а – объемно центрированная кубическая (ОЦК); б – гранецентрированная кубическая (ГЦК); в – гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

Как видно из рисунка, в кубической объемно центрированной решетке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объема куба. Кубическую объемно центрированную решетку имеют металлы: Pb, Na, Li, Tib, Zrb, Та, W, V, Fea, Cr, Nb, Ba и др.

В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Решетку такого типа имеют металлы: Саa, Се, Sra, Tn, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Jr, Feg, Сu, Соa и др.

В гексагональной (ГПУ) решетке атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома – в средней плоскости призмы. Такую упаковку атомов имеют металлы: Mg, Tia, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Cob. Be, Cab и др.

Расстояние a, b, с между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называются периодами решетки. Период решетки выражается в нанометрах (1 нм = 10-9 м). Периоды решетки для большинства металлов находятся в пределах 0,1 – 0,7 нм.

Половину наименьшего расстояния между атомами в их кристаллической решетке называютатомным радиусом.

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки свойства (химические, физические, механические) каждого монокристалла зависят от направления вырезки образца по отношению к направлениям в решетке. Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией.

Кристалл – тело анизотропное в отличие от аморфных тел (стекло, пластмассы и др.), свойства которых не зависят от направления.

Технические металлы являются поликристаллами, т. е. состоят из большого числа анизотропных кристаллитов. В большинстве случаев кристаллиты статистически неупорядоченно ориентированы по отношению друг к другу; поэтому во всех направлениях свойства более или менее одинаковы, т. е. поликристаллическое тело является псевдоизотропным.

Такая мнимая изотропность металла не будет наблюдаться, если кристаллиты имеют одинаковую преимущественную ориентацию в каких-то направлениях.

Эта ориентированность, или текстура, создается в известной степени, но не полностью (например, в результате значительной холодной деформации); в этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств.

При переходе металла из жидкого состояния в твёрдое образуется кристаллическая решётка и формируются кристаллы. Такой процесс называется кристаллизацией.

Все самопроизвольно протекающие превращения, а следовательно, кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более выгодным системе, обладает меньшим запасом энергии.

Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей энергией Гиббса (свободной энергией) G, т. е. когда энергия Гиббса кристалла меньше, чем энергия Гиббса жидкой фазы. Если превращение происходит с небольшим изменением объёма, то

G = U – TS,

где U – полная внутренняя энергия фаз,

Т – абсолютная температура, S – энтропия.

Следовательно, процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Тп. Разность между температурами Тп и Тк, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения:

DТ = Тп – Тк .

Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью v, показаны на рис. 9.

При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре, близкой к равновесной Тп (рис. 9, кривая v1).

На термической кривой при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка в падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при охлаждении.

Рис. 9. Кривые охлаждения металла при кристаллизации: v1

Источник: https://mydocx.ru/11-26027.html

Ч1.Г1.1. Атомно-кристаллическое строение металлов

Атомно-кристаллическое строение металлов

Все металлы и металлические сплавы, полученные обычными способами, представляют собой поликристаллические тела, состоящие из различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. Эти кристаллы, вследствие взаимного столкновения в процессе кристаллизации, имеют неправильную форму и называются кристаллитами или зернами.

На кристалличность металлов – самородных меди и золота – и сходство их кристаллов с кристаллами солей обратил внимание в шестидесятых годах 18-го столетия гениальный русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов. Понятие о кристалличности металлов и сплавов легло в основу современного научного объяснения их прочностных и пластических свойств.

Атомы (ионы) в кристаллах расположены закономерно.

При особых условиях металлы и сплавы могут быть получены в аморфном состоянии. Атомы в аморфных телах расположены хаотично.

В дальнейшем, вместо выражения “металлы и сплавы” в тексте возможно использование термина “металлы”, что соответствует принятой терминологии. Попутно отметим, что все металлы и сплавы условно подразделяют на две группы. Железо и сплавы на его основе, т.е. сталь и чугун, называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы – цветными.

Атомы в кристалле, располагаясь в определенном порядке, образуют кристаллическую решетку. Эта решетка представляет собою воображаемую пространственную сетку, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы, а между ними – свободные электроны, получившие название электронного газа.

Расположение атомов в кристалле обычно изображают в виде пространственных так называемых элементарных кристаллических ячеек, перемещением которых можно воспроизвести пространственную кристаллическую решетку.

Наиболее распространены три типа кристаллических решеток:

  • кубическая объемноцентрированная – ОЦК. Атомы расположены в вершинах и центре куба. Эта решетка характерна для альфа-железа, альфа-хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и других металлов;
  • кубическая гранецентрированная – ГЦК.

    Атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Эту упаковку имеют металлы: гамма-железо, альфа-никель, медь, алюминий, свинец и другие;

  • гексагональная плотноупакованная – ГПУ.

    Атомы расположены в углах и центре шестигранных оснований призмы, и три атома расположены в средней плоскости призмы. Эту решетку имеют магний, цинк, кадмий, альфа-цирконий и другие металлы.

  • Расстояния между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называются периодами решетки.

    В ОЦК решетке каждый атом в вершине куба одновременно принадлежит восьми элементарным ячейкам. Следовательно, на одну элементарную ячейку ОЦК решетки приходится два атома: из них один атом находится в центре куба, а один вносят атомы, расположенные в вершинах куба.

    Аналогичным образом можно показать, что на одну элементарную ячейку ГЦК решетки приходится четыре атома, а на одну ячейку ГПУ решетки – шесть атомов.

    Рис. 1. Схема, демонстрирующая число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии d в объёмноцентрированной кубической решётке. O – базисный атом. Наименьшее расстояние между атомами составляет , где а – период решётки.

    Важной характеристикой кристаллической решетки является ее плотность, т.е. объем, занятый атомами. Атомы при этом рассматриваются как жесткие шары. Плотность характеризуется координационным числом – числом атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от одного, так называемого базисного, атома.

    На рис. 1 приведена схема кубической объемноцентрированной решетки, где за базисный атом взят атом, расположенный в центре куба.

    Видно, что на равном и ближайшем расстоянии от него находится 8 атомов, расположенных в вершинах куба. Таким образом, координационное число для этой решетки 8 (обозначается К8), а коэффициент заполнения, т.е.

    отношение объема, занятого атомами, к объему ячейки, составит 68%.

    Чем больше координационное число решетки, тем выше плотность упаковки атомов. Для гранецентрированной кубической и гексагональной плотноупакованной решеток координационное число 12 (принятое обозначение К12 и Г12). Эти решетки являются наиболее компактными. Коэффициент заполнения в них составляет 74%.

    В специальной литературе рассматриваются такие вопросы, как кристаллографические обозначения атомных плоскостей кристаллов и индексы направлений, что необходимо, например, при объяснении такого характерного для металлических кристаллов свойства, как анизотропия, – неодинаковость многих свойств – физических, химических, механических – по разным кристаллографическим направлениям. Связано это с тем, что различные плоскости заполнены атомами с различной плотностью. В качестве примера рассмотрим две плоскости в объемноцентрированной кубической решетке: плоскость куба и плоскость, проходящую через элементарную ячейку (рис. 2).

    Рис. 2. Схема, поясняющая различную плотность атомов в двух плоскостях ОЦК решётки: в плоскости куба (слева) и в плоскости, проходящей через элементарную ячейку (справа).

    Четыре атома, расположенные в вершинах квадрата, вносят в плоскость куба один атом, поскольку каждый из этих атомов в совокупности с соседними ячейками принадлежит четырем плоскостям.

    Следовательно, плотность атомов в плоскости куба составит 1/a2 (а – период решетки). Плотность атомов в плоскости, проходящей через элементарную ячейку, как нетрудно показать, составит , т.е.

    в раз будет больше.

    Анизотропия особенно важна в технике, где используются монокристаллы. Металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят из множества различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллитов. Поэтому свойства литого металла во всех направлениях более или менее одинаковы. Это явление получило название квазиизотропности, т.е. кажущейся одинаковости.

    Источник: http://lib.ssga.ru/fulltext/UMK/170101/3%20%D1%81%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%80/%D0%9C%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5/170101%20%D0%A3%D1%87.%20%D0%BF%D0%BE%D1%81%D0%BE%D0%B1%D0%B8%D0%B5%20%D0%9C%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%202006/g11.html

    2 Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов

    Атомно-кристаллическое строение металлов

    2. Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов

    Физико-механические свойства металлов тесно связаны с особенностями их кристаллического строения. В твердом состоянии атомы всех металлов и металлических сплавов располагаются в строгом порядке, образуя в пространстве правильную кристаллическую решетку. В промышленных металлах наиболее распространены следующие кристаллические решетки (рис. 11.

    2): кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная. В элементарной  кубической объемно – центрированной решетке находится девять атомов (восемь в вершинах куба и один в центре). Такую решетку имеет железо при температуре до 910°С и выше 1390°С, хром, вольфрам, ванадии и др.

