Кристаллическая решетка металлов

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. Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Элементарная ячейка – элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл. Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

• размеры ребер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов  (в одном направлении выдерживаются строго определенными);

• углы между осями (α, β, χ);

• координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке;

• 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).

Схема кристаллической решетки

Рис. 1

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.

Типы кристаллических решеток

Рис. 2: а – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

Основными типами кристаллических решеток являются:

1. Объемно — центрированная кубическая (ОЦК) (рисунок 2, позиция а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Fe_α)

2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (рисунок 2, позиция б), атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au, Fe_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 (цинк).

Полиморфизм - 1. Свойство некоторых веществ кристаллизоваться в различных формах (в химии).

2. Процессы первичной кристаллизации: самопроизвольная, несамопроизвольная

Переход металла из жидкого или па­рообразного состояния в твердое образованием кристаллической струк­туры называется первичной кристалли­зацией. Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Процесс кристаллизации состоит из двух одновременно идущих процес­сов - зарождения и роста кристаллов. Кристаллы могут зарождаться самопро­извольно (самопроизвольная кристалли­зация) или расти на имеющихся го­товых центрах кристаллизации (несамо­произвольная кристаллизация). Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением вещества иметь более устойчивое состояние, ха­рактеризуемое уменьшением термо­динамического потенциала G. С повышением температуры термо­динамический потенциал вещества как в твердом, так и в жидком состоянии уменьшается, что показано на рисунке. Изменение термодинамического по­тенциала в зависимости от температуры для металла в твердом и жидком состояниях Температура, при которой термодина­мические потенциалы вещества в твер­дом и жидком состояниях равны, назы­вается равновесной температурой кри­сталлизации. Кристаллизация происхо­дит в том случае, если термодинамиче­ский потенциал вещества в твердом состоянии будет меньше термодинами­ческого потенциала вещества в жидком состоянии, т. е. при переохлаждении жидкого металла до температур ниже равновесной. Плавление - процесс, об­ратный кристаллизации, происходит при температуре выше равновесной, т. е. при перегреве. Разница между реальны­ми температурами плавления и кристаллизации называется температурным ги­стерезисом. Поскольку жидкий металл с прису­щим ему ближним порядком в располо­жении атомов обладает большей вну­тренней энергией, чем твердый со струк­турой дальнего порядка, при кристалли­зации выделяется теплота. Между те­плотой и температурой кристаллиза­ции Т_к существует определенная связь. Так как при равновесной температуре кристаллизации термодинамические по­тенциалы в жидком и твердом состоя­ниях равны, то  =>   =>  Параметр ΔS = Q/T_K характеризует упорядоченность в расположении ато­мов при кристаллизации. В зависимости от сил межатомной связи теплота кри­сталлизации для различных металлов изменяется от 2500 Дж/моль (Na, К и др.) до 20000 Дж/моль (W и др.).  Ког­да кристаллизуется чистый элемент, от­вод теплоты, происходящий вследствие охлаждения, компенсируется теплотой кристаллизации. В связи с этим на кри­вой охлаждения, изображаемой в коор­динатах температура-время, процессу кристаллизации соответствует горизон­тальный участок: Кривые охлаждения металла При боль­шом объеме жидкого металла выделяю­щаяся при кристаллизации теплота повышает температуру практически до равновесной (кривая а); при малом объеме металла выделяющейся теплоты недостаточно, вследствие чего кристаллизация происходит с переохлаждением по сравнению с равновесной температурой (кривая б). Разница между равновесной (T_s) и ре­альной (Т_n) температурой кристаллиза­ции называется степенью переохлажде­ния ΔT. Степень переохлаждения зави­сит от природы металла. Она увеличи­вается с повышением чистоты металла и с ростом скорости охлаждения. Обыч­ная степень переохлаждения металлов при кристаллизации в производственных условиях колеблется от 10 до 30 °С; при больших скоростях охлажде­ния она может достигать сотен граду­сов. Степень перегрева при плавлении ме­таллов, как правило, не превышает не­скольких градусов. В жидком состоянии атомы вещества вследствие теплового движения переме­щаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются группировки ато­мов небольшого объема, в пределах ко­торых расположение атомов вещества во многом аналогично их расположе­нию в решетке кристалла. Эти группи­ровки неустойчивы, они рассасываются и вновь появляются в жидкости. При переохлаждении жидкости некоторые из них, наиболее крупные, становятся ус­тойчивыми и способными к росту. Эти устойчивые группировки атомов называют центрами кристаллизации (заро­дышами). Образованию зародышей спо­собствуют флуктуации энергии, т. е. от­клонения энергии группировок атомов в отдельных зонах жидкого металла от не­которого среднего значения. Размер образовавшегося зародыша зависит от величины зоны флуктуации. Появление центров изменяет термо­динамический потенциал системы ΔG_общ. С одной стороны, при переходе жидкости в кристаллическое состояние термодинамический потенциал уменьша­ется на VΔG_υ (G₁), с другой стороны, он увеличивается вследствие появления по­верхности раздела между жидкостью и кристаллическим зародышем на величину, равную Sσ (G₂): ΔG_общ. = - VΔG_υ + Sσ где V-объем зародыша; S-поверх­ность зародыша; σ-удельное поверхностное натяжение на границе кристалл-жидкость; ΔG_υ-удельная разность термодинамиче­ских потенциалов при переходе жидко­сти в кристаллическое состояние. 

