Атомно-кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток. Анизотропия свойств металлов.

УДК 669.7.017

Составитель: доцент Кобзева С.А.

Конспект лекций предназначен для студентов заочной формы обучения специальностей для студентов заочной формы обучения по специальности
130503 – Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений. – Краснодар: Изд-во КубГТУ, 2007. – 92 с.

Подготовлены по решению методического совета Кубанского государственного технологического университета.

Рецензент: канд. техн. наук, доцент А.Г. Соколов

ТЕМА 1

Строение металлов.

Введение

1.1. Макро- и микроструктура металлических материалов.

1.2. Атомно-кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток. Анизотропия свойств металлов.

1.3. Дефекты кристаллического строения. Прочность бездефектных и реальных кристаллических тел.

Материаловедение- это наука о взаимосвязи строения, структуры материалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами.

Создание научных основ металловедения по праву принадлежит. Чернову Д.К., который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях. Этим были заложены основы для важнейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.

Открытием аллотропических превращений в стали, Чернов заложил фундамент термической обработки стали. Критические точки в стали, позволили рационально выбирать температуру ее закалки, отпуска и пластической деформации в производственных условиях.

Великий русский металлург Аносов П.П. впервые применил микроскоп для исследования структуры металлов. Ему принадлежит приоритет в создании легированных сталей. Разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали. Из его работ стало ясно, что так называемый булатный узор на поверхности стали, непосредственно зависит от ее внутренней структуры.

В 1873-1876 г. Гиббс изложил основные законы фазового равновесия и, в частности, правило фаз, основываясь на законах термодинамики. Для решения практических задач знание фазового равновесия в той или иной системе необходимо, но не достаточно для определения состава и относительного количества фаз. Обязательно знать структуру сплавов, то есть атомное строение фаз, составляющих сплав, а также распределение, размер и форму кристаллов каждой фазы.

Определение атомного строения фаз стало возможным после открытия Лауэ (1912 г), показавшего, что атомы в кристалле регулярно заполняют пространство, образуя пространственную дифракционную решетку, и что рентгеновские лучи имеют волновую природу. Дифракция рентгеновских лучей на такой решетке дает возможность исследовать строение кристаллов.

В последнее время для структурного анализа, кроме рентгеновских лучей, используют электроны и нейтроны. Соответствующие методы исследования называются электронографией и нейтронографией. Электронная оптика позволила усовершенствовать микроскопию. В настоящее время на электронных микроскопах полезное максимальное увеличение доведено до 100000 раз.

В пятидесятых годах, когда началось исследование природы свойств металлических материалов, было показано, что большинство наиболее важных свойств, в том числе сопротивление пластической деформации и разрушению в различных условиях нагружения, зависит от особенностей тонкого кристаллического строения. Этот вывод способствовал привлечению физических теорий о строении реальных металлов для объяснения многих непонятных явлений и для конструирования сплавов с заданными механическими свойствами. Благодаря теории дислокаций, удалось получить достоверные сведения об изменениях в металлах при их пластической деформации.

Генеральной задачей современного материаловедения является создание материалов с заранее рассчитанными свойствами применительно к заданным параметрам и условиям работы. Большое внимание уделяется изучению металлов в экстремальных условиях (низкие и высокие температуры и давление).

Классификация металлов:

Металлические металлы и сплавы принято делить на две группы:

§ черные металлы – железо и сплавы на его основе (сталь, чугун);

§ цветные металлы, которые в свою очередь подразделяются на:

- легкие (Be, Mg, Al, Ti), обладающие малой плотностью (< 5 г/см³),

- тяжелые (Pb, Zn, Cd, Co), обладающие плотностью большей, чем у железа (7,8 г/см³),

- легкоплавкие (Pb, Hg, Sn, Zn);

- тугоплавкие (Ti, Cr, Vo, W, V), с температурой плавления выше, чем у железа (1539°С),

- благородные (Au, Ag, Pt, Pd), обладающие химической инертностью,

- урановые (актиноиды), используемые в атомной технике,

- щелочноземельные (Li, Na, K). Названы так потому, что их окислы – «земли» (по терминологии алхимиков) – сообщают воде щелочную реакцию.

