2.Особенности атомно - кристаллического строения металлов

Все твёрдые тела, которые нам встречаются в природе делятся на аморфные и кристаллические. К аморфным твёрдым телам можно отнести стекло, канифоль, эбонит и другие. Они имеют беспорядочное, хаотическое расположение атомов или молекул. Металлы и их сплавы в зависимости от скорости охлаждения при кристаллизации также делят на аморфные и кристаллические.

Аморфный металл получается при скоростях охлаждения 10⁶...10⁷ °С/с и более в виде тонких лент или мелких частиц (гранул). Атомы при этом не располагаются в правильном порядке, не образуют кристаллов. Аморфное твердое тело является изотропным, т.е. обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях. Кроме того, ему присущи высокая твердость, хорошая коррозионная стойкость и другие свойства. Если такое тело нагреть до определенной температуры, которая приведет к значительному повышению тепловой активности атомов, то аморфное состояние его перейдет в кристаллическое. Можно получить и смешанную структуру: аморфная основа и образовавшиеся в ней кристаллы.

Металлами называются химические элементы, характерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая проводимость тепла и электрического тока, а для многих металлов также ковкость и способность свариваться. Металлы и их сплавы имеют кристаллическую структуру, характеризующиеся закономерным, упорядоченным расположением атомов. Атомы состоят из положительно заряженных ядер, вокруг которых по различным орбитам вращаются электроны. На последней внешней орбите число атомов невелико и они одновременно принадлежат целой совокупности атомов и образуют «электронный газ». Благодаря этим электронам металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью.

Металлы относятся к твердым кристаллическим телам, имеющим упорядоченное взаимное расположение атомов. Если через центры соседних атомов провести три взаимно-перпендикулярные прямые, то они, пересекаясь образуют элементарную геометрическую фигуру, которую называют элементарной ячейкой или кристаллической решеткой (рис. 1.2).

Пространственное расположение атомов в кристаллических веществах возможно более чем в двухстах различных комбинациях. Однако в кристаллографии (науке о кристаллах) рассматривают только 14 типов элементарных ячеек. Их также называют пространственными решётками Бравэ, в качестве геометрической характеристики принимаются три ребра ячейки (а, в, с) и три угла между ними (α, β, γ).

Наиболее часто металлы имеют кристаллические решетки следующих типов: кубическую объемно-центрированную (атомы в углах и в центре куба) имеют натрий, хром, вольфрам, ванадий, железо и др. (а = 0,287…0,889 нм = 2,87…8,89 Å), а 1 Å = 10^-8 см; гранецентрированную (атомы по углам куба и в центре каждой грани) имеют алюминий, кальций, никель, медь, серебро (а = 3,6…4,9 Å); гексагональную (атомы в углах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы) имеют магний, цинк, титан, бериллий и др. (а = 2,26…3,2 Å); (с = 3,59…5,6 Å).

Кристаллическая решётка может быть представлена на плоскости (плоская кристаллическая решётка) или в пространстве (пространственная кристаллическая решётка). В плоской кристаллической решётке атомы заполняют плоскость, образуя параллельные ряды (рис.1.1). Совокупность этих рядов и образуют плоскую кристаллическую решётку. Многократное воспроизведение плоской решётки Бравэ параллельно самой себе приводит к изображению пространственной решётки. Для удобства атомы условно рисуют небольшими кружками (рис.1.1,б), хотя в действительности атомы (ионы) касаются друг друга (рис.1.1,а).

Рис.1.1– Плоская кристаллическая ре-шётка: а – действительное расположение ато-мов; б – условное изобра-жение.

Расположение атомов в кристаллической решетке и ее параметры а и с определяют методом рентгеноструктурного анализа с точностью до 3…5 знаков после запятой.

	Рис. 1.2. Элементарные кристалли-ческие решетки: а – кубическая объемноцентриро-ванная; б – кубическая гранецен-трированная; в – гексагональная плотноупако-ванная

Основные характеристики кристаллических решеток представлены в табл.1

Таблица 1

Типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов

Тип решетки	Координационное число	Коэффициент компактности	Металл
ГЦК ОЦК ГП	12 8 12	74 68 74	Аg, Аu, Рt, Сu, А1, РЬ, Ni… Nа, К, V, NЬ, Сг, Мо, W… Ве, Мg, Zn, Cd, Re, Hf, Os…

Плотность различных кристаллических решеток разная и характеризуется координационным числом К, под которым понимают число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. Координационное число для кубической объёмноцентрированной (ОЦК) решетки равно восьми (К8), коэффициент заполнения (отношение объема, занятого атомами, к объему всей ячейки) равен 68 %. Для гранецентрированной (ГЦК)и гексагональной (ГП) кристаллических решеток координационное число равно двенадцати (К12), а коэффициент заполнения — 74 %.

