АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ. ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

КАФЕДРА ФИЗИКИ МЕТАЛЛОВ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

ЛЕКЦИИ

ПО КУРСУ «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

ДЛЯ СТУДЕНТОВ ЦДФО

ТУЛА2003

Разработала: доц., к.т.н. Фомичева Н.Б.

Утверждено на заседании кафедры ФММ

протокол № 9 от «26» июня 2003г

Зав.кафедрой ФММ ____________Гвоздев А.Е,

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение –наука, изучающая строение и свойства материалов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами. Под материалами нужно понимать какметаллы, так и неметаллические соединения.

Наука «металловедение» –как часть материаловедения возникла в середине XIX в. Впервые связь между строением и свойствами металлов установил П.П.Аносов (1799-1855 гг.),применивший для изучения стали микроскоп. Позднее (1863 г.) микроскоп для исследования строения металлов использовал Сорби (Англия).Однако основы научного металловедения были заложены выдающимся русским металлургом Д.К.Черновым (1839-1921гг.),который за свои работы был назван в литературе отцом металлогра­фии.

Продолжением работ Чернова Д.К. явились исследования Н.В.Гутовского, Н.П.Чижевского, Р.Аустена, а позднее А.М.Бочвара. Г.В.Курдюмова. Н.С.Курнакова и др.

Достижения в области физики прочности и пластичности за последние годы позволили перевести физическое металловедение на качественно но­вый уровень и обеспечили небывалый прогресс в разработке конструкцион­ных и инструментальных материалов в различных областях техники.

АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ

1.1. Классификация металлов

Под металлами понимают определенную группу элементов, расположен­ную в левой части Периодической таблицы Д.И.Менделеева. В технике под металлом понимают вещества, обладающие "металлическим блеском", в той или иной мере присущим всем металлам, и пластичностью. По этому приз­наку металлы можно легко отличить от неметаллов, например дерева, кам­ня, стекла или фарфора.

Особенность строения металлических веществ заключается в том, что они все построены в основном из таких атомов, у которых внешние элект­роны слабо связаны с ядром. Это обусловливает и особый характер хими­ческого взаимодействия атомов металла, и металлические свойства. Элект­роны имеют отрицательный заряд, и достаточно создать ничтожную раз­ность потенциалов, чтобы началось перемещение электронов по направле­нию к положительно заряженному полюсу, создающие электрический ток. Вот почему металлы являются хорошими проводниками электрического тока, а неметаллы или не являются. Слабая связь наружных электронов с ядром обусловливает химические и физические свойства металлов.

В силу указанных выше особенностей металлы и их сплавы имеют сле­дующее атомно-кристаллическое строение. В определенных местах кристал­лической решетки располагаются положительно заряженые ионы, а наруж­ные свободные электроны создают внутри металла, как бы легкотекучую жидкость, или электронный газ, который беспорядочно движется во всех направлениях. При определенных условиях, например при создании разнос­ти потенциалов, движение электронов получает определенное направление и возникает электрический ток.

Теория металлического состояния рассматривает металл как вещест­во, состоящее из положительно заряженных ионов, окруженных отрицатель­но заряженными частицами - электронами, слабо связанными с ядром. Эти электроны непрерывно перемещаются внутри металла и принадлежат не од­ному какому-то атому, а всей совокупности атомов.

Таким образом, характерной особенностью атомно-кристаллического строения металлов является наличие электронного газа внутри металла, слабо связанного с положительно заряженными ионами. Легкое перемещение этих электронов внутри металла и малая их связь с атомами обусловлива­ют наличие у металлов определенных металлических свойств (высокая электро- и теплопроводность, металлический блеск, пластичность и др.)

Все металлы можно разделить на две большие группы - черные и цветные металлы.

Черные металлы темно-серого цвета, с большой плотностью (кроме щелочноземельных) , высокой температурой плавления, и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типич­ным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, отно­сительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Все металлы - можно подразделить следующим об­разом:

1. Железные металлы - железо, кобальт, никель и близкий к ним по своим свойствам марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответс­твующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

2. Тугоплавкие металлы (вольфрам), температура плавления которых выше, чем железа (т.е. 1539 ^оС),применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.

