Кристаллическое строение металлов и дефекты атомно-кристаллической решетки

Кристаллическое строение металлов – атомы выстраиваются в определенную объемную структуру, называемую кристаллической решеткой, число атомов в вершинах и на гранях этой структуры, а также дистанция между ними определяют такие физические свойства металла, как электро- и теплопроводность, вязкость и текучесть.

1.1. Аморфныеи кристаллические тела

   В твердыхтелах атомы могут размещаться впространстве двумя способами:

  • Беспорядочное расположение атомов, когда они не занимают определенного места друг относительно друга. Такие тела называются аморфными.

   Аморфныевещества обладают формальными признакамитвердых тел, т.е. они способны сохранятьпостоянный объем и форму. Однако они неимеют определенной температуры плавленияили кристаллизации.

  • Упорядоченное расположение атомов, когда атомы занимают в пространстве вполне определенные места, Такие вещества называются кристаллическими.

   Атомы совер­шаютотносительно своего среднего положенияколебания с частотой около 1013 Гц. Амплитуда этих колебанийпропорциональна температуре.

   Благодаряупорядоченному расположению атомов в про­странстве,их центры можно соединить воображаемымипрямыми ли­ниями. Совокупность такихпересекающихся линий представ­ляетпространственную решетку, которую называюткристаллической решеткой.

   Внешниеэлектронные орбиты атомов сопри­касаются,так что плотность упаковки атомов вкристаллической решетке весьма велика.

   Кристаллическиетвердые тела состоят из кристаллическихзерен – кристал­литов. В соседних зернахкристаллические решетки поверну­тыотносительно друг друга на некоторый угол.

   В кристаллитахсоблюдаются ближний и дальний порядки. Этоозначает на­личие упорядоченногорасположения и стабильности как ок­ружающихданный атом ближайших его соседей (ближнийпорядок), так и ато­мов, находящихся отнего на значительных расстояниях вплоть дограниц зерен (дальний порядок).

dalny_por.gif

                                                               а)                                                          б)

Рис. 1.1. Расположениеатомов в кристаллическом (а) и аморфном (б)веществе

   Вследствие диффузии отдельные атомымогут по­кидать свои места в узлахкристаллической решетки, однако при этомупорядоченность кристаллического строенияв целом не на­рушается.

Основные группы металлов в промышленности

Индустрия делит металлы на большие группы:

  • Черные.
  • Цветные легкие.
  • Цветные тяжелые.
  • Благородные.
  • Редкоземельные и щелочные.

Черные металлы

В эту группу входят железо, марганец, хром и их сплавы. Группа также включает в себя стали, чугуны и ферросплавы. Эти вещества обладают хорошей электропроводностью и уникальными магнитными характеристиками.

Черные металлы

Черные металлы

Черные металлы покрывают до 90% мировой потребности в металлоизделиях.

Легкие цветные металлы

Отличаются низкой плотностью. Группа включает в себя алюминий, титан, магний. Эти реже встречаются, чем железо, и обходятся дороже в добыче руды и в производстве. Они используются там, где малый вес изделия или детали окупает ее большую стоимость – в самолетостроении, производстве электроники, в коммуникационной индустрии.

Легкие цветные металлы

Легкие цветные металлы

Титан не вызывает отторжения со стороны иммунной системы и применяется в протезировании костной ткани.

Тяжелые цветные металлы

Это элементы с большим удельным весом, такие, как медь, олово, свинец, цинк и никель. Обладают хорошей электропроводностью.

Они широко используются как катализаторы реакций, в изготовлении электроматериалов, в электронике, на транспорте – везде, где требуются достаточно прочные, упругие и коррозионностойкие материалы.

Благородные металлы

В эту группу входят золото, серебро, платина, а также редко встречающееся рутений, родий, палладий, осмий, иридий. Они обладают наибольшим удельным весом, высокой коррозионной устойчивостью и высокой электрической и тепловой проводимостью.

