Кристаллическое строение металлов и сплавов

Кристаллическое строение металлов и сплавов. Кристаллизация сплавов.

В современных условиях развития общества одним из самых значимых факторов технического прогресса в машинострое­нии является совершенствование технологии производства. Коренное преобразование производства возможно в результате создания более совершенных средств труда, разработки принципиально новых технологий.

Развитие и совершенствование любого производства в настоящее время связано с его автоматизацией, созданием робототехнических комплексов, широким использованием вычислительной техники, применением станков с числовым программным управлением. Все это составляет базу, на которой создаются автоматизированные системы управления, становятся возможными оптимизация техноло­гических процессов и режимов обработки, создание гибких автомати­зированных комплексов.

Важным направлением научно-технического прогресса является также создание и широкое использование новых конструкционных материалов. В производстве все шире используют сверхчистые, сверхтвердые, жаропрочные, композиционные, порошковые, поли­мерные и другие материалы, позволяющие резко повысить техниче­ский уровень и надежность оборудования. Обработка этих материа­лов связана с решением серьезных технологических вопросов.

Создавая конструкции машин и приборов, обеспечивая на прак­тике их заданные характеристики и надежность работы с учетом экономических показателей, инженер должен уверенно владеть методами изготовления деталей машин и их сборки. Для этого он должен обладать глубокими технологическими знаниями.

Предметом курса «Технология конструкционных материалов» являются современные рациональные и распространенные в промыш­ленности прогрессивные методы формообразования заготовок и деталей машин. Содержание учебника представлено на принципе единства основных, фундаментальных методов обработки конструк­ционных материалов: литья, обработки давлением, сварки и обра­ботки резанием. Эти методы в современной технологии конструкцион­ных материалов характеризуются многообразием традиционных и новых технологических процессов, возникающих на их слиянии и взаимопроникновении.

Описание технологических процессов основано на их физической сущности и предваряется сведениями о строении и свойствах конст­рукционных материалов. Комплекс этих знаний обеспечивает уни­версальный подход к изучению технологии.

Технически чистые металлы характеризуются низкими прочност­ными свойствами, поэтому в машиностроении применяют главным образом их сплавы. Сплавы на основе железа называют черными, к ним относят стали и чугуны; на основе алюминия, магния, титана и бериллия, имеющие малую плотность — легкими цветными;

на основе меди, свинца, олова и др.—тяжелыми цветными;

на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута и других метал­лов — легкоплавкими цветными; на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и других металлов — тугоплавкими цветными.

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Атомы в твердом металле расположены упорядоченно и образуют кристаллические решетки. Расстояния между атомами называют параметрами решеток и измеряют в нанометрах. С повышением температуры или давления параметры решеток могут изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии в различных температурных интервалах приобретают различную кристалличе­скую решетку, что всегда приводит к изменению их физико-химиче­ских свойств.

Существование одного и того же металла в нескольких кристалли­ческих формах носит название полиморфизма, или аллотропии. Перестройка кристаллических решеток при критических температу­рах называется полиморфными превращениями. Полиморфные мо­дификации обозначаются греческими буквами, которые в виде индекса добавляют к символу элемента.

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ СПЛАВОВ

Под сплавом подразумевается вещество, полученное сплавлением двух элементов или более. Элементами сплава могут быть металлы и неметаллы. Эти элементы называются компонен­тами сплава. В сплаве кроме основных компонентов могут содер­жаться и примеси. Примеси бывают полезные, улучшающие свой­ства сплава, и вредные, ухудшающие его свойства. Примеси бывают случайные, попадающие в сплав при его приготовлении, и специ­альные, которые вводят для придания ему требуемых свойств.

Кристаллическое строение сплава более сложное, чем чистого металла, и зависит от взаимодействия его компонентов при кристал­лизации. Компоненты в твердом сплаве могут образовывать твердый раствор, химическое соединение и механическую смесь.

Твердые растворы — компоненты сплава взаимно растворяются один в другом. В твердом растворе один из входящих в состав сплава компонентов сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а второй компонент в виде отдельных атомов распределяется внутри кристаллической решетки.

Химическое соединение — компоненты сплава вступают в химиче­ское взаимодействие, при этом образуется новая кристаллическа решетка. Компоненты имеют определенное соотношение по массе.

