Свойства отдельно взятого кристалла (механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические) по данному направлению отличаются от свойств в другом направлении и зависят от того, сколько атомов встречается в этом направлении и каково расстояние между ними, например свойства граней (110) и (001). Это явление называется

анизотропией.

Для поликристаллического тела его свойства в разных направлениях одинаковы (произвольность ориентировки каждого кристалла). Это явление называется квазиизотропией (ложной изотропией).

Реальные кристаллы

Обычно кусок металла состоит из скопления большого числа маленьких кристаллов неправильной формы, называемых зернами. Кристаллические решетки в отдельных зернах ориентированы относительно друг друга случайным образом (рис. 5). Поверхности раздела зерен называются границами зерен. Такой кусок металла является по-

ликристаллом.

а б

Рис. 5. Структура поликристаллического твердого тела:

а– схема различной ориентации кристаллических решеток в зернах;

б– поликристаллическая структура

При определенных условиях, обычно при очень медленном контролируемом отводе тепла при кристаллизации (затвердевании металла), может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, его называют монокристаллом. В настоящее время в лабораториях выращиваютмонокристаллы массойвнесколькосотенграммовиболее.

Для реальных кристаллов характерно нарушение кристаллической структуры металлов и сплавов. Распространены четыре типа таких нарушений.

11

1.Точечные дефекты (рис. 6):

–вакансии (свободные узлы в кристаллах решетки), например, вакансия по иону никеля Ni2–;

–межузельные атомы; вакансии и межузельные атомы образуют дефекты Френкеля; при выходе на поверхность кристалла межузельного иона образуется дефект Шоттки;

–примесные атомы (примеси замещения или примеси внедрения).

Рис. 6. Схема точечных дефектов в кристалле: 1, 6 – примесный атом замещения; 2 – дефект Шоттки; 3 – примесный атом внедрения; 4 – дивакансия;

5 – дефект Френкеля (вакансия и межузельный атом)

2. Линейные дефекты, или дислокации, – это цепочки вакансий или межузельных атомов (краевая и линейная дислокации – рис. 7) различной длины.

экстраплоскость

i

b

b

а б

Рис. 7. Краевая (а) и линейная (б) дислокации в кристаллической решетке

12

Дислокации создают в кристалле поля упругих напряжений. Под действием внешних напряжений дислокации двигаются (скользят). Этим объясняютдислокационныймеханизмпластическойдеформации(рис. 8).

Рис. 8. Схема сдвиговой дислокации, осуществляемой скольжением краевой дислокации

Чтобы упрочнить металл, достаточно создать препятствие для движения дислокаций.

Обычно упрочненное состояние достигается при взаимодействии дислокацийдругсдругом, сатомамипримесей, счастицамидругойфазы.

Если вокруг любой точки в реальном кристалле отложить одинаковое число параметров решетки и соединить их по контуру, то он не

сомкнется на величину b – вектор Бюргерса. Другими словами, число параметров решетки по разные стороны дислокации будет отли-

чаться на величину b (рис. 7, б).

3.Двухмерные (поверхностные дефекты) обладают большей протяженностью в двух измерениях: дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен и внешние поверхности кристалла. Дефект упаковки не создает поля упругих напряжений, но обладает энергией.

4.Объемные (трехмерные) дефекты: макроскопические трещины, поры и т. д.

Аморфные сплавы

Аморфное состояние – твердое состояние вещества, обладающее двумя особенностями: его свойства (механические, тепловые, электрические) не зависят от направления в веществе (изотропия); у аморфного тела отсутствует определенная точка плавления. При увеличении температурывещество, размягчаясь, переходитвжидкоесостояниепостепенно.

Эти особенности обусловлены отсутствием в аморфном теле дальнего порядка (как у кристаллов). В то же время в веществе в таком состоянии существует ближний порядок (на расстояниях, сравнимых с межатомными).

13

Аморфное тело находится с термодинамической точки зрения в неустойчивом (так называемом метастабильном) состоянии, и его правильнее рассматривать как переохлажденную жидкость с большой вязкостью. Аморфное состояние металла достигается при быстром (106 град/с) охлаждении расплава. Обычно процесс кристаллизации металлов протекает во временном интервале, и атомы имеют возможность «поразмыслить» над тем, как вести себя в ходе перестройки. Если осуществлять мгновенное затвердевание и, таким образом, не дать атомам времени на «размышление», например наносить пары металла на охлажденную жидким азотом металлическую пластину, находящуюся в камере с глубоким вакуумом, то наней формируетсястеклообразноевещество.

При охлаждении ряда сплавов в жидком состоянии образуются так называемые металлические стекла, обладающие специфическими физико-механическими свойствами.

Одним из первых металлов, полученных в аморфном состоянии, был висмут. Оказалось, что пленка «стеклянного» висмута толщиной в несколько микрон обладает своеобразными магнитными и электрическими свойствами. Даже при обычной температуре ее электрическое сопротивление во много раз ниже, чем у кристаллического висмута.