На заре человечества золото, серебро и платина применялись как универсальный платежный инструмент и как средство накопления богатств. С развитием цифровой экономики и переходом платежей в виртуальность важнее стаи их уникальные физические свойства

Редкоземельные и щелочные

К редкоземельным относятся скандий, иттрий, лантан и еще 15 редких элементов. Эти элементы отличаются значительным удельным весом, высокой химической активностью и применяются в высокотехнологичных отраслях.

К щелочным относятся литий, калий, натрий и другие. Все они отличаются малым удельным весом и исключительной химической активностью и при реакции с водой образуют щелочи, широко применяемы в быту и промышленности в составе мыла и других моющих средств.

Щелочные металлы

Щелочные металлы

Общее строение

Металлы – твёрдые вещества, имеющие кристаллическое строение. Исключение составляет ртуть – жидкий металл. Кристаллические решётки представляют собой упорядоченные определённым образом атомы металла. Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и нескольких отрицательно заряженных электронов. В атомах металлов недостаточно электронов, поэтому они являются ионами.

Единица кристаллической решётки – элементарная кристаллическая ячейка, в условных узлах и на гранях которой находятся положительно заряженные ионы. Их удерживают вместе металлические связи, возникающие за счёт беспорядочного движения отделившихся от атомов электронов (благодаря чему атомы превратились в ионы).

Отрицательно заряженные электроны держат на равном расстоянии положительно заряженные электроны, предавая кристаллической решётке правильную геометрическую форму.

Схема металлической связи

Рис. 1. Схема металлической связи.

Свободное движение электронов обусловливает электро- и теплопроводность металлов.

1.2. Основныетипы кристаллических решеток

   Все металлы являются кристаллическимителами, имею­щими определенный типкристаллической решетки, состоящей измалоподвижных положительно заряженныхионов, между которыми движутся свободныеэлектроны (так называемый электронный газ).Такой тип структуры называется металлическойсвязью.   

   Тип ре­шетки определяется формойэлементарного геометриче­ского тела,многократное повторение которого по тремпространственным осям образует решеткуданного кристал­лического тела.

yacheika_CUBE.gif

yacheika_OCK.gif

yacheika_GCK.gif

yacheika_GP.gif

кубическая

(1 атом на ячейку)

а)

объемно-центрированная кубическая (ОЦК)

(2 атома на ячейку)

б)

гранецентрированная кубическая (ГЦК)

(4 атома на ячейку) 

в)

гексагональная плотноупакованная (ГП)

(6 атомов на ячейку)

г)

Рис.1.2. Основные типыкристаллических решеток металлов

   Металлы имеют относительно сложные типыкубических ре­шеток – объемноцентрированная (ОЦК) и гранецентриро­ванная(ГЦК) кубические решетки.

   Основу ОЦК-решетки составляет элементарнаякубиче­ская ячейка (рис. 1.2,б), в которойположительно заряжен­ные ионы металланаходятся в вершинах куба, и еще один атом вцентре его объема, т. е. на пересечении егодиагоналей. Такой тип решетки вопределенных диапазонах температур имеютжелезо, хром, ванадий, вольфрам, молибден идр. металлы.

   У ГЦК-решетки (рис. 1.2, в) элементарнойячейкой слу­жит куб с центрированнымигранями. Подобную решетку имеют железо,алюминий, медь, никель, свинец и др. металлы.

   Третьей распространенной разновидностьюплотноупако­ванных решеток являетсягексагональная плотноупакованная (ГПУ, рис.1.2, г). ГПУ-ячейка состоит из отстоя­щих другот друга на параметр с параллельныхцентриро­ванных гексагональных оснований.Три иона (атома) нахо­дятся на среднейплоскости между основаниями.

   У гексагональных решеток отношениепараметра с/а всегдабольше единицы. Такую решетку имеют маг­ний,цинк, кадмий, берилий, титан и др.

