Металлическая кристаллическая решетка в сплавах
Сплавом считается соединение сразу нескольких химических элементов. В большинстве случаев – это металлы, но нельзя сбрасывать со счетов и соединения, в которых имеются вкрапления неметаллов. Простейший пример сплава металла и неметалла, — это углерод.
Обратите внимание: если вкрапливаемый элемент в сплав приносит ему практическую пользу (например, улучшает коррозийную стойкость), такую присадку называют легирующей, в обратном случае получаем вредную примесь.
В металлургии имеется такое понятие как механическая смесь – это разновидность сплава, у которого кристаллические решетки компонентов не способны взаимно раствориться. Получаемое соединение мало используется в металлургии, но как явление все же существует.
6 шагов, как отличить медь от латуни в домашних условиях
Качественная взаимосвязь компонентов характерна для:
- твердых растворов. Когда атомы элемента-помощника внедряются внутрь кристаллической решетки базового компонента соединения;
- химические сплавы. Наиболее качественные метод соединения металлов. Результатом становится новая кристаллическая решетка, образованная из молекул обоих компонентов в более-менее равной мере.
В зависимости от долевого вкрапления легирующих добавок, физика и химия поведения сплавов может значительно отличаться друг от друга. Особенно чувствительны в этом плане компоновки из металлов и неметаллов.
Конечный этап процесса химического соединения металлических элементов называют первичной кристаллизацией. После нагрева элемента до нужной температуры (температура плавления), наступает этап смешивания и последующее остывание. На последней стадии происходит образование центральных элементов кристаллизации, вокруг которых и собирается полноценная кристаллическая решетка сплава из повторяющихся ячеек центра.
Центральными элементами могут быть:
- ячейки вдоль каемки литейного оборудования, где остывание происходит быстрее всего;
- неметаллические элементы, попавшие в сплав;
- легирующие элементы с высоким запасом тугоплавкости.
Рост кристаллов в 90% случаев протекает вдоль температурного градиента. Наткнувшись на препятствие, структура приобретает древовидный вид. При стыке двух таких элементов, происходит образование зерен, из которых и образуется тело поликристаллического типа.
Отдельные кристаллы, которые встретили препятствие на поздних стадиях своего роста, могут вырастать до 8 000 – 11 000 микрон. Их пространственное положение не имеет четкого направления, а подается вразброс. Вся совокупность мелких крупных зерен и составляет новое образование, именуемое сплавом.
7 областей применения самого легкоплавкого металла
Разбор терминологии и свойств по металлической кристаллической решетке:
Атомная кристаллическая решетка
Атомная кристаллическая решетка образуется, когда в узлах кристалла расположены атомы. Атомы соединены между собой прочными ковалентными химическими связями. Соответственно, такая кристаллическая решетка будет очень прочной, разрушить ее непросто.
Атомную кристаллическую решетку могут образовывать атомы с высокой валентностью, т.е. с большим числом связей с соседними атомами (4 или больше). Как правило, это неметаллы: простые вещества — кремния, бора, углерода (аллотропные модификации алмаз, графит), и их соединения (бороуглерод, оксид кремния (IV) и др.).
Поскольку между неметаллами возникает преимущественно ковалентная химическая связь, свободных электронов (как и других заряженных частиц) в веществах с атомной кристаллической решеткой в большинстве случаев нет. Следовательно, такие вещества, как правило, очень плохо проводят электрический ток, т.е. являются диэлектриками. Это общие закономерности, из которых есть ряд исключений.
Связь между частицами в атомных кристаллах: ковалентная полярная или неполярная.
В узлах кристаллас атомной кристаллической структурой расположены атомы.
Фазовое состояние атомных кристаллов при нормальных условиях: как правило, твердые вещества.
Вещества, образующие в твердом состоянии атомные кристаллы:
- Простые веществас высокой валентностью (расположены в середине таблицы Менделеева): бор, углерод, кремний, и др.
- Сложные вещества, образованные этими неметаллами: кремнезем (оксид кремния, кварцевый песок) SiO2; карбид кремния (корунд) SiC; карбид бора, нитрид бора и др.
Физические свойства веществ с атомной кристаллической решеткой:
— прочность;
— тугоплавкость (высокая температура плавления);
— низкая электропроводность;
— низкая теплопроводность;
— химическая инертность (неактивные вещества);
— нерастворимость в растворителях.
Кристаллическая решетка
Твердые кристаллы можно представить как трехмерные конструкции, в которых четко повторяется один и тот же элемент структуры во всех направлениях. Геометрически правильная форма кристаллов обусловлена их строго закономерным внутренним строением.
