Раздел I. Строение и свойства металлов

Глава 1

ОСНОВЫ КРИСТАЛЛОГРАФИИ И КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

1. Общая характеристика металлов и сплавов

Металлы и их сплавы повсеместно используются для конст­рукций машин, оборудования, инструмента и т. д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов, керамики, клеев, металлы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.

В природе металлы встречаются как в чистом виде, так и в ру­дах, оксидах и солях. В чистом виде встречаются химически ус­тойчивые элементы (Pt, Au, Ag, Hg, Си). Масса наибольшего са­мородка меди составляет 420 т, серебра - 13,5 т, золота - 112 кг.

Из 109 открытых элементов, представленных в периодиче­ской системе элементов Д. И. Менделеева (см. форзац), 22 явля­ются неметаллами. Все элементы, расположенные левее жирной ступенчатой линии, проведенной от бора до астата (от № 5 до № 85) относятся к металлам, а правее - к неметаллам. Эта гра­ница не является абсолютно строгой, среди элементов, распо­ложенных вблизи гранцы, находятся и элементы, промежуточ­ные между металлами и неметаллами, иногда называемые по­луметаллами.

Металлические материалы обычно делятся на две большие группы: железо и сплавы железа (сталь и чугун) называют чер­ными металлами, а остальные металлы и их сплавы - цветными. Кроме того, все цветные металлы, применяемые в технике, в свою очередь, делятся на следующие группы:

• легкие металлы Mg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г/см³;

• тяжелые металлы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотно­стью, превышающей 10 г/см³;

• легкоплавкие металлы Sn, Pb, Zn с температурой плавления соответственно 232, 327, 410 °С;

• тугоплавкие металлы W, Мо, Та, Nb с температурой плавле­ния существенно выше, чем у железа (> 1536 °С);

• благородные металлы Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии;

• урановые металлы, или актиноиды (актиниды), используе­мые в атомной технике;

• редкоземельные металлы (РЗМ) - лантаноиды, применяе­мые для модифицирования стали;

• щелочные и щелочноземельные металлы Na, К, Li, Са в сво­бодном состоянии применяются в качестве жидкометалличе­ских теплоносителей в атомных реакторах; натрий также используется в качестве катализатора в производстве искус­ственного каучука, а литий - для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых в самолето­строении.

Свойства металлов разнообразны. Ртуть замерзает при темпе­ратуре -38,8 °С, вольфрам выдерживает рабочую температуру до 2000 °С (7'_11Л = 3410 °С), литий, натрий, калий легче воды, а иридий и осмий в 42 раза тяжелее лития. Электропроводность серебра в 130 раз выше, чем у марганца. Вместе с тем металлы имеют ха­рактерные общие свойства. К ним относятся:

• высокая пластичность;

• высокие тепло- и электропроводность;

• положительный температурный коэффициент электрическо­го сопротивления, означающий рост сопротивления с повы­шением температуры, и сверхпроводимость многих металлов (около 30) при температурах, близких к абсолютному нулю;

• хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск);

• термоэлектронная эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве;

• кристаллическое строение в твердом состоянии.

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.

Атомно-кристаллическая структура может быть представлена изображением не рядом периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяю­щаяся во всех трех измерениях. Трансляцией этого наименьше­го объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла (рис. 1.1).

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; они называются узлами решетки. Расстояния а, b и с между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки. Ве­личина их в металлах порядка 0,1-0,7 нм, размеры элементарных ячеек 0,2-0,3 нм.

Для однозначного описания элементарной ячейки кристалли­ческой решетки необходимо знание величин параметров а, Ь, с и углов между ними.

