2. Атомно-кристаллическое строение металлов

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.

ATOMHO-кристаллическая структура может быть представлена изображением одной элементарной ячейкой — ячейкой, повторяющейся во всех трех измерениях. Трансляцией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла (рис. 2.1).

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; их назы­вают узлами решетки. Расстояния a, b и с между центрами атомов, находя­щихся в соседних узлах решетки, на­зывают параметрами или периодами ре­шетки. Величина их в металлах при­мерно 0,1...0,7 нм, размеры элемен­тарных ячеек 0,2...0,3 нм. На рис. 2.2 показаны три типа элементарных ячеек кристаллических решеток, наиболее характерных для металлов: объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецент­рированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакован­ная (ГПУ), а также схемы упаковки в них атомов. В ОЦК решетке атомы расположены в вершинах куба, а один атом — в центре его объема (рис. 2.2, а). В ГЦК решетке атомы расположены в верши­нах куба и в центре каждой грани (рис. 2.2, б). В ГПУ решетке атомы расположены в вершинах и в центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы (рис. 2.2, в).

3. Полиморфные превращения в металлах.

Некоторые металлы при разных температурах могут иметь раз­ную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфиз­ма. Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом α (например, Fe_α или α-Fe), при более высокой (β, затем γ и т.д).

Известны полиморфные превращения железа: Fe_α ↔ Fe_γ (α-Fe ↔ γ-Fe), титана: Tiα↔ Ti_γ (α-Ti ↔ γ-Ti) и других элементов.

Температура превращения одной кристаллической модифика­ции в другую называется температурой полиморфного превращения.

При полиморфном превращении меняются форма и тип кристаллической решетки — происходит перекристаллизация. Так, при температуре ниже 911 °С устойчиво α-железо, в интервале темпе­ратур 911^о... 1 392 ^о С устойчиво у-железо. При нагреве выше 911^о С атомы ОЦК решетки перестраиваются, образуя ГЦК решетку. 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 γ-железа на 3 % больше плотности α-железа, а удельный объем соответственно меньше. Эти измене­ния объема необходимо учитывать при термической обработке.