Если центры притяжения атомов, ионов или молекул в кристалле изобразить в виде точек, то получим трехмерное регулярное распределение таких точек, которое называется кристаллической решеткой, а сами точки — узлы кристаллической решетки.
Определенная внешняя форма кристаллов является следствием их внутренней структуры, которая связана именно с кристаллической решеткой.
Для характеристики кристаллической решетки используют следующие параметры:
- Энергия кристаллической решетки Екр [КДж / моль] — это энергия, выделяющаяся при образовании 1 моля кристалла из микрочастиц (атомов, молекул, ионов), которые находятся в газообразном состоянии и удалены друг от друга на такое расстояние, что исключается возможность их взаимодействия.
- Константа кристаллической решетки d [A0] — наименьшее расстояние между центрами двух частиц в соседних узлах кристаллической решетки, соединенных химической связью.
- Координационное число — количество ближайших частиц, окружающих в пространстве центральную частицу и сочетаются с ней химической связью.
Основой кристаллической решетки является элементарная ячейка, которая повторяется в кристалле бесконечное количество раз.
Элементарная ячейка — это наименьшая структурная единица кристаллической решетки, которая обнаруживает все свойства ее симметрии.
Упрощенно элементарную ячейку можно определить как малую часть кристаллической решетки, которая еще выявляет характерные особенности ее кристаллов. Признаки элементарной ячейки описываются с помощью трех правил Бреве :
- симметрия элементарной ячейки должна соответствовать симметрии кристаллической решетки;
- элементарная ячейка должна иметь максимальное количество одинаковых ребер а, b , с и одинаковых углов между ними a , b , g . ;
- при условии соблюдения первых двух правил элементарная ячейка должна занимать минимальный объем.
Для описания формы кристаллов используют систему трех кристаллографических осей а, b, с, которые отличаются от обычных координатных осей тем, что они являются отрезками определенной длины, углы между которыми a, b, g могут быть как прямыми, так и непрямыми.
Модель кристаллической структуры: а) кристаллическая rратка с выделенной элементарной ячейкой; б) элементарная ячейка с обозначениями гранных углов
Форму кристалла изучает наука геометрическая кристаллография, одним из основных положений которой является закон постоянства гранных углов: для всех кристаллов данного вещества углы между соответствующими гранями всегда остаются одинаковыми.
Если взять большое количество элементарных ячеек и заполнить ими плотно друг к другу определенный объем, сохраняя параллельность граней и ребер, то образуется монокристалл идеальной строения. Но на практике чаще всего встречаются поликристаллов, в которых регулярные структуры существуют в определенных пределах, по которым ориентация регулярности резко меняется.
В зависимости от соотношения длин ребер а, b, с и углов a, b, g между гранями элементарной ячейки различают семь систем — так называемых сингоний кристаллов.
Однако элементарная ячейка может быть построенной и таким образом, что она имеет дополнительные узлы, которые размещаются внутри ее объема или на всех ее гранях — такие решетки называются соответственно объемноцентрированными и гранецентрированными.
Если дополнительные узлы находятся только на двух противоположных гранях (верхний и нижний), то это базоцентрированная решетка. С учетом возможности дополнительных узлов существует всего 14 типов кристаллических решеток.
Внешняя форма и особенности внутреннего строения кристаллов определяются принципом плотной «упаковки» : наиболее устойчивой, а потому и наиболее вероятной структурой будет такая, которая соответствует наиболее плотному расположению частиц в кристалле и в которой остается наименьшее по объему свободное пространство.
Молекулярная кристаллическая решетка
Молекулярная кристаллическая решетка – это такая решетка, в узлах которой располагаются молекулы. Удерживают молекулы в кристалле слабые силы межмолекулярного притяжения (силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи, или электростатическое притяжение).
Соответственно, такую кристаллическую решетку, как правило, довольно легко разрушить. Вещества с молекулярной кристаллической решеткой – легкоплавкие, непрочные. Чем больше сила притяжения между молекулами, тем выше температура плавления вещества.
Как правило, температуры плавления веществ с молекулярной кристаллической решеткой не выше 200-300К. Поэтому при нормальных условиях большинство веществ с молекулярной кристаллической решеткой существует в виде газов или жидкостей.
Молекулярную кристаллическую решетку, как правило, образуют в твердом виде кислоты, оксиды неметаллов, прочие бинарные соединения неметаллов, простые вещества, образующие устойчивые молекулы (кислород О2, азот N2, вода H2O и др.), органические вещества.
Связь между частицами в молекулярных кристаллах: межмолекулярные водородные связи, электростатические или межмолекулярные силы притяжения.
В узлах кристалла с молекулярной кристаллической структурой расположены молекулы.
Фазовое состояниемолекулярных кристаллов при нормальных условиях: газы, жидкости и твердые вещества.