Несамопроизвольная кристаллизация

В реальных условиях процессы кри­сталлизации и характер образующейся структуры в значительной мере зависят от имеющихся готовых центров кри­сталлизации. Такими центрами, как пра­вило, являются тугоплавкие частицы не­металлических включений, оксидов, ин­терметаллических соединений, обра­зуемых примесями. К началу кристалли­зации центры находятся в жидком ме­талле в виде твердых включений. При кристаллизации атомы металла от­кладываются на активированной по­верхности примеси, как на готовом за­родыше. Такая кристаллизация назы­вается несамопроизвольной или гетеро­генной. При несамопроизвольной кри­сталлизации роль зародышей могут играть и стенки формы. Наличие готовых центров кристалли­зации приводит к уменьшению размера кристаллов при затвердевании. Эф­фект измельчения структуры значитель­но увеличивается при соблюдении структурного и размерного соответствия при­месной фазы с основным металлом, ко­торое способствует сопряжению их кри­сталлических решеток.  В жидком металле могут присутство­вать и растворенные примеси, которые также вызывают измельчение струк­туры. Адсорбируясь на поверхности за­рождающихся кристаллов, они умень­шают поверхностное натяжение на гра­нице раздела жидкость - твердая фаза и линейную скорость роста кристаллов. Это спо­собствует уменьшению А_кр и появлению новых зародышей, способных к росту. Примеси, понижающие поверхностное натяжение, называют поверхностно-ак­тивными.

3. Металл

Кристаллы металлов ( металлическая структура) обладают высокой электропроводностью, так как они содержат огромное количество свободных электронов, не связанных с отдельными атомами. Кристаллы металлов состоят из атомов, ионов и электронов

Кристаллы металлов обычно имеют небольшие размеры. Поэтому любое металлическое изделие состоит из большого числа кристаллов. Такая структура называется по л и кристаллической. При кристаллизации металла из расплавленного состояния растущие кристаллы мешают друг другу принять правильную форму. Поэтому кристаллы поликристаллического тела имеют неправильную форму и в отличие от правильно ограненных кристаллов называются кристаллитами или зернами.

4. Наклеп

О степени наклепа металла судят по тому, насколько увеличивается его твердость в сравнении с той исходной твердостью, которую он имел до обработки резанием.

Для устранения наклепа металла прутки фасонных профилей промежуточных размеров после каждого прохода подвергают термической обработке в соляных печах. В процессе этой обработки обезуглероживания металла не происходит.

Она сопровождается наклепом металла и образованием текстуры. 

При сварке наблюдается интенсивный наклеп металла. 

Холодная прокатка опровождается наклепом металла. Для устранения наклепа и получения структуры, обеспечивающей необходимые механические и технологические свойства листовой стали, холоднокатаные рулоны подвергают термической обработке - отжигу. Температура отжига зависит от обжатия при холодной прокатке и химического состава стали. В среднем для низкоуглеродистых сталей при 70 - 80 % суммарного обжатия температура отжига составляет 650 - 720 С. Отжиг холоднокатаных рулонов производят в специальных колпаковых ( шахтных) печах светлого отжига. [5]

Пластическая деформация сопровождается наклепом металла, следовательно, повышением твердости поверхностного слоя и возникновением в нем сжимающих остаточных напряжений. Кроме уменьшения шероховатости поверхности обкатыванием, во многих случаях улучшаются эксплуатационные свойства деталей машин.