ЛЕКЦИЯ №3
ТЕМА: АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
ПЛАН
1. Характеристика аморфных и кристаллических тел
2.Основные типы кристаллических решеток
3.Кристаллизация металлов.Полиморфизм
4.Дефекты кристаллического строения
5.Наклеп и рекристаллизация
ХАРАКТЕРИСТИКА АМОРФНЫХ И КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ
В технике под металлами понимают вещества, обладающие комплексов металлических свойств: характерным металлическим блеском, высокой электропроводностью, хорошей теплопроводностью, высокой пластичностью.
В зависимости от скорости охлаждения твердые тела делятся на аморфные и кристаллические.
В аморфных телах атомы располагаются в определенной последовательности, не образуя кристаллов.
При этом свойства у них во всех направлениях одинаковы. О таких телах говорят, что они изотропны. Их получают при скоростях охлаждения металлов 106– 107˚С/сек в виде тонких лент и мелких частиц. Они обладают высокой твердостью, хорошей коррозионной стойкостью и другими полезными свойствами.
При нагревании аморфное тело может перейти в кристаллическое. В кристаллических телах атомы имеют определенное геометрическое расположение. По разным направлениям свойства их различны. Эта особенность кристаллов, т. е. зависимость свойств от направления называется анизотропией, а тела анизотропными.
Анизотропию можно устранить, если кристаллам с помощью соответствующей обработки придать единую ориентацию.
Единая ориентация кристаллов называется текстурой, то металл, в котором создана текстура, называется текстурированным.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК
Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Для описания кристаллической структуры металлов пользуются понятием кристаллической решетки.
Кристаллическая решетка — это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой расположены атомы. Наименьшая часть кристаллической решетки, определяющая структуру металла, называется элементарной кристаллической ячейкой.
В обычных земных условиях наблюдаются три агрегатных состояния вещества: L – жидкость, Г – газ, S – твердая фаза.
Устойчивые состояния характеризуют терминами:
• ближний порядок (у жидкой фазы);
• дальний порядок (у твердой фазы).
В твердой фазе правильное расположение атомов с периодической повторяемостью в трех измерениях образует кристаллическую решетку. Это воображаемая сетка линий, проведенных через центры атомов. Кристаллические решетки характеризуют угловыми величинами (α, β, γ) и линейными (а, b, c). а, b, c – периоды кристаллических решеток. На рис. 3.1 показаны эти величины.
Рисунок 2.1 - Характеристики кристаллических решеток
Для большинства металлов характерны следующие типы кристаллических решеток:
· объемно-центрированная кубическая (ОЦК);
· гранецентрированная кубическая(ГЦК);
· гексагональная плотноупакованная (ГПУ).
Основные типы кристаллических решеток представлены на рис. 2.2
В объемно-центрированной кубической решетке (рис. 2.2 а) атомы расположены в углах и центре куба. Период решетки равен а, координационное число К=8, базис решетки равен 2; 8 атомов расположены в углах куба, 1 атом в центре куба принадлежит только одной ячейке). Данный тип решетки имеют металлы К, Na, Li, Та, W, Mo, Fea, Cr, Nb и др.
Рисунок 2.2 – Типы кристаллических решеток и схемы упаковки в них атомов: а – объемно-центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная
В гранецентрированной кубической решетке (рис. 2.2, б) атомы расположены в углах куба и центрах его граней. Эта решетка характеризуется периодом а, координационном числом К= 12, базисом, равным 4: (1/8) • 8 + ½ • 6 = 4; 8 атомов в углах куба и 6 атомов в центрах граней, каждый из которых принадлежит двум элементарным ячейкам. Кубическую гранецентрированную решетку имеют следующие металлы: Са, Pb, Ni, Ag, Au, Pt, FeY и др.
В гексагональной плотноупакованной решетке (рис. 3.2, в) атомы расположены в вершинах и центрах шестигранных оснований призмы, кроме того, три атома находятся в средней плоскости призмы. Периоды решетки — а и с, причем с/а > 1 (например, с/а = 1,633 для Ru, Cd и с/а > 1,633 для Mg, Zn), координационное число К= 12, базис решетки равен 6.
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ
Процесс образования в металлах кристаллической решетки называется кристаллизацией. Для изучения процесса кристаллизации строят кривые охлаждения металлов, которые показывают изменение температуры (t) во времени (τ). На рис. 3 приведены кривые охлаждения аморфного и кристаллического веществ. Затвердевание аморфного вещества (рис. 3,а) происходит постепенно, без резко выраженной границы между жидким и твердым состоянием. На кривой охлаждения кристаллического вещества (рис. 3,6) имеется горизонтальный участок с температурой tкр), называемой температурой кристаллизации. Наличие этого участка говорит о том, что процесс сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации. Длина горизонтального участка — это время кристаллизации.
Рисунок 2.3 - Кривые охлаждения аморфного и кристаллического тел
Кристаллизация металла происходит постепенно. Она объединяет два процесса, происходящих одновременно: возникновение центров кристаллизации и рост кристаллов. В процессе кристаллизации когда растущий кристалл окружен жидкостью, он имеет правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается (рис. 2.4.)
Рисунок 2. 4 - Схема процесса кристаллизации металла
После окончания кристаллизации образуются кристаллы неправильной формы, которые называются зернами или кристаллитами. Внутри каждого зерна имеется определенная ориентация кристаллической решетки, отличающаяся от ориентации решеток соседних зерен.
ПОЛИМОРФИЗМ
Некоторые металлы в зависимости от температуры могут существовать в различных кристаллических формах. Это явление называется полиморфизм или аллотропия, а различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными модификациями. Процесс перехода от одной кристаллической формы к другой называется полиморфным превращением.
Полиморфные превращения протекают при определенной температуре.
Полиморфные модификации обозначают строчными греческими буквами α,β, γ, δ и т. д., причем, α соответствует модификации, существующей при наиболее низкой температуре. Полиморфизм характерен для железа, олова, кобальта, марганца, титана и некоторых других металлов.
Важное значение имеет полиморфизм железа. На рис. 2.5 изображена кривая охлаждения железа. Полиморфные превращения характеризуются
горизонтальными участками на кривой охлаждения, так как при них происходит полная перекристаллизация металла. До 911° С устойчиво Fea, имеющее кубическую объемно-центрированную решетку. В интервале 911-1392° С существует Fey c кубической гранецентрированной кристаллической решеткой.
При 1392-1539° С вновь устойчиво Fea. Часто высокотемпературную модификацию Fea обозначают Feδ. Остановка на кривой охлаждения при 768° С связана не с полиморфным превращением, а с изменением магнитных свойств. До 768° С железо магнитно, а выше — немагнитно.
Рисунок 2.5- Кривая охлаждения железа