Анизотропия– это зависимость свойств материала от направления. Материал считаетсяизотропным, когда его свойства во всех направлениях одинаковые. Если же с изменением направления свойства материала изменяются, материал считаетсяанизотропным.
Анизотропия характерна для кристаллов и обусловлена их упорядоченной структурой. В кристаллах в различных направлениях атомы располагаются с различной плотностью, т.е. на различном расстоянии друг от друга, что отражается на силе взаимодействия атомов. Как следствие, свойства кристаллов в различных направлениях оказываются различными. Например, в кубическом кристалле в направлении координатных осей атомы вещества располагаются на расстоянии друг от друга равном а (рис.1). В направлении диагонали атомы располагаются на расстоянии а
, а в направлении пространственной диагонали – а
. Очевидно, такой кристалл легче разорвать в направлении пространственной диагонали, чем в направлении координатных осей, где он обнаруживает наибольшую прочность из-за того, что атомы расположены ближе и сильнее взаимодействуют.
Анизотропия распространяется практически на все свойства кристаллов. Так, кристалл в одном направлении лучше, чем в другом может проводить тепло, электрический ток, свет, лучше намагничиваться и т.д. При этом, чем ниже система симметрии кристалла, тем сильнее проявляется анизотропия его свойств.
В аморфных материалах, из-за хаотического внутреннего строения, атомы в различных направлениях располагаются примерно с одинаковой плотностью. В результате свойства данных материалов в различных направлениях оказываются одинаковыми, т.е. вещество оказывается изотропным.
Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, также очень часто обнаруживают равенство свойств в различных направлениях, хотя и являются материалами кристаллическими, а не аморфными. Это объясняется их зернистым строением. Зёрна данных материалов, будучи кристаллами, в различных направлениях обнаруживают различные свойства, однако в целом материал оказывается изотропным, поскольку зёрна случайным образом ориентированы в пространстве и при сложении свойств в каждом направлении получается примерно одна, усреднённая величина. Такую изотропию называют ложной изотропией или квазиизотропией.
Иногда зёрна поликристаллических материалов оказываются ориентированными преимущественно в одном направлении. Например, зёрна металлов и сплавов при пластическом деформировании вытягиваются в направлении деформации. Такое явление называют текстурой. При появлении текстуры свойства кристаллических материалов вновь начинают зависеть от направления, т.е. материал оказывается анизотропным.
Структура реальных кристаллов не является идеально симметричной. В реальных кристаллах всегда имеются те или иные отклонения от периодичности расположения атомов. Эти нарушения порядка называют дефектами кристаллической структуры.
Дефекты кристаллической структуры, в зависимости от размеров, подразделяют на точечные, линейные, поверхностные и объёмные.
Точечные дефекты кристаллической структурыво всех трёх измерениях имеют размеры сравнимые с межатомным расстоянием, т.е. порядка одного нанометра. К точечным дефектам структуры относятся вакансии, межузельные атомы и атомы примесей.
Вакансиейназывают незанятое атомом свободное место в узле кристаллической решётки.Межузельным называют атом, смещённый из узла кристаллической решётки в положение между узлами (рис.3). Данные дефекты возникают, как правило, парами, поскольку смещение атома в межузельное положение сопровождается появлением вакансии.
Примесные атомы – это инородные атомы, которые размещаются либо в узлах кристаллической решётки (примесные атомы замещения), либо в межузельном пространстве (примесные атомы внедрения).
В – вакансия;
МА – межузельный
атом;
ПАЗ – примесный атом
замещения;
ПАВ – примесный атом
внедрения.
Рис. 3. Точечные дефекты кристаллической структуры.
Вакансии и межузельные атомы непрерывно появляются в кристаллах за счёт энергии тепловых колебаний атомов. Они относительно свободно перемещаются по кристаллу и могут встречаться друг с другом. При встрече межузельного атома с вакансией возможна рекомбинация, т.е. замещение вакантного места межузельным атомом. Дефекты также могут исчезать на любых свободных поверхностях кристалла: на порах, границах зёрен, микротрещинах, которые называют стоками дефектов. Процессы непрерывной рекомбинации, а также исчезновения дефектов на стоках, уравновешиваются процессами их генерации так, что в кристалле всегда поддерживается некоторая равновесная концентрация точечных дефектов. Чем выше температура кристалла, тем выше эта равновесная концентрация дефектов.
Вакансии и межузельные атомы обычно не оказывают заметного влияния на механические свойства материалов, поскольку искажения, вносимые ими в структуру, имеют очень маленький размер. Однако, при возрастании концентрации данных дефектов до значений, значительно превышающих равновесное, это влияние становиться более заметным. Например, при бомбардировке материалов потоком высокоэнергетичных частиц в их поверхностном слое образуется большое число точечных радиационных дефектов, что приводит к существенному изменению поверхностных свойств материала. Имеются сведения о повышении твёрдости и износостойкости облучённой поверхности. Изменяются и другие характеристики облучённых материалов.
