Кристаллическое строение металлов.
Разнообразные свойства металлов, благодаря которым они широко используются и технике, определяются их строением. Металлы являются телами кристаллическими. Кристаллическое состояние характеризуется закономерным (упорядоченным) расположением атомов в пространстве. Каждый атом в кристалле имеет одно и то же число ближайших атомов-соседей. Если соединить атомы воображаемыми линиями в трех взаимно-перпендикулярных направлениях, то получится пространственная кристаллическая решетка.
Находясь в узлах кристаллической решетки, атомы (положительно заряженные ионы) совершают колебания относительно своего среднего положения (рис. 2). Со своими ближайшими соседями атомы связаны при помощи валентных электронов. Эти электроны называют коллективизированными. Они могут свободно перемещаться, образуя электронный газ. Между положительно заряженными ионами и окружающими их валентными электронами, образующими электронный газ, возникают силы электростатического притяжения. Такое притяжение характеризует металлический тип связи, которая удерживает отдельные атомы в металле.
Благодаря наличию электронного газа, металлы обладают высокими электро- и теплопроводностью. Поэтому даже небольшая разность потенциалов вызывает в металлах электрический ток, т.е. перемещение электронного газа. При повышении температуры дополнительные тепловые колебания ионов затрудняют направленное перемещение электронного газа, что приводит к снижению электропроводимости металлов.
Металлы имеют кристаллические решетки различных типов, наиболее типичными из которых являются: объемно-центрированная кубическая, гранецентрированная кубическая и гексагональная плотноупакованная.
Рис.2. Схема расположения атомов в простой кубической кристаллической решетке металла: а-в плоскости; б- в пространстве
а) б)
В объемно-центрированной кубической (ОЦК) решетке восемь атомов располагаются в вершинах куба и один в центре куба( рис 3,а). Характерным линейным размером этой решетки является расстояние а между двумя атомами, расположенными вдоль одного ребра. Этот линейный размер называется параметром решетки. Значение параметра решетки а для различных металлов от 0,2 до 0,7 им (1 им = 10~9 м). ОЦК решетку имеют железо,при комнатной температуре, ванадий, вольфрам, молибден, хром и другие металлы.
В гранецентрированной кубической (ГЦК) решетке атомы расположены в вершинах куба и в центрах шести граней (рис.3,б). В центре куба атома
а) б) в)
Рис. 3. Основные типы кристаллических решеток металлов
нет; там свободное пространство. ГЦК решетку имеют алюминий, медь, никель, свинец, серебро и другие металлы.
Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетка представляет собой шестигранную призму, в основании которой расположены правильные шестиугольники (рис 3,в). Атомы расположены в вершинах и центрах этих шестиугольников. Еще три атома расположены в вершинах правильного треугольника, находящегося посредине между основаниями. Для ГПУ решетки характерны параметры а и с.ГПУ решетку имеют магний, цинк, титан, цирконий и другие металлы. Кроме перечисленных металлы могут иметь и другие типы кристаллических решеток. Однако в некоторых металлах (железо, олово, титан и другие) кристаллическая решетка может перестраиваться в зависимости от температуры. Например, железо до температуры 911 °С имеет ОЦК решетку, а при превышении этой температуры перестраивает ее в ГЦК решетку, которая сохраняется до температуры 1392°С. При повышении температуры,до температуры плавления (1539°С) ,железо снова приобретает ОЦК решетку.
Способность металла изменять тип своей кристаллической решетки,в зависимости от температуры,называется аллотропией или полиморфизмом, а переходы от одного кристаллического строения к другому,называются аллотропическими или полиморфными.
Основной причиной аллотропии является стремление вещества обладать минимальным запасом свободной энергии. Если при достижении определенной температуры изменение типа кристаллической решетки обеспечивает уменьшение запаса свободной энергии, то такой металл претерпевает аллотропическое превращение.
В кристаллической решетке по различным направлениям и в плоскостях находится разное число атомов, т.е плотность расположения атомов и различных плоскостях неодинакова. Например, 11 О ЦК решетке в плоскости, проходящей через грань куба, расположены 4 атома, а по диагональной плоскости атомов расположены более плотно, если учесть дополнительный атом находящийся в центре куба. Из-за различной плотность расположения атомов в разных кристаллографических плоскостях некоторые свойства кристалла зависят от направления Зависимость свойств от направления в кристалле называется анизотропией. Если свойства тела не зависят от направления, то такие тела называют изотропными. Изотропными являются аморфные тела, у которых атомы по всем направлениям расположены примерно с одинаковой плотностью (например: стекло).
