Кристаллическое строение металлов, типы кристаллических решеток
Металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ионов, вокруг которых по орбитам вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико. Эти электроны имеют возможность «свободно» перемещаться по всему объѐму металлической кристаллической решетки, связывая как нейтральные атомы, так и положительно заряженные ионы. Наиболее распространены три вида кристаллических решеток металлов.
1.Объемно - центрированная кубическая (ОЦК), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (Na, K, Cr, V, W, Tiβ,) 2.Гранецентрированная кубическая (ГЦК), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Ag, Au, Pt, Cu, Al, Ni,) 3.Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник: Простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита); Плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк, магний, бериллий).
Отличительной особенностью кристаллических тел является то, что составляющие их атомы расположены в строго определенном порядке и образуют так называемую пространственную кристаллическую решетку.
Тела, в которых атомы расположены хаотически, т. е. в беспорядке, называются аморфными. К ним относятся: клей, пластмассы, стекло и др. От расположения атомов в кристаллической решетке зависят свойства металла. 
В кубической объемноцентрированной решетке расположено девять атомов. Такую решетку имеют хром, вольфрам, молибден, ванадий и железо при температуре до 910° С.
В кубической гранецентрированной решетке расположено 14 атомов. Такую решетку имеют: медь, свинец, алюминий, золото, никель и железо при температуре 910—1400° С. В гексагональной плотноупакованной решетке расположено 17 атомов. Такую решетку имеют: магний, цинк, кадмий и другие металлы.
|
|
Расстояние между атомами в кристаллической решетке может быть различным по разным направлениям. Поэтому и свойства кристалла по разным направлениям не одинаковы. Такое явление называется анизотропией. Все металлы — тела кристаллические, поэтому они являются телами анизотропными. Тела, у которых свойства во всех направлениях одинаковые, называются изотропными.
Кусок металла, состоящий из множества кристаллов, обладает в среднем свойствами, одинаковыми во всех направлениях, поэтому он называется квазиизотропным (мнимая изотропность).
Анизотропность имеет большое практическое значение. Например, путем ковки, штамповки, прокатки в деталях получают правильную ориентацию кристаллов, в результате чего вдоль и поперек детали достигаются различные механические свойства. С помощью холодной прокатки добиваются высоких магнитных и электрических свойств в определенном направлении детали.
Кристаллизация металлов и сплавов. Факторы, влияющие на величину и форму зерна.
Кристаллизация – это переход вещества из жидкого состояния в твердое кристаллическое; заключается в образовании кристаллических зародышей и их росте при достижении расплавом определенной температуры. Процесс кристаллизации сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации, и поэтому в процессе охлаждения в начале кристаллизации скорость охлаждения уменьшается. Кристаллизация металлов идет при постоянной температуре. Жидкий металл при охлаждении не испытывает качественных изменений: кривая охлаждения идет плавно. При достижении теоретической температуры кристаллизации на кривые охлаждения появляется горизонтальная площадка, так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. Когда закончится процесс кристаллизации, кривая охлаждения снижается опять плавно. В жидком металле происходит непрерывное движение атомов. С понижением температуры движения атомов замедляются. Они начинают сближаться, группироваться, образуя зародыши или центры кристаллизации. Процесс образования этих зародышей идет непрерывно, но наряду с ним происходит и процесс роста образовавшихся кристаллов. При небольшом переохлаждении образуется малое количество крупных кристаллов, при большом — образуется значительное количество мелких кристаллов. Это находит место в практике литейного производства: при литье тонкостенных деталей получается мелкозернистая структура, а при литье деталей с толстыми стенками — крупнозернистая. Кристаллизация сплавов при снижающейся, характер изменения которой (во времени) определяется диаграммой фазового состояния. Процесс кристаллизации сплавов отличается от процесса кристаллизации чистых металлов: у большинства сплавов на кривой охлаждения имеется две горизонтальные площадки, т.е. процесс кристаллизации происходит в интервале температур T1 — T2, где T1 — температура начала кристаллизации и T2—температура конца кристаллизации. Интервал температур с температуры начала до температуры конца кристаллизации называется температурным интервалом кристаллизации. В этом интервале сплав состоит из смеси жидкой и твердой (или твердых) фаз.
|
|
|
|
Факторы, влияющие на величину зерна. Большинство металлов кристаллизуется с переохлаждением, причем степень переохлаждения у разных металлов различна. Важнейшим фактором, влияющим на величину зерна при кристаллизации, является степень переохлаждения. Степень переохлаждения определяет число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов. От числа центров и скорости роста кристаллов зависит величина зерна. При большом числе центров и незначительной скорости роста зерна будут мельче, при малом числе центров и большой скорости роста — крупнее. Если степень переохлаждения невелика, то число центров получается небольшое, а скорость роста кристаллов велика. Поэтому при медленном охлаждении получаются крупные зерна. При большой степени переохлаждения образуется большое число центров, а скорость роста невелика. Следовательно, при быстром охлаждении зерна будут мельче.
На величину зерна влияют также следующие факторы.
1. Высокая температура вызывает рост зерна. Этим объясняется «перегорание» электрических ламп: под действием высокой температуры происходит рост зерен и ослабление связи между ними, что приводит к обрыву нити.
2. Отсутствие внутренних препятствий способствует росту зерен. Если в расплавленный металл ввести мельчайшие частицы, называемые модификаторами, то они, являясь добавочными центрами кристаллизации, будут способствовать получению мелкого зерна и препятствовать росту зерен. Поэтому в стали, выплавленной с добавкой алюминия, не происходит роста зерна до температуры 950°, а введение в расплавленный вольфрам мельчайших частиц окиси тория предохраняет электролампы от «перегорания».
3. Разрушение зерна, например при ковке и штамповке, происходит из-за разрушения оболочки, препятствующей росту зерна. Поэтому для предотвращения роста зерна применяют после ковки и штамповки термическую обработку — например отжиг.