Механическая смесь – компоненты сплава обладают полной вза­имной нерастворимостью и имеют различные кристаллические ре­шетки. При этих условиях сплав будет состоять из смеси кристаллов составляющих ее компонентов. Механическая смесь имеет постоян­ную температуру плавления. Механическая смесь, образовавшаяся одновременной кристаллизацией из расплава, называется эвтекти­кой; в процессе превращения в твердом состоянии — эвтектоидом.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СПЛАВОВ

Процесс перехода сплава из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллических решеток (кристаллов) называется первичной кристаллизацией,

Свойства сплавов зависят от образующейся в процессе кристалли­зации структуры. Под структурой понимают наблюдаемое кристалли­ческое строение сплава. Процесс кристаллизации начинается с об­разования кристаллических зародышей — центров кристаллизации. Скорость кристаллизации зависит от скорости зарождения центров кристаллизации и скорости роста кристаллов: чем больше число обра­зующихся зародышей и скорость их роста, тем быстрее протекает процесс кристаллизации. Структура сплава зависит от формы, ориентировки кристаллических решеток в пространстве и скорости кристаллизации.

Центрами кристаллизации могут быть группы элементарных кристаллических решеток, неметаллические включения и тугоплав­кие примеси. Кристаллизация сплава обычно начинается от стенок формы (изложницы). С наибольшей скоростью кристаллы растут в направлении, противоположном отводу теплоты, т. е, перпендику­лярно к стенке формы.

Читайте также:
Минициркулярка своими руками

Если при кристаллизации рост решеток не ограничивается, то получаются кристаллы неограниченного размера древовидной формы — дендриты. Так как процесс кристаллизации происходит из многих центров кристаллизации, то ветви дендритов при росте могут ограничивать друг друга и искажаться. Кристаллы неправиль­ной формы называются зернами, или кристаллитами. Комплекс зе­рен — это поликристаллическое тело.

Зерна отличаются различной ориентацией кристаллических ре­шеток; размер зерен составляет 1—10 4 мкм. Зерна повернуты от­носительно друг друга на десятки градусов. На границах зерен име­ется поврежденный переходный слой толщиной порядка нескольких атомных слоев, свойства и химический состав которого могут отли­чаться от свойств тела зерна.

Кристаллические решетки зерна могут иметь различные струк­турные несовершенства: точечные, линейные и поверхностные, ко­торые возникают в результате образования вакансий — мест не занятых атомами; дислоцированных атомов, вышедших из узла ре­шетки; дислокации, возникающих при появлении в кристалле неза­конченных атомных плоскостей; примесных атомов, внедренных в кристаллическую решетку.

Кристаллическое строение металлов

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 178.

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 178.

Металлы – особая группа элементов в периодической таблице Менделеева. В отличие от неметаллов элементы этой группы являются исключительно восстановителями с положительной степенью окисления, а также обладают пластичностью, твёрдостью, упругостью, что обусловлено кристаллическим строением металлов.

Общее строение

Металлы – твёрдые вещества, имеющие кристаллическое строение. Исключение составляет ртуть – жидкий металл. Кристаллические решётки представляют собой упорядоченные определённым образом атомы металла. Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и нескольких отрицательно заряженных электронов. В атомах металлов недостаточно электронов, поэтому они являются ионами.

Единица кристаллической решётки – элементарная кристаллическая ячейка, в условных узлах и на гранях которой находятся положительно заряженные ионы. Их удерживают вместе металлические связи, возникающие за счёт беспорядочного движения отделившихся от атомов электронов (благодаря чему атомы превратились в ионы).

Рис. 1. Схема металлической связи.

Свободное движение электронов обусловливает электро- и теплопроводность металлов.

Виды решёток

Элементарные кристаллические ячейки могут иметь различную конфигурацию. В связи с этим выделяют три типа кристаллических решёток:

  • объемно-центрированная (ОЦК) кубическая – состоит из 9 ионов;
  • гранецентрированная (ГЦК) кубическая – включает 14 ионов;
  • гексагональная плотноупакованная (ГПУ) – состоит из 17 ионов.

ОЦК представляет собой куб, в узлах которого находится по атому. В центре куба, на пересечении диагоналей располагается девятый ион. Этот тип характерен для железа, молибдена, хрома, вольфрама, ванадия.

Элементарной кристаллической ячейкой типа ГЦК является куб с ионами в узлах и в середине каждой грани – на пересечении диагоналей. Такое строение имеют медь, серебро, алюминий, свинец, никель.

Третий тип имеет вид гексагональной призмы, в узлах которой находится по шесть ионов с каждой стороны. Посередине между шестью узлами располагается по одному иону. В середине призмы между шестиугольными гранями находится равносторонний треугольник, который составляют три иона.

Рис. 2. Типы решёток.

Металл может содержать большое количество дефектов атомного строения. Дефекты влияют на свойства металла.