Поскольку все точечные дефекты, и особенно примесные атомы, препятствуют прохождению электрического тока через металлические материалы, возрастание их концентрации в металлах приводит к повышению электросопротивления.
Линейные дефекты кристаллической структурыв двух измерениях имеют размеры, сравнимые с межатомным расстоянием, а в третьем измерении простираются на многие сотни и тысячи периодов кристаллической решётки. К линейным дефектам структуры относяткраевые и винтовые дислокации.
Краевую дислокациюобразует край АА' «лишней» атомной полуплоскости, называемой экстраплоскостью (рис. 4).
Рис.4. Краевая дислокация.
Если экстраплоскость располагается в верхней части кристалла, то соответствующую дислокацию обозначают значком «», а если в нижней, то знаком «┬». Вдоль линии дислокации кристаллическая структура материала искажена, однако на расстоянии всего в несколько периодов кристаллической решётки от данной линии искажений структуры уже не наблюдается. Линия краевой дислокации обычно бывает изогнутой, а не прямой. Форма этой линии под воздействием внешних и внутренних факторов может изменяться, так же как и её местоположение в кристалле.
В
интовую дислокациюможно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой его части, происходящий по некоторой плоскости скольжения – ПС (рис.5). ЛиниюL, лежащую в этой плоскости и отделяющую ту её часть, где сдвиг уже произошел от той её части, где сдвиг ещё не происходил, называютлинией винтовой дислокации. Кристалл как бы закручивается в спираль вокруг этой линии. Если закручивание происходит по часовой стрелке, то соответствующую дислокацию называют правой, если против часовой стрелки – то левой.
Рис. 5. Винтовая дислокация.
Линия любой отдельной дислокации не может обрываться внутри кристалла. Она либо выходит на поверхность кристалла, в частности на границы зёрен, либо замыкается сама на себя, образуя дислокационную петлю. Под плотностью дислокацийпонимают суммарную протяжённость всех дислокаций, находящихся в единице объёма материала:
, (1)
где li– длина отдельной дислокации;N– общее число дислокаций в материале;V– объём материала. Единицей измерения ρ является см/см3или см-2.
Равновесная плотность дислокаций в полупроводниковых кристаллах находится в пределах 104 105см–2, а в металлах – 106 108см–2.
В определённых условиях дислокации, также как и точечные дефекты, способны перемещаться по кристаллу. При этом дислокации одного знака отталкиваются друг от друга, а противоположенных знаков – притягиваются. При встрече двух дислокаций противоположенных знаков может произойти их аннигиляция, т.е. взаимоуничтожение. Под воздействием внешних нагрузок, вызывающих пластическую деформацию материала, происходит перемещение дислокаций в сторону свободных поверхностей кристалла. Вместо вышедших на поверхность, а также аннигилировавших дислокаций, в деформируемом материале нарождаются новые дислокации.
Дислокации, благодаря их значительной протяжённости, оказывают существенное влияние на механические свойства материалов. Они играют важную роль в механизме пластического деформирования материалов. При пластической деформации материалов наблюдается сдвиг атомных слоёв относительно друг друга и дислокации способствуют этому процессу. Благодаря дислокациям атомные слои могут смещаться относительно друг друга не сразу целиком, а поэтапно, т.е. атомными рядами. Такой поэтапный сдвиг атомных слоёв выглядит как движение дислокаций в противоположенном направлении и требует при деформировании значительно меньших усилий.
Учитывая вышесказанное можно утверждать, что металлы и сплавы своей высокой пластичностью обязаны наличию в них достаточно большого количества подвижных дислокаций. Под воздействием холодной пластической деформации плотность дислокаций в металлах возрастает до 10111012см–2. При такой высокой плотности дислокации начинают интенсивно взаимодействовать и мешать друг другу, что приводит к ограничению их подвижности. В результате металл становится менее пластичным и более прочным. Такое явление называютнаклёпом.
Поверхностные дефектыкристаллическойструктурыв одном из измерений имеют размеры, сравнимые с межатомным расстоянием, а в двух других измерениях простираются на многие сотни и тысячи межатомных расстояний. К поверхностным дефектам структуры относят границы зёрен, фрагментов и блоков. Указанные границы являются местом скопления всевозможных точечных и линейных дефектов. Они выглядят как дислокационные стенки, разделяющие кристаллический материал на участки (рис.6).
Рис.6. Дислокационная стенка.
Порядок расположения атомов в зоне границ сильно нарушен. Это наиболее дефектная область материала. По границам зёрен обычно распространяются трещины, разрушающие металлический материал, а также более активно идут процессы взаимодействия металла с химически активными веществами, в частности, процессы окисления, а также травления кислотами.
