Атомно-кристаллическая структура металлов
Как известно, все вещества состоят из атомов, в том числе и металлы. Каждый металл (химический элемент) может находиться в газообразном, жидком или твердом агрегатных состояниях.
Каждое агрегатное состояние будет иметь свои особенности, отличные друг от друга.
В газообразном металле расстояние между атомами велико, силы взаимодействия малы и атомы хаотично перемещаются в пространстве; газ стремится к расширению в сторону большего объема.
При понижении температуры и давления вещество переходит в жидкое состояние. Свойства жидкого вещества резко отличаются от свойств газообразного. В жидком металле атомы сохраняют лишь так называемый ближний порядок атомов, т.е. в объеме расположено небольшое количество атомов, а не атомы всего объема.
При понижении температуры жидкий металл переходит в твердое
состояние, которое имеет строгую закономерность расположения атомов.
Рис. 1. Схема расположения элементарных геометрических ячеек в атомных решетках металлов и сплавов
Если условно провести вертикальные и горизонтальные линии связи через центры атомов, можно увидеть, что у металлов в твердом состоянии атомы расположены в строго определенном порядке и представляют собой множество раз повторяющиеся элементарные геометрические фигуры — параллелепипеды (рис. 1.).
Наименьшую геометрическую фигуру называют элементарной ячейкой. Размещение элементарных ячеек по горизонтальным и вертикальным кристаллографическим плоскостям (рис.2) образует пространственную кристаллическую решетку.
Рис. .2. Расположение кристаллографических плоскостей:
1 и 2 — соответственно горизонтальная и вертикальная кристаллографические плоскости
Элементарные кристаллические решетки характеризуют следующие основные параметры:
-расстояние между атомами по осям координат (по линиям связи),
-углы между линиями связи,
- координационное число — число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого атома в решетке.
Форму элементарной ячейки рассматривают по кристаллографическим плоскостям в трех измерениях.
Таким образом, любой металл можно представить не как однородную цельную массу, а как массу, сложенную из множества элементарных ячеек. Блок элементарных атомных кристаллических ячеек образует атомно-кристаллическую ячейку (решетку).
Если выделить эту элементарную ячейку, то в зависимости от металла получим следующие типы кристаллических ячеек (рис.3):
- куб (К),
- объемно-центрированный куб (ОЦК),
-гранецентрированный куб (ГЦК),
- гексагональная плотноупакованная ячейка (ГПУ),
-гексагональная простая ячейка (Г) и др.
г д
Рис.3; Геометрические формы элементарных кристаллических ячеек:
а — куб;
б — объемнотцентрированный куб;
в — гранецентрированный куб;
г — гексагональная плотноупакованная ячейка;
д — гексагональная простая ячейка
Простая кубическая ячейка (рис.3, а) характерна для неметаллов, которые обладают наибольшими плотностью и удельным весом, и имеет восемь атомов, которые расположены в каждой вершине куба.
Объемно-центрированная кубическая ячейка (рис.3, б) состоит из восьми атомов, которые расположены по одному атому в каждой вершине куба, и одного, находящегося в центре куба на равных расстояниях от его граней.
Эту форму атомной кристаллической ячейки имеют железо модификации Fe-a, ванадий, вольфрам, молибден, тантал и хром, т.е. в основном черные металлы.
Гранецентрированная кубическая ячейка (рис.3, в) имеет 14 атомов — по одному атому в каждой вершине куба (восемь атомов) и по одному атому в центре каждой грани (шесть атомов).
Гранецентрированную кубическую ячейку имеют алюминий, железо модификации Fe-y, золото, кобальт, медь, никель, платина и серебро, в основном это цветные металлы и часть черных металлов.
Гексагональная плотноупакованная ячейка (рис.3, г) состоит из 17 атомов. Форма геометрического тела, которую образуют эти атомы, является шестигранной призмой. При этом по шесть атомов расположены в каждой вершине верхнего и нижнего оснований, по одному атому в центре этих оснований и три атома в центре одной их трех граней (через грань). Гексагональную плотноупакованную решетку имеют бериллий, кадмий, магний, ванадий, тантал.
Простая гексагональная ячейка (рис.3, д) состоит из 12 атомов, которые расположены в вершинах верхнего и нижнего оснований шестигранной призмы. Такую кристаллическую ячейку имеют ртуть и цинк.
Связь между атомами в кристаллической решетке и между решетками осуществляется за счет так называемой металлической связи. От прочности этой связи зависят прочность и твердость металлов. Чем выше эта связь, тем большую прочность и твердость имеют металлы. Механизм связи между атомами в решетке и между решетками имеет сложную физико-химическую природу.
В практике идеальное расположение кристаллических решеток обычно не наблюдается. Кристаллы, образуемые кристаллическими решетками, имеют искаженную геометрическую форму и различную величину.
Анизотропия металлов.
Анизотропия (от гр. anisos — неравный и tropos — направление) — неодинаковость физических свойств среды (тела) в различных направлениях. Анизотропия предполагает зависимость свойств металлов от направления по плоскостям атомно-кристаллических решеток.
Чем больше в плоскости атомов, тем выше свойства металлов. В горизонтальных плоскостях в любой форме атомно-кристаллических решеток больше, чем в вертикальных плоскостях.
Следовательно, прочность металлов, испытанная в горизонтальном направлении, выше, чем в вертикальном.
Анизотропия проявляется в процессе обработки конструкционных материалов давлением (проката, волочения, штамповки и других технологических способов получения заготовок и изделий).
На рис. 1.2 кристаллографические плоскости совпадают с линиями связи, проходящими через атомы металла.
Форма элементарной кристаллической ячейки, расстояние между атомами и прочность металлической связи определяют физические, механические и технологические свойства металлов.
Если исследуемый металл рассматривать по трем кристаллографическими плоскостям, по линиям связи между атомами, то можно заметить, что свойства по этим трем измерениям будут различны. Число атомов в этих плоскостях неодинаково.
Металлическая связь между горизонтально и вертикально расположенными атомами также неодинакова. Это, в свою очередь, приводит к различной прочности металлов в продольном и поперечном направлениях. Например, предел прочности меди в продольном направлении будет в два раза больше, чем в поперечном.
Все металлы анизотропны, так как они состоят из кристаллов. Кристаллическое строение металлов обусловливает пластическую деформацию, т. е. изменение внешней формы и размеров под действием нагрузок без разрушения.
Способность металлов и сплавов пластически деформироваться положена в основу их обработки давлением (прокатка, волочение, ковка, штамповка и прессование). При обработке давлением, например прокатке (рис.4, а), происходит перемещение одного слоя атомных решеток по другому по кристаллографическим плоскостям (рис.4, б).
Рис.4 . Схема деформации металлов и сплавов (прокатка):
а — деформация;
б — скольжение металлов по кристаллографическим плоскостям в процессе деформации;
1 — кристаллографические плоскости
В процессе деформации металла при прокатке происходит не только изменение поперечных и продольных размеров заготовок, но и изменение микроструктуры металла.
Зерна под действием давления прокатных валков искажаются, приобретая продолговатую или пластинчатую форму, а затем преобразуются в волокна.
Изменение микроструктуры металла в процессе деформации условно показано на рис.5.
а б в
Рис.5. Изменение микроструктуры металла в процессе деформации:
а — микроструктура металла до деформации;
б — микроструктура металла после первой операции деформации;
в — микроструктура металла после окончательной деформации