Характеристика решётки

Кристаллические решётки характеризуются компактностью или степенью наполненности. Компактность определяют показатели:

  • параметр решётки – расстояние между атомами;
  • число атомов;
  • координационное число – количество соседних ячеек;
  • плотность упаковки – отношение объёма, занимаемого атомами, к полному объёму решётки.

При подсчёте количества атомов следует помнить, что атомы в узлах и на гранях входят в состав соседних ячеек.

Что мы узнали?

Узнали кратко об атомно-кристаллическом строении металлов. Металлы – твёрдые кристаллические вещества. Единицей решётки является элементарная кристаллическая ячейка. Благодаря металлическим связям ионы в узлах ячеек удерживаются на одинаковом расстоянии. Различают три типа кристаллических решёток – ОЦК, ГЦК и ГПУ, отличающихся количеством атомов и геометрической формой.

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.

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.

Читайте также:
Литейные формы для алюминия

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.

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.

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.

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.

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.
Читайте также:
Можно ли удлинить сварочные провода на инверторе

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.

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.

Кристаллические структуры металлов и сплавов

Металлы и их сплавы в твердом состоянии представляют собой кри­сталлические тела, в которых атомы располагаются относительно друг друга в определенном, геометрически правильном порядке, об­разуя кристаллическую структуру. Такое закономерное, упорядочен­ное пространственное размещение атомов называется кристалличе­ской решеткой.

В кристаллической решетке можно выделить элемент объема, об­разованный минимальным количеством атомов, многократное по­вторение которого в пространстве по трем непараллельным направ­лениям позволяет воспроизвести весь кристалл. Такой элементарный объем, характеризующий особенности строения данного типа кри­сталла, называется элементарной ячейкой. Для ее описания использу­ют шесть величин: три ребра ячейки а, b, c и три угла между ними α, β, γ (рис. 1.1, а). Эти величины называются параметрами элементар­ной ячейки.

Поскольку атомы стремятся занять наименьший объем, существу­ет всего 14 типов кристаллических решеток, свойственных элементам периодической системы. Наиболее распространенными среди металлов являются следующие типы решеток (рис. 1.1, б – г: линии на схемах условные; в действительности никаких линий не существует, а атомы колеблются с большой частотой возле точек равновесия, т. е. узлов ре­шетки):

o объемно-центрированная кубическая (ОЦК) – атомы распо­ложены в вершинах и в центре куба; такую решетку имеют Na, V, Nb, Fe α, К, Сr, W и другие металлы;

o гранецентрированная кубическая (ГЦК) – атомы расположе­ны в вершинах куба и в центре каждой грани; решетку такого типа имеют Pb, Al, Ni, Ag, Аu, Сu, Со, Fe γ и другие металлы;

Читайте также:
Меднение алюминия в домашних условиях

o гексоганальная плотноупакованная (ГПУ) – четырнадцать ато­мов расположены в вершинах и центре шестиугольных оснований призмы, а три – в средней плоскости призмы; такую решетку имеют Mg, Ti, Re, Zn, Hf, Be, Са и другие металлы.

Рис. 1.1. Кристаллическое строение металлов:

а – схема кристаллической решетки; б – объемно-центрированная кубиче­ская; в – гранецентрированная кубическая; г – гексагональная плотноупа­кованная

Кристаллическую решетку характеризуют следующие основные параметры: период, координационное число, базис и коэффициент компактности.

Периодом решетки называется расстояние между двумя соседними параллельными кристаллографическими плоскостями в элементар­ной ячейке решетки. Он измеряется в нанометрах (1 нм = 10 -9 см) и для большинства металлов лежит в пределах 0,1 . 0,7 нм.

Координационное число показывает количество атомов, находя­щихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбран­ного атома в решетке. Для ГЦК решетки координационное число рав­но 12, ОЦК – 8, ГПУ – 12.

Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Так, на одну элементарную ячейку ОЦК решетки приходятся два атома: один, находящийся в центре куба и принадлежащий только данной ячейке, и второй – как сумма долей, которую вносят атомы, расположенные в вершинах куба и принадле­жащие одновременно восьми сопряженным элементарным ячейкам . Базисное число ГЦК и ГПУ решеток равно 4.

Коэффициент компактности (плотность упаковки) решетки η оп­ределяется отношением объема, занимаемого атомами, Vа, ко всему объему элементарной ячейки решетки Vp:

Плотность упаковки η оцк = 0,68, η гцк = 0,74, η гпу = 0,74.

