Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Атомно-кристаллическое строение металлов и влияние строения на свойства металлов. Дефекты кристаллического строения металлов




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 а между двумя атомами, расположенными вдоль одного ребра. Этот линейный размер называется параметром решетки. Значение параметра а для 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

 

 

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...