В 1848 г. французский ученый Бравэ показал, что изученные трансляционные структуры и элементы симметрии позволяют выделить 14 типов кристаллических решеток. Из 14 решеток Бравэ 7 являются простыми и строятся осевыми трансляциями к узлам ячейки, а 7 являются сложными и строятся трансляциями по точкам, находящимся либо в центре объема элементарной ячей­ки (объемноцентрированные), либо в центре грани ячейки (гране-

1/ /Г.	1 7|-	1 —4—. 1 |
к /1,	1 /\	1
1C / /	I / —У~ /

центрированные). 7 типов простых кристаллических решеток представ­лены на рис. 1.2. В большинстве слу­чаев у реальных металлов решетки более сложные, так как элементарные частицы могут находиться не только в узлах, но и на их гранях и в центре решетки. На рис. 1.3 показаны три типа элементарных ячеек кристал­лических решеток, наиболее харак-

Рис. 1.1. Кристаллическая решетка

a=fi=90°, f - T20

i*b*C, ОФбфС,

a = $ = 90° Ji*30° a*fi*]*90^o

Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток:

1 - кубическая; 2 - тетрагональная; 3 - ромбическая, 4 - ромбоэдрическая; 5 - гексагональная; 6 - моноклинная; 7 - триклинная

терных для металлов: объем- ноцентрированная кубичес­кая (ОЦК), гранецентриро- ванная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупа- кованная (ГП), а также схе­мы упаковки в них атомов.

В кубической гранецент- рированной решетке (ГЦК; А1) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (рис. 1.3, а).

В кубической объемноцен- трированной решетке (ОЦК;

Рис. 1.3. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток металлов и схемы упаковки в них атомов:

А1 - гранецентрированная кубичес­кая (ГЦК); А2 - объемноцентриро ванная кубическая (ОЦК); АЗ - гек­сагональная плотноупакованная (ГП) решетка

А2) атомы расположены в вершинах куба, а один атом - в центре его объема (рис. 1.3, б).

В гексагональной плотноупакованной решетке (ГП; АЗ) атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома - в средней плоскости призмы (рис. 1.3, в).

Для характеристики кристаллических решеток введены по­нятия координационного числа и коэффициента компактности.

Координационным числом 1_К называется число атомов, нахо­дящихся на наиболее близком равном расстоянии от данного ато­ма. Для ОЦК решетки координационное число равно 8, для реше­ток ГЦК и ГП оно составляет 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чем решетки ГЦК и ГП. В решетке ОЦК каждый атом имеет всего 8 ближайших соседей, а в решетках ГЦК и ГП их 12.

Если принять, что атомы в решетке представляют собой упру­гие соприкасающиеся шары, то нетрудно видеть, что в решетке помимо атомов имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. е. объем, занятый ато­мами, характеризуется коэффициентом компактности.

Коэффициент компактности Q равен отношению суммарного объема атомов, входящих в решетку, к объему решетки:

где R - радиус атома (иона); п - базис, или число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку; V - объем элементарной ячейки.

Для простой кубической решетки п = (1/8)- 8 = 1; V = а³ = = (2й)³и коэффициент компактности Q = 52 %.

Схема определения базиса ОЦК решетки приведена на рис. 1.4. На решетку ОЦК приходится два атома: один центральный и один как сумма от вершин куба, так как ячейке принадлежит 1/8 ато­ма от каждого угла.

Для ОЦК п = (1/8)- 8 + 1 = 2. Учитывая, что атомы соприка­

в ба, длина которой равна 4 атомным радиусам, па­раметр решетки равен а =

= 4R , а коэффициент

саются по диагонали ку-

Рис. 1 4 Схема определения базиса ОЦК решетки

Рис. 1 5 Индексы Миллера Плоскость (112) пересекает оси X, Y,

Z на расстояниях 1, 1, ^]/г единичных расстояний

Проведя аналогичные вы­числения, найдем Q_rUK = 74 %,

Q_rn = 74 % .

Таким образом, решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК.

Рассмотрим кристаллогра фические индексы (индексы Миллера). В кристаллографии положение атомных плоскостей в кристалле определяется отрез­ками, отсекаемыми этими плоскостями при их пересечении с осями координат X, Y, Z. Эти отрезки измеряются целыми чис­лами т, п, р, равными длине ребер ячейки а, Ь, с, которые явля­ются единичными расстояниями вдоль осей координат.

За индексы плоскостей принято брать обратные отрезки: h = = 1 /т, k = 1 /п, I = 1/р. Эти числа заключают в круглые скобки.