Поверхностные дефекты оказывают существенное влияние на свойства материалов. Они, в частности, способствуют процессам диффузии, но препятствуют процессу прохождения электрического тока через материал. Для механических свойств особое значение имеет общая протяженность межзёренных границ в единице объёма, т.е. плотность границ. С уменьшением размера зёрен, а, следовательно, увеличением плотности их границ, увеличиваются вязкость, пластичность и прочность металлических материалов.
Объёмные дефектыструктурыимеют значительные размеры во всех трех измерениях. К объёмным дефектам структуры относят всевозможные поры, инородные включения, выбоины и царапины на поверхности, микротрещины и т.п. При разрушении материалов объёмные дефекты обычно играют роль концентраторов напряжений и источников трещин, а поэтому являются причиной снижения прочностных характеристик материала.
studfiles.net
Количество просмотров публикации Анизотропия кристаллов - 4014
Физические свойства твердого тела можно разделить на две категории: одна из них включает такие свойства, как плотность, удельная теплоемкость, которые не связаны с выбором какого-либо направления внутри твердого тела, свойства же другой категории (механические модули, термический коэффициент расширения, коэффициент теплопроводности, удельное сопротивление, показатель преломления и др.) бывают различными для разных направлений в твердом теле.
Изотропностью принято называть независимость физических свойств тела от направления внутри него. В случае если такие физические свойства тела, как модуль упругости, коэффициент теплопроводности, показатель преломления и т. п., одинаковы по всем направлениям, то такое тело будет изотропным.
Под анизотропией принято понимать зависимость свойств макроскопически однородного тела от направления. Изотропными являются аморфные тела, жидкости и газы. Анизотропия же является характерной особенностью кристаллов. Но обнаружить анизотропность можно не у всяких кристаллических тел, а только у монокристаллов. Большинство окружающих нас кристаллических тел, к примеру, металлы, являются поликристаллическими, т. е. они состоят из очень большого числа сросшихся друг с другом мелких кристаллических зерен, ориентированных различным образом. В случае если в ориентации этих мелких кристалликов нет какого-либо определенного порядка, то данное поликристаллическое тело будет изотропно. В случае если же в ориентации кристаллических зерен наблюдается упорядоченность (а она может возникнуть при таких методах обработки металлов, как прокатка, протяжка, волочение), то материал принято называть текстурированным и обнаруживает некоторую анизотропность.
В обычных поликристаллических металлах кристаллические зерна настолько малы, что, как правило, различимы лишь при наблюдении в микроскоп. Но при медленном охлаждении расплава металла можно получить крупнозернистый слиток, в котором кристаллические зерна легко рассмотреть невооруженным глазом. В случае если же применить особую методику охлаждения расплава металла, то можно получить такие образцы, в которых будет находиться всего одно кристаллическое зерно – один кристалл. Такие однокристальные образцы называются монокристаллами.
В природе встречаются довольно большие монокристаллы минералов, а иногда и металлов (самородки золота). Можно получить монокристаллы многих веществ (в том числе и металлов) искусственно. Для этого приходится соблюдать иногда очень тонкую и достаточно сложную технологию.
Наглядным примером анизотропии механической прочности кристалла является способность кристаллов слюды легко расщепляться на тонкие листочки по определенному направлению и обладать достаточной прочностью в перпендикулярном направлении. Монокристаллы некоторых металлов (цинка, висмута͵ сурьмы) тоже довольно легко скалываются по определенным плоскостям. Плоскость скола при этом представляет собой хорошее зеркало.
Исследования показали, что кристаллы могут обладать анизотропией теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств и пр.
Анизотропия проявляется и в поверхностных свойствах кристаллов. К примеру, коэффициент поверхностного натяжения для разнородных граней кристалла имеет различную величину. При росте кристалла из расплава или раствора это является причиной различия скоростей роста разных граней.
Анизотропия скоростей роста обусловливает правильную форму растущего кристалла. Анизотропия поверхностных свойств проявляется в различии скоростей растворения разных граней кристалла, адсорбционной способности, химической активности разных граней одного и того же кристалла.
Причина анизотропии состоит в том, что кристаллы имеют строго упорядоченное строение. Важнейшим следствием упорядоченной структуры является анизотропия физических свойств кристалла.
Поясним сказанное. На рисунке 2.9 изображена схема расположения атомов в кристалле. Плоскость рисунка совпадает с одной из плоскостей, проходящей через узлы кристаллической решетки. Можно сказать, что кристалл представляет собой пачку таких плоскостей, лежащих как листы бумаги в книге.
(010) (100) (110) (120) (320).
Вместе с тем, видно, что расстояния между смежными секущими плоскостями тем больше, чем плотнее ʼʼнаселенностьʼʼ их атомами. Легко представить себе, что в наиболее плотно заполненных плоскостях атомы прочнее связаны друг с другом, так как расстояния между ними меньше.
С другой стороны, наиболее плотно заполненные плоскости, будучи удаленными друг от друга на относительно большие расстояния, чем мало заселенные плоскости, будут слабее связаны друг с другом. Следовательно, наш условный кристалл обладает анизотропией механической прочности: легче всего его расколоть по плоскости (010).
