Атомно-кристаллическое строение металла.
Металлы, описываемые пространственной кристаллической решеткой, под которой понимают наименший комплекс атомов, при многократной трансляции которых по всем направлениям воспроизводится пространственная кристаллическая решетка.
В узлах кристаллической решетки располагаются атомы.
Пространственную кристаллическую решетку легче всего представить в виде элементарной кристаллической ячейки. Ячейка – это та часть решетки, при многократной трансляции которой она и воспроизводится.
Три основные вектора элементарной ячейки называются трансляционными плоскими осевыми единицами.
Абсолютная величина трансляции – это период кристаллической решетки.
Период кристаллической решетки измеряют в анкстреммах
1А=10-8 см или в кХ (килоиксах), так называемых кристаллографических анкстреммах.
1кХ=1,00202 А
На одну элементарную ячейку приходится различное количество атомов; при чем атомы занимают определенные места в ячейке.
В зависимости от расположения атомов в ячейке различают простые, кубические, объемно-центрированные кубические, гранецентрированные кубические, гексагональные решетки.
1.Простая решетка представляется в виде куба, в узлах которой располагаются атомы.
Простейшая решетка описывается одним параметром, которым является ребро куба а.
2.Объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК) представляет собой также куб, внутри которого дополнительно расположен еще один атом.
Параметры решетки определяются длиной ребра куба а.
3.Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК) представляет собой куб, В центре каждой грани которого расположены дополнительно по одному атому.
4.Гексагональная плотно упакованная решетка. В отличие от кубической характеризуется двумя параметрами а и с.
В случае, если отношение с/а=1,666, то решетка считается плотноупакованной, а иначе – неплотно упакованной.
Примеры:
ОЦК – вольфрам, молибден, железо Fea;
ГЦК – алюминий, медь, никель, железо Feg;
ГПУ – бериллий … .
Некоторые металлы, например индий, имеют тетрагональную решетку.
Свойства металлов при прочих равных условиях определяются типом кристаллической решётки, т.е. количеством атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. На простую ячейку приходит с один полный атом.
На ОЦК ячейку приходится два атома: один атом вносится атомом и один принадлежит только этой ячейке.
Для ВЦК на одну ячейку приходится четыре атома.
Плотность кристаллической решетки определяется, так называемым координатным числом. Под координатным числом понимается число атомов, находящихся на кратчайшем расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки К=8, для ГЦК – К=12 и для ГПУ – К=12.
От величины координатного числа зависит компактность (плотность укладки) кристаллической решетки. Так в простой кристаллической решетки плотность укладки атомов в ячейке составляет менее 50%. В ОЦК – 50%, в решетках с координатным числом 12 – порядка 75%.
3. Кристаллографические обозначения атомов, плоскостей и направлений.
Под кристаллографическими плоскостями понимается 3 целых взаимно простых числа обратно пропорциональных числу осевых единиц, отсекаемых данной плоскостью по координатным осям x,y,z.
ABCD (100), AFKB (001), BKLD (010)
Под индексами кристаллографических плоскостей и направлений было вызвано потребностью объяснить зависимость свойств металлов от направлений кристаллографических плоскостей. Иными словами, дать объяснение с точки зрения техники понятие влияния анизотропии.
По различным направлениям в кристалле располагаются различные количества атомов: физические, химические, механические при прочих равных условиях и определяются числом атомов, расположенным в данном направлении; чем больше количество атомов расположено в данном направлении, тем выше уровень свойств.
Неодинаковость свойств по различным направлениям в кристалле и называется анизотропией.
Любой кристалл – анизотропен. Однако, поскольку реальные металлы состоят из большого числа зерен (на 1 см2 – десятки тыс. зерен) создается впечатление, что металл изотропен, т.к. каждое из зерен ориентировано по-своему – это явление получило название квазианизотропией (ложной).
Поэтому, если испытывать металл по различным направлениям, то свойства его будут одинаковы. Деформирование металлов приводит к ориентации зерен, а также кристаллографических плоскостей в направлении деформации. Закономерная ориентация кристаллографических плоскостей в направлении действующих нагрузок называется текстурой.
Анизотропия металлов
Анизотропия — неоднородность физических, механических и других свойств кристаллов в различных направлениях.
При обработке давлением, особенно при штамповке изделий из меди и других металлов и сплавов, анизотропия вызывает так называемый брак по неровности поверхности.
В поликристаллических телах с бессистемной ориентировкой кристаллитов явление анизотропии не должно иметь места. На практике, это явление наблюдается на отожженном материале и обусловливается главным образом технологическими факторами. В меди анизотропия свойств резко выражена в том случае, если холодная прокатка в последнем пропуске связана с сильной деформацией, а отжиг- перед последним пропуском производится при пониженных температурах. Последний отжиг наготово-(при любых температурах) не устраняет анизотропии, так как в этом случае вместо текстуры деформации появляется текстура рекристаллизации. Анизотропию свойств поликристаллической меди можно ослабить до минимума, применяя рациональную технологию. Однако такая оптимальная технология не может быть одинаковой для всех сортов меди, так как на анизотропию свойств прокатанной меди значительное влияние оказывают также примеси, присутствующие в металле.