Каждая плоскость простой кубической решетки пересекает только одну ось координат. Отсекаемые отрезки равны (1, °°, <=>), (°°, 1, <*>), (°°, с», 1), а обратные им величины соответственно - (1, О, 0); (0, 1, 0); (0, 0, 1). Тогда для плоскости (100): 1/1, 1/°=, 1/°°; для плоскости (110): 1/1, 1/1, 1/°°; для плоскости (111): 1/1, 1/1, 1/1.

Пример графического изображения плоскостей представлен на рис. 1.5. На рис. 1.6 представлен ряд плоскостей в одной про­стой кубической решетке. Плоскость (010) расположена парал­лельно плоскости XZ элементарной ячейки. Плоскость (110) пере­секает оси X, Y на одинаковом расстоянии и параллельна оси Z. Плоскость (111) пересекает все оси на одинаковом расстоянии от начала координат. Если плоскость отсекает по осям отрицательные

Рис. 1.6. Плоскости (010), (110), (111) и (010) в простой кубической ячейке

отрезки, то над соответствующей цифрой индекса ставится знак минус, например (010) на рис. 1.6.

Для рассмотрения явлений, происходящих в кристаллических телах, введены понятия индексов направлений расположения рядов атомов в кристаллической решетке. Кристаллические направления проходят через начало координат и узлы кристаллической решет­ки. Приняв за единицу длину ребра элементарной ячейки (период решетки), определяют координаты любой точки этого направле­ния. Их обозначают простыми числами, пропорциональными ко­ординатам выбранной точки вдоль координатных осей, и заключа­ют в квадратные скобки. Кристаллографические направления и их индексы в простой кубической решетке представлены на рис. 1.7.

В пространственной решетке помимо атомов имеется свобод­ное пространство, образующее поры. Различают октаэдрические и тетраэдрические поры. Центры этих пор показаны маленькими точками на рис. 1.8.

Радиус октаэдрической поры ячейки А1 решетки ГЦК с ко­эффициентом компактности 74 % составляет 0,41 радиуса основ­ного атома (иона), а радиус тетраэдрической - лишь 0,22. Поры локализованы в центре ячейки А1 и по середине ее ребер.

Решетка А2 ОЦК имеет коэффициент компактности 68 %. Ра­диус пор октаэдрического типа (6 в центре граней и 12 в середине ребер) составляет 0,154 радиуса атома. 24 поры тетраэдрического типа, расположенные по 4 на гранях ячейки, могут принимать «чужой» атом с радиусом 0,29 от радиуса атома основного металла.

Решетка АЗ ГП также имеет коэффициент компактности 74 % . Радиусы 6 пор октаэдрического типа и 20 пор тетраэдриче­ского типа составляют соответственно г = 0,14R и г = 0,225R, где R - радиус основного атома ячейки.

Некоторые металлы при разных температурах могут иметь

различную кристаллическую ре­шетку. Способность металла су­ществовать в различных кристал­лических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при бо­лее низкой температуре, индексом а (а-Fe), при более высокой р, затем у и т. д.

Рис. 1.7. Индексы кристаллографичес­ких направлений в простой кубической ячейке пространственной решетки

I. j/ ь -IV 1 N \ 1	£/\Ч / / \i\ 1 / 1 V if 7 fa | - ♦ Чг- . Л ' /• . W!/ х/ \\ 1 / А	Г -J I I

А

о - поры • - атомы

Рис. 1.8. Поры в кристаллических решетках (А1 - ГЦК; А2 - ОЦК; АЗ - ГП):

о - октаэдрические; б - тетраэдрические

Известны полиморфные превращения железа: Fe_a о Fe_Y (a-Fe <-4 y-Fe), титана: Ti_a о Ti_Y (a-Ti y-Ti) и других элементов.

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

При полиморфном превращении меняются форма и тип кри­сталлической решетки. Это явление называется перекристалли­зацией. Так, при температуре ниже 911 °С устойчиво Fe_a, в интер­вале 911-1392°С устойчиво Fe_Y. При нагреве выше 911 °С атомы решетки ОЦК перестраиваются, образуя решетку ГЦК. 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 Fe_Y на 3 % больше плотности Fe_a, а удельный объем соответственно меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термообработке.