Вещества, образующие в твердом состоянии молекулярные кристаллы:
- Простые вещества-неметаллы, образующие маленькие прочные молекулы(O2, N2, H2, S8 и др.);
- Сложные вещества (соединения неметаллов) с ковалентными полярными связями(кроме оксидов кремния и бора, соединений кремния и углерода) — вода H2O, оксид серы SO3 и др.
- Одноатомные инертные газы (гелий, неон, аргон, криптони др.);
- Большинство органических веществ, в которых нет ионных связей — метан CH4, бензол С6Н6 и др.
Физические свойства веществ с молекулярной кристаллической решеткой:
— легкоплавкость (низкая температура плавления):
— высокая сжимаемость;
— молекулярные кристаллы в твердом виде, а также в растворах и расплавах не проводят ток;
— фазовое состояние при нормальных условиях – газы, жидкости, твердые вещества;
— высокая летучесть;
— малая твердость.
Молекулярно-кинетическая теория
Все молекулы состоят из мельчайших частиц – атомов. Все открытые на настоящий момент атомы собраны в таблице Менделеева.
Атом– это мельчайшая, химически неделимая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Атомы соединяются между собой химическими связями. Ранее мы уже рассматривали виды химических связей и их свойства. Обязательно изучите теорию по теме: Типы химических связей, перед тем, как изучать эту статью!
Теперь рассмотрим, как могут соединяться частицы в веществе.
В зависимости от расположения частиц друг относительно друга свойства образуемых ими веществ могут очень сильно различаться. Так, если частицы расположены друг от друга далеко (расстояние между частицами намного больше размеров самих частиц), между собой практически не взаимодействуют, перемещаются в пространстве хаотично и непрерывно, то мы имеем дело с газом.
Если частицы расположены близко друг к другу, но хаотично, больше взаимодействуют между собой, совершают интенсивные колебательные движения в одном положении, но могут перескакивать в другое положение, то это модель строения жидкости.
Если же частицы расположены близко к друг другу, но более упорядоченно, и больше взаимодействуют между собой, а двигаются только в пределах одного положения равновесия, практически не перемещаясь в другие положения, то мы имеем дело с твердым веществом.
Большинство известных химических веществ и смесей могут существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Самый простой пример – это вода. При нормальных условиях она жидкая, при 0 оС она замерзает – переходит из жидкого состояния в твердое, и при 100 оС закипает – переходит в газовую фазу – водяной пар.
При этом многие вещества при нормальных условиях – газы, жидкости или твердые. Например, воздух – смесь азота и кислорода – это газ при нормальных условиях. Но при высоком давлении и низкой температуре азот и кислород конденсируются и переходят в жидкую фазу.
Очень многие свойства индивидуальных веществ и смесей объясняются взаимным расположением частиц в пространстве друг относительно друга!
Данная статья рассматривает свойства твердых тел, в зависимости от их строения. Основные физические свойства твердых веществ: температура плавления, электропроводность, теплопроводность, механическая прочность, пластичность и др.
Температура плавления – это такая температура, при которой вещество переходит из твердой фазы в жидкую, и наоборот.
Пластичность– это способность вещества деформироваться без разрушения.
Электропроводность– это способность вещества проводить ток.
Ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Таким образом, ток могут проводить только такие вещества, в которых присутствуют подвижные заряженные частицы. По способности проводить ток вещества делят на проводники и диэлектрики.
В твердом веществе частицы вещества могут располагаться хаотично, либо более упорядоченно. Если частицы твердого вещества расположены в пространстве хаотично, вещество называют аморфным. Примеры аморфных веществ – уголь, слюдяное стекло.
Аморфный бор
Если частицы твердого вещества расположены в пространстве упорядоченно, т.е. образуют повторяющиеся трехмерные геометрические структуры, такое вещество называют кристаллом, а саму структуру – кристаллической решеткой.
Кристаллические вещества различают, в частности, по типу химической связи между частицами в кристалле – атомные, молекулярные, металлические, ионные; по геометрической форме простейшей ячейки кристаллической решетки – кубическая, гексагональная и др.
В зависимости от типа частиц, образующих кристаллическую решетку, различают атомную, молекулярную, ионную и металлическую кристаллическую структуру.
Строение металлов (кристаллическое) . реферат. химия. 2008-12-09
Федеральное агентство по
науке Российской Федерации
Новгородский государственный
университет имени Ярослава Мудрого
Кафедра
химии и экологии
Реферат по теме
СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
Выполнил:
Студент гр. 6651
Васильев Виталий
Великий
Новгород
2007
Содержание
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ………………………3
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ………………………………..5
ДЕФЕКТЫ СТРОЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ…………………………..10
ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ…………………………………………………….10
ЛИНЕЙНЫЕ ДЕФЕКТЫ……………………………………………………12
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ДЕФЕКТЫ……………………………………………18
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………….22
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ
И СПЛАВОВ
Металлы и их сплавы повсеместно используются для
изготовления конструкций машин, оборудования, инструмента и т. д. Несмотря на
широкий круг искусственно созданных материалов (керамики, клеев), металлы
служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему
будут доминировать.
