Какие свойства металлов зависят от их кристаллического строения
У металлов электроны на внешних оболочках имеют слабую связь с ядром, легко отрываются и могут свободно перемещаться между положительно заряженными ядрами. Следовательно, в металле положительно заряженные ионы окружены коллективизированными электронами. Так как эти электроны подвижны аналогично частицам газа, то используется термин «электронный газ».
Металлургический тип связи характерен тем, что нет непосредственного соединения атомов друг с другом, нет между ними прямой связи. Атомы в металлах размещаются закономерно, образуя кристаллическую решетку.
Кристаллическая решетка — это мысленно проведенные в пространстве прямые линии, соединяющие ближайшие атомы и проходящие через их центры, относительно которых они совершают колебательные движения. В итоге образуются фигуры правильной геометрической формы — кристаллическая решетка (рис. 1).
Рис. 1
Расстояния (а, b, с) между атомами, т.е. параметры кристаллической решетки, находятся в пределах 2…6A (1A=10-8 см). Каждый атом принадлежит 8 кристаллическим решеткам. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве, свойства в различных направлениях одинаковы, а в кристаллических телах расстояния между атомами в различных направлениях неодинаковы, поэтому различны и свойства. Тип кристаллической решетки (рис. 2) зависит от металла, температуры и давления. Это используется при термообработке металлов для упрочнения их.
Реальные металлы состоят из большого количества кристаллов, различно ориентированных в пространстве относительно друг друга. На границах зерен атомы кристаллов не имеют правильного расположения, здесь скапливаются примеси, дефекты и включения. Экспериментально установлено, что внутреннее кристаллическое строение зерен не является правильным. В решетках имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связь между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.
Рис. 2 Виды кристаллических решеток
Имеются следующие несовершенства в кристаллических решетках:
1. Точечные (рис. 3):
а) Наличие вакансий, т.е. мест в решетке, не занятых атомами. Это происходит из-за смещения атомов от равновесного состояния. Число вакансий увеличивается с ростом температуры.
Рис. 3 Дефекты кристаллической решетки
б)
Дислоцированные атомы, т.е. атомы вышедшие из узла решетки и занявшие место в междоузлии. в) Примесные атомы, т.е. в основном металле имеются чужеродные примеси. Например, в чугуне основными атомами являются атомы железа, а примесными — атомы углерода, которые или занимают место основного атома, или внедряются внутрь ячейки.3. Линейные несовершенства (цепочки вакансий, дислокаций и т.д.). Линейные дефекты малы в двух направлениях и значительно большего размера в третьем.
Количество дефектов в металле оказывает существенное влияние на его прочность. На первом участке кривой (рис. 4) при минимуме дислокаций меньше возможностей для сдвига атомов по кристаллической решетке, поэтому будет максимум прочности металла (теоретическая, недостижимая прочность). Путем восстановления из хлористого или бромистого железа в лабораторных условиях выращивают «усы» кристаллов железа длиной до 10 см и диаметром 0,5 … 1 мкм, имеющие относительно высокую прочность на растяжение (бb = 1200 …1300 кгс / мм2). Для сравнения, высокопрочная сталь имеет прочность всего 150 …200 кгс / мм2, т.е. на порядок ниже, а прочность железных «усов» примерно в 100 раз выше, чем у обычного железа (минимум на кривой).
Повышение прочности с увеличением плотности дислокаций выше их критического значения объясняется тем, что имеются не только параллельные, но и взаимопересекающиеся (объемные) дислокации. Они препятствуют взаимному перемещению металла и, как результат, приводят к увеличению прочности металла.
Рис. 4 Влияние количества дефектов на прочность сплава (стали)
Все современные способы упрочнения металлов (легирование, закалка, прокатка, ковка, штамповка, волочение и т.д.) — это увеличение количества дефектов в металле. Наивысшая прочность, которую можно получить путем увеличения количества дефектов в металле, составляет около 1/3 от теоретически возможной (идеальной) прочности.
Кристаллизация металлов
Рис. 5 Кривые нагрева и охлаждения аморфного тела
При нагреве и охлаждении (рис. 5) аморфных тел (смола, стекло, пластмассы,…) при переходе из жидкого в твердое состояние качественных изменений не происходит. В твердом состоянии атомы в аморфном теле расположены так же хаотично, как и в жидком, имеют только меньшую степень перемещения. Из рис 1. 5 видим, что температура плавления Тпл равняется температуре кристаллизации Ткр, а переход из одного состояния в другое (из твердого в жидкое — точка Тпл, и из жидкого в твердое — точка Ткр) происходит скачкообразно.