На основании изложенного можно сделать обобщение, что и другие физические свойства кристалла (тепловые, электрические, магнитные, оптические) бывают различными по разным направлениям.
Численные значения некоторых физических свойств кристаллов для разных направлений могут иногда различаться на несколько порядков. У кристаллов графита͵ к примеру, удельное электрическое сопротивление по направлению [001] почти в сто раз больше, чем по перпендикулярному направлению.
Один и тот же кристалл должна быть изотропным в отношении одного свойства и анизотропным в отношении другого. К примеру, кристалл поваренной соли изотропен относительно диэлектрической проницаемости, коэффициента теплового расширения, показателя преломления, но анизотропен в отношении механических свойств и в отношении скоростей роста и растворения граней.
Анизотропия физических свойств кристаллов используется в технике, базирующейся на применении монокристаллов (полупроводниковая электроника, электро- и радиотехника, кристаллооптика и др.). Монокристаллические элементы полупроводниковых приборов, стабилизаторов частоты, пьезодатчиков, оптических приборов изготовляются со строгим учетом кристаллографического направления. Для этих целей нужно изготовить монокристаллический образец не только определенной чистоты, формы и размеров, но и с нужной ориентацией кристаллографических осей.
referatwork.ru
Министерство образования и науки Украины
Донбасский государственный технический университет
Кафедра ОМД
ЛЕКЦИЯ
по дисциплине Металловедение
на тему
«Атомно-кристаллическое строение металлов»
Ст.преп. Горецкий Ю.В.
Алчевск 2009
«Атомно-кристаллическое строение металлов»
1. Строение металлов в твердом состоянии
Все металлы и металлические сплавы – тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металле закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы расположены хаотично.
Металлическое состояние возникает в комплексе атомов, когда при их сближении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими, т.е. коллективизируются и свободно перемещаются между положительно заряженными и периодически расположенными ионами.
Устойчивость металла определяется электрическим притяжением между положительно заряженными ионами и обобщенными электронами (такое взаимодействие получило название металлической связи).
Сила связи в металлах определяется силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной (рис. 1)
Рисунок 1. Энергетические условия взаимодействия атомов в кристаллической решетке вещества
Величина а соответствует расстояние между атомами в кристаллической решетке, а а0соответствует равновесному расстоянию между атомами. В связи с этим в металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.
Металлические состояния характеризуются высокой энергией связи между атомами. Мерой ее служит теплота сублимации (сумма энергии необходимой для перехода твердого металла к парообразному состоянию, для металла – от 20 до 200 ккал/(г·атом)).
2. 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, Tiβ, Tlβ, Zrβ, Ta, W, V, Feα, Cr, Nb, Ba, и др.
ГЦК: Cu, Al, Pt, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Feγ, Coα, Caα, Ce, Srα, Th, Scи др.
ГПУ: Mg, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Be, Coβ, Caα, Zrα, Laα, Tiαи др.
Рисунок 2. Кристаллические решетки металлов и схемы упаковки атомов
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.
ДляОЦК: a, b, c; a = b = c.
ДляГЦК: a, b, c; a = b = c.
Для ГПУ: а, с; с/а = 1,633 (к Znне 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.
3. Полиморфные (аллотропические) превращения
Атомы металла – исходя из геометрических соображений, могут образовать любую кристаллическую решетку.
Однако устойчивым, а, следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.
--PAGE_BREAK--Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах (т.н. полиморфных (аллотропических) модификациях). В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющего решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа.
Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой α, при более высокой температуре β, затем γ и т.д.
Полиморфное превращение протекает при постоянной температуре (например, при нагреве идет поглощение теплоты).
Известные полиморфные превращения: Feα ↔ Feβ; Coα ↔ Coβ; Tiα ↔ Tiβ; Mnα ↔ Mnβ ↔ Mnγ ↔ Mnδ; Snα ↔ Snβ, а также для Ca, Li, N, Cs, Sr, Te, Zr, V и др.
Металл с данной кристаллической решеткой должен обладать меньшим запасом свободной энергии.
Рисунок 3. Полиморфизм железа и его связь со свободной энергией системы
Полиморфизм железа. Из рис. 3, видно, что в интервале температур 911 – 1392°С устойчивым является γ-железо (К 12) (имеет min свободную энергию), а при температурах ниже 911°С и выше 1392°С устойчиво α-железо (К 8).
В твердом металле полиморфные превращения происходят в результате зарождения и роста кристаллов аналогично кристаллизации из жидкого состояния. Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зерна исходных кристаллов.
В результате полиморфного превращения образуется новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому превращение также называют перекристаллизацией.
Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов и сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств, механических и химических свойств и т.д.
Высокотемпературная модификация имеет высокую пластичность.