   Компактность кристаллическойрешетки или степень за­полненности ееобъема атомами является важной характе­ристикой.Она определяется такими показателями какпараметр решетки, число атомов в каждойэлементарной ячейке, координационное числои плотность упаковки.

   Параметр решетки – это рас­стояние междуатомами по ребру эле­ментарной ячейки.Параметры решеткиизмеряется в нанометрах (1 нм = 10-9м = 10 Å). Параметры куби­ческихрешеток характеризуются длиной ребра кубаи обозначаются буквой а.

Для характеристики гексагональной решеткиприни­мают два параметра – сторонушестигранника а и высоту призмы с. Когдаотношение с/а = 1,633, то атомы упакованынаиболее плотно, и решетка называется гек­сагональнойплотноупакованной (рис. 1.2 г). Некоторыеметаллы имеют гексагональную решетку сменее плотной упаковкой атомов (с/а >1,633). Напри­мер, для цинка с/а = 1,86, длякадмия с/а = 1,88.

   Параметры а кубических решетокметаллов находятся в пределах от 0,286 до 0,607нм. Для металлов с гексагональной решеткой алежит в пределах 0,228-0,398 нм, а с впределах 0,357- 0,652 нм.

   Пара­метры кристаллических решетокметаллов могут быть измерены с по­мощьюрентгеноструктурного анализа.

   При подсчете числа атомов в каждойэлементарной ячейке следует иметь в виду,что каждый атом входит одновременно внесколько яче­ек. Например, для ГЦК-решетки,каждый атом, находящийся в вершине куба,принадлежит 8 ячейкам, а атом, центрирующийгрань, двум. И лишь атом, находящийся вцентре куба, полностью при­надлежит даннойячейке.

Такимобразом, ОЦК- и ГЦК-ячейки содержат соответ­ственно2 и 4 атома.

Подкоординационным числом понимаетсяколичество ближайших соседей данного атома.

koord.gif

Рис.1.3.Координационное число в различныхкристаллических решетках для атома А:

а) – объемноцентрированнаякубическая (К8); б) – гранецентрированнаяку­бическая (К12); в) – гексагональнаяплотноупакованная (Г12)

   В ОЦК решетке (рис. 1.3, а)атом А (вцентре) находится на наиболее близ­комравном расстоянии от восьми атомов,расположенных в вершинах куба, т. е.координационное число этой решетки равно 8 (К8).

   В ГЦК решетке (рис. 1.3, б) атом А (награни куба) находится на наиболее близкомравном расстоянии от четырех атомов /, 2, 3,4, расположенных в вершинах куба, отчетырех атомов 5, 6, 7, 8, расположенных награнях куба, и, кроме того, от четырех атомов9, 10, 11, 12, принадлежащих располо­женнойрядом кристаллической ячейке. Атомы 9, 10, 11,12 симметричны атомам 5, 6, 7, 8. Такимобразом, ГЦК решетки координацион­ноечисло равно 12 (К12).

   В ГПУ решетке при с/а = 1,633 (рис. 1.3, в) атом Ав центре шестигранного основания призмынаходится на наиболее близком равномрасстоянии от шести атомов /, 2, 3, 4, 5, 6, размещенныхв вершинах шестигранника, и от трех атомов 7,8, 9, расположенных в средней плоскостипризмы. Кроме того, атом А оказываетсяна таком же расстоянии еще от трех атомов 10,11, 12, принадлежащих кристаллическойячейке, лежащей ниже основания. Атомы 10, 11,12 симметричны атомам 7, 8, 9.

Следовательно,для ГПУ решетки координационное числоравно 12(Г12).

   Плотность упаковки представляет собойотношение сум­марного объема, занимаемогособственно атомами в кристал­лическойрешетке, к ее полному объему. Различные типыкристаллических решеток имеют раз­нуюплотность упаковки атомов. В ГЦК решеткеатомы занимают 74 % всего объемакристаллической решетки, а межатом­ныепромежутки («поры») 26 %. В ОЦК решетке атомызанимают 68 % всего объема, а «поры» 32 %.Компактность решетки за­висит отособенностей электронной структурыметаллов и ха­рактера связи между ихатомами.