По другому ведут себя металлы (рис. 1.6). На участке 1 — 2 происходит нагрев металла; кристаллическая решетка сохраняется, но атомы увеличивают амплитуду колебаний за счет поглощенной тепловой энергии. На горизонтальном участке 2 — 3 также подводится тепло, но температура Тпл не повышается, т. к. подводимое тепло целиком расходуется на разрушение кристаллической решетки. Атомы переходят в неупорядоченное (жидкое) состояние. После разрушения последнего участка кристаллов, после точки 3 начинается повышение температуры жидкого металла по линии 3 — 4.
При охлаждении (4 — 5) на горизонтальном участке 5 — 6 происходит кристаллизация, при которой выделяется тепло, поэтому процесс проходит при постоянной температуре Ткр. Кристаллизация металла происходит не при температуре t, величина, которая зависит от плавления Тпл, а при некотором переохлаждении природы металла, наличия примесей и от скорости охлаждения.
Кристаллизация начинается с того, что при понижении температуры до значения Ткр начинают образовываться мелкие кристаллики, называемые центрами кристаллизации (зародышами). При дальнейшем уменьшении энергии металла происходит рост кристаллов и в то же время в жидкости возникают новые центры кристаллизации, т.е. процесс кристаллизации состоит из двух одновременно происходящих процессов: зарождение новых центров кристаллов и роста кристаллов из ранее образованных центров. Мелкокристаллический металл более твердый и прочный, чем крупнокристаллический. Следовательно, подбором температуры переохлаждения t можно регулировать механические характеристики металла. Многое зависит от количества нерастворимых примесей, которые являются центрами кристаллизации. Чем больше этих частиц, тем меньше зерна металла. Полученная в конверторе или в мартене, сталь (0,5…3 тн) заливается в изложницу. Большой перепад температур (свыше 1500 С) будет между расплавленным металлом и атмосферой по высоте и ширине слитка. В результате на поверхности слитка, т.е. там, где имеется наибольший перепад температур, будет мелкозернистая структура, а в центре слитка при минимальном перепаде температур возникнут при кристаллизации крупные, а между ними — столбчатые кристаллы.
Металлами называются простые вещества, имеющие в твердом состоянии кристаллическое строение и обладающие характерными свойствами: высокой плотностью, блеском, непрозрачностью, тепло — и электропроводностью и др. Сплавы металлов – это твердые или жидкие системы, полученные сплавлением нескольких металлов или металлов с неметаллами. Все металлы и металлические сплавы делятся на черные (к ним относятся железо и сплавы на его основе) и цветные (к ним относятся все нежелезные металлы и сплавы).
Физико-механические свойства металлов связаны с особенностями его кристаллического строения. В твердом состоянии атомы металлов располагаются в строгом порядке, образуя правильную кристаллическую решетку. Каждый атом в кристалле имеет одно и тоже число ближайших атомов-соседей. Находясь в узлах кристаллической решетки, атомы (положительно заряженные ионы) совершают колебания относительно своего среднего положения. Со своими ближайшими соседями атомы связаны при помощи валентных электронов. Эти электроны называют коллективизированными. Они могут свободно перемещаться, образуя электронный газ, благодаря которому металлы обладают высокой электро- и теплопроводностью. Металлы имеют кристаллические решетки различных типов. Чаще всего это кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная решетки.
В объемно-центрированной кубической (ОЦК) решетке восемь атомов располагаются в вершинах куба и один в центре (всего 9 атомов). Характерным линейным размером объемно-центрированной кубической решетки является расстояние амежду двумя атомами, расположенными вдоль одного ребра. Этот линейный размер называется параметром решетки. Значение параметра адля различных металловколеблется от 0,2 до 0,7 нм (1 нм = 10-9 м). ОЦК — решетку имеют железо при комнатной температуре, ванадий, вольфрам, молибден, хром и др. металлы (рис. 14 а).
В гранецентрированной кубической (ГЦК) решетке атомы расположены в вершинах куба и в центрах шести граней (всего 14 атомов). ГЦК — решетку имеют следующие металлы: алюминий, медь, никель, свинец, серебро и др. металлы (рис. 14 б).
Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетка представляет собой шестигранную призму, в основании которой расположены правильные шестиугольники. Атомы расположены в вершинах и центрах этих шестиугольников. Еще 3 атома расположены в вершинах правильного треугольника, находящегося посредине между основаниями. Всего ГПУ — решетка содержит 17 атомов. Для ГПУ — решетки характерны параметры а и с.Если с/а=1,633, то решетка имеет наибольшую плотность упаковки атомов. ГПУ — решетку имеют магний, цинк, титан, цирконий и др. металлы (рис. 14 в).