В таблице № 1 показан интервал температур существования различных аллотропических форм некоторых, имеющих практическое значение металлов, у которых обнаружена температурная аллотропия.
/>
4. Анизотропия свойств металлов
Из атомно-кристаллического строения металлов видно, что плотность расположения атомов по различным плоскостям в кристаллических решетках неодинакова (рис. 4).
Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки многие свойства (химические, физические, механические) каждого кристалла зависят от направления решетки. Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией.
/>
Рисунок 4. Расположение атомов в различных плоскостях и направлениях в кубической решетке (ОЦК)
Кристалл – тело анизотропное в отличие от аморфных тел (стекло, пластмассы и т.д.), свойства которых не зависят от направления.
Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллов. В большинстве случаев, как уже указывалось выше, кристаллы статистически неупорядоченно ориентированы один по отношению к другому, поэтому во всех направлениях свойства более или менее одинаковы, т.е. поликристаллическое тело является изотропным (вернее – квазиизотропным (ложная изотропия)). Такая мнимая изотропность не будет наблюдаться, если кристаллы имеют одинаковую преимущественную ориентировку в каких-то направлениях. Эта ориентированность, или текстура, создается в известной степени, но не полностью в результате значительной холодной деформации; в этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств.
Литература
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.
Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.
Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. М., 1983.
Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.
www.ronl.ru
Министерство образования и науки Украины
Донбасский государственный технический университет
Кафедра ОМД
ЛЕКЦИЯ
по дисциплине Металловедение
на тему
«Атомно-кристаллическое строение металлов»
Ст.преп. Горецкий Ю.В.
Алчевск 2009
«Атомно-кристаллическое строение металлов»
1. Строение металлов в твердом состоянии
Все металлы и металлические сплавы – тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металле закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы расположены хаотично.
Металлическое состояние возникает в комплексе атомов, когда при их сближении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими, т.е. коллективизируются и свободно перемещаются между положительно заряженными и периодически расположенными ионами.
Устойчивость металла определяется электрическим притяжением между положительно заряженными ионами и обобщенными электронами (такое взаимодействие получило название металлической связи).
Сила связи в металлах определяется силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной (рис. 1)
Рисунок 1. Энергетические условия взаимодействия атомов в кристаллической решетке вещества
Величина а соответствует расстояние между атомами в кристаллической решетке, а а0соответствует равновесному расстоянию между атомами. В связи с этим в металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.
Металлические состояния характеризуются высокой энергией связи между атомами. Мерой ее служит теплота сублимации (сумма энергии необходимой для перехода твердого металла к парообразному состоянию, для металла – от 20 до 200 ккал/(г·атом)).
2. 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, Tiβ, Tlβ, Zrβ, Ta, W, V, Feα, Cr, Nb, Ba, и др.
ГЦК: Cu, Al, Pt, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Feγ, Coα, Caα, Ce, Srα, Th, Sc и др.
ГПУ: Mg, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Be, Coβ, Caα, Zrα, Laα, Tiα и др.
Рисунок 2. Кристаллические решетки металлов и схемы упаковки атомов
Расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку, называют периодом решетки, измеряется в нанометрах (1нм = 10-9 см = Å= 10-8 см).
Периоды решетки металлов находятся в пределах 0,2 – 0,7 нм.
ДляОЦК: a, b, c; a = b = c.
ДляГЦК: 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.
3. Полиморфные (аллотропические) превращения
Атомы металла – исходя из геометрических соображений, могут образовать любую кристаллическую решетку.
Однако устойчивым, а, следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.
Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах (т.н. полиморфных (аллотропических) модификациях). В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющего решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа.
Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой α, при более высокой температуре β, затем γ и т.д.
Полиморфное превращение протекает при постоянной температуре (например, при нагреве идет поглощение теплоты).
Известные полиморфные превращения: Feα ↔ Feβ; Coα ↔ Coβ; Tiα ↔ Tiβ; Mnα ↔ Mnβ ↔ Mnγ ↔ Mnδ; Snα ↔ Snβ, а также для Ca, Li, N, Cs, Sr, Te, Zr, V и др.
Металл с данной кристаллической решеткой должен обладать меньшим запасом свободной энергии.
Рисунок 3. Полиморфизм железа и его связь со свободной энергией системы
Полиморфизм железа. Из рис. 3, видно, что в интервале температур 911 – 1392°С устойчивым является γ-железо (К 12) (имеет min свободную энергию), а при температурах ниже 911°С и выше 1392°С устойчиво α-железо (К 8).
В твердом металле полиморфные превращения происходят в результате зарождения и роста кристаллов аналогично кристаллизации из жидкого состояния. Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зерна исходных кристаллов.
В результате полиморфного превращения образуется новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому превращение также называют перекристаллизацией.
Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов и сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств, механических и химических свойств и т.д.
Высокотемпературная модификация имеет высокую пластичность.