Рассматривая модель кристаллической решетки (см. рис. 1.1), мож­но заметить, что плотность атомов в различных плоскостях неодинако­ва. По этой причине свойства отдельно взятого кристалла, в том числе химические, физические и механические, в разных направлениях бу­дут отличаться. Такое различие свойств называется анизотропией. Все кристаллы анизотропны. Помимо кристаллических тел существуют аморфные, в которых атомы совершают малые колебания вокруг хао­тически расположенных равновесных приложений, т. е. не образуют кристаллическую решетку. В таких телах свойства не зависят от на­правления, т. е. они изотропны.

Степень анизотропности может быть значительной. Исследования монокристалла меди в различных направлениях показали, что времен­ное сопротивление σв изменяется в нем в диапазоне 120. 360 МПа, а относительное удлинение σ -10. 55 %.

Технические металлы являются поликристаллическими вещества­ми, состоящими из множества мелких (10 -1 . 10 -5 см) различно ориен­тированных относительно друг друга кристаллов, и их свойства во всех направлениях усредняются. Это означает, что металлы и сплавы изотропны.

Кристаллическое строение и кристаллизация сплавов

Кристаллическое строение и кристаллизация сплавов

Строение сплавов более сложное, чем строение чистого металла, и зависит от взаимодействия компонентов при кристаллизации.

Компоненты сплава при кристаллизации могут образовывать:

твердые растворы, когда элементы сплава взаимно растворяются один в другом;

механическую смесь – при полной взаимной нерастворимости, когда сплав состоит из смеси кристаллов составляющих ее компонентов;

химическое соединение, при котором компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие, образуя новую кристаллическую решетку.

Процесс перехода сплава из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллических решеток (кристаллов) называется первичной кристаллизацией. Свойства металлических сплавов зависят от образующейся в процессе кристаллизации структуры. Под структурой понимают наблюдаемое кристаллическое строение сплава. Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей – центров кристаллизации.

Скорость кристаллизации зависит от скорости зарождения центров кристаллизации и скорости роста кристаллов в прямой зависимости, т. е. чем выше скорость роста кристаллов и больше число образующихся зародышей, тем быстрее протекает процесс кристаллизации сплава. Внутренняя структура сплава зависит от формы ориентировки кристаллических решеток в пространстве и скорости кристаллизации.

Центрами кристаллизации могут быть группы элементарных кристаллических решеток, неметаллические включения, тугоплавкие примеси. Процесс кристаллизации обычно начинается в направлении, противоположном отводу тепла.

Если процесс роста кристаллов не ограничивается, то образуются кристаллы неограниченной длины, в форме дерева или елочек-дендриты (рис. 38).

Рис. 38.

Схема строения поликристалла (а), и дендритный кристалл (б)

Так как процесс кристаллизации происходит в различных направлениях из многих центров кристаллизации, то ветви дендритов обычно искажаются, ограничивая при этом рост других кристаллов. Кристаллы неправильной формы называются зернами, или кристаллитами. В месте соприкосновения кристаллов рост их граней прекращается, и развиваются только отдельные грани. Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов влияют на величину зерна и, следовательно, на свойства металлов. При этом особую роль играет скорость охлаждения и переохлаждения расплавленного металла.

Зерна отличаются размером и ориентацией в кристалле. Они обычно повернуты относительно друг друга на десятки градусов. На границах зерен находится поврежденный переходный слой, порядка нескольких атомных слоев. Свойства и химический состав этого слоя могут сильно отличаться от свойств и состава зерен основного металла или сплава.

Читайте также:
Механический дровокол своими руками подробности изготовления

Кристаллические решетки могут иметь структурные дефекты: точечные, линейные, поверхностные, возникающие в результате вакансий (перемещения на свободные места) атомов.

При наличии таких дефектов зерно (кристаллит) разделяется на блоки в виде микромозаичной структуры (рис. 38).

При переходе сплава из жидкого состояния в твердое происходит усадка, т. е. уменьшение удельного объема зерен кристаллов. В результате усадки между зернами кристаллов в местах соприкосновения растущих дендритов в междуосных пространствах возникают микропустоты. Пустоты могут заполняться неметаллическими включениями (фосфидами, сульфидами и т. п.) или оставаться в виде раковин, микротрещин, пустот. Такие включения становятся центрами развития трещин, надрывов при приложении нагрузки или нагреве.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

Кристаллическое строение металлов

Кристаллическое строение металлов Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Атомы в твердом металле расположены упорядоченно и образуют кристаллические решетки. Расстояние между атомами называют параметрами кристаллической решетки и измеряют в

Механические свойства металлов и сплавов

Механические свойства металлов и сплавов Основные механические свойства:• прочность;• пластичность;• твердость;• ударная вязкость.Приложение внешней нагрузки вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.Напряжение – это нагрузка (сила), отнесенная к площади

