Материаловедение Строение металлов и сплавов
Строение металлов и сплавов
1. Кристаллическое строение
Типы кристаллических решёток
Все металлы и их сплавы – тела кристаллические.
Твердые тела делятся на кристаллические и аморфные.
Кристаллические тела при нагреве остаются твердыми до определенной температуры (температура плавления), при которой они переходят в жидкое состояние.
Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале; сначала они становятся вязкими, и лишь потом переходят в жидкое состояние.
Металлы - это химические элементы, характерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая электро- и теплопроводимость, пластичность, для многих способность свариваться.
Чистые химические элементы металлов (железо, медь, алюминий и др.) могут образовывать более сложные вещества, в состав которых могут входить несколько элементов-металлов. Такие вещества называются металлическими сплавами.
Сплавы – твердые или жидкие вещества – полученные сплавлением или спекание двух или более металлов или металлов с неметаллами.
Элементы, образующие сплав, называются компонентами.
Фаза – однородная часть системы (металла или сплава), имеющая границы раздела, при переходе через которые их свойства резко меняются. Структура – строение металлов, т.е. взаимное расположение различных фаз, форм и размеров составляющих их кристаллитов.
Структурными составляющими сплава называются обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. Структурные составляющие могут состоять из одной, двух или более фаз.
1.1. Атомно-кристаллическое строение металлов
Каждый металл (вещество) может находиться в четырех агрегатных состояниях: газообразном, жидком, твердом и в виде плазмы.
В газообразном состоянии расстояние между атомами (частицами) велико, силы взаимодействия малы и атомы хаотично перемещаются в пространстве, отталкиваясь друг от друга.
В жидком металле атомы сохраняют ближний порядок, т.е. небольшом объёме упорядоченно и закономерно расположено небольшое количество атомов. Ближний порядок неустойчив, он может возникать и исчезать под действием тепловых колебаний.
В металлах находящихся в твердом состоянии, порядок расположения атомов строго определен и закономерен, силы взаимодействия уравновешены, тело сохраняет свою форму. Металлы имеют кристаллическое строение с правильным закономерным расположением в пространстве.
Закономерное расположение атомов приведено на рис.1. Воображаемые линии, проведенные через центры атомов, расположенных в одной плоскости, образуют решетку, в узлах которой располагаются атомы. Такая конфигурация называется кристаллографической плоскостью.
Рис.1. Кристаллографическая атомная плоскость |
Рис.2. Пространственная кристаллическая решетка |
Многократное повторение кристаллографических плоскостей в пространстве позволяют получить пространственную кристаллическую решетку (рис.2.). Пространственная кристаллическая решетка сложна в изображении, поэтому представление об атомном строении кристаллов дается в виде элементарных кристаллических ячеек.
Под элементной кристаллической ячейкой понимают минимальный объём, дающий представление об атомной структуре металла в целом, его повторении в пространстве образует кристаллическую решетку.
Кристаллическая решетка – это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл.
Периодом решетки называют расстояние между центрами двух соседних частиц (атомов, ионов) в элементарной ячейке решетки (рис.3.). Период решетки измеряют в нанометрах (нм) или пикометрах (пм).
Рис.3. Простая кубическая
кристаллическая решетка
Простейшим типом кристаллического строения является кубическая решетка, в которой атомы расположены в углах куба (рис.3).
В простой кубической решетке атомы уложены (упакованы) недостаточно плотно. Стремление атомов занять места, наиболее близкие друг к другу, приводят к образованию новых типов решеток.
Для большинства металлов характерны следующие типы кристаллических решеток:
- объёмно-центрированная кубическая (ОЦК);
- гранецентрированная кубическая (ГЦК);
- гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Основные типы кристаллических решеток представлены на рис.4.
В объёмно-центрированной кубической решетке (рис.4.а) атомы расположены в углах и центре куба. Данный тип решетки имеют металлы K, Na, Li, Ta, W, Mo, Feα, Cr, Nb и др.
В гранецентрированной кубической решетке (рис.4.б) атомы расположены в углах куба и центрах его граней. Её имеют следующие металлы: Ca, Pb, Ni, Ag, Au, Pt, Feγ и др.
В гексагональной плотноупакованной решетке (рис.4.в) атомы расположены в вершинах и центрах шестигранных оснований призмы, кроме того, три атома находятся в средней плоскости призмы. Характерна для металлов Ru, Mg, Zn и др.