Атомно-кристаллическое строение металлов

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Атомы в кристалле расположены в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узле которой располагаются атомы (ионы), образующие металл.

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки (решетки).

Для характеристики элементарной ячейки задают шесть величин: три ребра ячейки a, b, c и три угла между ними α, β, γ. Эти величины называют параметрами кристаллической решетки.

Кристаллические решетки бывают простыми (атомы только в вершинах решетки) и сложными.

Металлы образуют одну из следующих высокосимметричных сложных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемноцентрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную (ГПУ) (рис. 2).

ОЦК: Rb, K, Na, Li, Ti_β, Tl_β, Zr_β, Ta, W, V, Fe_α, Cr, Nb, Ba, и др.

ГЦК: Cu, Al, Pt, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Fe_γ, Co_α, Ca_α, Ce, Sr_α, Th, Sc и др.

ГПУ: Mg, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Be, Co_β, Ca_α, Zr_α, La_α, Ti_α и др.

Расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку, называют периодом решетки, измеряется в нанометрах (1нм = 10^-9см = Å= 10^-8см).

Периоды решетки металлов находятся в пределах 0,2 – 0,7 нм.

Для ОЦК: a, b, c; a = b = c.

Для ГЦК: a, b, c; a = b = c.

Для ГПУ: а, с; с/а = 1,633 (к Zn не относится)

Число атомов в каждой элементарной ячейке (плотность упаковки – равняется числу атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку):

ОЦК: ПУ (плотноупакованная) = ;

ГЦК: ПУ = ;

ГПУ: ПУ = .

Координационное число – под ним понимают число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. Чем выше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов:

ОЦК: расстояние (min) между атомами , на этом расстоянии от рассматриваемого атома находится 8 соседей – К8 .

ГЦК: , К12.

ГПУ: Г12 (с/а = 1,633).

Коэффициент заполнения ячейки (плотность укладки) – определяется как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки:

ОЦК: 68%

ГЦК: 74%

ГПУ: 74%

Для характеристики величины атома служит атомный радиус, под которым понимается половина расстояния между ближайшими соседними атомами. Атомный радиус возрастает при уменьшении координационного числа.

2.Для большинства металлов характерны следующие типы кристаллических решеток: объемно-центрированная кубическая (ОЦК); гранецентрированная кубическая (ГЦК); гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Основные типы кристаллических решеток представлены на рис. 2.4. В объемно-центрированной кубической решетке (рис. 2.4, а) атомы расположены в углах и центре куба. Период решетки равен а, координационное число К= 8, базис решетки равен 2; 8 атомов расположены в углах куба, 1 атом в центре куба принадлежит только одной ячейке). Данный тип решетки имеют металлы К, Na, Li, Та, W, Mo, Fe_a, Cr, Nb и др.

В гранецентрированной кубической решетке (рис. 2.4, б) атомы расположены в углах куба и центрах его граней. Эта решетка характеризуется периодом а, координационном числом К= 12, базисом, равным 4: (1/8) • 8 + ½ • 6 = 4; 8 атомов в углах куба и 6 атомов в центрах граней, каждый из которых принадлежит двум элементарным ячейкам. Кубическую гранецентрированную решетку имеют следующие металлы: Са, Pb, Ni, Ag, Au, Pt, FeY и др.

В гексагональной плотноупакованной решетке (рис. 2.4, в) атомы расположены в вершинах и центрах шестигранных оснований призмы, кроме того, три атома находятся в средней плоскости призмы. Периоды решетки — а и с, причем с/а > 1 (например, с/а = 1,633 для Ru, Cd и с/а > 1,633 для Mg, Zn), координационное число К= 12, базис решетки равен 6.

3.Дефекты кристаллического строения

Точечные дефекты-это такие нарушения периодичности кр. реш., размеры которых во всех трех измерениях малы и сопоставимы с размерами атомов:

-вакансии-узлы кр. реш., не занятые атомами

-межузельные атомы – атомы, расположенные в межатомных пустотах

-примесные атомы: занимают позиции замещения и внедрения

Точечные дефекты определяют возможность диффузии, т.е. перемещения атомов в кр. реш. на расстояния превышающие межатомные

Линейные дефекты – имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении:

-краевая дислокация-фронтальная граница неполной атомной плоскости

-винтовая дислокация-это линия, вокруг которой атомная плоскость образует винтовую поверхность

Плотность дислокаций-суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема

Поверхностные дефекты – малы в одном измерении и протяженны в двух других:

-границы зёрен – поверхности раздела между отдельными зернами.