Кроме перечисленных типов, металлы могут иметь и другие типы кристаллических решеток. В некоторых металлах кристаллическая решетка может перестраиваться в зависимости от температуры (железо, титан и др.). Например, железо до 911оС имеет ОЦК — решетку, а при повышении этой температуры перестраивает ее в ГЦК — решетку, которая сохраняется до 1392оС. При повышении температуры до температуры плавления 1539оС железо снова приобретает ОЦК — решетку.
Способность изменять тип своей кристаллической решетки в зависимости от температуры называется аллотропией или полиморфизмом, а переходы от одного типа кристаллического строения к другому называются аллотропическими или полиморфными изменениями. 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.
а) б) в)
Рисунок 14 — Типы кристаллических решеток металлов:
а) объемноцентрированная кубическая;
б) гранецентрированная кубическая;
в) гексагональная плотноупакованная.
В кристаллической решетке по различным направлениям и в плоскостях находится разное число атомов, т.е. плотность расположения атомов в различных плоскостях неодинакова. Из-за этого некоторые свойства кристаллов 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. Однако анизотропия может проявляться в пределах одного кристалла. Реальные металлы являются телами поликристаллическими, поэтому недостаток каких-либо свойств в одних кристаллах по одному направлению может компенсироваться избытком этих свойств по этому же направлению в других кристаллах. Реальные металлы имеют примерно одинаковые свойства по всем направлениям, и условно их называют псевдоизотропными, т.е. телами с кажущейся изотропией.
Дефекты кристаллического строения металлов
Каждый металл имеет свой вид кристаллической решетки. В реальных условиях не всегда кристаллическая решетка металла имеет правильное строение. На деле это выражается в том, что теоретическая прочность металлов, определяемая расчетным путем, всегда выше реальной, т. к. наличие дефектов в кристаллической решетке снижает прочность металла. Дефекты кристаллического строения металлов подразделяются на следующие типы:
Точечные или вакансии, представляющие собой свободные места в узлах кристаллической решетки, а также дислоцированные атомы и примеси других веществ (рис. 15);
а) б) в)
Рисунок 15 — Точечные дефекты строения кристаллической решетки
металлов: а) вакансия; б) примесный атом; в) дислоцированный атом.
— линейные или дислокации, представляющие собой нарушения кристаллического строения, связанные с отклонениями реальных кристаллов от идеального состояния и выражающиеся в смещении отдельных участков кристалла (рис. 16). Дислокации возникают в процессе кристаллизации, пластической деформации и т.д.;
— поверхностные дефекты. Они чаще всего проявляются на границах зерен, где кристаллическая решетка бывает недостроенной.
— объемные – микротрещины, поры, различные включения. Они образуются в процессе кристаллизации, фазовых превращений, пластической деформации.
Наименее значимыми являются точечные деформации, наиболее значительными — объемные.
Рисунок 16 — Линейный дефект строения кристаллической решетки металла
Рекомендуемые страницы:
Воспользуйтесь поиском по сайту:
Общее свойство металлов и сплавов — их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.
Атомно-кристаллическая структура может быть представлена не рядом периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях.
В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки. Величина их в металлах порядка 0,1–0,7 нм, размеры элементарных ячеек — 0,2–0,3 нм.
Для однозначного описания элементарной ячейки кристаллической решетки необходимо знание величин параметров a, b, c и углов между ними.
В 1848 г. Французский ученый Бравэ показал, что изученные трансляционные структуры и элементы симметрии позволяют выделить 14 типов кристаллических решеток.
Для характеристики кристаллических решеток вводят понятия координационного числа и коэффициента компактности. Координационным числом I называется число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решеток ГЦК и ГП оно составляет 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чем решетки ГЦК и ГП. В решетке ОЦК каждый атом имеет всего 8 ближайших соседей, а в решетках ГЦК и ГП их 12.
Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары, то нетрудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. Е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности.
Коэффициент компактности Q равен отношению суммарного объема атомов, входящих в решетку, к объему решетки: где R — радиус атома (иона); n — базис, или число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку; V — объем элементарной ячейки.
Для простой кубической решетки n = (1/8) ? 8 = 1; V = a3 = (2R)3, коэффициент компактности Q = 52 %.
На решетку ОЦК приходится два атома: один центральный и один как сумма от вершин куба, так как ячейке принадлежит 1/8 атома от каждого угла.