В природе металлы встречаются как в чистом виде, так и в
рудах, оксидах и солях. В чистом виде встречаются химически устойчивые элементы
(Pt, Au, Ag, Cu). Масса наибольшего самородка меди составляет 420 т, серебра —
13,5 т, золота — 112 кг. Из 111 открытых элементов, представленных в
Периодической системе элементов Д. И. Менделеева, 76 являются металлами, Si,
Ge, As, Se, Te — промежуточными между металлами и неметаллами, иногда их
называют полуметаллами. Все элементы, расположенные левее мысленной линии,
проведенной от бора до астата (от № 5 до № 85) относятся к металлам, а правее —
в основном, к неметаллам. Эта граница недостаточно четко выражена, так как
среди элементов, расположенных вблизи границы, находятся и полуметаллы.
Металлические материалы обычно делятся на две большие
группы: железо и сплавы железа (сталь и чугун) называют черными металлами, а
остальные металлы и их сплавы — цветными. Кроме того, все цветные металлы,
применяемые в технике, в свою очередь, делятся на следующие группы:
– легкие
металлы Mg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г/см3;
– тяжелые
металлы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотностью, превышающей 10 г/см3;
– легкоплавкие
металлы Sn, Pb, Zn с температурой плавления 232; 327; 410 °С соответственно;
– тугоплавкие
металлы W, Mo, Та, Nb с температурой плавления выше, чем у железа (> 1536
°С);
– благородные
металлы Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии;
– урановые
металлы или актиноиды, используемые в атомной технике;
– редкоземельные
металлы (РЗМ) — лантаноиды, применяемые для модифицирования стали;
– щелочные
и щелочноземельные металлы Na, К, Li, Ca в свободном состоянии применяются в
качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах; натрий также
используется в качестве катализатора в производстве искусственного каучука, а
литий — для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых в
самолетостроении.
Свойства металлов разнообразны. Ртуть замерзает при
температуре минус 38,8 °С, вольфрам выдерживает рабочую температуру до 2000 °С
(Т.пл. = 3420 °С), литий, натрий, калий легче воды, а иридий и осмий — в 42
раза тяжелее лития. Электропроводность серебра в 130 раз выше, чем у марганца.
Вместе с тем металлы имеют характерные общие свойства. К ним относятся:
– высокая
пластичность;
– высокие
тепло- и электропроводность;
– положительный
температурный коэффициент электрического сопротивления, означающий рост
сопротивления с повышением температуры и сверхпроводимость многих металлов
(около 30) при температурах, близких к абсолютному нулю;
хорошая
отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический
блеск);
– термоэлектронная
эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве;
кристаллическое
строение в твердом состоянии.
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ
МЕТАЛЛОВ
Общее свойство металлов и сплавов — их кристаллическое
строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в
пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие
кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с
ионами (атомами) в узлах.
Атомно-кристаллическая структура может быть представлена не
рядом периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так
называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Трансляцией этого
наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла (рис.
1.1).
Рис. 1.1. Кристаллическая решетка
В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до
соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять
схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения
прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния a,
b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют
параметрами, или периодами решетки. Величина их в металлах порядка 0,1–0,7 нм,
размеры элементарных ячеек — 0,2–0,3 нм.
Для однозначного описания элементарной ячейки
кристаллической решетки необходимо знание величин параметров a, b, c и углов
между ними.
В 1848 г. французский ученый Бравэ показал, что изученные
трансляционные структуры и элементы симметрии позволяют выделить 14 типов
кристаллических решеток.
На рис. 1.2 показаны три типа элементарных ячеек
кристаллических решеток, наиболее характерные для металлов:
объемноцентрированная кубическая (ОЦК); гранецентрированная кубическая (ГЦК) и
гексагональная плотноупакованная (ГП), а также схемы упаковки в них атомов.
.
Рис. 1.2. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток
металлов и схемы упаковки в них атомов:
а)
гранецентрированная кубическая (ГЦК);
б)
объемноцентрированная кубическая (ОЦК);
в)
гексагональная плотноупакованная (ГП) решетка
В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК; А1) атомы
расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (рис. 1.2, б).
В кубической объемноцентрированной решетке (ОЦК; А2) атомы
расположены в вершинах куба, а один атом — в центре его объема (рис. 1.2, а).
