2 Лекция. Строение и свойства материалов

Содержание лекции: Элементы кристаллографии. Особенности кристаллического строения вещества. Основные типы и параметры кристаллических решеток металлов. Механизм процесса кристаллизации и перекристаллизации. Полиморфные превращения. Для самостоятельного изучения: Реальное строение металлических кристаллов и их дефекты.

2.1 Элементы кристаллографии и особенности кристаллического строения вещества.

В твердых телах атомы могут размещаться в пространстве двумя способами:

- беспорядочное расположение атомов, когда они не занимают определенного места друг относительно друга. Такие тела называются аморфными.

Аморфные вещества обладают формальными признаками твердых тел, т.е. они способны сохранять постоянный объем и форму. Однако они не имеют определенной температуры плавления или кристаллизации.

- Упорядоченное расположение атомов, когда атомы занимают в пространстве вполне определенные места, такие вещества называются кристаллическими.

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определенным порядком - периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка.

Кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело. На рисунке 2.1 приведена модель кристаллической решетки.

Элементарная ячейка

Рисунок 2.1 Схема кристаллической решетки

2.1.1 Основные типы и параметры кристаллических решеток металлов

Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа:

- примитивный - узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;

- базоцентрированный - атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;

- объемно-центрированный - атомы занимают вершины ячеек и ее центр;

- гранецентрированный - атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней

Основными типами кристаллических решеток металлов являются:

1.Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (смотри рисунок 2.2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Fе_α)

а) 6) в)

Рисунок 2.2 Основные типы кристаллических решеток металлов:

а - объемно-центрированная кубическая; б- гранецентрированная кубическая;

в - гексагональная плотноупакованная.

2.Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (рисунок 2.2 б), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Ag, Au, Fе_γ)

3.Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

- простая - атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

- плотноупакованная (ГПУ) - имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (рисунок 2.2 в) (цинк).

Элементарная ячейка - элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл (рисунок 2.1).

Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

- размеры ребер элементарной ячейки, а, b, с - периоды решетки - расстояния между центрами ближайших атомов. Период решетки - это расстояние между атомами по ребру элементарной ячейки, измеряется в нанометрах (1 нм = 10^-9 м = 10 Ǻ.

Периоды кубических решеток характеризуются длиной ребра куба и обозначаются буквой а. 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 решетка называется гексагональной плотноупакованной (рисунок 2.2 в),

- углы между осями (α, β, γ) (рисунок 2.1),

-координационное число определяет число ближайших равноудаленных элементарных частиц. Например, в решетке объемно-центрированного куба

(ОЦК) для каждого атома число таких соседей будет равно восьми (К 8). Для простой кубической решетки координационное число будет 6 (К 6). Для

гранецентрированной кубической решетки (ГЦК) координационное число равно 12 (К 12).

- базис решетки - количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки,

- плотность упаковки атомов в кристаллической решетке - объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки - 0,68, для гранецентрированной кубической решетки - 0,74)