3. Редкоземельные металлы (РМЗ) - лантан, церий, неодим, празео­дим и др., объединяемые под названием лантаноидов, и сходные с ними по свойствам иттрий и скандий.

4. Щелочноземельные металлы (литий, калий, натрий и др) в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением специальных случаев.

Цветные металлы подразделяются :

1. Легкие металлы - бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью.

2. Благородные металлы - серебро, золото, металлы платиновой группы.

3. Легкоплавкие металлы - цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойс­твами - галлий, германий.

1.2.Кристаллическое строение металлов

Всякое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях -твердом, жидком и газообразном.

Твердое вещество под воздействием сил тяжести сохраняет форму, а жидкое растекается и принимает форму сосуда. Однако это определение недостаточно для характеристики состояния вещества. Переход из твердо­го в жидкое и из жидкого в твердое состояние (так же как из газообраз­ного в жидкое) происходит при определенной температуре и сопровождает­ся резким изменением свойств.

В чем же различие между газообразным, жидким и твердым состояния- ми?

В газах нет закономерности расположения частиц (атомов, молекул);частицы хаотически двигаются, отталкиваются одна от другой и газ стре­мится занять возможно больший объем.

В твердых телах порядок расположения атомов определенный, законо­мерный, силы взаимного притяжения и отталкивания уравновешены, и твер­дое тело сохраняет свою форму.

В жидкости частицы ( атомы, молекулы ) сохраняют лишь так называ­емый ближний порядок, т.е. в пространстве закономерно расположено наи­большее количество атомов, а не атомы всего объема, как в твердом те­ле. Ближний порядок неустойчив: он то возникает, то исчезает под дейс­твием тепловых колебаний. Таким образом, жидкое состояние является как бы промежуточным между твердым и газообразным; при соответствующих условиях возможен непосредственный переход из твердого состояния в газообразное без расплавления - сублимации.

Правильное, закономерное расположение частиц (атомов, молекул) в пространстве характеризует кристаллическое состояние. Кристаллическое строение можно представить себе в виде пространственной решетки, в уз­лах которой расположены атомы.

1.3.Кристаллические решетки металлов

Кристаллическое состояние прежде всего характеризуется определен­ным, закономерным расположением атомов в пространстве.

Это обуславливает то, что в кристалле каждый атом имеет одно и то же количество ближайших атомов - соседей, расположенных на одинако­вом от него расстоянии. Стремление атомов (ионов) металла расположиться ближе друг к другу, плотнее, приводит к тому, что число встречающихся комбинаций взаимного расположения атомов металла в крис­таллах невелико.

Расположение атомов в кристалле весьма удобно изображать в виде пространственных схем, в виде так называемых кристаллических ячеек. Под элементарной кристаллической ячейкой подразумевается наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решетку .

Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая ре­шетка. В простой кубической решетке атомы расположены ( упакованы) не­достаточно плотно (рис.1.1 ,а).

Стремление атомов металла занять места, наиболее близкие друг к другу, приводят к образованию решеток других типов: кубической объемноцентрированной, кубической гранецентрированной и гексагональной плотноупакованной (рис.1.1 ).

В кубической объемноцентрированной решетке (ОЦК) атомы располо­жены в углах куба и один атом в центре объема куба. В гранецентрированной кубической решетке (ГЦК) атомы расположены в углах куба и в цент­ре каждой грани, в гексагональной решетке атомы расположены в углах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы.

Кубическую ОЦК решетку имеют металлы: Na, Li, W, V, Cr и др. Кубичес­кую ГЦК решетку имеют Pb, Ni, Ag, Au, Cu и др.

Размеры кристаллической решетки характеризуются параметрами, или

периодами решетки. Кубическую решетку определяет один параметр - длина ребра куба. Параметры имеют величины порядка атомных размеров и изме­ряются в ангстремах. Например, параметр решетки хрома, имеющего структуру объемноцентрированного куба, равен 2,878 А, а параметр решетки алюминия, имеющего структуру гранецентрированного куба, 4,041 А.