В таблице № 1 показан интервал температур существования различных аллотропических форм некоторых, имеющих практическое значение металлов, у которых обнаружена температурная аллотропия.
4. Анизотропия свойств металлов
Из атомно-кристаллического строения металлов видно, что плотность расположения атомов по различным плоскостям в кристаллических решетках неодинакова (рис. 4).
Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки многие свойства (химические, физические, механические) каждого кристалла зависят от направления решетки. Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией.
Рисунок 4. Расположение атомов в различных плоскостях и направлениях в кубической решетке (ОЦК)
Кристалл – тело анизотропное в отличие от аморфных тел (стекло, пластмассы и т.д.), свойства которых не зависят от направления.
Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллов. В большинстве случаев, как уже указывалось выше, кристаллы статистически неупорядоченно ориентированы один по отношению к другому, поэтому во всех направлениях свойства более или менее одинаковы, т.е. поликристаллическое тело является изотропным (вернее – квазиизотропным (ложная изотропия)). Такая мнимая изотропность не будет наблюдаться, если кристаллы имеют одинаковую преимущественную ориентировку в каких-то направлениях. Эта ориентированность, или текстура, создается в известной степени, но не полностью в результате значительной холодной деформации; в этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств.
Литература
1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.
2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.
3. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. М., 1983.
4. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.
www.ronl.ru
Министерство образования и науки Украины
Донбасский государственный технический университет
Кафедра ОМД
ЛЕКЦИЯ
по дисциплине Металловедение
на тему
«Атомно-кристаллическое строение металлов»
Ст.преп. Горецкий Ю.В.
Алчевск 2009
«Атомно-кристаллическое строение металлов»
1. Строение металлов в твердом состоянии
Все металлы и металлические сплавы – тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металле закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы расположены хаотично.
Металлическое состояние возникает в комплексе атомов, когда при их сближении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими, т.е. коллективизируются и свободно перемещаются между положительно заряженными и периодически расположенными ионами.
Устойчивость металла определяется электрическим притяжением между положительно заряженными ионами и обобщенными электронами (такое взаимодействие получило название металлической связи).
Сила связи в металлах определяется силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной (рис. 1)
Рисунок 1. Энергетические условия взаимодействия атомов в кристаллической решетке вещества
Величина а соответствует расстояние между атомами в кристаллической решетке, а а0 соответствует равновесному расстоянию между атомами. В связи с этим в металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.
Металлические состояния характеризуются высокой энергией связи между атомами. Мерой ее служит теплота сублимации (сумма энергии необходимой для перехода твердого металла к парообразному состоянию, для металла – от 20 до 200 ккал/(г·атом)).
2. 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, Tiβ, Tlβ, Zrβ, Ta, W, V, Feα, Cr, Nb, Ba, и др.
ГЦК: Cu, Al, Pt, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Feγ, Coα, Caα, Ce, Srα, Th, Sc и др.
ГПУ: Mg, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Be, Coβ, Caα, Zrα, Laα, Tiα и др.
Рисунок 2. Кристаллические решетки металлов и схемы упаковки атомов
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.
3. Полиморфные (аллотропические) превращения
Атомы металла – исходя из геометрических соображений, могут образовать любую кристаллическую решетку.
Однако устойчивым, а, следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.
Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах (т.н. полиморфных (аллотропических) модификациях). В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющего решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа.
Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой α, при более высокой температуре β, затем γ и т.д.
Полиморфное превращение протекает при постоянной температуре (например, при нагреве идет поглощение теплоты).
Известные полиморфные превращения: Feα ↔ Feβ; Coα ↔ Coβ; Tiα ↔ Tiβ; Mnα ↔ Mnβ ↔ Mnγ ↔ Mnδ; Snα ↔ Snβ, а также для Ca, Li, N, Cs, Sr, Te, Zr, V и др.
Металл с данной кристаллической решеткой должен обладать меньшим запасом свободной энергии.
Рисунок 3. Полиморфизм железа и его связь со свободной энергией системы
Полиморфизм железа. Из рис. 3, видно, что в интервале температур 911 – 1392°С устойчивым является γ-железо (К 12) (имеет min свободную энергию), а при температурах ниже 911°С и выше 1392°С устойчиво α-железо (К 8).
В твердом металле полиморфные превращения происходят в результате зарождения и роста кристаллов аналогично кристаллизации из жидкого состояния. Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зерна исходных кристаллов.
В результате полиморфного превращения образуется новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому превращение также называют перекристаллизацией.
Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов и сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств, механических и химических свойств и т.д.
Высокотемпературная модификация имеет высокую пластичность.
В таблице № 1 показан интервал температур существования различных аллотропических форм некоторых, имеющих практическое значение металлов, у которых обнаружена температурная аллотропия.
4. Анизотропия свойств металлов
Из атомно-кристаллического строения металлов видно, что плотность расположения атомов по различным плоскостям в кристаллических решетках неодинакова (рис. 4).
Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки многие свойства (химические, физические, механические) каждого кристалла зависят от направления решетки. Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией.
Рисунок 4. Расположение атомов в различных плоскостях и направлениях в кубической решетке (ОЦК)
Кристалл – тело анизотропное в отличие от аморфных тел (стекло, пластмассы и т.д.), свойства которых не зависят от направления.
Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллов. В большинстве случаев, как уже указывалось выше, кристаллы статистически неупорядоченно ориентированы один по отношению к другому, поэтому во всех направлениях свойства более или менее одинаковы, т.е. поликристаллическое тело является изотропным (вернее – квазиизотропным (ложная изотропия)). Такая мнимая изотропность не будет наблюдаться, если кристаллы имеют одинаковую преимущественную ориентировку в каких-то направлениях. Эта ориентированность, или текстура, создается в известной степени, но не полностью в результате значительной холодной деформации; в этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств.
Литература
1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.
2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.
3. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. М., 1983.
4. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.
www.referatmix.ru
Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны.
В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства.
Зависимость свойств от направления называется анизотропией.
Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.
Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.
Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).
до 900 ºС - ОЦК - α железо
930 оС - 1300 ºС - ГЦК – γ железо
1390 оС - 1540 ºС - ОЦК - α железо
Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.
(Именно это превращение послужило одной из причин гибели антарктической экспедиции Р. Скотта, покорившей 18 января 1912 г. Южный полюс. Путешественники погибли на обратном пути из-за отсутствия топлива. Сосуды с горючим прохудились, так как белое олово, которым они были пропаяны, «не выдержало мороза» и рассыпалось.)
Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.
Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.
Из жидкого расплава можно вырастить монокристалл. Их обычно используют в лабораториях для изучения свойств того или иного вещества.
Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение.
Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается
В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают следующие типы дефектов:
- точечные – малые во всех трех измерениях;
- линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;
- поверхностные – малые в одном измерении.
Точечные дефекты
1. Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин.
Образуется при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, пустоты, трещины и т.д. ), в результате пластической деформации и других воздействий.
Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела (примерно 1 вак на 1018 атомов при комнатной температуре и 1 вак на 100 около температуры плавления).
2. Межузельный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие.
Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия.
Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии.
Самодиффузия – переход атома металла из узла кристаллической решетки в соседний или в межузелье под действием теплового возбуждения.
Диффузия – перенос разнородных атомов, который сопровождается изменением концентрации компонентов в отдельных зонах сплава.
Линейные дефекты
Основными линейными дефектами являются дислокации.
Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.
Бывают:
краевые и винтовые.
Рис. Краевая дислокация.
Плотность дислокаций – суммарная длина всех дислокаций приходящаяся на единицу объема
Для металлов плотность дислокаций изменяется в широких пределах: =108-1013 см/см3
Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала.
Дислокации легко перемещаются в направлении, перпендикулярном экстраплоскости. Чем легче перемешаются дислокации, тем ниже прочность металла, тем легче идет пластическая деформация.
Пластическая деформация кристаллических тел связана с количеством дислокаций, их шириной, подвижностью, степенью взаимодействия с дефектами решетки и т. д. Характер связи между атомами влияет на пластичность кристаллов. Так, в неметаллах с их жесткими направленными связями дислокации очень узкие, они требуют больших напряжений для старта — в 103раз больших, чем для металлов. В результате хрупкое разрушение в неметаллах наступает раньше, чем сдвиг.
Таким образом, причиной низкой прочности реальных металлов является наличие в структуре материала дислокаций и других несовершенств кристаллического строения. Получение бездислокационных кристаллов приводит к резкому повышению прочности материалов (рис. 1.10).
В настоящее время созданы кристаллы почти без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм - “усы“ с прочностью, близкой к теоретической: для железа = 13000 МПа, для меди =30000 МПа.
Рис. Зависимость прочности от концентрации дислокаций
С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций в металле и их плотность увеличивается. Помимо параллельных дислокаций возникают дислокации в разных плоскостях и направлениях. Дислокации воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемешаться, происходит их аннигиляция (взаимное уничтожение) и т. д., что позволило Дж. Гордону образно назвать их взаимодействие в процессе пластической деформации «интимной жизнью дислокаций». С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затрудненным, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации.
Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся атомы растворенных в металле примесей и легирующих элементов, частицы выделений второй фазы, границы зерен или блоков и т. д. На практике препятствие движению дислокаций, т. е. упрочнение, создается введением других элементов (легирование), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится более прочным, но хрупким.
Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями: 1) получением металлов с близким к идеальному строением кристаллической решетки, т. е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало; 2) либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.
