КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ

Типы кристаллических решеток. Твердые тела делят на кристалличес­кие и аморфные. Кристаллические тела при нагреве остаются твердыми до определенной температуры (температуры плавления), при которой они переходят в жидкое состояние. Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале; сначала они становятся вязкими и лишь затем переходят в жидкое состояние.

Все металлы и их сплавы - тела кристаллические. Металлами называ­ют химические элементы, характерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая электро- и теплопроводность, пластич­ность, а для многих металлов также способность свариваться. Не поте­ряло своего научного значения определение металлов, данное более 200 лет назад великим русским ученым М. В. Ломоносовым: "Металлы суть светлые тела, которые ковать можно". Для металлов характерно то, что, вступая в химические реакции с элементами, являющимися неметалла­ми, они отдают последним свои внешние валентные электроны. Это объ­ясняется тем, что у атомов металла внешние электроны непрочно свя­заны с его ядром. Металлы имеют на наружных оболочках всего 1 -2 эле­ктрона, тогда как у неметаллов таких электронов много (5-8).

Чистые химические элементы металлов (например, железо, медь, алю­миний и др.) могут образовывать более сложные вещества, в состав которых могут входить несколько элементов-металлов, часто с примесью заметных количеств элементов-неметаллов. Такие вещества называются металлическими сплавами. Простые вещества, образующие сплав, на­зывают компонентами сплава.

Для описания кристаллической структуры металлов пользуются по­нятием кристаллической решетки. Кристаллическая решетка- это воо­бражаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл. Частицы вещества (ионы, атомы), из которых построен кристалл, расположены в определенном геометриче­ском порядке, который периодически повторяется в пространстве. В от­личие от кристаллов в аморфных телах (стекло, пластмассы) атомы распо­лагаются в пространстве беспорядочно, хаотично.

Формирование кристаллической решетки в металле происходит сле­дующим образом. При переходе металла из жидкого в твердое состояние расстояние между атомами сокращается, а силы взаимодействия между ними возрастают. Характер взаимодействия атомов определяется строе­нием их внешних электронных оболочек. При сближении атомов элек­троны, находящиеся на внешних оболочках теряют связь со своими атомами вследствие отрыва валентного электрона одного атома положитель­но заряженным ядром другого и т. д. Происходит образование свободных электронов, так как они не принадлежат отдельным атомам. Таким образом, в твердом состоянии металл представляет собой структуру, состо­ящую из положительно заряженных ионов, омываемых свободными эле­ктронами.

Связь в металле осуществляется электростатическими силами. Между ионами и свободными электронами возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают ионы. Такую связь между частицами металла называют металлической.

Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и сила­ми притяжения между ионами и электронами. Ионы находятся на та­ком расстоянии один от другого, при котором потенциальная энергия взаимодействия минимальна. В металле ионы располагаются в опре­деленном порядке, образуя кристалли­ческую решетку. Такое расположение ионов обеспечивает взаимодействие их с валентными электронами, которые связывают ионы в кристаллической решетке.

Элементарные ячейки кристал­лических решеток: 1 — кубическая объемно-центри­рованная (а-железо), II— куби­ческая гранецентрированная (медь), III — гексагональная плотноупакованная; а и с — па­раметры решеток.

Типы кристаллических решеток у различных металлов различны. Наиболее часто встречаются решетки: объемно-цен­трированная кубическая (ОЦК) — α-Fе, Сг, W, гранецентрированная кубическая (ГЦК) — γ-Fе, А1, Сu и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) - Мg, Zn и др. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре ме­талла в любом объеме, называют элемен­тарной кристаллической ячейкой (рис. 1). Кристаллическая решетка характеризу­ется ее параметрами, например длиной ребра куба для ОЦК и ГЦК, которая со­ставляет для металлов 2,8-6 • 10ˆ(-8) см.

Дефекты в кристаллах. В кристаллах всегда имеются дефекты (несовер­шенства) строения, обусловленные нару­шением правильного расположения атомов кристаллической решетки..

