Інформація про новину
  • Переглядів: 60
  • Дата: 9-05-2021, 00:16
9-05-2021, 00:16

3.1. Атомно-кристалічна будова металів

Категорія: Матеріалознавство





Попередня сторінка:  2.5. Скло
Наступна сторінка:   3.3 Методи дослідження структури метал...

3. СТРУКТУРА МЕТАЛІВ

Вивчивши матеріали цього розділу, учні знатимуть:

• стани, в яких може перебувати речовина;

• ознаки, за якими характеризуються метали у твердому стані;

• типи основних кристалічних решіток металів залежно від схеми розміщення атомів;

• поняття «анізотропії» і як вона впливає на властивості металу.

1. Відомо, що речовина при звичайних температурах і тиску може перебувати у твердому, рідкому і газоподібному станах. За певних умов - у плазмовому (частково або повністю іонізований газ) або надгустому станах.

2. Розрізняють тіла аморфні, в яких атоми розташовані хаотично, й тіла кристалічні, в яких атоми розташовуються в певному геометрично правильному порядку. Метали - тіла кристалічні.

3. Метали у твердому стані характеризуються такими ознаками: високою теплопровідністю і електропровідністю; позитивним коефіцієнтом електричного опору; термоелектронною емісією; високим альбедо (відбивною здатністю); підвищеною здатністю до пластичної деформації (ковкістю).

4. Найпоширенішим є використання металів та їх сплавів у твердому полікристалічному стані. Метали, якщо їх отримують звичайним способом, є полікриста-лічними тілами, які складаються з великої кількості дрібних кристалів, по-різному орієнтованих щодо один одного.

5. Основною ознакою, за якою тіло вважають кристалічним, є не зовнішня форма тіла, а його внутрішня будова. Кристалічне тіло у твердому стані характеризується певним закономірним розміщенням -має кристалічну решітку, що складається з ряду паралельних кристалографічних площин, розташованих на певній відстані одна від одної. У вузлах кристалічної решітки містяться атоми або позитивно заряджені іони.

6. Кожна кристалічна решітка складається з багатьох елементарних кристалічних комірок, які мають різну кількість атомів або іонів. Під елементарною кристалічною коміркою розуміють найменший комплекс атомів, який при багаторазовому повторенні в просторі дає змогу відтворити кристалічну решітку.

7. Для більшості чистих металів і їх сплавів найбільш характерними є три типи кристалічних решіток:

- кубічна об'ємноцентрована решітка (ОЦК), в елементарній комірці якої міститься дев'ять атомів (вісім у вершинах куба і один - у центрі). Такий тип решітки мають літій, натрій, калій, ванадій, молібден, вольфрам, ніобій, тантал, хром, титан (p-фаза) при температурі 885-1720 °С, а-залізо при температурі нижче ніж 910 °С і вище ніж 1401 °С тощо;

- кубічна гранецентрована решітка (ГЦК), в елементарній комірці якої розташовані 14 атомів (вісім - у вершинах і шість - на гранях куба). Таку решітку мають мідь, золото, срібло, алюміній, свинець, платина, нікель, кальцій, у-залізо при температурі 910-1401 °С тощо;

- гексагональна решітка зі щільним пакуванням атомів (ГПУ), в елементарній комірці якої містяться 17 атомів. Таку решітку мають магній, цинк, кадмій, титан (a-фаза) до 885 °С, телур, берилій гафній, осмій та ін.

8. Утворення кристалічної решітки атомами металів зумовлюється металічним зв'язком. Суть його полягає в тому, що, згідно з теорією металічного стану, у всіх або в деяких атомів із вузлів кристалічної решітки є окремі валентні електрони, розташовані на зовнішній електронній оболонці, які відриваються і вільно переміщуються між позитивно зарядженими іонами й атомами, що залишилися, утворюючи «електронний газ».

Ці електрони в умовах неперервного руху в кристалічній решітці одночасно притягуються до декількох позитивно заряджених іонів, що і забезпечує металічний зв'язок між ними.

9. Залежно від того, скільки атомів металу втрачають електрони, стаючи позитивно зарядженими іонами, загальна кількість вільних електронів може бути різною, що і зумовлює різні властивості в різних металах: тепло- і електропровідність, пластичність тощо.

10. Атоми металів перебувають у коливальному русі біля точок, які називають «вузлами» решітки. Чим вища температура, тим більша амплітуда цих коливань.

