1.3. Строение металлов

По своему внутреннему строению в твердом виде металлы подразделяются на поликристаллические, монокристаллические и аморфные.

Подавляющее большинство металлов и сплавов, применяемых в промышленности, имеют поликристаллическое строение, т.е. они состоят из громадного числа зерен (кристаллитов), разориентированных друг относительно друга, внутри которых наблюдается правильная кристаллическая структура, характеризующаяся дальним порядком в расположении атомов.

В середине ХХ в. освоено широкомасштабное производство монокристаллических заготовок и изделий, состоящих из одного кристалла. Сначала так получали рубиновые, германиевые и кремниевые заготовки, используемые в лазерной и полупроводниковой технике, а сейчас научились выращивать монокристаллические турбинные лопатки и другие ответственные детали, обладающие бóльшим сроком службы, чем поликристаллические.

Во второй половине ХХ в., путем сверхбыстрого охлаждения расплавов, началось производство аморфных сплавов, имеющих ближний порядок в расположении атомов, характерный для жидкостей. Аморфные сплавы имеют сложный состав, например, Fe₈₀P₁₃B₇, Co₃₄Cr₂₈Mo₂₀C₁₈; обладают уникальными механическими (σ_в до 4100 МПа), физическими и химическими свойствами, в том числе, магнитными и коррозионными; применяются для изготовления высокопрочных композиционных материалов, в электротехнике и радиоэлектронике; но при этом боятся чрезмерного нагрева, приводящего к кристаллизации и утрате свойств.

1.3.1. Основные типы кристаллических решеток

Для подавляющего большинства применяемых в промышленности металлов наиболее характерны три типа кристаллических решеток (рис. 1.2):

а) объемно-центрированную кубическую (ОЦК) решетку имеют α- и δ-Fe, β-Ti, W, V, Cr, Nb и т. д.;

б) гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку имеют γ-Fe, Al, Ni, Cu, Pb, Ag, Au, Pt и т. д.;

в) гексагональную плотноупакованную (ГПУ) решетку имеют Be, Cd, Mg, α-Ti, Zn и т. д.

а

б

в

Рис. 1.2. Типы кристаллических решеток: а – ОЦК; б – ГЦК; в – ГПУ

Кристаллографической анизотропией называется неодинаковость физических, химических, механических свойств по разным направлениям кристаллической решетки, что в первую очередь связано с различной плотностью атомов на единицу длины по разным направлениям кристаллической решетки.

1.3.2. Дефекты в кристаллах

Идеального кристаллического строения в природе не бывает. Экспериментально установлено наличие трех типов дефектов микроструктуры на атомном уровне в металлах и сплавах: точечных, линейных и поверхностных.

Точечные дефекты (рис. 1.3) малы во всех трех измерениях и искажают кристаллическую решетку только на расстояниях порядка 10^–10 м. Концентрация точечных дефектов в металлах при комнатной температуре составляет порядка 10^–13 ат. %; при нагреве до температур, близких к плавлению, и при интенсивном облучении нейтронами в ядерном реакторе она может достигать 1–3 ат. %, что приводит к разбуханию и потере прочности металлоконструкций.

Л

Рис. 1.3. Точечные дефекты:

вакансия (слева) и межузельный(дислоцированный) атом (справа)

инейныедефекты (рис. 1.4) имеют большую протяженность в одном измерении и проявляются в нарушении правильного расположения атомных плоскостей.

Плотность дислокаций – суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема, составляет у чистых неупрочненных металлов 10⁶– 10⁸ см^–2, а у деформированных – достигает 10¹² см^–2, дальше появляются трещины и металл разрушается.

П

Рис. 1.4. Линейные дефекты:

краевая (слева) и винтовая дислокация (справа)

оверхностныедефекты имеют большую протяженность в двух измерениях (рис. 1.5.); представляют собой рассогласования в расположении пакетов атомных плоскостей между разными зернами (большеугловые границы) и внутри отдельных зерен (малоугловые границы). Границы между зернами обусловлены поликристаллическим строением металлов, а малоугловые границы – упорядоченным скоплением большого количества краевых дислокаций.

Важнейшими дефектами являются дислокации, так как их плотностью, а, следовательно, и свойствами материала можно управлять в очень широком диапазоне (рис. 1.6). Традиционными методами повышения прочности материалов за счет повышения числа дислокаций являются: легирование, термическая обработка и холодное деформирование. В ХХ в. физики научились выращивать нитевидные кристаллы (длиной 2–10 мм и диаметром 0,5–2 мкм) с одной винтовой дислокацией – усы, прочность которых близка к теоретической. Они используются для армирования высокопрочных волокнистых композиционных материалов, в приборостроении (для микроподвесок), микроэлектронике и т. п.

Рис. 1.6. Зависимость сопротивления деформации от плотности дислокаций и других дефектов кристаллического строения металлов:

1– теоретическая прочность;2– усы;

3– чистые неупрочненные металлы;4– сплавы, упрочненные легированием, наклепом, термической или термомеханической обработкой