Физические свойства металлов и сплавов

Физические свойства металлов и сплавов К физическим свойствам металлов и сплавов относятся:• температура плавления;• плотность;• температурный коэффициент;• электросопротивление;• теплопроводность.Физические свойства металлов и сплавов обусловлены их составом

Химические свойства металлов и сплавов

Химические свойства металлов и сплавов К химическим свойствам относится способность к химическому взаимодействию с агрессивными

Технологические свойства металлов и сплавов

Технологические свойства металлов и сплавов Технологические свойства – это способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки.У металлов и сплавов такими свойствами являются:• литейные свойства определяются жидкотекучестью, усадкой

Эксплуатационные свойства металлов и сплавов

Эксплуатационные свойства металлов и сплавов Эксплуатационные, или служебные, свойства металлов и сплавов определяются условиями работы машин или конструкций, изготовленных из этих материалов.В зависимости от условий работы выделяют:• коррозионную стойкость –

Кристаллизация металла сварочной ванны

Кристаллизация металла сварочной ванны Формирование сварного шва при дуговой сварке происходит путем кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны.Кристаллизацией называют процесс образования кристаллов металла из расплава при переходе его из жидкого в

Сварка меди и ее сплавов

Сварка меди и ее сплавов Медь относится к тяжелым цветным металлам. Ее плотность составляет 8,9 г/см3, что выше, чем у железа. Благодаря высокой электропроводности, теплопроводности и коррозионной стойкости медь заняла прочное место в электропромышленности, приборной

Сварка алюминия и его сплавов

Сварка алюминия и его сплавов Алюминий – очень легкий металл, имеющий плотность 2,7 г/см3. Отличаясь малой массой, сравнительно высокой прочностью, хорошей обрабатываемостью, алюминиевые сплавы широко применяются во всех отраслях народного хозяйства. Высокая

Сварка титана и его сплавов

Сварка титана и его сплавов Титановые сплавы являются сравнительно новыми конструкционными материалами. Они обладают рядом ценных свойств, обусловливающих их широкое применение в авиационной промышленности, ракетостроении, судостроении, химическом машиностроении и

Кристаллизация

Кристаллизация Кристаллизация – процесс перехода тела из жидкого (иногда и газообразного) состояния в твердое, причем оно принимает более или менее правильную геометрическую форму

Кристаллическая структура металлов

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов в кристалле, которое периодически повторяется в трех измерениях. Для ее описания пользуются понятием решетки, которая представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл (твердое кристаллическое тело). Пример такой кристаллической решетки приведен на рис. 2.17. Жирными линиями выделен наименьший параллелепипед (элементарная ячейка), по-

Рис. 2.17. Кристаллическая решетка

следовательным параллельным переносом в пространстве которого вдоль трех осей может быть построена вся решетка или макрокристалл.

Пространственные решетки подразделяются на семь систем (iсингоний) по признаку симметрии их элементарных ячеек, которые характеризуются соотношениями между осями а, Ь,с и углами а, р, у ячейки:

  • • кубическая (а = b = с, а = р = у = 90°),
  • • тетрагональная (а = b ^ с, а = р = у = 90°),
  • • гексагональная (а = с, а = (3 = 90°, у = 120°),
  • • тригональная (а = b = с, а = р = у ^ 90°),
  • • ромбическая (а* с, а = (3 = у = 90°),
  • • моноклинная (а^Ь^с, а =у= 90°, р ^ 90°),
  • • триклинная (а *b ^ с, а ^ р ^ у ^ 90°).

Вид (геометрия) атомно-кристаллического строения определяется минимальным значением энергии связи, которая зависит от типа атомных связей в кристаллах. Силы, которые стремятся удержать атомы в положениях равновесия около узлов кристаллической решетки, пропорциональны их относительным смещениям так, как если бы они были связаны друг с другом пружинками. Смещения атомов в процессе колебаний тем больше, чем выше температура, но они гораздо меньше постоянной решетки вплоть до температуры плавления, когда твердое тело превращается в жидкость.

Модель твердого тела должна объяснять проявление сил притяжения между атомами (действуют на расстоянии не более одного атомного диаметра), когда они находятся далеко друг от друга, и возникновение сил отталкивания при сильном сближении атомов (см. рис. 2.13). В некоторых отношениях такая модель соответствует взаимодействию шаров, покрытых слоем клейкой пасты. Любое количество шаров, располагаясь вокруг центрального седьмого шара, повторяет бесконечное число раз симметрию исходной группы (рис. 2.18, б, в). Трехмерные кристаллы состоят из множества атомных плоскостей, наложенных друг на друга в определенном порядке, подобно стопке бумажных листов.