-границы субзерен- состоят из параллельных краевых дислокаций, расположенных друг над другом и дробят зерно на на отдельные субзерна.

-двойниковые границы –это плоскости двойникования, делящие кристалл на две части с зеркально симметричным расположением атомов

- дефекты упаковки- части атомной плоскости, ограниченной дислокациями, в которой нарушено закономерное чередование плотноупакованных слоев атомов.

Объемные дефекты:

-макроскопические дефекты: поры, трещины, частицы инородных фаз.

-тепловые колебания атомов, создающие упругие волны, которые являются причиной локальных непрерывно изменяющихся динамических искажений решетки

-зональные упругие напряжения 1-го рода, возникающие в макрообъемах кристалла при внешних воздействиях(например из-за неравномерности охлаждения)

1.Переход из жидкого состояния в твердое (кри-сталлическое) называют кристаллизацией. Процессы кристаллизации зависят от температу-ры и протекают во времени, поэтому кривые ох-лаждения строятся в координатах температу-ра - время (рис. 3). Теоретический, т. е. идеаль-ный процесс кристаллизации металла без пере-охлаждения протекает при температуре Т ₅ (рис. 3). При достижении идеальной температу-ры затвердевания Т ₅ падение температуры пре-кращается. Это объясняется тем, что перегруп-пировка атомов при формировании кристаллической решетки идет с выделением тепла (выде-ляется скрытая теплота кристаллизации). Каждый чистый металл (не сплав) кристаллизуется при строго индивидуальной постоянной темпера-туре. По окончании затвердевания металла тем-пература его снова понижается.

Практически кристаллизация протекает при более низкой температуре, т. е. при переохлажде-нии металла до температур Tn, Tn ₁, Tn ₂ (напри-мер, кривые 1, 2). Степень переохлаждения (ДT=T _s--Tn) зависит от природы и чистоты ме-талла к скорости охлаждения. Чем чище жидкий металл, тем он более склонен к переохлаждению. При увеличении скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает, а зерна металла ста-новятся мельче, что улучшает его качество. Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных усло-виях составляет от 10 до 30°С. При больших скоростях охлаждения она может достигать со-тен градусов.

Процесс кристаллизации состоит из двух ста-дий: зарождения - кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. При переохлаждении сплава ниже Tn на многих участках жидкого металла (рис. 4, а, б) образуются способные к росту кри-сталлические зародыши.

Сначала образовавшие-ся кристаллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму (рис. 4, в, г, д). Затем при соприкосновении рас-тущих кристаллов их правильная форма нару-шается, так как в этих участках рост граней пре-кращается. Рост кристалла продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. В результате кристаллы, имев-шие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами (рис. 4,е).

Величина зерен зависит от числа центров кри-сталлизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно металла.

Величина зерен, образующихся при кристалли-зации, зависит не только от количества самопро-извольно зарождающихся центров кристаллиза-ции, но также и от количества нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле. Такие нерастворимые примеси являются готовы-ми центрами кристаллизации. Ими являются окислы (например, Al₂O₃), нитриды, сульфиды и другие соединения. Центрами кристаллизации в данном металле или сплаве могут быть только такие твердые частицы, которые соизмеримы с размерами атомов основного металла. Кристал-лическая решетка таких твердых частиц должна быть близка по своему строению и параметрам решетке кристаллизующегося металла. Чем боль-ше таких частичек, тем мельче будут зерна за-кристаллизовавшегося металла.

На образование центров кристаллизации вли-яет и скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кри-сталлизации и, следовательно, мельче зерно ме-талла.

Чтобы получить мелкое зерно, создают искус-ственные центры кристаллизации. Для этого в расплавленный металл (расплав) вводят специ-альные вещества, называемые модификаторами. Модифицирование отливок проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, окислы). При модифицировании, например, ста-ли применяют алюминий, титан, ванадий; алю-миниевых сплавов -- марганец, титан, ванадий.