Тема 1. Кристаллическое строение металлов. Полиморфизм. Дефекты в кристаллах. Теоретическая и фактическая прочность. Влияние кристаллического строения на механические свойства металлов. Анизотропия.

Тема 1. Кристаллическое строение металлов. Полиморфизм. Дефекты в кристаллах. Теоретическая и фактическая прочность. Влияние кристаллического строения на механические свойства металлов. Анизотропия.

Кристаллическое строение металлов. Полиморфизм

Как охарактеризовать атомно-кристаллическое строение металлов?

Общее свойство металлов и сплавов – их кристаллическое строение, характеризующееся дальним порядком - определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Атомно-кристаллическая структура может быть представлена изображением одной элементарной ячейкой(выделена жирными линиями на рис. 1), повторяющейся в трех измерениях.

Рис. 1. Кристаллическая решетка

В точках пересечения прямых линий располагаются элементарные частицы (атомы, ионы); они называются узлами решетки. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах, называют параметрами или периодами решетки. Период решетки выражается в нанометрах (1нм = 10^-9 см).

Какие типы элементарных ячеек кристаллических решеток наиболее характерны для металлов?

В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Наиболее характерны для металлов три типа элементарных ячеек кристаллических решеток: (ГЦК), (ОЦК) и ГПУ) (Рис.2).

Рис. 2. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток металлов и схемы упаковки в них атомов

а – гранецентрированная кубическая (ГЦК);

б – объемно центрированная кубическая (ОЦК);

в – гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетка;

В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (Pb, Ni, Ag, Au, Pt, Feγ, Cu и др.)

В кубической объемноцентрированной решетке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба, а один – в центре его объема ( Feα, Tiβ, W, V, Cr, Nb и др.).

В гексагональной плотноупакованной решетке (ГПУ) атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома – в средней плоскости призмы (: Mg, Tiα, Zn, Cd, Be и др.).

Для характеристики кристаллических решеток введены понятия базиса решетки, координационного числаикоэффициента компактности.

Что называют координационным числом?

Координационным числом называют число атомов, находящихся на расстоянии наиболее близком равном от данного атома. В решетке ОЦК каждый атом имеет всего 8 ближайших соседей, а в решетках ГЦК и ГПУ их 12 (рис.4).

Рис. 4. Схема показывающая число атомов находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома в разных кристаллических решетках (С.С. Штейнберг):

А – К12; б – К8; в – К12.

Таким образом, для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решетки ГЦК оно составляет 12. ГПУ решетка, для которой c/α = 1,633, также имеет координационное число 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чем решетки ГЦК и ГПУ.

Дефекты в кристаллах.

В любом реальном кристалле всегда имеются дефекты строения, которые оказывают существенное влияние на свойства материала. Существует следующее подразделение дефектов кристаллического строения по геометрическим признакам: точечные, линейны, поверхностные и макродефекты объемного характера.

Рис. 6. Краевая дислокация.

Линейная атомная полуплоскость PQQ’P’ называется экстраплоскостью, а нижний край экстраплоскости – линией дислокации. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком "┴", а если в нижней - то отрицательной и обозначают знаком “┬”.. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположных – притягиваются. Сближение дислокаций разного

знака приводит к их взаимному уничтожению (аннигиляции). Из приведенной схемы видно, что атомы над краевой дислокацией испытывают сжатие, а нижние атомы – растяжение.

Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться и винтовые дислокации (рис.7). Винтовая дислокация, образованная вращением по часовой стрелке, называется правой, а против часовой стрелки – левой.

Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест и кристаллическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряжений; выше линии дислокации решетка сжата, а ниже – растянута.

Рис. 7. Винтовая дислокация.

Энергия искажения кристаллической решетки характеризуется с помощью вектора Бюргерса.Этот вектор может быть получен, если, переходя от узла к узлу, обвести замкнутый контур в реальном кристалле, заключив дислокацию внутрь контура (рис.8). Участок ВС будет состоять из шести отрезков, а участок DA из пяти. Разница ВС – DA = b, где b есть величина вектора Бюргерса.

Рис. 8. Схема определения вектора Бюргерса для краевой дислокации:

Рис. 9. Схема строения зерен и границ между ними.

Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5 – 10 атомных расстояний. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого.

Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей. Плоскости и направления скольжения в соседних зернах не совпадают. Скольжение первоначально развивается в наиболее благоприятно ориентированных зернах. Разная ориентировка систем скольжения не позволяет дислокациям переходить в соседние зерна, и, достигнув границы зерен, они останавливаются. Напряжения от скопления дислокаций у границ одних зерен упруго распространяются через границы в соседние зерна, в результате чего в них приводятся в действие источники образования новых дислокаций. Вследствие того, что границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства металла.

Рис. 10. Схема пластической деформации путем последовательного перемещения дислокации в простой кубической решетке

а – исходное состояние краевой дислокации; б – контур Бюргерса вокруг дислокации;

Рис. 11. Влияние искажений кристаллической решетки на прочность кристаллов.

При ограниченной плотности дислокаций процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дислокаций в металле. С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций и их плотность увеличивается. Помимо

параллельных дислокаций возникают дислокации в разных плоскостях и направлениях. Дислокации воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемещаться.

С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затрудненным, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации.В результате металл упрочняется, что соответствует правой ветви кривой на рис.11.

Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся атомы растворенных в металле примесей и легирующих элементов, частицы выделения второй фазы, границы зерен и т.д.

На практике препятствие движению дислокаций, т.е. упрочнение, создается введением других элементов (легированием), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится прочным, но хрупким.

Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями:

1) получением металлов с более 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.

Что называют текстурой?

Такая мнимая изотропность металла не будет наблюдаться, если кристаллы имеют одинаковую преимущественную ориентацию в каких-то направлениях. Эта ориентированность, или текстура, создается, например, в результате значительной холодной деформации. В этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств. Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления деформации могут существенно различаться.

Вопросы к теме 1. Кристаллическое строение металлов и его влияние на механические свойства. Полиморфизм. Дефекты в кристаллах, теоретическая прочность.

1. Охарактеризуйте атомно-кристаллическое строение металлов.
2. Какие типы элементарных ячеек кристаллических решеток, наиболее характерных для металлов?
3. Что называют базисом решетки?
4. Что называют координационным числом?
5. Что называют коэффициентом компактности?
6. Какое явление называют полиморфизмом?
7. .Какое практическое значение имеет явление полиморфизма?
8. Назовите дефекты кристаллического строения.
9. Какие дефекты называются точечными?
10. Какие дефекты называются линейными?
11. Какие дефекты называются поверхностными?

12. Что понимают под размером зерна?

1. Какие дефекты называются макродефекты объемного характера?
2. Каким образом происходит пластическая деформация в кристалле?

15. Чем объясняется большое расхождение между теоретической и фактической прочностью металла?

16. Каково значение теории дислокаций?

17. Как зависит прочность металла от степени плотности дислокаций?

18. Какие еще факторы способствуют упрочнению металла?

1. Охарактеризуйте явление анизотропии свойств?
2. Что называют текстурой?

Тест к теме 1. Кристаллическое строение металлов. Полиморфизм. Дефекты в кристаллах. Теоретическая и фактическая прочность. Влияние кристаллического строения на механические свойства металлов. Анизотропия.

1.1.1. 1.Для металлов в твердом состоянии характерен следующий порядок расположения атомов:

А) ближний порядок;

Б) дальний порядок.

2. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах элементарной ячейки, называется:

А) базисом решетки;

Б) периодами решетки.

1.1. 2. 3. Какие тип элементарных ячеек кристаллических решеток представлен на рис.1?

Рис.1

А) гранецентрированная кубическая (ГЦК);

Б) объемно центрированная кубическая (ОЦК);

В) гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетка.

Рис. 6. Краевая дислокация.

Линейная атомная полуплоскость PQQ’P’ называется экстраплоскостью, а нижний край экстраплоскости – линией дислокации. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком "┴", а если в нижней - то отрицательной и обозначают знаком “┬”.. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположных – притягиваются. Сближение дислокаций разного

знака приводит к их взаимному уничтожению (аннигиляции). Из приведенной схемы видно, что атомы над краевой дислокацией испытывают сжатие, а нижние атомы – растяжение.

Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться и винтовые дислокации (рис.7). Винтовая дислокация, образованная вращением по часовой стрелке, называется правой, а против часовой стрелки – левой.

Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест и кристаллическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряжений; выше линии дислокации решетка сжата, а ниже – растянута.

Рис. 7. Винтовая дислокация.

Энергия искажения кристаллической решетки характеризуется с помощью вектора Бюргерса.Этот вектор может быть получен, если, переходя от узла к узлу, обвести замкнутый контур в реальном кристалле, заключив дислокацию внутрь контура (рис.8). Участок ВС будет состоять из шести отрезков, а участок DA из пяти. Разница ВС – DA = b, где b есть величина вектора Бюргерса.

Рис. 8. Схема определения вектора Бюргерса для краевой дислокации:

Рис. 9. Схема строения зерен и границ между ними.

Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5 – 10 атомных расстояний. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого.

Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей. Плоскости и направления скольжения в соседних зернах не совпадают. Скольжение первоначально развивается в наиболее благоприятно ориентированных зернах. Разная ориентировка систем скольжения не позволяет дислокациям переходить в соседние зерна, и, достигнув границы зерен, они останавливаются. Напряжения от скопления дислокаций у границ одних зерен упруго распространяются через границы в соседние зерна, в результате чего в них приводятся в действие источники образования новых дислокаций. Вследствие того, что границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства металла.

Рис. 10. Схема пластической деформации путем последовательного перемещения дислокации в простой кубической решетке

а – исходное состояние краевой дислокации; б – контур Бюргерса вокруг дислокации;

Рис. 11. Влияние искажений кристаллической решетки на прочность кристаллов.

При ограниченной плотности дислокаций процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дислокаций в металле. С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций и их плотность увеличивается. Помимо

параллельных дислокаций возникают дислокации в разных плоскостях и направлениях. Дислокации воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемещаться.

С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затрудненным, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации.В результате металл упрочняется, что соответствует правой ветви кривой на рис.11.

Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся атомы растворенных в металле примесей и легирующих элементов, частицы выделения второй фазы, границы зерен и т.д.

На практике препятствие движению дислокаций, т.е. упрочнение, создается введением других элементов (легированием), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится прочным, но хрупким.

Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями:

1) получением металлов с более 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.

Что называют текстурой?

Такая мнимая изотропность металла не будет наблюдаться, если кристаллы имеют одинаковую преимущественную ориентацию в каких-то направлениях. Эта ориентированность, или текстура, создается, например, в результате значительной холодной деформации. В этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств. Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления деформации могут существенно различаться.

Тема 1. Кристаллическое строение металлов. Полиморфизм. Дефекты в кристаллах. Теоретическая и фактическая прочность. Влияние кристаллического строения на механические свойства металлов. Анизотропия.