Оттипа кристаллической решетки сильнозависят свойства металла.

Классификация металлов по химическому составу

Химические свойства чистых элементов определяются строением атомов реальных металлов и прежде всего их атомным числом, характеризующим их способность реагировать с водородом, кислородом и другими элементами. Химические характеристики реально применяемых металлов могут сильно отличаться от параметров чистого вещества как в лучшую, так и в худшую сторону.

Нежелательные добавки называют примесями, а те, что вносятся преднамеренно для изменения параметров в нужную сторону — легирующими присадками.

Общепризнанной является классификация, основанная на указании главного компонента сплава.

Атомно — кристаллическое строение металлов

Внутреннее строение металлов и их характеристики определяют их физико-химические свойства. Электроны на внешних орбитах атомов слабо связаны с ядром и имеют отрицательный заряд. При наличии разницы потенциалов электроны мигрируют к положительному полюсу, создавая электрический ток. Это физическое явление обуславливает электропроводность.

Кристаллическое строение свойственно металлам и их сплавам в твердом фазовом состоянии. Атомы выстраиваются в определенную объемную структуру, называемую кристаллической решеткой.
Число атомов в вершинах и на гранях этой структуры, а также дистанция между ними определяют такие физические свойства металла, как электро- и теплопроводность, вязкость, текучесть и т.д.
Кристаллическое строение металлов и сплавов может быть двух типов:

  • Межатомная дистанция одинакова по всем направлениям. Это так называемое изотропное строение. При этом физические свойства кристалла также одинаковы по всем направлениям.
  • Межатомное расстояние по горизонтали и по вертикали разное. Такой кристалл называют анизотропным, и его физические параметры меняются в зависимости от направления.
Атомно-кристаллическое строение металлов

Атомно-кристаллическое строение металлов

В реальном куске металлов, составленному из множества изолированных кристаллических фрагментов, атомно кристаллическое строение принадлежит к третьему типу — квазиизотропному. В среднем свойства такого куска близки к изотропным.
При выстраивании кристаллической решетки некоторые атомы не попадают на свое место, смещаются или теряются. В этом случае говорят о дефектах кристаллического строения металлов. Дефекты структуры отрицательно влияют на свойства изделия, особенно если оно должно быть монокристаллом, как, например, в электронике, лазерной технике и других отраслях высоких технологий.

1.3. Кристаллографическиенаправления и плоскости

   Упорядоченность кристаллического строенияв пространственной решетке позволяетвыделить отдельные кри­сталлографическиенаправления и плоскости.

   Кристаллографические направления– это характерные прямые линии, выходящие източки отсчета, вдоль которых вкристаллической решетке располагаютсяатомы. Точками отсчета, могут служитьвершины куба, а кристаллографическиминаправле­ниями – его ребра и диагонали, атакже диагонали граней (рис. 1.4, а).

napr_plosk_kr_resh.gif

Рис.1.4. Кристаллографические направления иплоскости в кри­сталлической решетке: а) -основные направления и их обозначе­ние; б),в), г) основныеплоскости и их обозначение

   Кристаллографическими плоскостямиявляются, напри­мер, плоскости граней кубов(рис. 1.4, б), а также их раз­личныедиагональные плоскости вместе снаходящимися на них атомами (рис. 1.4, в, г).Для ГПУ-ре­шеток кристаллографическимиплоскостями могут быть плоскости оснований(рис. 1.2, г).

   Для определения индекса какого-либонаправления необ­ходимо найти индексближайшего к данной точке отсчета атома,находящегося на данном направлении. На­пример,индекс ближайшего атома вдоль оси ОХ обозначает­сяцифрами 100 (рис. 1.4,а). Этицифры представляют собой координатыупомянутого атома относи­тельно точки О,выраженные через количество параметроввдоль осей OX, OY и OZ соответственно.

