Кристаллическое строение металлов и сплавов

ФГБОУ ВПО  Нижегородский государственный  педагогический университет

 

 

 

 

 

Кристаллическое строение металлов и сплавов.

 

 

 

 

Выполнила: Веникова М.Ю.

ст-ка 1 курса Т-13-1гр. ФУиСТС

Преподаватель: Горшкова Т.А.

 

 

Нижний Новгород

2013

Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.

Атомно-кристаллическая  структура может быть представлена не рядом периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Трансляцией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла.

В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; точки  пересечения называются узлами решетки. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки.

Для однозначного описания элементарной ячейки кристаллической  решетки необходимо знание величин  параметров a, b, c и углов между ними.

В 1848 г. французский ученый Бравэ показал, что изученные трансляционные структуры и элементы симметрии позволяют выделить 14 типов кристаллических решеток.

На рис. 2 показаны три  типа элементарных ячеек кристаллических  решеток, наиболее характерные для  металлов: объемноцентрированная кубическая (ОЦК); гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП), а также схемы упаковки в них атомов.

Для характеристики кристаллических  решеток вводят понятия координационного числа и коэффициента компактности. Координационным числомIк называется число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решеток ГЦК и ГПУ оно составляет 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чем решетки ГЦК и ГПУ. В решетке ОЦК каждый атом имеет всего 8 ближайших соседей, а в решетках ГЦК и ГПУ их 12.

Если принять, что атомы  в решетке представляют собой  упругие соприкасающиеся шары, то нетрудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеется свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. е. объем, занятый атомами, характеризуется  коэффициентом компактности.

Коэффициент компактности Q равен отношению суммарного объема атомов, входящих в решетку, к объему решетки:

где R — радиус атома (иона); n — базис, или число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку; V — объем элементарной ячейки.

Для простой кубической решетки n = (1/8) · 8 = 1; V = a3 = (2R)3, коэффициент компактности Q = 52 %.

На решетку ОЦК (рис. 3.) приходится два атома: один в центре и один как сумма от долей атомов, находящихся в вершинах куба, так  как ячейке принадлежит 1/8 атома  от каждого угла. Коэффициент компактности QОЦК = 68 %.

Некоторые металлы при  разных температурах могут иметь  различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических  формах носит название полиморфизма или аллотропии. Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом α (α-Fe), при более высокой индексом β, затем γ и т.д.

Известны полиморфные  превращения железа: Fea « Feg (a-Fe « g-Fe), титана Tia « Tig  (a-Ti « g- Ti) и других элементов.

Температура превращения  одной кристаллической модификации  в другую называется температурой полиморфного превращения.

При полиморфном превращении  меняются форма и тип кристаллической решетки. Это явление называется перекристаллизацией. Так, при температуре ниже 911°С устойчиво Fea, в интервале 911–1392°С устойчиво Feg. При нагреве выше 911°С атомы решетки ОЦК перестраиваются, образуя решетку ГЦК. На явлении полиморфизма основана термическая обработка.

Полиморфизм олова явился одной из причин гибели полярной экспедиции английского исследователя Р. Скотта. Оловом были запаяны канистры с керосином. При низкой температуре произошло  полиморфное превращение пластичного  белого олова с образованием хрупкого порошка серого олова. Горючее вылилось и испарилось, и на обратном пути экспедиция осталась без топлива. Превращение  белого олова в серое называют «оловянной чумой».

Из-за неодинаковой плотности  атомов в различных направлениях кристалла наблюдаются разные свойства. Различие свойств в кристалле в зависимости от направления испытания называется анизотропией.

Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов или  для так называемых монокристаллов. Большинство же технических литых  металлов, затвердевших в обычных условиях, имеют поликристаллическое строение. Они состоят из большого числа кристаллов или зерен (рис. 4, а). При этом каждое отдельное зерно анизотропно. Различная ориентировка отдельных зерен приводит к тому, что в целом свойства поликристаллического металла являются усредненными.

 

Чтобы понять явление анизотропии  необходимо выделить кристаллографические плоскости и кристаллографические направления в кристалле. 
Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографическойплоскостью. 
Прямая, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографическимнаправлением. 
Для обозначения кристаллографических плоскостей и направлений пользуются индексами Миллера. Чтобы установить индексы Миллера, элементарную ячейку вписывают в пространственную систему координат (оси X,Y, Z – кристаллографические оси). За единицу измерения принимаетсяпериодрешетки 
Для определения индексов кристаллографической кристаллографической плоскостинеобходимо: 
·  установить координаты точек пересечения плоскости с осями координат в периода решетки; 
 
·  взять обратные значения этих величин; 
 
·  привести их к наименьшему целому кратному, каждому из полученных чисел. 
Полученные значения простых целых чисел, не имеющие общего множителя, являются индексами Миллера для плоскости, указываются в круглых скобках. Другими словами, индекс по оси показывает на сколько частей плоскость делит осевую единицу по данной оси. Плоскости,параллельные оси, имеют по ней индекс 0 (110) 
Ориентация прямой определяется координатами двух точек. Для определения индексов кристаллографического направления необходимо: 
·  одну точку направления совместить с началом координат; 
·  установить координаты любой другой точки, лежащей на прямой, в единицахпериодарешетки 
·  привести отношение этих координат к отношению трех наименьших целыхчисел. 
Индексы кристаллографических направлений указываются в квадратных скобках.

В кристаллической решетке  реальных металлов имеются различные  дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают  влияние на свойства металлов. Различают  следующие структурные несовершенства: 
 
·       точечные  
·       линейные  
·       поверхностные  
 
Точеныедефекты 
Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей.

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, при бомбардировке тела атомами  или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронной облучение в ядерном реакторе). Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. Перемещаясь по кристаллу, одиночные  вакансии могут встречаться. И объединяться в дивакансии. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот. 
 
Дислоцированный 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. 
Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях. 
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. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.

Линейныедефекты: 
Основными линейными дефектами являются дислокации. Априорное представление о дислокациях впервые использовано в 1934 году Орованом и Тейлером при исследовании пластической деформации кристаллических материалов, для объяснения большой разницы между практической и теоретической прочностью металла. Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. 
Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые. 
 Неполная плоскость называется экстраплоскостью. 
Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу. 
 
Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 2.3). 
 
Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная ( ), если в нижней, то – отрицательная ( ). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются. 

Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация 
 
Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 2.4) На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов. 
 
Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая.

Винтовая дислокация не связана  с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой  плоскости, проходящей через линию  дислокации. Вакансии и дислоцированные  атомы к винтовой дислокации не стекают. 
В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла. 
Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла. 
 
Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций. 
 
Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м², или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м³ 
 
(см^-2; м^-2) 
 
Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки. 
Поверхностные дефекты– границы зерен, фрагментов и блоков (рис. 2.6). 
Рис. 2.6. Разориентация зерен и блоков в металле 
Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов ( ). 
Граница между зернами представляет собой тонкую в 5 – 10 атомных диаметров поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов. 
 
Строение переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Имеются участки, разориентированные один относительно другого на несколько градусов ( ). Эти участки называются фрагментами. Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией. 
 
В свою очередь каждый фрагмент состоит из блоков, размерами менее 10 мкм, разориентированных на угол менее одного градуса ( ). Такую структуру называют блочной или мозаичной.