В гексагональной плотноупакованной решетке (ГП; А3) атомы
расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в
средней плоскости призмы (рис. 1.2, в).
Для характеристики кристаллических решеток вводят понятия
координационного числа и коэффициента компактности. Координационным числом
называется число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от
данного атома. Для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решеток ГЦК и
ГП оно составляет 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чем
решетки ГЦК и ГП. В решетке ОЦК каждый атом имеет всего 8 ближайших соседей, а
в решетках ГЦК и ГП их 12.
Если принять, что атомы в решетке представляют собой
упругие соприкасающиеся шары, то нетрудно видеть, что в решетке, помимо атомов,
имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки,
т. е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности.
Коэффициент компактности Q равен отношению суммарного объема
атомов, входящих в решетку, к объему решетки:
где
R — радиус атома (иона); n — базис, или число атомов, приходящихся на одну
элементарную ячейку; V — объем элементарной ячейки.
Для простой кубической решетки n = (1/8) · 8 = 1; V =
a3 = (2R)3, коэффициент компактности Q = 52 %.
Схема определения базиса ОЦК решетки приведена на рис. 1.3.
На решетку ОЦК приходится два атома: один центральный и один как сумма от
вершин куба, так как ячейке принадлежит 1/8 атома от каждого угла.
Для ОЦК решетки n = (1/8) · 8 1 = 2. Учитывая, что
атомы соприкасаются по диагонали куба, длина которой равна 4 атомным радиусам,
параметр решетки, а коэффициент компактности QОЦК = 68 %.
Проведя аналогичные вычисления, найдем QГЦК = 74 %, QГП =
74 %.
Таким образом, решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК.
Некоторые металлы при разных температурах могут иметь
различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных
кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Принято
обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре,
индексом α (α-Fe), при более высокой индексом β, затем γ и
т.д.
Известны полиморфные превращения железа:
Fea
« Feg (a-Fe « g-Fe), титана Tia « Tig
(a-Ti « g-Ti) и других элементов.
Рис. 1.3. Схема определения базиса ОЦК решетки
Температура превращения одной кристаллической модификации в
другую называется температурой полиморфного превращения.
При полиморфном превращении меняются форма и тип
кристаллической решетки. Это явление называется перекристаллизацией. Так, при
температуре ниже 911 °С устойчиво Fea, в интервале 911–1392 °С устойчиво Feg.
При нагреве выше 911 °С атомы решетки ОЦК перестраиваются, образуя решетку ГЦК.
На явлении полиморфизма основана термическая обработка.
При переходе из одной полиморфной формы в другую меняются
свойства, в частности плотность и соответственно объем вещества. Например,
плотность Feg на 3 % больше плотности Fea, а удельный объем соответственно
меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термообработке.
Полиморфизм олова явился одной из причин гибели полярной
экспедиции английского исследователя Р. Скотта. Оловом были запаяны канистры с
керосином. При низкой температуре произошло полиморфное превращение пластичного
белого олова с образованием хрупкого порошка серого олова. Горючее вылилось и
испарилось, и на обратном пути экспедиция осталась без топлива. Превращение
белого олова в серое называют «оловянной чумой».
Свойства материалов зависят от природы атомов, из которых
они состоят, и силы взаимодействия между ними. Аморфные материалы
характеризуются хаотическим расположением атомов. Поэтому свойства их в
различных направлениях одинаковы, или, другими словами, аморфные материалы
изотропны. В кристаллических материалах расстояния между атомами в разных
кристаллографических направлениях различны. Например, в ОЦК решетке в
кристаллографической плоскости, проходящей через грань куба, находится всего
один атом, так как четыре атома в вершинах одновременно принадлежат четырем
соседним элементарным ячейкам: (1/4) 4 = 1 атом. В то же время в плоскости,
проходящей через диагональ куба, будут находиться два атома: 1 (1/4) 4 = 2.
Из-за неодинаковой плотности атомов в различных
направлениях кристалла наблюдаются разные свойства. Различие свойств в
кристалле в зависимости от направления испытания называется анизотропией.
Разница в физико-химических и механических свойствах в
разных направлениях может быть весьма существенной. При измерении в двух взаимно
перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного
коэффициента линейного расширения различаются в 3–4 раза, а прочности кристалла
железа — более чем в два раза.
Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов или
для так называемых монокристаллов. Большинство же технических литых металлов,
затвердевших в обычных условиях, имеют поликристаллическое строение. Они
состоят из большого числа кристаллов или зерен (рис. 1.4, а). При этом каждое
отдельное зерно анизотропно. Различная ориентировка отдельных зерен приводит к
тому, что в целом свойства поликристаллического металла являются усредненными.