   Индексы направления ОХ и параллельных емунаправле­ний обозначаются [100].Соответственно направления OYи OZ обозначаются[010] и [001]. Кристаллографические направлениявдоль диагоналей граней XOZ,XOY и YOZ обозначают[101], [110] и [011]. Пользуясь указанной мето­дикой,можно определить индекс любого направления.На­пример, индекс направления вдольдиагонали куба выразит­ся так: [111].

   Для определения индексакристаллографической плоско­стинеобходимо вначале найти координатыближайших точек ее пересечения с осямикоординат, проведенными из точки отсчета О.Затем взять обратные им величины изаписать их в круглых скобках в обычнойпоследовательности. Напри­мер,координатами точек пересечения с осямикоординат бли­жайшей плоскости,параллельной плоскости XOY,выражен­ными черезпараметры решеток, являются числа Ґ,Ґ, 1 (см. рис. 1.4, б). Поэтомуиндекс этой плоскости можно запи­сать ввиде (001).

   Индексами плоскостей, параллельныхплоскостям XOZ иYOZ, окажутсявыражения (010) и (100) (рис. 1.4, б). Индексвертикальной диагональной плоскости кубавыразит­ся через (110), (рис. 1.2, в),а индекс наклонной плоско­сти,пересекающейся со всеми тремя осямикоординат на уда­лении одного параметра,примет вид (111) (см. рис. 1.4, г).

Геометрия решетки[править]

Орты (единичные векторы) [math]{bf n}_alpha[/math], задающие направление от некоторого атома кристаллической решетки к его ближайшим соседям, могут быть представлены в виде:

[math]textbf{n}_{1,2,3,4,5,6,7,8}=frac{1}{sqrt{3}}(pm textbf{i}pm textbf{j}pm textbf{k})[/math]

где [math]{bf i},,{bf j},,{bf k}[/math] — орты Декартовой системы координат.

Взаимодействие кислот с металлами

С кислотами металлы реагируют по-разному. Металлы, стоящие в электрохимическом ряду активности металлов (ЭРАМ) до водорода, взаимодействуют практически со всеми кислотами.

Взаимодействие неокисляющих кислот с металлами, стоящими в электрическом ряду активности металлов до водорода

Происходит реакция замещения, которая также является окислительно-восстановительной:

Mg+2HCl=MgCl2+H2↑{displaystyle {mathsf {Mg+2HCl=MgCl_{2}+H_{2}uparrow }}}{mathsf {Mg+2HCl=MgCl_{2}+H_{2}uparrow }}2Al+2H3PO4=2AlPO4+3H2↑{displaystyle {mathsf {2Al+2H_{3}PO_{4}=2AlPO_{4}+3H_{2}uparrow }}}{mathsf {2Al+2H_{3}PO_{4}=2AlPO_{4}+3H_{2}uparrow }}

Взаимодействие концентрированной серной кислоты H2SO4 с металлами

Окисляющие кислоты могут взаимодействовать и с металлами, стоящими в ЭРАМ после водорода:

Cu+2H2SO4=CuSO4+SO2↑+2H2O{displaystyle {mathsf {Cu+2H_{2}SO_{4}=CuSO_{4}+SO_{2}uparrow +2H_{2}O}}}{mathsf {Cu+2H_{2}SO_{4}=CuSO_{4}+SO_{2}uparrow +2H_{2}O}}

Сильно разбавленная кислота реагирует с металлом по классической схеме:

Mg+H2SO4=MgSO4+H2↑{displaystyle {mathsf {Mg+H_{2}SO_{4}=MgSO_{4}+H_{2}uparrow }}}{mathsf {Mg+H_{2}SO_{4}=MgSO_{4}+H_{2}uparrow }}

При увеличении концентрации кислоты образуются различные продукты:

