 |
Атомно-кристаллическое строение металла.
|
|
|
|
Введение.
Материаловедение – это наука, изучающая строение и свойства металлов и устанавливает связь между составом, структурой и свойствами.
Определение металлам дают с точки зрения той науки, с позиции которой ее рассматривают.
Металлы с точки зрения физики и техники обладают общностью атома кристаллического строения и характерными физическими свойствами.
Атомно-кристаллическое строение металла.
Металлы, описываемые пространственной кристаллической решеткой, под которой понимают наименший комплекс атомов, при многократной трансляции которых по всем направлениям воспроизводится пространственная кристаллическая решетка.
В узлах кристаллической решетки располагаются атомы.
Пространственную кристаллическую решетку легче всего представить в виде элементарной кристаллической ячейки. Ячейка – это та часть решетки, при многократной трансляции которой она и воспроизводится.
Три основные вектора элементарной ячейки называются трансляционными плоскими осевыми единицами.
Абсолютная величина трансляции – это период кристаллической решетки.
Период кристаллической решетки измеряют в анкстреммах
1А=10-8 см или в кХ (килоиксах), так называемых кристаллографических анкстреммах.
1кХ=1,00202 А
На одну элементарную ячейку приходится различное количество атомов; при чем атомы занимают определенные места в ячейке.
В зависимости от расположения атомов в ячейке различают простые, кубические, объемно-центрированные кубические, гранецентрированные кубические, гексагональные решетки.
1.Простая решетка представляется в виде куба, в узлах которой располагаются атомы.
Простейшая решетка описывается одним параметром, которым является ребро куба а.
|
|
|
2.Объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК) представляет собой также куб, внутри которого дополнительно расположен еще один атом.
Параметры решетки определяются длиной ребра куба а.
3.Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК) представляет собой куб, В центре каждой грани которого расположены дополнительно по одному атому.
4.Гексагональная плотно упакованная решетка. В отличие от кубической характеризуется двумя параметрами а и с.
В случае, если отношение с/а=1,666, то решетка считается плотноупакованной, а иначе – неплотно упакованной.
Примеры:
ОЦК – вольфрам, молибден, железо Fea;
ГЦК – алюминий, медь, никель, железо Feg;
ГПУ – бериллий ….
Некоторые металлы, например индий, имеют тетрагональную решетку.
Свойства металлов при прочих равных условиях определяются типом кристаллической решётки, т.е. количеством атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. На простую ячейку приходит с один полный атом.
На ОЦК ячейку приходится два атома: один атом вносится атомом и один принадлежит только этой ячейке.
Для ВЦК на одну ячейку приходится четыре атома.
Плотность кристаллической решетки определяется, так называемым координатным числом. Под координатным числом понимается число атомов, находящихся на кратчайшем расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки К=8, для ГЦК – К=12 и для ГПУ – К=12.
От величины координатного числа зависит компактность (плотность укладки) кристаллической решетки. Так в простой кристаллической решетки плотность укладки атомов в ячейке составляет менее 50%. В ОЦК – 50%, в решетках с координатным числом 12 – порядка 75%.
4. Кристаллографические обозначения атомов, плоскостей и направлений.
Под кристаллографическими плоскостями понимается 3 целых взаимно простых числа обратно пропорциональных числу осевых единиц, отсекаемых данной плоскостью по координатным осям x,y,z.
|
|
|
ABCD (100), AFKB (001), BKLD (010)
Под индексами кристаллографических плоскостей и направлений было вызвано потребностью объяснить зависимость свойств металлов от направлений кристаллографических плоскостей. Иными словами, дать объяснение с точки зрения техники понятие влияния анизотропии.
По различным направлениям в кристалле располагаются различные количества атомов: физические, химические, механические при прочих равных условиях и определяются числом атомов, расположенным в данном направлении; чем больше количество атомов расположено в данном направлении, тем выше уровень свойств.
Неодинаковость свойств по различным направлениям в кристалле и называется анизотропией.
Любой кристалл – анизотропен. Однако, поскольку реальные металлы состоят из большого числа зерен (на 1 см2 – десятки тыс. зерен) создается впечатление, что металл изотропен, т.к. каждое из зерен ориентировано по-своему – это явление получило название квазианизотропией (ложной).
Поэтому, если испытывать металл по различным направлениям, то свойства его будут одинаковы. Деформирование металлов приводит к ориентации зерен, а также кристаллографических плоскостей в направлении деформации. Закономерная ориентация кристаллографических плоскостей в направлении действующих нагрузок называется текстурой.
5. Дефекты кристаллического строения или реальное строение атома.
Реальные металлы в своей структуре содержат дефекты, которые подразделяются на точечные, линейные и поверхностные.
Точечные дефекты возникают при воздействии тепловых или силовых нагрузок. Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки колеблются. В любой момент в кристалле всегда проявляются атомы, имеющие большую энергию по сравнению с близлежащими атомами. При чем этой энергии хватает не только на то, чтобы атомы вышел из своего узла, но и на то, чтобы он преодолел потенциальные барьеры, выстраиваемые на его пути близлежащими атомами.
В результате узел, из которого вышел атом, остается вакантным. Этот дефект получил название – вакансия. Вышедший атом, попавший в междоузлие – также дефект, получивший название дислоцированный атом.
Как в первом, так и во втором случаях кристаллическая решетка искажается вокруг дефекта на несколько атомных периодов.
|
|
|
Вокруг вакансий решетка как бы искажается, пытаясь залечить вакансию, а вокруг дислоцированного атома – наоборот. Вакансию иначе называют «дыркой».
Линейные дефекты. В отличие от точечных линейные дефекты имеют большую протяженность в одном направлении и малое искажение решетки в других. Линейные дефекты получили название – дислокации.
Дислокации бывают краевые и винтовые.
Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа.
Так же есть и винтовая дислокация; искажение происходит по винтовой плоскости.
Важной характеристикой дислокации является плотность дислокации; представляющая собой суммарную длину дислокации в единице объема (
)
В наиболее совершенных кристаллах плотность дислокации равна 
= 106…108 см-2.
В деформированных 
= 106...108см-2
Поверхностные дефекты. К ним относятся границы зерен, фрагментов, блоков.
Если под микроскопом наблюдать микроструктуру металла, то видно, что металл состоит из отдельных зерен, т.е. имеет место зеренное строение. Наиболее дефектные участки в структуре – границы зерен, т.е. места стыка зерен. По границе, помимо примесей, концентрируются и дефекты кристаллической решетки: вакансии и дислокации. Однако зерно само по себе не является совершенным. Оно состоит как бы из мозаики отдельных блоков 10-5…10-6 см. Это так называемые блоки мозаики.
Граница стыков между блоками так же являются дефектными участками в структуре. Блоки можно наблюдать только с помощью электронного микроскопа, увеличивающего в десятки тысяч раз.
Блоки разориентированы друг относительно друга на угол в несколько минут. Блоки могут объединяться в более крупные образования, которые получили названия фрагменты.
|
|
|