    В кубической гране центрированной решетке 14 атомов (восемь в вершинах куба и по одному в центре каждой грани). Такую решетку имеют: железо при температуре 910-1390°С, медь, никель, алюминий и др. В гексагональной  решетке, имеющей форму шестигранной призмы, 17 атомов (12 в вершинах, два в центре оснований и три внутри призмы).

    Данная решетка имеется у магния, цинка и других металлов.

    Возможны и другие формы кристаллических решеток. Атомы в решетке находятся на определенных расстояниях один от другого. Эти расстояния очень малы и вычисляются в нанометрах (1 нм = 10-9 м). Расположение атомов, межатомные расстояния, насыщенность атомами все, что влияет на качество металлов.

    Размеры кристаллической решетки характеризуются параметрами (периодами) – расстояниями между центрами атомов, расположенных в узлах элементарной ячейки. Например, для железа эти параметры равны 28,4 – 36,3 нм. При этом плотность и степень упаковки атомов кристаллической решетки характеризуется отношением объема, занятого атомами, к объему кристаллической решетки.

    В зависимости от формы кристаллической ячейки и степени ее упаковки каждый атом имеет различное число взаимных контактов с другими атомами.

    Эта величина характеризуется координационным числом – числом атомов, находящихся на наиболее близком равном расстоянии от данного атома: при кубической объемно-центрированной решетке – К18; при кубической гранецентрированной – К12 и др.

    Каждый металл имеет свою характерную кристаллическую ячейку, которая многократно повторяется и образует решетку его структуры.

    В металлах действуют различные виды физико-химической связи: металлическая, ван-дер-ваальсовая, ионная и ковалентная. В переходных металлах, к которым относится сталь, преобладает металлическая связь, возникающая за счет сил притяжения между решеткой из положительно заряженных ионов и окружающим их «газом» свободных электронов.

    При отсутствии внешней нагрузки атомы в кристалле находятся на равновесных расстояниях. Если приложить сжимающую нагрузку, то атомы будут сближаться до такого расстояния, при котором внутренние отталкивающие силы уравновесят внешние сжимающие силы. При растяжении кристалла расстояние между атомами увеличивается до тех пор, пока силы притяжения не уравновесят внешнюю нагрузку.

    Сопротивление деформированию определяется сопротивлением сдвигу одного атомного слоя относительно другого, соседнего. В случае приложения внешней силы наряду со сдвигом разрушение может произойти путем отрыва одной части кристалла от другой.

    Теоретически вычисленные напряжения, необходимые для отрыва одного атомного слоя от другого, на несколько порядков выше, чем прочность реальных кристаллов.

    Столь большое расхождение между теоретической и реальной прочностью металлов обусловлено дефектами кристаллов. Дефекты, в кристаллах по геометрическим признакам разделяют на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Точечные имеют размер порядка диаметра атома. К ним относят чужеродные атомы (примеси), вакансии, межузельные атомы и др.

    Линейные дефекты обладают сечением порядка атома и одним протяженным размером. Это дислокации различных типов, цепочки вакансий, межузельных атомов. К поверхностным дефектам причисляют границы зерен и блоков, свободные поверхности кристаллов и др., они имеют только один малый размер – толщину.

    К объемным дефектам относят в кристаллах микротрещины, поры, различные включения.

    Дислокации играют главную роль в процессах пластической деформации металлов, они в значительной мере определяют их реальную прочность. Дислокации бывают краевые, винтовые и смешанные криволинейные.

    Возникают они в металлах в процессе кристаллизации, пластической деформации и по другим причинам, вызывающим создание в кристаллической решетке полей напряжений, приводящих к соответствующим локальным деформациям и смещениям. Краевые, или линейные, дислокации характеризуются появлением в кристалле добавочной незавершенной атомной плоскости (экстраплоскости).

    Дислокация называется положительной (рис. 11.3), если экстраплоскость лежит в верхней части кристалла, и отрицательной, если она расположена в нижней части кристалла.

    Винтовая дислокация (рис. 11.4) появляется, если в кристалле сделать надрез и сдвинуть вниз одну часть кристалла относительно другой на одно межатомное расстояние (на рис. 11.4 плоскость сдвига заштрихована).

    Как видно из рисунка, смещение уменьшается от точки А к точке В, что вызывает изгиб атомных плоскостей.

    Несовершенная область вокруг линии ВС называется винтовой дислокацией, так как после появления такого несовершенства атомные плоскости кристалла закручиваются подобно винтовой лестнице.