Координационное число даёт представление о характере распределения сил взаимосвязи между атомами. Оно определяется по числу близлежащих атомов к любому атому кристаллической решётки. Кроме того, чем больше К, тем плотнее решётка.

Им параметром, характеризующим решётку является базис, под которым понимается число атомов формально приходящиеся на одну кристаллическую решётку. На каждую элементарную ячейку ОЦК решётки приходится 1/8  8+1= 2 атома. Здесь 8 атомов оцк решётки располагаются по вершинам куба, которые принадлежат одновременно восьми элементарным ячейкам, и один атом – в центре куба, принадлежит только этой ячейке. Аналогично для ГЦК металлов: 1/8 ∙8 +1/2 ∙ 6 = 4, а для гпу металлов: 3+1/6 12+2/2.= 6

Атомы в кристаллических решетках в разных направлениях ее находятся на разных расстояниях и, следовательно, в разных плоскостях атомы расположены с различной плотностью. При таком расположении атомов свойства в различных направлениях различны. Зависимость физических свойств — механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических от направления испытания — называется анизотропией.

Полиморфные (аллотропические) превращения. Полиморфизмом или аллотропией называют способность металла в твердом состоянии при изменении температуры перестраивать свою кристаллическую решетку. Полиморфные превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты, а также изменением свойств металла. Различные аллотропические состояния называют модификациями. Каждой модификации свойственно оставаться устойчивой лишь в пределах определенного для данного металла интервала температур. Аллотропические формы обозначаются греческими буквами α, β, γ и т. д. На кривых охлаждения и нагрева переход из одного состояния в другое характеризуется остановкой (для чистых металлов) или изменением характера кривой (для сплавов). При аллотропических превращениях кроме изменения свойств (теплопроводности, электропро-водности, механических, магнитных и др.) наблюдают изменения объёма металла и растворимости (например, углерода в железе). Аллотропические превращения свойственны многим металлам (железу, олову, титану, цирконию, кобальту и др.). Железо известно в двух полиморфных модификациях—α и γ.

На рис. 1.3 приведена кривая охлаждения железа, характеризующая его аллотропические превращения. Как видно, в интервале температур 911...1392 °С железо имеет ГЦК решетку γ-железа (Fe_γ), а в интервале от 0 до 911 °С и от 1392 до 1539 °С— ОЦК решетку α-железа (Fe_α). Железо меняет свои магнитные свойства: выше 768 °С железо немагнитно, а ниже - магнитно.

Существование металлов в различных кристаллических формах при разных температурах объясняется стремлением к состоянию с наименьшим запасом свободной энергии. Такое превращение сопровождается тепловым эффектом, которое связано с необходимостью затраты определённой энергии на перестройку кристаллической решётки. В табл. 1.2 представлены металлы с температурной аллотропией.

При температуре 1392 °С кристаллы Fe_α переходят в Fe_γ с ГЦК решеткой. При температуре 911°С решётка ГЦК переходит вновь в решетку ОЦК Fe_α, которая сохраняется до комнатной температуры. Температура 768 °С называется точкой Кюри: при этой температуре изменяются магнитные свойства железа. Различают две важнейшие модифи-кации: α- и γ-железо; α-железо магнитно, γ-железо немагнитно; γ-железо обладает способностью хорошо растворять углерод (α-Fe растворяет углерода до 0,02 %, а γ-Fe — до 2,14 %). Полиморфизм железа имеет практическое значение при термической обработке стали и чугуна.

Рис. 1.3. График полиморфных превращений железа

Магнитное превращение отличается от аллотропического некоторыми особенностями, в частности оно не сопровождается изменением кристалли-ческой решетки. Кроме железа ферромагнитными свойствами, т. е. способностью хорошо намагничиваться, обладают также кобальт и никель.

Таблица 2

Металлы с полиморфным превращением

Металл	Тип решетки	Температура превращения, °С
Са	ГЦК - ГП	450
Се	ГП - ГЦК	477
Zr	ГП - ОЦК	882
Ti	ГП - ОЦК	882
Fе	ОЦК – ГЦК- ОЦК	911,1392

Металлы состоят из большого количества кристаллов или зерен.