Все металлы и металлические сплавы – тела кристаллические. В узлах кристаллических решеток металлов находятся положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются электроны (электронный газ). То есть ионы расположены в металлах закономерно.

Характерные свойства металлов объясняются специфическими свойствами металлической связи. Свойства:

- высокая тепло- и электропроводность,

- хорошая отражательная способность: металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском,

- повышенная способность к пластической деформации,

- положительный температурный коэффициент эл. сопротивления; с повышением температуры эл. сопротивление чистых металлов возрастает; большое число металлов (около 30) обладают сверхпроводимостью (у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю (-273,15°С), эл. сопротивление падает скачкообразно, практически до нуля),

- способность испускать электроны при нагреве (термоэлектронная эмиссия).

1.1. Макро- и микроструктура металлических материалов.

Макроструктура – строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении (30 – 40 раз).

Исследуют на специальных макрошлифах, вырезанных из крупных заготовок (слитков, поковок и т.п.) или изделий, поверхность которых шлифуют, полируют, а затем подвергают травлению специальным реактивом. Если образец изготовлен в поперечном сечении детали, то его называют темплетом. При исследовании макрошлифа можно обнаружить: форму и расположение зерен в литом металле, волокна (деформированные кристаллиты), дефекты (усадочную рыхлость, газовые пузыри, раковины, трещины), химическую неоднородность, вызванную процессом кристаллизации или созданную термической обработкой или химико-термической обработкой.

Микроструктура – строение металла или сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа (оптического или электронного) при больших увеличениях. Разрешающая способность (минимальная величина объекта, которая различима) оптического микроскопа – 200нм, электронного (РЭМ, ПЭМ) – 0,2-0,5 нм. Для исследования микроструктуры изготавливают микрошлиф, одну из плоскостей которого шлифуют, полируют, травят. Микроструктура показывает размер и форму зерен, взаимное расположение фаз, их форму, размеры, микропороки металла (микротрещины и т.п.), наличие неметаллических включений (сульфидов, оксидов и др. примесей, частиц графита).

Атомно-кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток. Анизотропия свойств металлов.

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов (ионов), существующее в кристалле.

Для изучения атомно-кристаллического строения применяют рентгеноструктурный анализ, основанный на дифракции рентгеновских лучей рядами атомов в кристаллическом теле.

Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки. Кристаллическая решетка – пространственное периодическое расположение атомов или ионов, т.е. ее можно представить в виде воображаемой пространственной сетки, в узлах которой располагаются ионы.

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

Основными параметрами кристалла являются:

§ размеры ребер элементарной ячейки. a, b, c;

§ углы между осями (a, b, g);

§ расстояние между ближайшими параллельными плоскостями, образующими элементарную ячейку называется периодом решетки. Период решетки измеряется в ангстремах (1 А°=10^-8 см), либо в нанометрах (1нм=10^-9см). Для большинства металлов период решетки находится в пределах 0,1¸0,7нм;

§ координационное число – число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки к.ч.=8 и обозначается К8

ГЦК к.ч.=12 К12

ГПУ к.ч.=12 Г12

§ базис решетки – количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки;

§ плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74)

Большинство металлов образуют:

- кубическую объемно центрированную решетку (ОЦК) – Fe_a, Pb, Cr, Nb, W, V, K, Na, Li и др.;

- кубическую гранецентрированную решетку (ГЦК) – Fe_g, Ni, Cu, Au, Pt, Co_g, Ca_a;

- гексагональную плотноупакованную решетку (ГПУ) – Mg, Zn, Cd, Be, Os, Co_b, Ca_b. Атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома в средней плоскости призмы.

Плотность расположения атомов по различным плоскостям неодинакова. Вследствие этого в различных плоскостях и направлениях решетки свойства (химические, механические, физические) каждого монокристалла зависят от направления вырезки образца по отношению к решетке. Неодинаковость свойств монокристалла в различных кристаллических направлениях называется анизотропией.

Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллитов. В большинстве случаев кристаллиты неупорядочено ориентированы по отношению друг к другу; поэтому во всех направлениях свойства более или менее одинаковы, т.е. поликристаллическое тело является
псевдоизотропным или квазиизотропным (ложная изотропия).