Mg+2H2SO4=MgSO4+SO2↑+2H2O{displaystyle {mathsf {Mg+2H_{2}SO_{4}=MgSO_{4}+SO_{2}uparrow +2H_{2}O}}}{mathsf {Mg+2H_{2}SO_{4}=MgSO_{4}+SO_{2}uparrow +2H_{2}O}}3Mg+4H2SO4=3MgSO4+S↓+4H2O{displaystyle {mathsf {3Mg+4H_{2}SO_{4}=3MgSO_{4}+Sdownarrow +4H_{2}O}}}{mathsf {3Mg+4H_{2}SO_{4}=3MgSO_{4}+Sdownarrow +4H_{2}O}}4Mg+5H2SO4=4MgSO4+H2S↑+4H2O{displaystyle {mathsf {4Mg+5H_{2}SO_{4}=4MgSO_{4}+H_{2}Suparrow +4H_{2}O}}}{mathsf {4Mg+5H_{2}SO_{4}=4MgSO_{4}+H_{2}Suparrow +4H_{2}O}}

Реакции для азотной кислоты (HNO3)

Продукты взаимодействия железа с HNO3 разной концентрации

Продукты взаимодействия железа с HNO3 разной концентрации

Cu+4HNO3(60%)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O{displaystyle {mathsf {Cu+4HNO_{3}(60%)=Cu(NO_{3})_{2}+2NO_{2}uparrow +2H_{2}O}}}{displaystyle {mathsf {Cu+4HNO_{3}(60%)=Cu(NO_{3})_{2}+2NO_{2}uparrow +2H_{2}O}}}3Cu+8HNO3(30%)=3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O{displaystyle {mathsf {3Cu+8HNO_{3}(30%)=3Cu(NO_{3})_{2}+2NOuparrow +4H_{2}O}}}{displaystyle {mathsf {3Cu+8HNO_{3}(30%)=3Cu(NO_{3})_{2}+2NOuparrow +4H_{2}O}}}

При взаимодействии с активными металлами вариантов реакций ещё больше:

Zn+4HNO3(60%)=Zn(NO3)2+2NO2↑+2H2O{displaystyle {mathsf {Zn+4HNO_{3}(60%)=Zn(NO_{3})_{2}+2NO_{2}uparrow +2H_{2}O}}}{displaystyle {mathsf {Zn+4HNO_{3}(60%)=Zn(NO_{3})_{2}+2NO_{2}uparrow +2H_{2}O}}}3Zn+8HNO3(30%)=3Zn(NO3)2+2NO↑+4H2O{displaystyle {mathsf {3Zn+8HNO_{3}(30%)=3Zn(NO_{3})_{2}+2NOuparrow +4H_{2}O}}}{displaystyle {mathsf {3Zn+8HNO_{3}(30%)=3Zn(NO_{3})_{2}+2NOuparrow +4H_{2}O}}}4Zn+10HNO3(20%)=4Zn(NO3)2+N2O↑+5H2O{displaystyle {mathsf {4Zn+10HNO_{3}(20%)=4Zn(NO_{3})_{2}+N_{2}Ouparrow +5H_{2}O}}}{displaystyle {mathsf {4Zn+10HNO_{3}(20%)=4Zn(NO_{3})_{2}+N_{2}Ouparrow +5H_{2}O}}}5Zn+12HNO3(10%)=5Zn(NO3)2+N2↑+6H2O{displaystyle {mathsf {5Zn+12HNO_{3}(10%)=5Zn(NO_{3})_{2}+N_{2}uparrow +6H_{2}O}}}{displaystyle {mathsf {5Zn+12HNO_{3}(10%)=5Zn(NO_{3})_{2}+N_{2}uparrow +6H_{2}O}}}4Zn+10HNO3(3%)=4Zn(NO3)2+NH4NO3+3H2O{displaystyle {mathsf {4Zn+10HNO_{3}(3%)=4Zn(NO_{3})_{2}+NH_{4}NO_{3}+3H_{2}O}}}{displaystyle {mathsf {4Zn+10HNO_{3}(3%)=4Zn(NO_{3})_{2}+NH_{4}NO_{3}+3H_{2}O}}}

Легирование

Легирование — это введение в расплав дополнительных элементов, модифицирующих механические, физические и химические свойства основного материала.