Полиморфизм олова явился одной из причин гибели полярной экспедиции английского исследователя Р. Скотта. Оловом были запаяны канистры с керосином. При низкой температуре произош­ло полиморфное превращение пластичного белого олова с образова­нием хрупкого порошка серого олова. Горючее вылилось, и на об­ратном пути экспедиция осталась без топлива. Превращение белого олова в серое называют «оловянной чумой».

Исследование физико-химической природы этого явления по­зволило разработать способы борьбы с ним. Добавки в олово таких элементов, как Bi, Pb и Sb, противодействуют восприимчивости олова к чуме.

Типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов

А Металлы с одним типом решетки

Тип решетки	Координационное число	Коэффициент компактности, %	Металл
ГЦК	12	74	Ag, Au, Pt, Си, Al, Pb, Ni
ОЦК	8	68	Na, К, V, Nb, Cr, Mo, W
ГП	12	74	Be, Mg, Zn, Cd

Б. Металлы с полиморфным превращением

Металл	Тип решетки	Аллотро­ пическая форма	Интервал температур существования данной модификации
Fe	ОЦК	а	До 911
	ГЦК	У	911-1392
	ОЦК	5	1392-1536
Co	ГПУ	а	До 477
	ГЦК	Р	477-1430
Sn	Алмазная	а	До 13
	Тетрагональная объемноцентрированная	Р	13-232
Mn	Кубическая сложная многоатомная	а	До 700
	Кубическая сложная многоатомная	Р	700-1079
	Тетрагональная гранецентрированная	Y	1079-1143
	ОЦК	8	1143-1244
Zr	ГПУ	а	До 862
	ОЦК	Р	862-1852
Ti	ГПУ	а	До 882
	ОЦК	Р	882-1668
U	Ромбическая	а	До 663
	Тетрагональная объемноцентрированная	Р	663-764
	ОЦК	Y	764-1130

Свойства материалов зависят от природы атомов, из которых они состоят, и силы взаимодействия между ними. Аморфные мате­риалы характеризуются хаотическим расположением атомов. По­этому свойства их в различных направлениях одинаковы, или, дру­гими словами; аморфные материалы изотропны. В кри­сталлических материалах расстояния между атомами в разных кристаллографических направлениях различны. Например, в ОЦК решетке в кристаллографической плоскости, проходящей через грань куба, находится всего один атом, так как четыре атома в вершинах одновременно принадлежат четырем соседним элементарным ячей­кам: (1/4) -4=1 атом. В то же время в плоскости, проходящей через диагональ куба, будут находиться два атома: 1 + (1/4) -4 = 2.

Из-за неодинаковой плотности атомов в различных направле­ниях кристалла наблюдаются разные свойства. Различие свойств в кристалле в зависимости от направления испытания называется анизотропией.

Разница в физико-химических и механических свойствах в разных направлениях может быть весьма существенной. При из­мерении в двух взаимно перпендикулярных направлениях кри­сталла цинка значения температурного коэффициента линейного расширения различаются в 3-4 раза, а прочности кристалла же­леза - более чем в два раза.

Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов, или так называемых монокристаллов. Большинство же техниче­ских литых металлов, затвердевших в обычных условиях, имеют поликристаллическое строение. Они состоят из большого числа кристаллов или зерен (рис. 1.9, а). При этом каждое отдельное зерно анизотропно. Различная ориентировка отдельных зерен при­водит к тому, что в целом свойства поликристаллического метал­ла являются усредненными.

6

Рис. 1.9. Ориентировка кристаллических решеток в зернах литого металла (а) и после обработки давлением (б)

Поликристаллическое тело характеризуется квазиизотропно- стъю - кажущейся независимостью свойств от направления ис­пытания. Квазиизотропность сохраняется в литом состоянии. При обработке давлением (прокатке, ковке), особенно если она ведется без нагрева, большинство зерен металла приобретает примерно одинаковую ориентировку - так называемую текстуру (рис. 1.9,6), после чего металл становится анизотропным. Свойства деформи­рованного металла вдоль и поперек направления главной дефор­мации могут существенно различаться. Анизотропия может при­водить к дефектам металла (расслою, волнистости листа). Анизо­тропию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии получения деталей.