11. Елементарні кристалічні решітки заповнені атомами з різною щільністю, тобто мають різну компактність. Наприклад, в ОЦК-решітці один атом перебуває в центрі куба і у восьми вершинах розташовані вісім атомів, що одночасно належать восьми сусіднім елементарним коміркам. Отже, на кожну елементарну ОЦК-решітку припадає 1 + (1/8) -8 = 2 атоми. Цю кількість атомів для ОЦК-решітки називають базисною.

12. Решітка ГЦК має базисне число (1/8) • 8 + (1/2) • б = 4, а ГПУ- 6.

Щільність елементарної комірки в різних кристалічних решітках різна, тобто об'єм, який займають атоми, неоднаковий.

13. Щільність кристалічної решітки позначається координаційним числом К, яке вказує на кількість атомів, що розташовані на однаковій і найменшій відстані від певного атома; воно характеризує розподіл сил взаємного зв'язку між атомами.

14. Чим вище координаційне число, тим більша щільність пакування атомів. Якщо провести площини в решітках у певних напрямках, то в різних площинах виявиться різна кількість атомів. Неоднакова щільність атомів у різних напрямках викликає в них різні механічні й фізичні властивості кристала.

15. Різницю властивостей металів залежно від напрямку прикладення дії на зразок називають анізотропією, а самі метали - анізотропними тілами. Наприклад, якщо з монокристала заліза вирізати в різних напрямках кілька зразків, то залежно від напрямку вирізання модуль пружності цих зразків може змінюватися з 290 000 до 135 000 МПа.

16. Метали, які затверділи за звичайних умов, складаються з великої кількості по-різному орієнтованих кристаликів, тому властивості цих металів будуть приблизно однаковими за всіма напрямками, однак варто лише на заготовку якось подіяти (наприклад куванням, прокаткою або волочінням), як кристалики орієнтуються приблизно в напрямку дії і заготовка набуває анізотропних властивостей.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. У яких станах може перебувати речовина?

2. Чим відрізняються кристалічні тіла від аморфних?

3. Які ознаки мають метали?

4. Як ви розумієте словосполучення «полікристалічні тіла»?

5. За якими ознаками тіло вважають кристалічним?

6. Що таке елементарна кристалічна решітка?

7. Назвіть три характерні кристалічні решітки металів.

8. У чому полягає суть металевого зв'язку утворення кристалічної будови металів?

9. Чим зумовлені різні властивості металів?

10. Як амплітуда коливань атомів залежить від температури?

11. Як визначають кількість атомів, що припадають на одну елементарну решітку?

12. Що таке анізотропія і як вона впливає на властивості металу?

3.2 Дефекти кристалічної будови (Навчальний елемент 14)

Вивчивши матеріали цього розділу, учні знатимуть:

• причини утворення дефектів кристалічної будови реальних металів;

• визначення дислокацій і причини їх утворення;

• особливості впливу дефектів кристалічної будови металів на їхні властивості.

1. Усі реальні кристалічні тверді тіла (зокрема метали) завжди мають дефекти у своїй будові, які впливають, нерідко дуже сильно, на властивості твердих тіл. Ці дефекти є малими у всіх трьох вимірах, їхні розміри не перевищують декількох атомних діаметрів. До них відносять вакансії, міжвузлові атоми, атоми заміщення, атоми проникнення.

2. Вакансії - точкові дефекти, коли вузли кристалічних решіток не заповнені атомами. Вакансії найчастіше утворюються в результаті переходу атомів з вузла решітки на поверхню і рідше - переходу атома зі свого місця у міжвузловий простір.

3. Міжвузлові атоми утворюються унаслідок переходу атома з вузла кристалічної решітки в міжвузловий простір. На місці атома, який вийшов з кристалічної решітки, утворюється вакансія.

4. Примісні атоми - атоми іншого матеріалу, які деформують кристалічну решітку через відмінність їхніх розмірів від розмірів атомів основного металу. Примісні атоми:

- заміщають атоми у вузлах кристалічної решітки;

- або займають вільний простір між вузлами основної решітки.

5. Дислокаціями називають лінійні недосконалі або одновимірні дефекти кристалічних решіток реальних металів, що являють собою особливі порушення кристалічної будови, які пов'язані з відхиленням реальних кристалів

від ідеальної їх будови. Виникають вони в металах у процесі кристалізації, пластичної деформації та з інших причин, що спричиняють утворення полів напруження у кристалічній решітці, які призводять до відповідних локальних деформацій зміщень. їхня назва походить від латинського слова dislocation, що в перекладі означає «зміщення, зсув».