В дальнейшем круг аморфных металлов и сплавов значительно расширился: ученые сумели превратить в «стекло» сталь и ряд тугоплавких металлов, сплав палладия с кремнием. Было обнаружено, что аморфные пленки и ленты могут быть получены при соприкосновении металлическогорасплавасбыстровращающимисяводоохлаждаемымивалками.

Сплавы в аморфном состоянии обладают высокой твердостью, а их пластичность имеет характер вязкого течения. Используются такие сплавы в приборостроении.

Теоретически при охлаждении металлов со скоростью 109– 1010 град/с, любой металл можно получить в аморфном состоянии.

В природе аморфное состояние менее распространено, чем кристаллическое. Аморфное состояние имеют опал, обсидиан, янтарь, природные смолы, стекло, воск.

Янтарь – ископаемая смола Балтийского побережья (смола хвойных деревьев, окаменевшая в толще отложений).

Строение сплавов

Сплав – это макроскопическая однородная система, состоящая из двух и более элементов. Металлические сплавы могут быть получены электролизом или сплавлением двух и более элементов.

14

Фаза – однородная часть структуры сплава. Наличие фаз в сплаве зависит от химической активности его компонентов. Встречаются три основных типа фаз в сплавах: механическая смесь, твердые растворы, химические соединения.

Механическая смесь образуется, если компоненты сплава А и В инертны по отношению друг к другу. Рентгенофазовым анализом различаются две кристаллических решетки.

Например, сплав свинец – сурьма является механической смесью (рис. 9). Механическую смесь образуют баббиты (антифрикционные сплавы, которые используются для подшипников скольжения) – это сплавы на основе Sn или Pb с Cu, Ni, As, Cd, Co.

Твердые растворы образуются при растворении одного металла в другом. При этом образуются твердые растворы замещения или твердые растворы внедрения. Атомы растворенного компонента распределяются в решетке растворителя беспорядочно.

Рис. 9. Структура сплавов свинец – сурьма (×100):

а – чистый свинец; б – 6% Sb; в – 13% Sb; г – 30% Sb; д – чистая сурьма

Твердые растворы замещения (замещаются атомы в узлах кри-

сталлической решетки металла) образуются, если атомные радиусы металлов отличаются не более, чем на 15%. Сплавы монель – металл (Cu – Ni), тумбаго (18% Cu, 82% Au). Кристаллическая решетка изменяется в зависимости от размера атома. Растворитель – элемент, решетка которого сохраняется.

Твердые растворы внедрения образуются, если «чужие» атомы находятся между узлами. При этом радиус растворенных атомов меньше атомных радиусов растворителя. Плотность упаковки атомов увеличивается, следовательно, сплав обладает повышенной прочностью, твердостью, коррозионной стойкостью и износоустойчивостью.

Твердый раствор однофазный, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку, существует обычно в интервале концентраций.

15

Химические соединения образуются при определенных соотношениях компонентов, имеют собственную кристаллическую решетку. В реальных условиях сплав типа химического соединения неустойчив, в его структуре наряду с химическим соединением часто присутствуют различные типы твердых растворов.

Например, быстрорежущая сталь Р18 (18% W, Fe, C) состоит из твердого раствора внедрения Fe – C, химических соединений – карбида железа, карбида вольфрама, твердого раствора замещения W – Fe.

Такие сплавы имеют сложный тип кристаллической решетки с высокой плотностью упаковки, поэтому они высокопрочные, твердые, имеют высокую температуру плавления.

Самое тугоплавкое из известных веществ – сплав карбида тантала и гафния – состоит из двух химических соединений, образующих между собой твердый раствор, и имеет температуру плавления tпл = 4215°С.

Разновидности фаз и сплавов

Твердый раствор на основе химического соединения. В данном слу-

чае сохраняется решетка химического соединения AnBm. Может растворяться В, замещая в решетке А. Может растворяться С, заменяя А или В. В узлах могут появляться пустые места – растворы вычитания.

Электронные соединения (фазы Юм – Розери): CuZn; Cu5Sn; Cu3Al. Занимают промежуточное положение между химическим соединением и твердым раствором. Нет упорядоченного расположения атомов. Есть собственная кристаллическая решетка между двумя ме-

таллами из следующих групп: Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Pd, Pt и Be, Zn, Cd, Al, Sn, Si.

Фазы Лавеса – интерметаллические химические соединения с общей формулой AB2 и ионным типом связи. Эти упрочняющие фазы присутствуют в жаропрочных сплавах (MgCu2, TiCo2).

Фазы внедрения – это химические соединения (МеС, МеС2) между атомами металлов переходных групп с неметаллами, имеющими малый радиус (H, N, C, B). Неметаллы внедряются в решетку металла в определенные места.

16