1.5.Аллотропия металлов

   Некоторые металлы, например, железо, титан,олово и др. способны по достиженииопределенных темпера­тур изменятькристаллическое строение, т. е. изменять типэлементарной ячейки своей кристаллическойрешетки. Это явление получило название аллотропииили полиморфизма, а сами переходы отодного кристаллического строения к дру­гомуназываются аллотропическими илиполиморфными.

   На рис. 1.7 показано изменение свободной энергии F от температуры tдля двух вариантовкристаллического строения же­леза: ОЦК (кривая1) и ГЦК (кривая2).

   В интервале температур 911-1392оC железо имеетрешетку ГЦК, так как при этом его свободнаяэнергия меньше. При t<911°С и t>1392°С, у негодолжна быть ре­шетка ОЦК, обладающаяменьшей свободной энергией.

Рис.1.7. Изменение свободной энергии (Fсв) взависимости от температуры (T) и типакристал­лической решетки: 1 – для ОЦК-решетки;2 – для ГЦК-решетки

   Разные аллотропические формы металловобозначают­ся буквами греческого алфавита,при этом низкотемператур­ные модификацииобозначаются буквой a,а последующие в порядке роста температур -буквами b, g ,d ит. д. Аллотропическимиформами железа являются: до 911°С – альфа-же­лезо(a-Fe),имеющее ОЦК-решетку, от 911°С до 1392 °С -гамма-железо(g -Fe) срешеткой ГЦК и от 1392°С до 1539 °С т. е. дотемпературы плавления – снова a-Feс решеткой OЦK, однако, чтобы отличить его отнизкотемпературной модификации, егопринято называть дельта-железом (d-Fе).

   Известное в практике так называемоенемагнитное бета-железо (b-Fe) самостоятельной аллотропической формойне является, так как имеет такую же, как у a-FeОЦК-решетку и отличается от него толькоотсутствием магнитных свойств, которые онотеряет при 768°С (точка Кюри).

Примечания[править]

  1. Для простых решеток подобную область называют ячейкой Вигнера-Зейтца.

1.6. Дефекты кристаллической решетки металла

   Кристаллическая решетка, в которойотсутствуют нарушения сплошности и всеузлы заполнены однородными атомаминазывается идеальной кристалли­ческойрешеткой металла.

   В решетке реального металла могутнаходиться различные дефекты.

   Все дефекты кристаллической решеткипринято делить на точечные, линейные,поверхностные и объемные.

   Точечные дефектысоизмеримы с размерами атомов. К нимотносятся вакансии, т. е. незаполненные узлырешет­ки, межузельные атомыданного металла (рис 1.8), примесные атомызамещения, т. е. атомы, по диаметрусоизмеримые с атомами данного металла и примесные атомы внедрения, имеющиеочень малые размеры и поэтому находящиеся вмеждоузлиях (рис 1.9). Влияние этихдефектов на прочность металла может бытьразличным в зависимости от их ко­личества вединице объема и характера.

L2_Obraz_vak_DivX.gif

Рис.1.8. Схема образования пары вакансия-внедренный атом

Рис.1.9. Примесные атомы внедрения и замещения

   Линейные дефекты имеютдлину, значительно превышаю­щую ихпоперечные размеры. К ним относятся дислокации,т. е. дефекты, образующиеся в решетке врезультате смещений кристаллографическихплоскостей.

   Дислокации бывают двух видов.

   Наиболее характерной является краеваядислокация (рис. 1.10). Она образуется врезультате возникновения в решетке такназываемой полуплоскости илиэкстраплоскости.