Читайте также:
Круг для шлифовки дерева на болгарку

В них атомы расположены правильными рядами, сетками (пространственными решетками) и правильное (симметричное) чередование атомов на одних и тех же расстояниях друг относительно друга повторяется для сколь угодно отдаленных атомов, т.е. существует дальний порядок.

Рис. 2.19. Типы пор в кристаллической решетке: а — тетраэдрическая, б — октаэдрическая (атомы в пространстве образуют тетраэдр и октаэдр соответственно)

Рис. 2.18. Плотная упаковка круглых шаров на плоскости

Кристаллическое строение металлов и сплавов описывается элементарной ячейкой с линейными параметрами (периодами) а, Ь, с около 1—7 -10 8 см и углами между ними — а, Р и у (см. рис. 2.17). Геометрия расположения атомов определяет тип кристаллической решетки, свободные пространства между атомами в ячейке называются норами (рис. 2.18, а), которые классифицируются по геометрической форме окружающих их атомов (рис. 2.19).

Идеальный кристалл имеет однородное, закономерное и симметричное расположение атомов в пространстве. Число ближайших равноудаленных к данному («базисному») атому или иону соседних одинаковых атомов или ионов в кристалле называется координационным числом (К).

Плотность упаковки (плотность кристаллической решетки) — число целых атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку, которая в пространстве окружена ей подобными (рис. 2.20). Атом в вершине куба принадлежит одновременно 8 ячейкам (на одну ячейку приходится 1/8 атома), на грани — двум ячейкам (1/2 атома), в центре — полностью ячейке (1 атом).

Рис. 2.20. Схема, показывающая число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома для различных решеток:

а кубическая гранецентрированная; б — кубическая объемно-центрированная; в — гексагональная плотноупакованная

Коэффициент компактности решетки — отношение объема всех атомов решетки к ее геометрическому объему:

где V.A объем атомов; УИ объем элементарной ячейки; Vn объем пор.

Кристаллические решетки, в которых па долю одной элементарной решетки приходится один атом, называются простыми; если несколько атомов — сложными. Металлы образуют одну из следующих высокосимметричных сложных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно- центрированную, кубическую гранецентрированную (кубическая сингония); гексагональную (гексагональная синго- ния) и тетрагональную (тетрагональная сингония).

Гексагональная плотноупакованная структура (ГПУ) образуется при складывании илотноупакованных плоскостей в простой последовательности: две плотноупакованные плоскости соприкасаются друг с другом таким образом, что каждый атом одной плоскости помещается в углублении между тремя атомами соседних (верхней и нижней) плоскостей. Геометрия двух таких плоскостей показана на рис. 2.21, а (светлые кружки изображают атомы нлотноунакованной плоскости Л, прилегающая к ней плоскость В помечена темными кружками). Укладка атомных плоскостей в последовательности АВАВ. (см. рис. 2.21) имеет характеристики а = b 6 -, d 16 – и б/ 4+6 -оболочки ведут себя как псевдосферические. По этой причине ГЦК упаковки имеют благородные газы и многие полиморфные металлы при низких температурах.

Электронная конфигурация свободного атома кобальта — d 7 s 2 . В металлическом состоянии кобальт двухвалентен (Со 2+ ) с электронной конфигурацией d e s <с внешней сферически симметричной s-оболочкой, соответствующей его ГПУ а- и ГЦК р-модификациям.

Атом никеля в свободном состоянии имеет внешнюю электронную оболочку d s s 2 . Учитывая наиболее характерную валентность никеля Т в соединениях, естественно предположить, что в металлическом состоянии образуются ионы Ni 2+ с электронной конфигурацией d c s 2 . Коллективизация двух б/-электронов и наличие двух электронов на 4s-ypoBiie объясняет существование ГЦК-структуры никеля вследствие плотной упаковки сферически симметричных ионов. Соответствующий ближний порядок должен сохраняться и в жидком никеле.

У меди, серебра и золота устойчивость конфигурации d n) приводит к отделению лишь одного внешнего 5-электрона. Заполненные с/ 10 -оболочки ионов имеют малый радиус и не перекрываются вследствие низкой концентрации электронного газа (1 эл/ат), т.е. эти ионы ведут себя как сферические и упаковываются в плотные кубические структуры.

Объемно-центрированная кубическая структура (ОЦК) не имеет плотной упаковки (рис. 2.22, г), так как каждый атом окружен только восемью соседями (п = 2, г = 68%, К = 8). Такую решетку имеют, например, Pb, Na, Ti, Fe, W, V.