Контрольные вопосы

1. В каком порядке располагаются атомы в аморфных и кристаллических телах? 2. Какие температуры нагрева и охлаждения железа соответствуют полиморфному превращению?

3. Как можно получить аморфные металлы?

4. Какие вещества называются металлами?

5. Что из себя представляет кристаллическая решётка?

6. Какие типы решёток присущи металлам?

7. Что называется анизотропией?

8. Что такое полиморфизм?

9. Какие металлы обладают полиморфизмом? 10.

Лекция 2 - 3. Дефекты кристаллического строения

В реальных металлах, применяемых в технике, кристаллические решетки имеют ряд несовершенств или дефектов, т. е. отклонения от правильного геометрического строения. Характер и степень нарушения правильности кристаллического строения определённым образом сказываются на свойствах металлов. Эти дефекты по геометрическим признакам подразделяют на точечные, линейные и поверхностные. К точечным дефектам относят вакансии и дислоцированные (межузельные) атомы.

Известно, что атомы находятся в колебательном движении около узлов решетки. Большинство атомов металла в данной решетке обладает одинаковой энергией (средней), однако отдельные атомы имеют энергию, превосходящую среднюю и могут перемещаться из одного места в другое. Такие атомы, особенно расположенные ближе к поверхности, выходят на эту поверхность, а их место могут занять атомы, находящиеся дальше от поверхности.

Освободившееся место, где находился переместившийся атом, называется вакансией (рис. 1.4, а) или дефектом Шотки. Число вакансий увеличивается с повышением температуры, при обработке давлением, облучении и других видах обработки. Вакансии играют важную роль в диффузионных процессах, происходящих в металлах и сплавах при повышенных температурах. Перемещение атомов какого-либо элемента в металле называется диффузией. Явление перемещения атомов элемента в его собственной решетке называется самодиффузией.

Включение в кристаллическую решетку атома другого элемента также изменяет ее совершенное строение (см. рис. 1.4, б).

Вышедший из положения равновесия атом называют дислоцированным (межузелным, рис. 1.4, в) или дефектом Френкеля. Вакансии и дислоци-рованные атомы представляют собой точечные дефекты кристаллической решетки и являются причиной ее искажения. Дислоцированный атом и вакансии не остаются неподвижными, они перемещаются по решетке.

Точечные дефекты приводят к искажению кристаллической решетки

Рис. 1.4. Искажение кристаллической решетки около: а- вакансии; б- внедренного атома; в – дислоциро-ванного атома

Линейные дефекты называются дислокациями. Различают два вида дислокаций—краевые и винтовые. Краевая дислокация (рис. 1.5) представляет собой местное искажение кристаллической решетки; винтовая дислокация (рис. 1.6) образуется при неполном сдвиге кристалла по плоскости. Дислокации образуются в процессе кристаллизации, при термической и химико-термической обработках, пластической деформации и других видах воздействий на структуру сплавов.

Рис. 1.5. Краевая дислокация	Рис. 1.6. Винтовая дислокация

На свойства металлов влияет не только плотность дислокаций, но и их расположение в объеме. Поверхностные дефекты представляют собой поверхности раздела между отдельными кристаллитами или их блоками. На границах зерен расположение атомов менее правильное, чем в зерне.

Вакансии, дислокации и другие дефекты атомно-кристаллического строения оказывают существенное влияние на свойства металлов и сплавов.

Наличие несовершенств (дефектов) в атомно-кристаллических решетках реальных металлов объясняет некоторые особенности их механических и физических свойств и, в частности, то обстоятельство, что реальные металлы имеют прочность, во много раз меньшую, чем они должны иметь теоретически.

Основным фактором, определяющим уровень механических свойств металлов, является количество и характер распределения дефектов кристал-лического строения. Когда их сравнительно много, появляется упрочняющее действие (рис. 1.7).

Рис.1.7. Зависимость прочности от количества дефектов кристаллического строения

Предел прочности современных конструкционных сталей, достигнутый легированием и термической обработкой, составляет 1766…2158 МПа (180…220 кгс/мм²), а нитевидных кристаллов (практически без дефектов) чистого железа равен 13106 МПа (1336 кгс/мм²).

Контрольные вопросы

1. В чём заключается дефектность кристаллической решётки?

2. Какие бывают дефекты решётки по геометрическим прзнакам?

3. В чём различие между диффузиея и самодиффузией?

4. За счёт чего возможна диффузия в металле?

5. Как влияют дефекты на механические свойства?