L2_Dislok_lin.gif

Рис. 1.10.Схема краевой дислокации в идеальном кристалле

   Нижний ряд экстраплоскости собственно ипринято называть дислокацией.

   Другим типом дислокации является винтоваядислокация, которая представляет собойнекоторую условную ось внутри кристалла,вокруг которой закручены атомные плоскости(рис.1.11).

L2_Dislok_vint.gif

Рис. 1.11.Схема винтовой дислокация

   В винтовой дислокации, так же как в краевой,существенные искажения кристаллическойрешетки наблюдаются только вблизи оси,поэтому такой дефект может быть отнесен клинейным.

   Дислокации обладают высокой подвижностью,поэтому существенно уменьшают прочностьметалла, так как облегчают образованиесдвигов в зернах-кристаллитах поддействием приложенных напряжений.

   Дислокационный механизм сдвиговой пластическойдеформации внутри кристаллов можетпривести к разрушению изделия. Таким образом, дислокациинепосредственно влияют на прочностныехарактеристики металла.

   Для оценки этого влияния используетсяплотность дислокаций, под которой принятопо­нимать отношение суммарной длиныдислокаций к объему содержащего их металла.Плотности дислокаций измеряется в см-2или м-2.

   На рис. 1.12 в виде кривой ABCсхематическипоказана за­висимость прочности металла отплотности дислокаций. Точ­ка А соответствуеттеоретической прочности металла, обус­ловленнойнеобходимостью одновременного разрывавсех межатомных связей, проходящих черезплоскость сдвига, в случае отсутствиядислокаций.

   При увеличении количества дислокаций (см.участок АВ) прочность резко снижается,так как на несколько порядков уменьшаютсяусилия, необходимые для осущест­влениясдвигов в зернах металла при егодеформировании и разрушении.

Рис.1.12. Зависимость предела прочности кристаллаот плотности линейных дефектов(дислокаций).Кривая Одинга

   При плотности дислокаций 106-107 см-2 (точ­ка В на кривой), прочностиминимальна, и на участке ВС происходитее рост. Это объясняется тем, что с ростомплотности дислокаций их передвижениепроисходит не только по парал­лельным, но ипо пересекающимся плоскостям, чтосущественно затрудняет процессдеформирования зерен.

Поэтомуначиная с точки В прочность металлавозрастает.

   Максимальная плотностьдислокаций, может составить 1013 см-2. Придальнейшем росте плотности дислокацийпроисходит разрушение металла.

   Поверхностные дефектывключают в себя главным образом границызерен (рис.1.13). На границах кристаллическая решеткасильно искажена. В них скапливаютсяперемещающиеся изнутри зерен дислокации.

Из практики известно, что мелкозернистыйметалл прочнее круп­нозернистого. Так как упоследнего меньше суммарная про­тяженность(площадь) границ. То можно сделать вывод, чтоповерхностные дефекты способствуютповышению прочности металла. Поэтомусоздано несколько технологическихспособов полу­чения мелкозернистыхсплавов.granica_zerna.gif

Рис.1.13.Структура границы двух соседнихкристаллических зерен

Объемные дефектыкристаллической решетки включают трещины ипоры. Наличие данных дефектов, уменьшаяплотность металла, снижает его прочность.

   Кроме того, трещины являются сильнымиконцентратора­ми напряжений, в десятки иболее раз повышающими напря­жениясоздаваемые в металле рабочими нагрузками.По­следнее обстоятельство наиболеесущественно влияет на прочность металла.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда – пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.5. Всего получено оценок: 160.

obrazovaka.ru

Ссылки

  • Сайт журнала Металлы
  • Электронный справочник по теплофизическим свойствам металлов
⛭

Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu,
Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H2,
W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au

modif.png Эта страница в последний раз была отредактирована 20 июня 2021 в 17:17.

Как только страница обновилась в Википедии она обновляется в Вики 2.
Обычно почти сразу, изредка в течении часа.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...