Возникновение ОЦК-структуры находится в непосредственном соответствии с образованием ионов, имеющих одинаковую ортогональную внешнюю конфигурацию р с свойственную как простым, так и переходным металлам. В ОЦК-металлах имеется две компоненты межатомной связи: 1) металлическое взаимодействие коллективизированных электронов с периодическим полем решетки и 2) образование валентных связей в результате спинового расщепления, перекрывания и обменного взаимодействия р () – или г7 6 -орбиталей внешних оболочек ионов (рис. 2.23).

Общая энергия ОЦК-решетки при переходе от щелочных металлов к хрому, молибдену и вольфраму возрастает вследствие повышения концентрации коллективизированных электронов с 1 до 6 эл/ат (металлическая связь) и в результате усиления перекрывания /7-орбиталей (обменная связь).

Читайте также:
Маслоуловитель для компрессора своими руками

Это приводит к усилению ковалентности от ОЦК щелочных металлов к ОЦК-решеткам ванадия, хрома, молибдена и вольфрама. В первых при всех температурах основную долю энергии решетки составляет компонента металлического взаимодействия, тогда как низкая пластичность и склонность к хрупкому разрушению многовалентных ОЦК металлов обусловлена усилившимися ковалентными, направленными вдоль ребер ячейки, жесткими связями.

Ванадий, ниобий и тантал (V группа) имеют валентность 5 + . Их внешняя конфигурация — p 6 —d 2 s 2 или /? 6 —б/V; под пятью внешними электронами находится заполненная р 6 -оболочка. Отделению валентных электронов отвечают

Рис. 2.23. Обменные a-связи металлических ионов с внешними р и (или d G )-оболочками (а); образование ОЦК решетки (6) и металлическое взаимодействие ионов первой координационной сферы с электронным газом по направлениям и валентные связи по направлениям в ОЦК-решетке (в)

низкие ионизационные потенциалы, а коллективация электронов /7 6 -оболочки требует затраты гораздо более высоких энергий. У металлов V группы коллективизированы все пять внешних валентных d- и 5-электронов и, следовательно, ионы имеют внешнююр 6 -оболочку. Расщепление, перекрытие и обменное взаимодействие p-орбиталей обусловливает образование ОЦК-структуры. Ванадий, ниобий и тантал вплоть до температуры плавления имеют ОЦК-структуры.

У металлов (VIII—X групп) заполняется вторая половина rf-оболочек при наличии одного-двух внешних 5-электронов. Свободный атом железа имеет внешнюю электронную конфигурацию Л 2 . Известно, что в металлической решетке и расплавах железа два его 5-электрона коллективизированы. Следовательно, образующиеся ионы Fe 2t имеют внешнюю оболочку d 6 из шести вытянутых по трем осям координат ^/-орбиталей, сходную с ортогональной р-оболочкой. Взаимодействие ионов с электронным газом приводит к перекрытию ri-орбиталей и появлению валентных направленных связей, которые обусловливают ОЦК-сгруктуру а- и 8-же- леза, а отсутствие перекрытия rf-орбиталей в у-области отвечает ГЦК упаковке таких ионов.

Существуют различные способы описания симметрии кристаллов, используемые для систематизации сведений о различных элементах и соединениях. Большая часть этих методов создана еще до появления современной техники изучения строения атомов, тем не менее они не утратили своей практической ценности.

Метод определения направления отдельных атомных рядов основан на применении векторных обозначений. Поскольку далее представлены в основном только кубические решетки, рассмотрим этот метод применительно к кубу (рис. 2.24).

Пусть проекции вектора на оси х, у и 2 элементарного куба представляют собой некоторые числа х, у0 и z. Эти проекции удобно измерять в единицах длины ребра куба а. Тогда найдется такое число (например, г), для которого отношения х0/г, у Jr и zjr составят ряд наименьших целых чисел, пропорциональных этим проекциям. Эти величины называются индексами направления и обозначаются как и, v и w соответственно. Например, если вектор, проекции которого на оси координат равны х = 3а, у = Аа, z = 2,5а разделить на 0,5а (т.е. г = 0,5а), получим три числа: 6, 8 и 5. Они относятся друг к другу так же, как исходные размеры проекций, и в то же время представляют собой последовательность из наименьших целых чисел, обладающих этим свойством. Поэтому полученные числа — это индексы исходного векто-

Рис. 2.24. Индексы кристаллографических плоскостей и направлений в кубической решетке ОЦК

ра, которые заключаются в квадратные скобки — [uvw. Отрицательные значения проекций на любую координатную ось имеют отрицательный индекс и отмечаются чертой над соответствующим индексом.