Поликристаллическое тело характеризуется квазиизотропностью —
кажущейся независимостью свойств от направления испытания. Квазиизотропность
сохраняется в литом состоянии, а при обработке давлением (прокатке, ковке),
особенно, если она ведется без нагрева, большинство зерен металла приобретает
примерно одинаковую ориентировку — так называемую текстуру (pиc. 1.4, б), после
чего металл становится анизотропным. Свойства деформированного металла вдоль и
поперек направления главной деформации могут существенно различаться.
Анизотропия может приводить к дефектам металла (расслою, волнистости листа).
Анизотропию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии
получения деталей.
Рис. 1.4. Ориентировка кристаллических решеток:
а) в зернах литого металла; б) после обработки давлением
ДЕФЕКТЫ
СТРОЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ
Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное
повторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерно
наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность
расположения атомов в кристаллической решетке. Эти дефекты оказывают
существенное влияние на свойства материала. Различают три типа дефектов
кристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные.
ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ
Точечные дефекты (рис. 1.5) характеризуются малыми размерами во
всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К
точечным дефектам относятся: а) свободные места в узлах кристаллической решетки
— вакансии (дефекты Шоттки); б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллической
решетки в межузельные промежутки — дислоцированные атомы (дефекты Френкеля); в)
атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях
кристаллической решетки — примесные атомы.
Рис.1.5. Точечные дефекты в кристаллической решетке:
а)
вакансия; б) дислоцированный атом
Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации под
воздействием тепловых, механических, электрических воздействий, а также при
облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами.
Вакансии и дислоцированные атомы могут появляться
вследствие тепловых движений атомов. В характерных для металлов решетках
энергия образования дислоцированных атомов значительно больше энергии
образования тепловых вакансий. Поэтому основными точечными дефектами в металлах
являются тепловые вакансии. При комнатной температуре концентрация вакансий
сравнительно невелика и составляет около 1 на 1018 атомов, но резко
повышается при нагреве, особенно вблизи температуры плавления. Точечные дефекты
не закреплены в определенных объемах металла, они непрерывно перемещаются в
кристаллической решетке в результате диффузии.
Присутствие вакансий объясняет возможность диффузии —
перемещения атомов на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния для
данного металла. Перемещение атомов осуществляется путем обмена местами с
вакансиями. Различают самодиффузию и гетеродиффузию. В первом случае
перемещения атомов не изменяют их концентрацию в отдельных объемах, во втором —
сопровождаются изменением концентрации. Гетеродиффузия характерна для сплавов с
повышенным содержанием примесей.
Вакансии, дислоцированные атомы и другие точечные дефекты
обнаружены при исследовании металлов с помощью автоионного микроскопа, дающего
увеличение свыше 106 раз.
ЛИНЕЙНЫЕ ДИФЕКТЫ
Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух
измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее
важный вид линейных дефектов — дислокации (лат. dislocation — смещение). Теория
дислокаций была впервые применена в середине тридцатых годов ХХ века физиками
Орованом, Поляни и Тейлором для описания процесса пластической деформации
кристаллических тел. Ее использование позволило объяснить природу прочности и
пластичности металлов. Теория дислокаций дала возможность объяснить огромную
разницу между теоретической и практической прочностью металлов.
На рис. 1.6 приведена схема участка кристаллической решетки
с одной «лишней» атомной полуплоскостью, т. е. краевой дислокацией. Линейная
атомная полуплоскость PQQ’Р’ называется экстраплоскостью, а нижний край
экстраплоскости — линией дислокации. Если экстраплоскость находится в верхней
части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком « »,
если в нижней — то отрицательной и обозначают знаком «–». Различие между
дислокациями чисто условное. Перевернув кристалл, мы превращаем положительную
дислокацию в отрицательную. Знак дислокации позволяет оценить результат их
взаимодействия. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного —
притягиваются.
Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться
и винтовые дислокации (рис. 1.7).
Винтовые дислокации могут быть получены путем частичного
сдвига атомных слоев по плоскости Q, который нарушает параллельность атомных
слоев. Кристалл как бы закручивается винтом вокруг линии EF. Линия EF является
линией дислокации. Она отделяет ту часть плоскости скольжения, где сдвиг уже
завершился, от той части, где сдвиг еще не происходил. Винтовая дислокация,
образованная вращением по часовой стрелке, называется правой, а против часовой
стрелки — левой.
Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест и
кристаллическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряжений:
выше линии дислокации решетка сжата, а ниже растянута.
Рис.
