5. Керамики, стекла, графита

Керамическими называют искусственные каменные материалы и изделия, получаемые из глин и их смесей с минеральными добавками.

Сырьем для получения стекла являются силикатные материалы, такие как кварцевый песок, известняк, сода и другие компоненты.

В качестве исходных материалов при производстве технического графита применяют твердое сырье – нефтяной кокс и каменноугольный пек в качестве связующего вещества.

Вопросы для повторения

1. Что является сырьем металлических материалов и сплавов?

2. Что такое руда?

3. Как получают кокс?

4. Для чего нужны флюсы?

5. Что входит в состав пластмасс?

6. Что является сырьем резин, клеев и герметиков?

7. Какие материалы называют керамическими, и что входит в их состав?

8. Из какого сырья получают стекла и графит?

3. Кристаллическое строение металлов и

СПЛАВОВ

Все металлы и металлические сплавы – тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металлах закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы расположены хаотично.

Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких (10^-1-10^-5 см), различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. В процессе кристаллизации они приобретают неправильную форму и называются кристаллитами, или зернами (рис.2). В твердом состоянии металл представляет собой постройку, состоящую из положительно заряженных ионов, омываемых «газом» из свободных коллективизированных электронов.

Рис.2. Структура поликристаллического твердого тела, состоящего из зерен

Связь в металле осуществляется электростатическими силами. Между ионами и коллективизированными электронами проводимости возникают электростатические силы притяжения, которые связывают ионы. Такая связь называетсяметаллической. Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии один от другого, при котором энергия взаимодействия минимальна.

Рис.3 Схема энергии взаимосвязи двух атомов в зависимости от межатомного расстояния.

а₀ – равновесное расстояние

Как видно из рис.3, этому положению соответствует равновесное расстояние а₀ . Сближение атомов (ионов) на расстояние, меньшее а₀, или удаление их на расстояние, большее а₀, осуществимо лишь при совершении определенной работы против сил отталкивания или притяжения.

Поэтому в металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку (рис. 4), что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.

В любой кристаллической решетке можно выделить наименьший параллелепипед (рис.4), последовательным перемещением которого вдоль трех своих осей может быть построен весь кристалл.

Этот наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.

Рис.4. Схема кристаллической решетки

Для однозначной ее характеристики необходимо знать следующие величины: три ребра (a, b, c) и три угла между осями α, β, γ (рис.4).

Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно центрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную плотноупакованную (ГПУ) (рис.5). В ОЦК решетке атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объема куба. ОЦК решетку имеют металлы: Pb, K, Na, Li, Ti_β, Zr_β, Ta, W, V, Fe_α, Cr, Nb и др. В ГЦК решетке атомы расположены в вершинах куба

и в центре каждой грани. Решетку такого типа имеют металлы: Ca_α, Ce, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Cu, Co_α, Fe_γ и др.

Рис.5. Кристаллические решетки металлов: а) ОЦК, б) ГЦК, в) ГПУ

В гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решетке атомы расположены в вершинах и в центре шестигранных оснований призмы, а три атома – в средней плоскости призмы. Такую упаковку атомов имеют металлы: Mg, Ti_α, Cd, Zn,Co_β, Ca_β и др.

Расстояния a, b, c между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке (рис.4) называются периодами решетки.

Плотность кристаллической решетки – объема, занятого атомами, которые условно можно рассматривать как жесткие шары, характеризуется координатным числом, под которым понимают число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. Чем выше координатное число, тем больше плотность упаковки атомов.

Для определения положения атомных плоскостей (проходящих через атомы) в кристаллических пространственных решетках пользуются индексами h, k, l, представляющими собой три целых рациональных числа, являющихся величинами, обратными отрезкам осей, отсекаемых данной плоскостью на осях координат (рис.6). Единицы

длины вдоль осей выбирают равными длине ребер элементарной ячейки. Эти числа заключают в круглые скобки.

В качестве примера обозначения плоскостей установим индексы для плоскостей куба. Каждая плоскость куба пересекает только одну ось, при этом отсекаемые отрезки будут равны (1, , ); (, 1, ); (, , 1). Обратные величины отсекаемых отрезков будут соответственно равны: (1, 0, 0); (0, 1, 0); (0, 0, 1). Индексы плоскости (hkl) будут (100), (010), (001), (00), (00), (00). Знак минус над индексом соответствует отрицательным отрезкам. Если индексы характеризуют не одну, а несколько параллельных плоскостей, то их заключают в фигурные скобки. Например, {100}. Для определения индексовнаправлений расположения рядов атомов в кристаллической решетке необходимо из семейства параллельных плоскостей выбрать направление плоскостей, проходящих через начало координат (рис.6).

Рис.6.Индексы кристаллографических плоскостей (а-в) и направлений (г) в ОЦК решетке

Приняв за единицу длину ребра элементарной ячейки (или период решетки), определяют координаты любой точки этого направления. Полученные значения координат точки приводят к отношению трех наименьших чисел. Эти числа, заключенные в квадратные скобки

[uvw], являются индексами данного направления и всех параллельных ему направлений. Например, [100], [010].

Нетрудно видеть, что плотность расположения атомов по различным плоскостям неодинакова. Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки свойства (физические, химические, механические) каждого монокристалла зависят от направления вырезки образца по отношению к направлениям в решетке. Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией. Кристалл – тело анизотропное в отличие от аморфных тел (стекла, пластмассы и др.), свойства которых не зависят от направления.

Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллитов. В большинстве случаев кристаллиты хаотически ориентированны по отношению друг к другу. Поэтому во всех направлениях свойства материала более или менее одинаковы. Таким образом, поликристаллы – псевдоизотропные тела. Но при возникновении различных воздействий (механических, тепловых), например, при деформации, материал может приобрести преимущественную ориентировку зерен – текстуру. В этом случае поликристаллический материал становится анизотропным.