Размеры гексагональной плотноупакованной решетки характеризуются постоянным значением с/а=1,633. При иных значениях с/а получается не плотноупакованная гексагональная решетка.

Некоторые металлы имеют тетрагональную решетку; она характеризу­ется тем, что размер ребра «с» не равен размеру ребра «а». Отношение этих параметров ха­рактеризует так называемую степень тетрагональности. Число атомов, находящихся на наиболее близком расстоянии от дан­ного атома, называется координационным числом. Например, атом в простой кубической решетке имеет шесть ближайших равноотстоящих сосе­дей, т.е. координационное число этой решетки равно 6 (рис. 1.2 ).

Центральный атом в объемноцентрированной решетке имеет восемь ближайших равноотстоящих соседей, т.е. координационное число этой ре­шетки равно 8. Координационное число для гранецентрированной решетки равно 12. В случае гексагональной плотноупакованной решетки координа­ционное число равно 12.

1.4.Реальное строение металлических кристаллов

Кристаллы металлов обычно имеют небольшие размеры. Поэтому метал­лическое изделие состоит из очень большого числа кристаллов. Подобное строение называется поликристаллическим. Кристаллы неправильной формы в поликристаллическом агрегате называются зернами, или кристалликами.

Различие отдельных зерен состоит в различной пространственной ориентации и наименьшем расстоянии от данного атома для различных решеток.

1.5.Ориентации кристаллической решетки.

В общем случае ориентация кристал­лической решетки в зерне случайна, с разной степенью вероятности может встретится любая ориентация ее в пространстве.

При очень медленном отводе тепла при кристаллизации, а также с помощью других специальных способов может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, называемый монокристалл. Характер и степень нарушения правильности или совершенства кристаллического строе­ния определяют в значительной мере свойства металлов. Поэтому необхо­димо рассмотреть встречающиеся несовершенства кристаллического строения или что-то же самое строение реальных кристаллов.

Одним из видов несовершенств кристаллического строения является наличие незанятых мест в узлах кристаллической решетки, или иначе - вакансии, или атомных дырок (рис.1.3 ). Такой "точечный" дефект решетки играет важную роль при протекании диффузионных процессов в металлах.

Число вакансий при комнатной температуре очень мало по сравнению с общим числом атомов (примерно 1 вакансия на 10¹⁸ атомов), несильно увеличивается с повышением температуры, особенно вблизи температуры плавления (1 вакансия на 10⁴ атомов).

Другим важнейшим видом несовершенства кристаллического строения являются так называемые дислокации (рис.1.4 ). Представим себе, что в Кристаллической решетке по каким-либо причинам появилась лишняя полуп­лоскость атомов, так называемая экстраплоскость. Край такой плоскости образует линейный дефект (несовершенство) решетки, который называется краевой дислокацией. Краевая дислокация может простираться в длину на многие тысячи параметров решетки, может быть прямой, но может и выги­баться в ту или иную сторону. В пределе она может закрутиться в спи­раль, образуя винтовую дислокацию. Вокруг дислокации возникает зона упругого искажения решетки. Расстояние от центра, дефекта до места ре­шетки без искажения принимают равным ширине дислокации, она невелика и равна нескольким атомным расстояниям.

Таким образом , правильность кристаллического строения нарушается двумя видами дефектов - точечными (вакансии) и линейными (дислокациями). Вакансии непрерывно перемещаются в решетке, когда соседствующий в ней атом переходит в "дырку", оставляя пустым свое старое место. Повы­шение температуры, тепловой подвижности атомов увеличивает число таких актов и увеличивает число вакансий.

Линейные дефекты не двигаются самопроизвольно и хаотически, как вакансии. Однако достаточно небольшого напряжения, чтобы дислокация начала двигаться, образуя плоскость, а в разрезе - линию скольжения С.

Свойства отдельно взятого кристалла (монокристалла) по данному направлению отличаются от свойств в другом направлении и, естественно, зависят от того, сколько атомов встречается в этом направление. Разли­чие свойств в зависимости от направления испытания носит название ани­зотропии. Все кристаллы анизотропы. Анизотропия - особенность любого кристалла, характерная для кристаллического строения.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