1.6. Краевая дислокация Рис. 1.7. Винтовая
дислокация
Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а
также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность
дислокаций может достигать большой величины. Под плотностью дислокаций r обычно
понимают суммарную длину дислокаций S l, приходящуюся на единицу объема V
кристалла: r = S l/V. Таким образом, размерность плотности дислокаций r: см/см3,
или см2. Для отожженных металлов плотность дислокаций составляет
величину 106–103 см2, после холодной деформации она увеличивается до
1011–1012 см2, что соответствует примерно 1 млн. километров
дислокаций в 1 см3.
Использование теории дислокаций позволило объяснить большое
расхождение между теоретической и фактической прочностью металлов.
Теоретическая прочность должна быть пропорциональна произведению сил межатомной
связи на число атомов в сечении кристалла.
Расчетное усилие для смещения одной части кристалла
относительно другой оказалось на 2–3 порядка выше фактически затрачиваемого при
пластической деформации металла. Так, теоретическая прочность железа составляет
около 13 000 МПа, а фактическая — всего 250 МПа.
Такое расхождение теоретической и фактической прочности
объясняется тем, что деформация происходит не путем одновременного смещения
целых атомных плоскостей, а путем постепенного перемещения дислокаций. Влияние
дислокаций на процесс пластической деформации на примере краевых дислокаций
показано на рис. 1.8.
Рис. 1.8. Схема пластической деформации путем
последовательного перемещения дислокации в простой кубической решетке:
а)
исходное состояние краевой дислокации
б)
контур Бюргерса вокруг дислокации;
в)
контур Бюргерса для неискаженной решетки после скольжения
Пластический сдвиг является следствием постепенного
перемещения дислокаций в плоскости сдвига. Распространение скольжения по
плоскости скольжения происходит последовательно. Каждый элементарный акт
перемещения дислокации из одного положения в другое совершается путем разрыва
лишь одной вертикальной атомной плоскости. Для перемещения дислокаций требуется
значительно меньшее усилие, чем для жесткого смещения одной части кристалла
относительно другой в плоскости сдвига. При движении дислокации вдоль
направления сдвига через весь кристалл происходит смещение верхней и нижней его
частей лишь на одно межатомное расстояние. В результате перемещения дислокация
выходит на поверхность кристалла и исчезает. На поверхности остается ступенька
скольжения.
В лекции о роли дислокаций Орован в качестве аналогии
движения дислокаций приводил примеры перемещения таких представителей животного
мира, как дождевой червь или змея. Они скользят по поверхности земли,
последовательно перемещая участки своего тела. При этом участки, через которые
прошла волна возмущения, восстанавливают исходную форму. В случае
пластического сдвига позади переместившейся дислокации атомная структура
верхних и нижних слоев восстанавливает свою исходную конфигурацию.
Другой аналогией движения дислокаций является перемещение складки
на ковре. Последовательное перемещение складки потребует значительно меньше
усилий, чем перемещение всего ковра по поверхности пола, хотя в обоих случаях
будет достигнут один и тот же результат — ковер переместится на одинаковое
расстояние (рис. 1.9).
Рис. 1.9. Схема движения дислокации по аналогии с перемещением складки
на ковре
Дислокации легко перемещаются в направлении,
перпендикулярном экстраплоскости. Чем легче перемешаются дислокации, тем ниже
прочность металла, тем легче идет пластическая деформация.
Пластическая деформация кристаллических тел связана с
количеством дислокаций, их шириной, подвижностью, степенью взаимодействия с
дефектами решетки и т. д. Характер связи между атомами влияет на пластичность
кристаллов. Так, в неметаллах с их жесткими направленными связями дислокации
очень узкие, они требуют больших напряжений для старта — в 103 раз больших, чем
для металлов. В результате хрупкое разрушение в неметаллах наступает раньше,
чем сдвиг.
Таким образом, причиной низкой прочности реальных металлов
является наличие в структуре материала дислокаций и других несовершенств
кристаллического строения. Получение бездислокационных кристаллов приводит к
резкому повышению прочности материалов (рис. 1.10).
Рис.
1.10. Влияние искажений кристаллической решетки на прочность кристаллов.
Левая ветвь кривой соответствует созданию совершенных
бездислокационных нитевидных кристаллов (так называемых «усов»), прочность
которых близка к теоретической.
При ограниченной плотности дислокаций и других искажений
кристаллической решетки процесс сдвига происходит тем легче, чем больше
дислокаций находится в объеме металла.
С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций
в металле и их плотность увеличивается. Помимо параллельных дислокаций
возникают дислокации в разных плоскостях и направлениях. Дислокации
воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемешаться, происходит их
аннигиляция (взаимное уничтожение) и т. д., что позволило Дж. Гордону образно
назвать их взаимодействие в процессе пластической деформации «интимной жизнью
дислокаций». С повышением плотности дислокаций их движение становится все более
затрудненным, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения
деформации. В результате металл упрочняется, что соответствует правой ветви
кривой на рис. 1.10.