Дефекты в кристаллах:

а — вакансия, б — внедренный атом, в — краевая линейная дислокация, г — непра­вильное расположение атомов на границе зерен 1 и 2

Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные. Атомы совершают колебательные движения возле узлов решетки, а с повышением температуры амплитуда этих колебаний увеличива­ется. Большинство атомов данной кристаллической решетки имеют одинаковую (среднюю) энергию и колеблются при данной темпера­туре с одинаковой амплитудой. Однако отдельные атомы обладают энергией значительно большей средней энергии и перемещаются из одного места в другое. Наиболее легко перемещаются атомы поверх­ностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находился такой атом, называется вакансией (рис. 2, а). На это место через некоторое время перемещается один из атомов соседнего слоя и т. д. Таким об­разом вакансия перемещается в глубь кристалла. С повышением тем­пературы количество вакансий увеличивается и они чаще перемеща­ются из одного узла в другой. В диффузионных процессах, протека­ющих в металлах, вакансии играют определяющую роль. К точечным дефектам относят также атом, внедренный в междоузлие кристал­лической решетки (рис. 2, б), и замешенный атом, когда место атома одного металла замещается в кристаллической решетке другим, чуже­родным атомом. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки.

Линейные дефекты являются другим важнейшим видом несовер­шенства кристаллической решетки, когда в результате сдвига на одно межатомное расстояние одной части решетки относительно другой вдоль какой-либо плоскости число рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в нижней. В данном случае в верхней части решетки появилась как бы лишняя атомная плоскость (экстра-плоскость). Край экстраплоскости, перпендикулярный направлению сдвига, называется краевой или линейной дислокацией (рис. 2, в), длина которой может дос­тигать многих тысяч межатомных расстояний. Ширина дислокации мала и составляет несколько атомных расстояний.

Кристаллическая решетка в зоне дислокации упруго искажена, по­скольку атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного со­стояния. Для дислокации характерна их легкая подвижность. Это объяс­няется тем, что атомы, образующие дислокацию, стремятся перемес­титься в равновесное состояние. Дислокации образуются в процессе кри­сталлизации металлов (см. гл. 1, 2), а также при пластической деформа­ции, термической обработке и других процессах.

Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между отдельными кристаллами(рис. 2, г ).На границе раздела атомы располо­жены менее правильно, чем в его объеме. Кроме того, по границам раздела скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются при­меси, что еще больше нарушает порядок расположения атомов.При этом сами кристаллы разориентированы, т. е. могут быть повернуты относи­тельно друг друга на десятки градусов. Прочность металла может либо увеличиваться в следствии искажений кристаллической решетки вблизи границ, либо уменьшаться из-за наличия примесей и концентрации дефектов. Дефекты в кристаллах существенно влияют на свойства ме­таллов.

Анизотропия кристаллов. Неодинаковость физических свойств среды в разных направлениях называют анизотропией. Анизотропия кристал­лов обусловлена различием плотности упаковки атомов в решетке в различных направлениях. Все кристаллы анизотропны, аморфные тела (стекло, смола) изотропны, т. е. имеют одинаковую плотность атомов в различных направлениях.

Анизотропия свойств важна при использовании монокристаллов— одиночных кристаллов, частицы которых расположены единообразно по всему их объему. Монокристаллы имеют правильную кристаллическую огранку (в форме естественных многогранников), анизотропны по ме­ханическим, электрическим и другим физическим свойствам. Так, для монокристалла меди предел прочности δв изменяется от 120 до 360 МПа в зависимости от направления приложения нагрузки.

Металлы и сплавы, применяемые в технике, обычно имеют поликри­сталлическую структуру, т. е. состоят из множества мелких и различно ориентированных кристаллов, не имеющих правильной кристалличес­кой огранки и называемых кристаллитами (или зернами). В каждом зер­не поликристалла наблюдается анизотропия. Однако вследствии разнообразной, беспорядочной ориентировки кристаллографических плоскостей в различных зернах поликристалл может иметь одинаковые свойства по разным направлениям и не обнаруживать анизотропию (когда размеры зерен значительно меньше размеров поликристалла и количество их весьма велико). Это обстоятельство во многих случаях позволяет рассматривать поликристаллическое тело как подобное изо­тропному, несмотря на анизотропию свойств отдельных составляющих его зерен.