Для ОЦК решетки n = (1/8) ? 8 + 1 = 2. Учитывая, что атомы соприкасаются по диагонали куба, длина которой равна 4 атомным радиусам, параметр решетки а коэффициент компактности QОЦК = 68 %.
Проведя аналогичные вычисления, найдем QГЦК = 74 %, QГП = 74 %.
Таким образом, решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК.
Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом a (a-Fe), при более высокой индексом b, затем y и т.д (где а – альфа, b – бетта и y – гамма).
Известны полиморфные превращения железа:
Fea << Feg (a-Fe<< g-Fe, титана Tia << Tig
(a-Ti<< g- Ti) и других элементов.
Температура превращения одной кристаллической модификации в другую называется температурой полиморфного превращения.
При полиморфном превращении меняются форма и тип кристаллической решетки. Это явление называется перекристаллизацией. Так, при температуре ниже 911 °С устойчиво Fea, в интервале 911–1392 °С устойчиво Feg. При нагреве выше 911 °С атомы решетки ОЦК перестраиваются, образуя решетку ГЦК. На явлении полиморфизма основана термическая обработка.
При переходе из одной полиморфной формы в другую меняются свойства, в частности плотность и соответственно объем вещества. Например, плотность Feg на 3 % больше плотности Fea, а удельный объем соответственно меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термообработке.
Полиморфизм олова явился одной из причин гибели полярной экспедиции английского исследователя Р. Скотта. Оловом были запаяны канистры с керосином. При низкой температуре произошло полиморфное превращение пластичного белого олова с образованием хрупкого порошка серого олова. Горючее вылилось и испарилось, и на обратном пути экспедиция осталась без топлива. Превращение белого олова в серое называют «оловянной чумой».
Типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1.
Типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов
А. Металлы с одним типом решетки
| ТИП РЕШЕТКИ | КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО | КОЭФФИЦИЕНТ КОМПАКТНОСТИ | МЕТАЛЛ |
| ГЦК | 12 | 74 | Ag,Au,Pt, Cu,Al,Pb,Ni |
| ОЦК | 8 | 68 | Na, K,V,Nb, Cr, Mo, W |
| ГП | 12 | 74 | Be,Mg,Zn,Cd |
Б. Металлы с полиморфным превращением
| МЕТАЛЛ | ТИП РЕШЕТКИ | ТЕМПЕРАТУРА ПРЕВРАЩЕНИЯ, °С |
| Ca | ГЦК << ГП | 450 |
| Ce | ГП <<ГЦК | 477 |
| Zr | ГП <<ОЦК | 882 |
| Ti | ГП <<ОЦК | 882 |
| Fe | ОЦК<<ГЦК<<ОЦК | 911, 1 392 |
Свойства материалов зависят от природы атомов, из которых они состоят, и силы взаимодействия между ними. Аморфные материалы характеризуются хаотическим расположением атомов. Поэтому свойства их в различных направлениях одинаковы, или, другими словами, аморфные материалы изотропны. В кристаллических материалах расстояния между атомами в разных кристаллографических направлениях различны. Например, в ОЦК решетке в кристаллографической плоскости, проходящей через грань куба, находится всего один атом, так как четыре атома в вершинах одновременно принадлежат четырем соседним элементарным ячейкам: (1/4) 4 = 1 атом. В то же время в плоскости, проходящей через диагональ куба, будут находиться два атома: 1 + (1/4) 4 = 2.
Из-за неодинаковой плотности атомов в различных направлениях кристалла наблюдаются разные свойства. Различие свойств в кристалле в зависимости от направления испытания называется анизотропией.
Разница в физико-химических и механических свойствах в разных направлениях может быть весьма существенной. При измерении в двух взаимно перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расширения различаются в 3–4 раза, а прочности кристалла железа — более, чем в два раза.
Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов или для так называемых монокристаллов. Большинство же технических литых металлов, затвердевших в обычных условиях, имеют поликристаллическое строение. Они состоят из большого числа кристаллов или зерен. При этом каждое отдельное зерно анизотропно. Различная ориентировка отдельных зерен приводит к тому, что в целом свойства поликристаллического металла являются усредненными.
Поликристаллическое тело характеризуется квазиизотропностью — кажущейся независимостью свойств от направления испытания. Квазиизотропность сохраняется в литом состоянии, а при обработке давлением (прокатке, ковке), особенно, если она ведется без нагрева, большинство зерен металла приобретает примерно одинаковую ориентировку — так называемую текстуру, после чего металл становится анизотропным. Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления главной деформации могут существенно различаться. Анизотропия может приводить к дефектам металла (расслою, волнистости листа). Анизотропию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии получения деталей.