1. Строение конструкционных материалов.
Металлы — кристаллические тела, атомы которых располагаются в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы, в отличие от аморфных тел (например, смола), атомы которых находятся в беспорядочном состоянии. Металлические и большинство неметаллических твердых материалов имеют кристаллическое строение. Характерными признаками кристаллических тел являются способность сохранять свою форму и оставаться твердыми при нагреве вплоть до критической температуры, при которой они дискретно переходят в жидкое состояние. Переход кристаллических тел из твердого в жидкое состояние и наоборот совершается изотермически, т. е. при определенной температуре, называемой температурой плавления.
2. Типы кристаллических решеток.
Металлы — кристаллические тела, атомы которых располагаются в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы, в отличие от аморфных тел (например, смола), атомы которых находятся в беспорядочном состоянии.
Располагаясь в металлах в строгом порядке, атомы в плоскости образуют атомную сетку, а в пространстве — атомно-кристаллическую решетку. Линии на этих схемах являются условными; в действительности никаких линий не существует, а атомы колеблются возле точек равновесия, т. е. узлов решетки с большой частотой. Элементарные ячейки таких кристаллических решеток приведены на рис. 1. Все кристаллические тела образуют семь разновидностей кристаллических решеток, из которых для металлов наиболее характерны объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) (рис. 2)
В ячейке кубической объемно-центрированной решетки атомы расположены в вершинах куба и в центре куба; такую решетку имеют хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. В ячейке кубической гранецентрированной решетки атомы расположены в вершинах и в центре каждой грани куба; такую решетку имеют алюминий, никель, медь, свинец и др. В ячейке гексагональной решетки атомы расположены в вершинах шестиугольных оснований призмы, в центре этих оснований и внутри призмы; гексагональную решетку имеют магний, титан, цинк и др. В реальном металле кристаллическая решетка состоит из огромного количества ячеек.
Размеры кристаллической решетки характеризуются ее параметрами, измеряемыми в ангстремах — А (1А = 10 -8 см или lA = 0,1 Нм). Параметр кубической решетки характеризуется длиной ребра куба, обозначается буквой а и находится в пределах 0,28—0,6 Нм (2,8 — 6А). Для характеристики гексагональной решетки принимают два параметра — сторону шестигранника а и высоту призмы с. Когда отношение с/а -- 1,633, то атомы упакованы наиболее плотно, и поэтому такая решетка называется гексагональной плотноупакованной.
Рис.1. Атомно-кристаллическое строение металлов.
Рис. 2. Схемы кристаллических решеток:
а - объемно-центрированная кубическая; б — гранецентрированная плотно-упакованная; в — гексагональная плотноупакованная
3. Анизотропия кристаллов и его влияние на свойства материалов.
В различных плоскостях кристаллической решетки атомы расположены с различной плотностью и поэтому многие свойства кристаллов в различных направлениях различны. Такое различие называется анизотропией.
Все кристаллы анизотропны. В отличие от кристаллов аморфные тела (например, смола) в различных направлениях имеют в основном одинаковую плотность атомов и, следовательно, одинаковые свойства, т. е. они изотропны.
Всем кристаллам присуща анизотропия, т. е. неравномерность свойств по направлениям, определяемая различными расстояниями между атомами в кристаллической ячейке. Наиболее сильно анизотропия выражена у металлов, имеющих асимметричное кристаллическое строение. От направления действия сил в кристалле существенно зависят такие показатели физических свойств, как прочностные характеристики, модуль упругости, термический коэффициент расширения, коэффициенты тепло- и электропроводности, показатель светового преломления и др. Анизотропия характерна и для поверхностных слоев кристаллов. Такие свойства, как поверхностное натяжение, электронные потенциалы, адсорбционная способность, химическая активность существенно различаются у различных граней кристалла.
4. Дефекты кристаллических решеток.
Строение и свойства реальных кристаллов
отличаются от идеальных, представленных
на рис. 1, вследствие наличия в них
дефектов, которые подразделяют на
поверхностные и внутренние. Реальный
единичный кристалл обладает свободной
(наружной) поверхностью, на которой уже
вследствие поверхностного натяжения
решетка будет искажена. Это искажение
может распространяться и на прилегающую
к поверхности зону.Дефекты внутреннего
строения подразделяют на нульмерные
(точечные), одномерные — линейные и
двухмерные, т. е. развитые в двух
направлениях. К точечным дефектам
относятся: вакансии в случае, когда
отдельные узлы кристаллической решетки
не заняты атомами; дислоцированные
атомы, когда отдельные атомы оказываются
в междуузлиях, или примесные атомы,
количество которых даже в чистых металлах
весьма велико. Около таких дефектов
решетка будет упруго-искаженной на
расстоянии одного,двух ее периодов
(рис. 5, а)Линейные дефекты малы в двух
измерениях кристаллической решетки и
достаточно велики в третьем. К таким
дефектам относятся смещения атомных
плоскостей или дислокации и цепочки
вакансий (рис. 5, б). Поверхностные дефекты
малы только в одном направлении; в двух
других они могут достигать размера
кристаллита.
Рис.5. Дефекты кристаллической решетки:
а — точечные; б — линейные; в- двухмерные (плоскостные)
5. Влияние дефектов кристаллических решеток на свойства материалов.
Влияние дефектов строения на свойства материалов огромно. Например, прочность реальных кристаллов на сдвиг из-за наличия дефектов строения уменьшается на три-четыре порядка по сравнению с той же характеристикой идеального кристалла. Влияние дефектов строения на прочностные характеристики металлов не однозначно. Из представленной на (рис. 6) зависимости видно, что прочность практически бездефектных кристаллов (так называемых «усов») очень высока. Увеличение количества п дефектов строения в 1 см3 приводит к резкому снижению прочности. Точка Рк характеризует прочность металлов, которые принято называть «чистыми». Дальнейшее увеличение дефектов, например, введением легирующих примесей или методами специального искажения кристаллической решетки повышает реальную прочность металлов. Для создания наиболее прочных материалов стараются получить оптимальное количество дефектов.
Дефекты кристаллической решетки, распределенные необходимым образом по объему кристалла, позволяют создавать в одном образце области с различными типами проводимости, что является необходимым при изготовлении некоторых полупроводниковых элементов.
Рис. 6. Зависимость прочности кристаллического тела от плотности дефектов строения