    Дефекты кристаллического строения возникают уже в процессе кристаллизации металла. Взаимодействие дефектов между собой приводит к образованию новых несовершенств. Нарушения правильности кристаллического строения приводят к изменению свойств металла.

    Дислокации оказывают большое влияние на прочностные характеристики металла. На рис. 11.5 показана обобщенная зависимость между прочностью и плотностью дислокаций D.

    Идеальные (бездефектные) кристаллы имеют теоретическую прочность. К этому значению приближается прочность сверхтонких кристаллов с диаметром порядка 1 мкм и менее, практически не содержащих дислокаций.

    Такие кристаллы получили название нитевидных (НК).

    Достигнув минимального значения при некоторой критической плотности дислокаций, реальная прочность вновь начинает возрастать. Повышение реальной прочности с возрастанием плотности дислокаций выше D кр объясняется тем, что при этом возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях.

    Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, т. е. в элементарный акт пластической деформации будет вовлекаться одновременно все большее число атомов, и реальная прочность металла повысится.

    Традиционными способами упрочнения металлов, ведущими к увеличению плотности дислокаций, являются механический наклеп, измельчение зерна и общее фрагментирование кристаллов в результате термообработки.

    Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при его переходе из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией. Превращения, происходящие в процессе кристаллизации, имеют важное значение, так как в значительной степени определяют свойства металла. Кристаллизация состоит в следующем. В жидком металле атомы непрерывно движутся.

    По мере понижения температуры движение замедляется, атомы сближаются и группируются в кристаллы. Эта первичная группа кристаллов получила название центров кристаллизации. Далее к этим центрам присоединяются вновь образующиеся кристаллы. Одновременно продолжается образование новых центров.

    Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадии: образования центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров.

    На рис. 11.6 показан механизм кристаллизации. Сначала рост кристаллов не встречает препятствий (рис. 11.6, а,б), и растущие кристаллы сохраняют правильность строения кристаллической решетки.

    При дальнейшем движении кристаллы сталкиваются, и образовавшиеся зерна имеют уже неправильную форму, но сохраняют правильность строения внутри каждого кристалла. Такие группы кристаллов называют зернами (рис. 11.6, в-д). На рис. 11.

    6, е показаны границы зерен различных размеров. Размеры зерен зависят от природы металла и условий его кристаллизации.

    При охлаждении расплава металла с началом его кристаллизации падение температуры прекращается, на кривой охлаждения (рис. 11.7) образуется горизонтальный участок (см. левый график).

    Это объясняется тем, что группировка атомов идет с выделением теплоты. По окончании затвердевания температура снова понижается.

    По закону кристаллизации чистых металлов каждый металл кристаллизуется при строго индивидуальной температуре.

    Температуру, при которой металл переходит из жидкого состояния в твердое, называют температурой первичной кристаллизации. Кроме первичной кристаллизации, возможна и вторичная – изменение кристаллического строения металлов в твердом состоянии.

    При быстром отводе теплоты некоторые металлы способны определенное время находиться в жидком состоянии при температуре ниже границы первичной кристаллизации. Это явление объясняют следующим образом.

    В результате быстрого отвода теплоты образуется много центров кристаллизации и происходит их интенсивный рост, что приводит к выделению значительного количества теплоты, способной некоторое время поддерживать металл в жидком состоянии и даже повышать его температуру.

    Металлы обладают свойствами аллотропии, т. е. способностью одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру.

    Аллотропические превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Железо имеет четыре аллотропические формы: -Fe; -Fe; -Fe; -Fe.

    Практическое значение имеют только -Fe -Fe так как -Fe и -Fe отличаются от -Fe только величиной межатомного расстояния, а для -Fe характерно отсутствие магнитных свойств.

    Температура, при которой происходит переход металла из одной аллотропической формы в другую, называется критической. Точки этих температур видны на диаграмме охлаждения чистого железа (см. рис. 11.8) как температуры горизонтальных участков, свидетельствующих о том, что фазовые превращения происходят с выделением теплоты.

    Технические металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела, т. е. тела, состоящие из большого числа различно ориентированных кристаллических зерен; поперечные размеры этих зерен 0,001-0,1 мм.

    Поэтому в целом металлы и сплавы можно считать условно изотропными телами, т. е. обладающими одинаковыми свойствами по всем направлениям.

    Источник: https://studizba.com/lectures/129-inzhenerija/1917-metallicheskie-materialy-i-izdelija/37442-2-atomno-kristallicheskoe-stroenie-metallov-i-splavov.html

    Vse-referaty
    Добавить комментарий