6. Крайова дислокація - локальне спотворення кристалічної решітки, яке спричинене наявністю у ній зайвої атомної півплощини. Дислокаційні лінії не обриваються всередині кристала, вони виходять на його поверхню, закінчуються на інших дислокаціях або утворюють замкнуті дислокаційні петлі.

7. Уявімо елементарний пластичний зсув для кожної пари спряжених атомів щодо площини ковзання АА з урахуванням сил міжатомної взаємодії.

8. Враховуючи, що в площині ковзання реального металевого кристала є близько 1014 атомів на кожний сантиметр квадратний перерізу, потрібно дуже велике зусилля (для технічного заліза в десятки разів більше, ніж це реально спостерігається).

9. При досягненні необхідного зусилля відбувається пластичний зсув по всій площині ковзання.

10. Уявімо, що в кристалічній решітці з будь-яких причин з'явилась зайва напівплощина атомів, так звана екстраплощина. Край такої площини утворює лінійний дефект решітки, який називають крайовою дислокацією. Така дислокація може простягатися в довжину на багато тисяч періодів решітки. Довкола дислокації утворюється зона пружного скривлення решітки.

11. Пластичний зсув у металі потрібно сприймати як процес естафетного переміщення дислокацій. Через наявність дислокації у кристалі по обидва боки зсуву АА виникає скривлений стан кристалічної решітки з порушеним

порядком ідеальних зв'язків між атомами. В цьому випадку достатньо буде прикласти невелике зовнішнє зусилля Р, щоб викликати поширення хвилі послідовних зміщень вертикальних рядів атомів над площиною ковзання АА.

12. У результаті проходження цієї хвилі дислокації, як своєрідної естафети, дислокація послідовно передаватиметься сусіднім рядам атомів, поки не вийде на межу зерна.

13. При передаванні руху від частого зміщення рядів атомів дислокація вийде на поверхню, де і зникне, як це показано на рисунку. Кінцевим результатом переміщення дислокації вздовж площини ковзання АА є зсув на одну міжатомну відстань, причому для виконання цього зсуву знадобилося значно менше зусилля, ніж при відсутності дислокації.

14. Отже, можна зробити висновок, що процес зсуву в кристалі відбувається тим легше, чим більше дислокацій існує в металі. Навпаки, чим менше в металі таких дислокацій, тим менше можливостей для зсуву і тим він міцніший. У металі, в якому не утворюються дислокації, зсув можливий тільки за рахунок одночасного зміщення однієї частини кристала щодо іншої. У цьому випадку міцність бездислокаційного металу має дорівнювати теоретичній. Відомо, що міцність нит-ковидних кристалів металів - так званих вусів - виявилась ближчою до теоретичної, що, згідно з передбаченими, зумовлено дуже малою кількістю дислокацій.

15. Реальна міцність металів зменшується зі збільшенням кількості дислокацій тільки спочатку. Досягнувши мінімального значення при певній критичній щільності дислокацій, реальна міцність знову починає збільшуватись. Теорія дислокацій дала змогу пояснити, чому реальна міцність металів (для технічно чистого заліза дорівнює 2,5-3,0 МПа) суттєво відрізняється від теоретичної міцності (обчисленої з урахуванням сил міжатомної взаємодії), що для заліза становить близько 200 МПа.

16. Збільшення реальної міцності зі збільшенням щільності дислокацій поясняються тим, що при цьому виникають не тільки паралельні одна одній дислокації, а й дислокації у різних площинах і напрямках. Такі дислокації перешкоджатимуть одна одній переміщатися, і реальна міцність металу збільшиться.

17. Традиційним способом зміцнення металів, які ведуть до збільшення щільності дислокацій, є механічний наклеп, зменшення зерна і загальна фрагментація кристалів у результаті термооброблення. Деякі давно відомі методи легування (наприклад внесення в решітку основного металу чужорідних атомів) утворюють різноманітні недосконалості й викривлення кристалічної решітки, що чинить перепони вільному переміщенню дислокацій або блокують їх.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Що є причиною виникнення дефектів реальних кристалів?

2. Що таке вакансії?

3. Що таке міжвузлові атоми?

4. Чим відрізняється пластичний зсув в ідеальній кристалічній решітці від реальної?

5. Як змінюється міцність металів зі збільшенням кількості дислокацій?

6. Як можна пояснити, що зі збільшенням щільності дислокацій реальна міцність спочатку різко зменшується, а потім поступово збільшується?

 

 

Це матеріал з підручника "Матеріалознавство та технологія металів" Власенко 2019

 



Попередня сторінка:  2.5. Скло
Наступна сторінка:   3.3 Методи дослідження структури метал...



^