Кристаллические решетки металлов

Рис. Модели элементарных ячеек:

а, г – ГПУ (гексагональная плотноупакованная);

б, д – ГЦК (гранецентрированная кубическая);

в, е – ОЦК (объемноцентрированная кубическая)

Решетку ОЦК имеют вольфрам, хром, молибден

Решетку Г.Ц.К. имеют серебро, золото, никель, медь, ванадий,натрий, платина.

Гексагональную решетку имеют магний, цинк, кадмий, бериллий титан

Размеры элементарной ячейки кристаллической решетки оценивают отрезки а,в, с. Их называют периодами решетки.

Период решетки измеряется в нанометрах (нм)

1 нм = 10-9 см = 0,1 А

Период решетки металлов находится в пределах от 0,1 до 0,7 нм

Плотность кристаллической решетки- объема, занятого атомами, характеризуется координационным числом – К.

К – число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома.

Чем выше К, тем больше плотность упаковки.

Для ОЦК К=8 для гцк к=12 для ГПУ К=12

Полиморфизм (аллотропия) – способность металла принимать различные кристаллические формы при разных температурах

Ряд металлов (железо, марганец, титан и др.) в зависимости от температуры и давления могут существовать в состояниях с различными кристаллическими решетками – это явление называется – полиморфизмом или аллотропия.

Кривая охлаждения чистого железа

Анизотропия свойств кристаллов

Анизотропия – это зависимость свойств кристалла от направления. Возникает в результате упорядоченного расположения атомов в пространстве.

Свойства кристаллов определяются взаимодействием атомов

В кристалле расстояния между атомами в различных кристаллографических плоскостях различны, поэтому различны и свойства.

Например, прочность и пластичность монокристалла меди изменяются в зависимости от направления 180-350 Мпа, и 10-50 %. Для поликристалла прочность 250 Мпа, пластичность 40%.

В природе кристаллические тела – поликристаллы, т.е. состоят из множества мелких различно ориентированных кристаллов. В этом случае анизотропии нет, т.к. среднестатистическое расстояние между атомами по всем направлениям оказывается примерно одинаковым.

В связи с этим поликристаллические тела считают квазиизотропными (мнимо).

Все аморфные тела – изотропны - свойства у них одинаковы во всех направлениях

ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛОВ

Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты, которые подразделяются на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Дефекты имеют различные размеры. У точечных размеры близки к атомным, у линейных длина на несколько порядков больше ширины, объемные дефекты (поры, трещины) могут иметь макроскопические размеры.

Точечные дефекты

 Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей.

Рис.2.1. Точечные дефекты

Линейные дефекты

Основными линейными дефектами являются дислокации. Априорное представление о дислокациях впервые использовано в 1934 году Орованом и Тейлером при исследовании пластической деформации кристаллических материалов, для объяснения большой разницы между практической и теоретической прочностью металла.

Дислокация

Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край «лишней» полуплоскости.

Рис. 2.2. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)

Винтовая дислокация

Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация

Плотность дислокаций

Свойства кристаллов зависят от количества дефектов, которые формируют понятие «плотность дислокаций». Плотность дислокации – это суммарная длина всех линий дислокации в одном кубическом сантиметре кристалла.

Существует связь между свойствами металла и плотностью дефектов

Рис. 13. Зависимость предела прочности от плотности дефектов

Пути повышения прочности металлов