Однако анизотропия может проявляться в пределах одного кристалла или монокристалла. Реальные металлы являются телами поликристаллическими. Так, в 1 см3 стального проката содержатся десятки тысяч кристаллов, которые произвольно ориентированы друг к другу своими кристаллографическими направлениями и плоскостями. В связи с этим недостаток каких-либо свойств в одних кристаллах по одному из направлений может компенсироваться избытком этих свойств по этому же направлению в других кристаллах. Поэтому реальные металлы имеют примерно одинаковые свойства по всем направлениям, и их условно называют псевдоизотропными, т.е. телами с кажущейся изотропией.
Дефекты кристаллического строения металлов.Представленные на рис. 4 схемы кристаллических решеток являются идеальными. Однако исследования показывают, что в строении реального кристалла металла имеются дефекты, от которых зависят физико-механические свойства металлов. Дефекты кристаллического строения принято подразделять на точечные, линейные, поверхностные и объемные.
К точечным дефектам относятся вакансии, представляющие собой свободные места в узлах кристаллической решетки (рис. 4, а). При повышении температуры количество вакансий увеличивается. Другими видами точечных дефектов являются дислоцированные и примесные атомы.
а) б) в)
Рис. 4. Точечные дефекты в кристаллической решетке
Дислоцированными являются собственные атомы,которые вышли из узла кристаллической решетки и расположились в междоузлии (рис. 4, б). На прежних местах этих атомов образуются вакансии. К примесным относятся атомы, которые занимают в кристаллической решетке места основных атомов (ряс. 4 в). Наличие вакансий, дислоцированных и примесных атомов приводит не только к нарушению правильности кристаллического строения, но и к нарушению уравновешенности силовых полей атомов.
К линейным, дефектам кристаллического строения металлов относятся дислокации- особый вид несовершенства кристаллической решетки, который образуется в результате локальных необратимых смещений отдельных участков кристалла. Наиболее характерной разновидностью дислокаций является краевая дислокация. На краевой дислокацией является нижний край лишней полуплоскости А В, которую называют экстраплоскостью (она направлена перпендикулярно плоскости рисунка). Краевая дислокация представляет собой линию атомов нижней границы экстраплоскости. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию обозначают знаком «1» (положительная дислокация), а если в нижней - обозначают знаком «Т» (отрицательная дислокация).
Количественной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций р - суммарная длина всех линий дислокаций EL (см), приходящаяся на единицу объема кристалла К (см3); Таким образом, р = T.1J Vимеет размерность см"2. В отожженных поликристаллических металлах р = 107...108см2.
| Рис. 5 . Схема винтовой дислокации |
Другим видам дислокаций является винтовая дислокация. Винтовая дислокация формируется под действием сил сдвига Р (рис. 5). Сдвиг распространяется от переднего края кристалла до линии А В. При этом правая передняя часть кристалла смещается вниз на параметр решетки. При дальнейшем действии сил сдвига линия АВ перемещается в положение А'В', оставаясь параллельной силам Р, В результате атомная плоскость изгибается относительно текущих положений линии АВ и представляет собой винтовую поверхность. Линия АВ является винтовой дислокацией.
| Рис. 6. Схема образования двойника в кристалле |
Механические свойства и прочность металлов зависят от плотности дислокации и прежде всего, от способности к перемещению. Теория дислокации обосновала различие между теоретической и реальной прочностью металла. Например, для железа реальная прочность примерно в 70 раз ниже теоретической. Причиной такого различия являются дислокации, которые благодаря своему перемещению облегчают процесс пластической деформации в кристалле, а сдвиг происходит при значительно меньшей нагрузке, чем в идеальном (бездислокационном) кристалле.
Плоские дефекты чаще всего проявляются на границах зерен, где кристаллическая решетка недостроена. На границе зерен скапливаются дислокации, переместившиеся из внутренней части зерен. Одним из видов плоских дефектов являются двойники. Двойник -это часть кристалла, в которой кристаллическое строение является зеркальным отражением другой части кристалла относительно так называемой плоскости двойникования I—I (рис. 6).
К объемным дефектам кристаллического строения относятся поры и микротрещины. Объемные дефекты образуются в процессе кристаллизации, фазовых превращений, пластической деформации. Дефекты кристаллического строения отражаются на механических и физических свойствах металлов. Например, при повышении числа вакансий, пор и микротрещин наблюдается снижение не только прочности, но и электропроводности, теплопроводности, магнитной проницаемости.