 |
Кристаллическое строение металла
|
|
|
|
II УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
РАЗДЕЛ 1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ
Тема 1.1 Строение и свойства материалов
| 1.1.1 | Общая характеристика металла |
| 1.1.2 | Кристаллическое строение металла |
| 1.1.3 | Кристаллизация металлов |
| 1.1.4 | Качество и свойства материалов |
| 1.1.5 | Основные свойства металлов и методы их испытания |
| 1.1.6 | Механические испытания металла |
Общая характеристика металла
Металловедение – наука, изучающая зависимость между составом, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения под воздействием их внешних факторов: тепловых, химических, механических, электромагнитных, радиоактивных. Из 106 элементов системы Менделеева-76 металлы.
Металлы в твердом состоянии обладают рядом характерных свойств.
1) Тепло- и электропроводимостью.
2) Положительным температурным коэффициентом электросопротивления, с повышением t
электросопротивления чистых металлов возрастает.
3) Термоэлектронной эмиссией (т.е. способностью испускать электроны при нагреве.)
4) Хорошей отражательной способностью. Металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском.
5) Повышенной способностью к пластической деформации.
Некоторые металлы находят широкое применение в технически чистом виде, т. е. с малым процентным содержанием примесей (алюминий в радиотехнике); другие металлы, такие как цирконий, кремний - используются в сверхчистом виде, т. е. с миллионными долями % примесей (в вычислительной технике, приборостроении).
Несравненно шире применяется металлические сплавы. Важнейшим промышленным металлом является железо, которое в чистом виде и в виде сплава с углеродом относят к группе черных металлов.
|
|
|
Сплавами этой группы являются: сталь, чугун, ферросплав. Остальные металлы и сплавы относятся к цветным. Обычно их делят на легкие и тяжелые в зависимости от удельного веса (до 3 г/см2 - легкие, после -тяжелые).
В промышленности важное значение из цветных металлов имеют: алюминий, медь, магний, свинец, олово, титан.
Кристаллическое строение металла
Все вещества в твердом состоянии имеют кристаллическое или аморфное строение (смола, битум). При нагревании аморфные вещества размягчаются и переходят в жидкое состояние в широком интервале температур.
Все металлы, металлические сплавы и подавляющее большинство минералов – тела кристаллические, т.е. атом расположен в металле закономерно с образованием кристаллической решетки (это правильное расположение атомов в твердом теле и периодически повторяющимися пространствами) - такие вещества при нагреве остаются твердыми и переходят в жидкое состояние при определенной температуре (рисунок 1).
Металлическое состояние возникает в комплексе атомов, когда при их сближении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами и становятся общими, т.е. коллективизируются и свободно перемещаются по определенным энергетическим уровням между положительно заряженными ионами, которые периодически располагаются в пространстве.
Таким образом, устойчивость металла представляет собой ионно - электронную систему определенного электронного взаимодействия между положительно заряженными ионами и коллективи-зированными электронами. Такое взаимодействие между ионным скелетом и электронами получило название 
металлической связи.
Сила связи в металле определяется соотношением между силами отталкивающими и силами притяжения между ионами и электронами.
Атомы располагаются на таком расстоянии один от другого, чтобы энергия взаимодействия была меньше (путь наименьшего сопротивления) Кристалл, кристаллит и зерно являются основой структуры металла.
|
|
|
Порядок расположения атомов в кристаллической решетке может быть различным.
Кристаллические решетки бывают 7 видов. Большинство технических металлов имеют:
1) 
объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) (хром, молибден, ванадий). Плотность решетки характеризуется координационным числом. Координационное число – это число атомов, находящихся на одинаковом расстоянии от главного. ОЦК ограничивается 9 атомами, 8 из которых расположены по вершинам куба, 1 – в центре, повторением этой ячейки путем переноса образуется вся структура кристалла (рисунок 7);
2) кубическая гранецентрированная решет-ка (КГЦ) (алюминий, медь, никель). К=12 т.к. каждый атом имеет 12 ближайших соседей. КГЦ ограничивается 14 атомами, 8 из которых располагаются по вершинам куба, 6 - по его граням (рисунок 8).
3) гексагональная кристаллическая решетка (ГК) (ГНУ) (титан, кобальт, цинк). ГК ограничивается 17 атомами, 12 из которых располагаются по вершинам шестигранника, 2 атома - в центре основания, и 3 внутри призмы (рисунок 9).
| Рисунок 8 – Часть кубической гранецентрированной пространственной решетки | Рисунок 9 – Элементарная ячейка гексагональной решетки |
Параметры решетки у различных металлов различные: У меди - 0,36 нМ; у алюминия - 0,405 нМ; у цинка - 0,267 нМ.
Атомы не находятся в покое, а непрерывно колеблются около положения равновесия; с повышением t амплитуда колебания увеличивается, что вызывает расширение кристалла, а при t плавления колебания частиц увеличивается настолько, что кристаллическая решетка разрушается, поэтому в реальных кристаллических решетках имеются дефекты:
1) точечный дефект - это пустые узлы или вакансии
2) линейные дефекты - это дислокации или сдвиг части кристаллической
решетки (одномерный дефект)
3) поверхностный дефект - это нарушение симметрии расположения
атомов.
4) объемные дефекты - это поры, газовые пузыри, трещины, и неметаллические включения.
Кристаллизация металлов
Все вещества в твердом состоянии имеют кристаллическое или аморфное строение (смола, битум). При нагревании аморфные вещества размягчаются и переходят в жидкое состояние в широком интервале температур.
|
|
|
Это процесс образования кристаллов в металлах и сплавах при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация), а также перекристаллизация в твердом состоянии при их охлаждении (вторичная кристаллизация).
Выше t плавления устойчив жидкий металл, ниже устойчив твердый металл. Температура плавления соответствует равновесной t кристаллизации данного вещества, при которой обе фазы - жидкая и твердая могут сосуществовать одновременно, и притом бесконечно долго.
Процесс кристаллизации начинается с образования центров кристаллизации и продолжается в процессе роста их числа и размеров. При переохлаждении сплава ниже t плавления во многих участках жидкого сплава образуются устойчивые, способные к росту критические точки. Пока имеется жидкость, образованные кристаллы растут свободно и имеют правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, т.к. в этих участках рост граней прекращается и продолжается только в тех направлениях, в которых есть доступ для жидкого металла.
В результате кристаллы после затверде-вания имеют неправильную внешнюю форму и называются кристаллитами или зернами. Скорость зарождения центров - это число центров, возникших в единице объема за единицу времени.
Скорость роста кристаллов -это линейное увеличение размеров кристалла в
единицу времени.
Различают макро- и микроструктуру материала.
Макроструктура - структура металла, видимая при увеличении до 50 раз или невооруженным глазом.
Микроструктура - структура металла, видимая при больших увеличениях: на металлогра-фическом микроскопе до 2,5 тыс. раз; на электронном до 25 тыс. раз.
|
|
|