Способы повышения количества дислокаций:
Механическое воздействие (наклеп)
Термическая обработка
Легирование
Поверхностные дефекты
Малы только в одном направлении
К ним относят: границы зерен (кристаллов), субзерен и блоков.
studfiles.net
Министерство образования и науки Украины
Донбасский государственный технический университет
Кафедра ОМД
ЛЕКЦИЯ
по дисциплине Металловедение
на тему
«Атомно-кристаллическое строение металлов»
Ст.преп. Горецкий Ю.В.
Алчевск 2009
«Атомно-кристаллическое строение металлов»
1. Строение металлов в твердом состоянии
Все металлы и металлические сплавы – тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металле закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы расположены хаотично.
Металлическое состояние возникает в комплексе атомов, когда при их сближении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими, т.е. коллективизируются и свободно перемещаются между положительно заряженными и периодически расположенными ионами.
Устойчивость металла определяется электрическим притяжением между положительно заряженными ионами и обобщенными электронами (такое взаимодействие получило название металлической связи).
Сила связи в металлах определяется силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной (рис. 1)
Рисунок 1. Энергетические условия взаимодействия атомов в кристаллической решетке вещества
Величина а соответствует расстояние между атомами в кристаллической решетке, а а0соответствует равновесному расстоянию между атомами. В связи с этим в металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.
Металлические состояния характеризуются высокой энергией связи между атомами. Мерой ее служит теплота сублимации (сумма энергии необходимой для перехода твердого металла к парообразному состоянию, для металла – от 20 до 200 ккал/(г·атом)).
2. 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, Tiβ, Tlβ, Zrβ, Ta, W, V, Feα, Cr, Nb, Ba, и др.
ГЦК: Cu, Al, Pt, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Feγ, Coα, Caα, Ce, Srα, Th, Sc и др.
ГПУ: Mg, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Be, Coβ, Caα, Zrα, Laα, Tiα и др.
Рисунок 2. Кристаллические решетки металлов и схемы упаковки атомов
Расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку, называют периодом решетки, измеряется в нанометрах (1нм = 10-9 см = Å= 10-8 см).
Периоды решетки металлов находятся в пределах 0,2 – 0,7 нм.
ДляОЦК: a, b, c; a = b = c.
ДляГЦК: 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.
3. Полиморфные (аллотропические) превращения
Атомы металла – исходя из геометрических соображений, могут образовать любую кристаллическую решетку.
Однако устойчивым, а, следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.
Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах (т.н. полиморфных (аллотропических) модификациях). В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющего решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа.
Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой α, при более высокой температуре β, затем γ и т.д.
Полиморфное превращение протекает при постоянной температуре (например, при нагреве идет поглощение теплоты).
Известные полиморфные превращения: Feα ↔ Feβ; Coα ↔ Coβ; Tiα ↔ Tiβ; Mnα ↔ Mnβ ↔ Mnγ ↔ Mnδ; Snα ↔ Snβ, а также для Ca, Li, N, Cs, Sr, Te, Zr, V и др.
Металл с данной кристаллической решеткой должен обладать меньшим запасом свободной энергии.
Рисунок 3. Полиморфизм железа и его связь со свободной энергией системы
Полиморфизм железа. Из рис. 3, видно, что в интервале температур 911 – 1392°С устойчивым является γ-железо (К 12) (имеет min свободную энергию), а при температурах ниже 911°С и выше 1392°С устойчиво α-железо (К 8).
В твердом металле полиморфные превращения происходят в результате зарождения и роста кристаллов аналогично кристаллизации из жидкого состояния. Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зерна исходных кристаллов.
В результате полиморфного превращения образуется новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому превращение также называют перекристаллизацией.
Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов и сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств, механических и химических свойств и т.д.
Высокотемпературная модификация имеет высокую пластичность.
В таблице № 1 показан интервал температур существования различных аллотропических форм некоторых, имеющих практическое значение металлов, у которых обнаружена температурная аллотропия.
4. Анизотропия свойств металлов
Из атомно-кристаллического строения металлов видно, что плотность расположения атомов по различным плоскостям в кристаллических решетках неодинакова (рис. 4).
Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки многие свойства (химические, физические, механические) каждого кристалла зависят от направления решетки. Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией.
Рисунок 4. Расположение атомов в различных плоскостях и направлениях в кубической решетке (ОЦК)
Кристалл – тело анизотропное в отличие от аморфных тел (стекло, пластмассы и т.д.), свойства которых не зависят от направления.
Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллов. В большинстве случаев, как уже указывалось выше, кристаллы статистически неупорядоченно ориентированы один по отношению к другому, поэтому во всех направлениях свойства более или менее одинаковы, т.е. поликристаллическое тело является изотропным (вернее – квазиизотропным (ложная изотропия)). Такая мнимая изотропность не будет наблюдаться, если кристаллы имеют одинаковую преимущественную ориентировку в каких-то направлениях. Эта ориентированность, или текстура, создается в известной степени, но не полностью в результате значительной холодной деформации; в этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств.
Литература
1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.
2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.
3. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. М., 1983.
4. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.
www.ronl.ru
