Кристаллическое строение материалов

Кристаллы – твердые тела, обладающие трехмерной периодической атомной (или молекулярной) структурой) и имеющие форму правильных симметричных многогранников. В зависимости от типа химической связи кристаллы подразделяются на ионные, ковалентные, металлические и молекулярные. Ионная связь возникает в результате полного обмена валентными электронами, ковалентная – частичного. Силы Ван-дер-Ваальса возникают без обмена зарядами. Металлическая связь по физической природе является ковалентной, но при этом обобществляется множество электронов.

Кристаллическая структура (рис. 1.2) – периодически повторяющаяся в пространстве элементарная часть кристаллической решетки (элементарная ячейка). С каждой точкой элементарной ячейки связана некоторая группа атомов, которая называется базисом. Базис повторяется в пространстве и образует кристаллическую структуру. Параметры элементарной ячейки и основные характеристики: a, b, c – (параметры) периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов; углы между осями (a, b, g); координационное число – число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома; базис решетки – количество атомов в элементарной ячейке; плотность упаковки – отношение объема, занятого атомами к объему ячейки.

В зависимости от соотношений между величинами a, b, с и a, b, g различают семь типов кристаллических решеток (см. рис. 1.3).

В металлах отсутствуют ярко выраженные направленные связи, т.к. внешние (валентные) электроны принадлежат всему кристаллу. Это и определяет высокую симметрию и компактность структур большинства металлических кристаллов. Наиболее распространены следующие типы структур.

Гранецентрированная кубическая решетка. Атомы находятся в вершинах куба и в центре каждой грани (рис. 1.3). Решетку имеют медь, алюминий, никель, золото.

Объемно-центрированная кубическая решетка. Атомы находятся в вершинах куба и в центре куба – на пересечении его главных диагоналей (рис. 1.3). Решетку имеют хром, вольфрам, ванадия, молибден.

Гексагональная плотноупакованная решетка. Атомы находятся в вершинах (узлах) и в центре каждого шестиугольника; три дополнительных атома расположены чередуясь в центрах трех боковых граней. Эту решетку имеют цинк, магний, кадмий.

Тетрагональная решетка бывает объемно-центрированной и гранецентрированной. Решетку имеют индий и радий.

У некоторых металлов (железо, титан) кристаллическая решетка меняется при изменении температуры – полиморфизм.

Дефекты кристаллического строения.

В кристаллах всегда имеются дефекты, которые сильно влияют на их механические свойства.

Точечные дефекты. Вакансии – отсутствие атомов в узлах решетки. Атомы внедрения – внедрение своих или чужих (примесных) атомов в свободное пространство между атомами основной решетки. Атомы замещения – замещение атомов в узлах решетки чужими атомами. Около дефектов всегда возникают локальные искажения решетки (рис. 1.4).

Линейные дефекты. Линейнаядислокация – лишняя атомная полуплоскость или экстраплоскость, которая вставлена в какой-то части кристалла (рис. 1.5,а). Различают также винтовую дислокацию (рис. 1.5,б), которая может быть получена при помощи частичного сдвига. Такой сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту. Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и атомы к винтовой дислокации не стекают.

Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций (r) – суммарной длиной дислокаций в 1 см³ материала. Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рис. 1.6). Идеальный материал (металл) имеет максимальную прочность (точка 1 на рис. 1.6): в нем нет дислокаций. Прочность усов (нитевидных кристаллов) (точка 2) близка к теоретической. С ростом числа дислокаций прочность материала уменьшается (точка 3), а затем снова возрастает. Для чистых отожженных металлов плотность дислокаций составляет 10⁶–10⁸ см^-2 (точка 3), после холодной деформации она увеличивается до 10¹¹–10¹² см^-2 (точка 4), что соответствует примерно 1 млн. километров дислокаций в 1 см³.

Пути повышения прочности металла: создание материала с идеальной кристаллической решеткой, либо с большим числом дислокаций. Реализация первого пути представляет большие трудности. Дислокационное упрочнение материала можно осуществить пластическим деформированием, термической обработкой и другими методами.

Поверхностные и объемные дефекты – границы зерен, фрагментов и блоков, неметаллические включения, поры и т.д. Промышленный металл – поликристаллическое твердое тело. Он состоит из множества кристалликов, зерен. Размер этих зерен составляет от нескольких микрон до 1000 микрон, углы разориентации – до нескольких десятков градусов. Говорят, что в этом случае зерна разделяет большеугловая граница (рис. 1.7,б). Граница между зернами представляет поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов. Строение переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Внутри одного зерна также не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией. Каждый фрагмент состоит из более мелких блоков, разориентированных на угол менее одного градуса. Такую структуру называют блочной или мозаичной. Границу между фрагментами, блоками называют малоугловой (рис. 1.7,а).