Например (рис. 2.24, г), ось имеет индексы [100], ось -х— индексы [100]; индексы оси +г/ — [010], -у — [010]; диагональ грани ху обозначается индексами [НО], а грани xz — [101]; диагональ куба в положительном квадранте имеет индексы 1111 ], а в противоположном направлении — [111].

Набор параллельных атомных плоскостей можно охарактеризовать с помощью трех чисел — индексов Миллера для плоскости. Эти числа связаны с длиной отрезков, отсекаемых плоскостью на осях координат. Допустим, что соседняя плоскость отсекает на осях отрезки хь ух и zt, измеренные в единицах длины ребра куба (рис. 2.24, а—в). Тогда существует такое число 5, которое при умножении на обратные значения этих отрезков дает ряд наименьших целых чисел, относящихся друг к другу как ь 1 < и 1/zj. Введем обозначения: h = s/xu k = s/yx и / = s/zv Числа h, k, / называются индексами Миллера для плоскости; они записываются в круглых скобках —

Если индексы характеризуют группу параллельных плоскостей, тогда их приводят в фигурных скобках. В кубической решетке (см. рис. 2.24, а) кроме плоскостей куба <100>, различают плоскости октаэдра <111>(см. рис. 2.24, 6) и плоскости ромбического додекаэдра <110>(см. рис. 2.24, в).

Характерные особенности кубических систем:

Из-за неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки (см. рис. 2.24, б, в) химические, физические и механические свойства монокристалла зависят от кристаллографического направления решетки. Такая неодинаковость свойств в разных направлениях называется анизотропией.

Читайте также:
Механические свойства стали 10хснд

Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого количества анизотропных кристаллов, которые статистически неуиорядочены относительно друг друга. Поэтому во всех направлениях свойства металлов более или менее одинаковы и они являются изотропными. Но если создать преимущественную ориентировку кристаллов (текстуру), например, холодной деформацией, то поликристалл приобретает анизотропию свойств.

Лекция 1 Введение. Кристаллическое строение металлов и сплавов. Кристаллизация сплавов.

Кристаллическое строение металлов

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. 3.12. 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 γ-Fe. 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 γ-Fe на 3 % больше плотности α-Fe, 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. 3.13, 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. 3.13, 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 конструиовании и разработке технологии получения деталей.

Рассмотрим дефекты строения кристаллических тел.

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократ-ное 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.
Рис. 3.13. Ориентировка кристаллических решеток:
а) в зернах литого металла; б) после обработки давлением

Точечные дефекты

Точечные дефекты (рис. 3.14) 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. 3.14. Точечные дефекты в кристаллической решетке:

а) вакансия; б) дислоцированный атом

Читайте также:
Мембранный насос своими руками

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.

Точечные дефекты приводят к локальным изменениям межатомных расстояний и, следовательно, к искажениям кристаллической решетки. При этом увеличивается сопротивление решетки дальнейшему смещению атомов, что способствует некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление.

Вакансии, дислоцированные атомы и другие точечные дефекты обнаружены при исследовании металлов с помощью автоионного микроскопа, дающего увеличение свыше 106 раз.

Линейные дефекты

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. 3.15 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 экстра-плоскость 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. 3.16).

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. 3.15. Краевая дислокация

Рис. 3.16. 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. 3.17.

Пластический сдвиг является следствием постепенного перемещения дислокаций в плоскости сдвига. Распространение скольжения по плоскости скольжения происходит последовательно. Каждый элементар-ный 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.

Читайте также:
Лазерная сварка своими руками

В качестве примера роли дислокаций можног привести 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. 3.18).

Рис. 3.17. 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

Дислокации легко перемещаются в направлении, перпендикулярном экстраплоскости. Чем легче перемешаются дислокации, тем ниже прочность металла, тем легче идет пластическая деформация.

Рис. 3.18. Схема движения дислокации по аналогии с перемещением складки на ковре

Пластическая деформация кристаллических тел связана с количеством дислокаций, их шириной, подвижностью, степенью взаимо-действия 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 несовер-шенств кристаллического строения. Получение бездислокационных кристаллов приводит к резкому повышению прочности материалов (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Влияние искажений кристаллической решетки на прочность кристаллов

Левая ветвь кривой соответствует созданию совершенных бездис-локационных 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, происхо-дит 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. 3.19.

Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристалличес-кого 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 препятст-вует 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 повер-нуты 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. 3.20. Все субзеренные границы (границы фрагментов и блоков) — малоугловые. Строение границ зерен оказывает большое влияние на свойства металла.

Рис. 3.20. Схема малоугловой границы между блоками

На рис. 3.21 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 расположе-ния атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого (рис. 3.22). Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
gmnu-nazarovo.ru
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: