5 Строение и основные свойства металлов и сплавов

5.1 Атомно-кристаллическое строение металлов

Твердые тела в зависимости от скорости охлаждения при кристаллизации делят на аморфные и кристаллические.

Аморфный металл получается при скоростях охлаждения Ю⁶...10⁷°С/с и более в виде тонких лент или мелких частиц. Атомы при этом не располагаются в правильном порядке, не образуют кристаллов. Аморфное твердое тело является изотропным, т.е. обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях. Кроме того, ему присущи высокая твердость, хорошая коррозионная стойкость и другие свойства. Если такое тело нагреть до определенной температуры, которая приведет к значительному повышению тепловой активности атомов, то аморфное состояние его перейдет в кристаллическое. Можно получить и смешанную структуру: аморфная основа и образовавшиеся в ней кристаллы.

В кристаллических твёрдых телах (при меньших скоростях охлаждения) атомы расположены в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы и создавая кристаллическую решетку или воображаемую пространственную сетку. Кристаллическим веществам свойственна анизотропия свойств, они имеют различные свойства в разных направлениях. Это объясняется тем, что число атомов, приходящееся на то или иное плоское сечение кристаллической решетки, неодинаково.

В кристаллических твёрдых телах ростях охлаждения) атомы расположены в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы и создавая кристаллическую решетку или воображаемую пространственную сетку.

Кристаллическим веществам свойственна анизотропия свойств, они имеют различные свойства в разных направлениях. Это объясняется тем, что число атомов, приходящееся на то или иное плоское сечение кристаллической решетки, неодинаково.

Металлы имеют кристаллические решетки различных типов. Чаще всего встречаются три типа: кубическая объемно-центрированная (ОЦК), кубическая гране- центрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) кристаллические решетки. Показанные на рисунке 3,а...в наименьшие объемы кристаллов называются элементарными кристаллическими ячейками, с помощью которых представляют атомное строение металлов.

Рисунок 3

В элементарной ячейке кубической объемно-центрированной решетки (рисунок 3, а) содержится девять атомов: восемь располагаются по узлам ячейки и один атом – в центре. Такой тип решетки имеют литий, натрий, калий, рубидий, ванадий, молибден, вольфрам, ниобий, тантал, железо, церий, «-кальций и др. В элементарной ячейке гексагональной плотноупакованной решетки (рисунок 3, в) содержится семнадцать атомов, которые расположены в углах ячейки и центрах шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы. Такую решетку имеют магний, цинк, кадмий, рений, бериллий, гафний, титан - фаза), осмий и др.

Размеры кристаллической решетки характеризуются расстоянием между центрами соседних атомов, находящихся в вершинах элементарных ячеек, называемым параметром или периодом решетки. Кубическую решетку характеризует один параметр – длина ребра куба а, а гексогональную — два параметра а и с или их отношение с/а.

Плотность различных кристаллических решеток разная и характеризуется координационным числом К, под которым понимают число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. Координационное число для кубической объемно-центрированной решетки равно восьми (К8), и коэффициент заполнения (отношение объема, занятого атомами, к объему всей ячейки) равен 68 %. Для гранецентрированной и гексагональной кристаллических решеток координационное число равно двенадцати (К 12), а коэффициент заполнения – 74%.

В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, вызванные нарушением расположения атомов в кристаллической решетке. Характер и степень нарушения правильности кристаллического строения определенным образом сказываются на свойствах металлов. Дефекты кристаллического строения по геометрическим признакам подразделяют на точечные, линейные и поверхностные.

К точечным дефектам относят вакансии и межузельные атомы. Известно, что атомы находятся в колебательном движении около узлов решетки. Нагревание увеличивает амплитуду этих колебаний. Большинство атомов металла в данной решетке обладает одинаковой энергией (средней), однако отдельные атомы имеют энергию, превосходящую среднюю и могут перемещаться из одного места в другое. Такие атомы, особенно расположенные ближе к поверхности, выходят на поверхность, а их место могут занять атомы, находящиеся дальше от поверхности. Освободившееся место, где находился переместившийся атом, называется вакансией (рисунок 3, г). Число вакансий увеличивается с повышением температуры, при обработке давлением, облучении и других видах обработки. Вакансии играют важную роль в диффузиойных процессах, происходящих в металлах и сплавах. Межузельные дефекты образуются в результате перехода атома из узла решетка в межузлие кристаллической решетки. Точечные дефекты приводят к искажению кристаллической решетки (рисунок 3).

Линейные дефекты называются дислокациями. Различают два вида дислокаций – краевые и винтовые.

Рисунок 4 – Дефекты кристаллической решотки атома

Краевая дислокация представляет собой местное искажение кристаллической решетки; винтовая дислокация образуется при неполном сдвиге кристалла по плоскости. Дислокации образуются в процессе кристаллизации, при термической и химико-термической обработках, пластической деформации и других видах воздействий на структуру сплавов.

Для дислокации характерна большая подвижность. Это связано с тем, что кристаллическая решетка в зоне нахождения дислокации упруго искажена, а смещенные атомы стремятся переместиться в равновесное положение. На свойства металлов влияет не только плотность дислокаций, но и их расположение в объеме.

Поверхностные дефекты представляют собой поверхности раздела между отдельными кристаллитами или их блоками. На границахзерен расположение атомов менее правильное, чем в зерне.

Вакансии, дислокации и другие дефекты атомно-криссталлического строения оказывают существенное влияние на свойства металлов и сплавов. Как известно, металлы и сплавы находятся в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Этот вид кристаллизации называется первичной в отличие от вторичной кристаллизации (перекристаллизации), которая имеет место в твердом металле. В чистых металлах твердое состояние переходит в жидкое при температуре плавления, жидкое в газообразное – при температуре кипения. Температура плавления металлов колеблется от –39°С (для ртути, самого легкоплавкого металла + 3390 °С (для самого тугоплавкого металла вольфрама).

На рисунке 4 приведена схема кристаллизации металла. До тех пор, пока формирующийся вокруг центра кристаллизации кристалл окружен жидким расплавом металла, он имеет правильную геометрическую форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается и образуются так называемые кристаллиты – зерна.

Рисунок 5 Схема дендранта Д.К. Чернова

Величина зерна зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста. На образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения. Чем больше степень охлаждения, тем больше центров кристаллизации и меньше размер зерна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства металла (сплава); особенно это сказывается на пластичности. На процесс кристаллизации оказывает влияние ультразвук; модифицирование; введение порошков, частицы которых служат центрами кристаллизации; поверхностно-активные вещества, облегчающие образование зародышей и др.

Строению металлического слитка посвящены работы Д. К. Чернова, А.А. Бочвара, Л.П. Гуляева, Н.Т. Гудцова, В.Н. Добаткина, И.Н.Фриндлера и др.

Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный характер. Это связано с тем, что развитие зародышей протекает главным образом в тех направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются ветви – оси первого порядка (рисунок 5) От осей первого порядка начинают расти новые оси второго порядка – оси третьего порядка III и т.д

Рисунок 6 График полиморфных

Полиморфизмом или аллотропией называют способность металла в твердом состоянии олиморфные превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты, а также изменением свойств металла Различные аллотропические состояния называют модификациями. Каждой модификации свойственно оставаться устойчивой лишь в пределах определенного для данного металла интервала температур. Аллотропические формы обозначаются греческими буквами а, и т. д. На кривых охлаждения и нагрева превращений железа переход из одного состояния в другое характеризуется остановкой (для чистых металлов) или изменением характера кривой (для сплавов). При аллотропических превращениях кроме изменения свойств (теплопроводности, электропроводности, механических, магнитных и др.) наблюдают изменения объема металла и растворимости (например, углерода в железе). Аллотропические превращения свойственны многим металлам (железу, олову, титану и др.).

Железо известно в двух полиморфных модификациях – а и .На рисунке 6 приведена кривая охлаждения, характеризующая его аллотропические превращения. Как видно, в интервале температур 911.... 13920С железо имеет кубическую гранецентрированную решётку У - железа (Fe), а в интервале от 0 до 91 ЮС и от 1392 до 15390С - объёмно центрированную решётку ^а- железа (Fe). Железо меняет свои магнитные свойства: выше 7680С железо немагнитно, а ниже - магнитно.