2.2. Роль кристаллического строения металлов.

Кристаллическое строение наряду с атомным определяет условия взаимодействия свариваемых металлов.

Кристаллическое строения металлов – закономерное и однотипное расположение атомов данного элемента, образующее пространственную кристаллическую решетку (в металлах в узлах кристаллической решетки расположены не атомы, а положительно заряженные ионы, а между ними двигаются свободные электроны). Характер расположения атомов и расстояние между ними определяются энергетическими условиями взаимодействия между ионами и обобществленными электронами металлической связи. Так как у разных металлов ионы имеют различное энергетическое состояние и число оставшихся е, то взаимодействие между ионами и «электронным газом», а также закономерность расположения ионов и расстояние между ними будут различными.

Размеры кристаллической решетки характеризуются параметрами или периодами решетки. Расстояния измеряют ангстремами 1Å = 10^-8 см или в килоиксах 1 кх = 1,00202Å. Параметр решетки важная характеристика. Их измеряют рентгеновским (рентгеноструктурным) методом с точностью до пятого знака после запятой. Кубическую решетку определяет один параметр – длина ребра куба а.

Если считать, что атомы – упругие шары, касающиеся друг друга, то тогда а и атомный диаметр d связаны простыми геометрическими соотношениями.

Для ОЦК , для ГКЦ .

При тех же допущениях можно подсчитать, что в ОЦК решетке атомы занимают 68 % объема, а в ГЦК (как и в ГПУ) 74 %.

Размеры ГПУ решетки характеризуются постоянным отношением с/а=1,633. При иных значениях получается неплотноупакованная гексагональная решетка.

У некоторых металлов характер кристаллической решетки изменяется с изменением температуры. Это связано с изменением энергетического состояния атомов при нагреве или охлаждении и приобретением формы и взаимодействия, отвечающим наименьшей свободной энергии системы. Такие изменения называются полиморфизмом, а соответствующие виды кристаллических решеток – полиморфными формами. У Fe это ОЦК (α – Fe) и ГЦК (γ – Fe). Это относится и к другим металлам (Со, Мп, Тi).

При сварке однородных металлов, которые имеют идентичные кристаллические решетки, способность к соединению определяется в основном закономерностями электронного строения атомов (см. выше).

При сварке разнородных металлов важное значение приобретает их атомно-кристаллическое строение. Чем меньше различий в атомно-кристаллическом строении металлов, тем легче они свариваются. Близость атомно-кристаллического строения означает, что атомы одного свариваемого металла способны энергетически благоприятно располагаться в кристаллической решетке другого свариваемого металла. Параметрами близости являются: атомные радиусы, типы и параметры решеток (табл.5).

Таблица 5

Металл	α–Fe	γ–Fe	Ni	Fl	Cu	Cr	Mo	Ag
Тип решетки	ОЦК	ГЦК	ГЦК	ГЦК	ГЦК	ОЦК	ОЦК	ГЦК
Параметр решетки, нм	2,9	3,6	3,5	4,0	3,6	2,9	3,1	4,1
Атомный радиус, нм	1,24	1,24	1,25	1,43	1,28	1,25	1,36	1,44

Атомная решетка реальных кристаллов не является идеальной по построению. В ней присутствуют дефекты в основном в виде вакансий и дислокаций. Вакансии – атомные «дырки» в виде незанятых мест, в узлах кристаллической решетки (число вакансий растет с увеличением температуры – от 1/10⁸ атомов при комнатной до 1/10⁴ при Т ≈ Т_пл.. Радиоактивное облучение, трение и некоторые другие виды взаимодействий также значительно увеличивают число вакансий – в экстремальных случаях до 1-3 на 100 атомов). Дислокации – линейные дефекты в результате наличия лишней полуплоскости атомов. Краевая дислокация может распространяться на многие тысячи параметров решетки. Плотность дислокаций в чистых Ме составляет 10⁸-10⁹ см^-2, а для сплавов до 10¹³см^-2.

Дефекты кристаллической решетки приводят к созданию областей с повышенной свободной энергией из-за отсутствия уравновешенных связей. В местах с повышенной свободной энергией активность прилежащих атомов повышена, поэтому выход дефектов кристаллического строения на поверхность способствует развитию процесс сварки.