Упрочнению способствуют и другие несовершенства
кристаллического строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним
относятся атомы растворенных в металле примесей и легирующих элементов, частицы
выделений второй фазы, границы зерен или блоков и т. д. На практике препятствие
движению дислокаций, т. е. упрочнение, создается введением других элементов
(легирование), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижение
температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких
температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится более
прочным, но хрупким.
Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может
быть достигнуто двумя путями: 1) получением металлов с близким к идеальному
строением кристаллической решетки, т. е. металлов, в которых отсутствуют
дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало; 2) либо,
наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению
дислокаций.
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ДЕФЕКТЫ
Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры
в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков
кристаллической решетки. Ими могут быть границы зерен, границы фрагментов
внутри зерна, границы блоков внутри фрагментов. Соседние зерна по своему
кристаллическому строению имеют неодинаковую пространственную ориентировку
решеток. Блоки повернуты друг по отношению к другу на угол от нескольких секунд
до нескольких минут, их размер 10–5 см. Фрагменты имеют угол разориентировки не
более 5°. Если угловая разориентировка решеток соседних зерен меньше 5°, то
такие границы называются малоугловыми границами. Такая граница показана на рис.
1.11. Все субзеренные границы (границы фрагментов и блоков) — малоугловые.
Строение границ зерен оказывает большое влияние на свойства металла.
Рис.
1.11. Схема малоугловой границы между блоками
На рис. 1.12 показано, что границы зерен и фаз могут
совпадать (когерентные), совпадать частично (полукогерентные) и не совпадать
(некогерентные).
Граница между зернами представляет собой узкую переходную
зону шириной 5–10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов.
В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку
другого (рис. 1.13). Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется
скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.
.
Рис. 1.12. Схема межфазных границ:
а)
когерентные; б) полукогерентные; в) некогерентные
Рис. 1.13. Схема строения зерен и границ между ними
Плоскости и направления скольжения в соседних зернах не
совпадают. Скольжение первоначально развивается в наиболее благоприятно
ориентированных зернах. Разная ориентировка систем скольжения не позволяет
дислокациям переходить в соседние зерна, и, достигнув границы зерен, они
останавливаются. Напряжения от скопления дислокаций у границ одних зерен упруго
распространяются через границы в соседние зерна, что приводит в действие
источники образования новых дислокаций (источники Франка—Рида). Происходит
передача деформации от одних зерен к другим, подобно передаче эстафеты в
легкоатлетических соревнованиях
Вследствие того, что границы зерен препятствуют перемещению
дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают
существенное влияние на механические свойства металла.
Рис.
1.14. Шкалы для определения величины зерна (ГОСТ 5639-82)
Процесс пластического течения, а, следовательно, и предел
текучести зависят от длины свободного пробега дислокаций до «непрозрачного»
барьера, т. е. до границ зерен металла. Предел текучести sТ связан с размером
зерна d уравнением Холла—Петча: sТ = sо kd–1/2, где sо и k — постоянные для
данного металла. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести и прочность
металла. Одновременно при измельчении зерна увеличиваются пластичность и
вязкость металла. Последнее особенно важно для металлических изделий,
работающих при низких температурах. Повышенные пластичность и вязкость обусловлены
более однородным составом и строением мелкозернистого металла, отсутствием в
нем крупных скоплений, структурных несовершенств, способствующих образованию
трещин
Рост зерен аустенита эффективно затрудняет дисперсные
частицы второй фазы — карбидов, нитридов, неметаллических включений. Частицы
нитрида AlN, содержащиеся в спокойных сталях, раскисленных алюминием,
препятствуют росту аустенитных зерен.
В легированных сталях рост зерен аустенита тормозится
карбидами и карбонитридами легирующих элементов V, Ti, Nb, микродобавки которых
в количестве около 0,1 % специально вводят в стали с целью сохранения мелкого
зерна аустенита вплоть до 1000 °С. Использование этих элементов одновременно
обеспечивает мелкозернистую структуру и снижение критической температуры хрупкости.
Помимо перечисленных дефектов в металле имеются
макродефекты объемного характера: поры, газовые пузыри, неметаллические
включения, микротрещины и т. д. Эти дефекты снижают прочность металла.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Справочник «Металлы и сплавы». Подготовлено по инициативе
издательства «Мир и Семья» коллективом ученых и специалистов кафедр
металловедения Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского и Университета
низкотемпературных и пищевых технологий под общей редакцией заслуженного
деятеля науки и техники Российской Федерации, доктора технических наук,
профессора Ю.П. Солнцева (2003г)
