2. Структура материалов

Все металлы – тела кристаллические. В кристалле частицы, из которых он построен, сближены до соприкосновения и располагаются различно, но закономерно по разным направлениям (рис. 1, а). Для упрощения пространственное изображение заменяют схемами (рис. 1, б), отмечая точками центры тяжести частиц.

Рис.1. Расположение частиц в кристалле:

а - пространственное изображение; б - схема

Если в кристалле провести три направления x, y, z , не лежащих в одной плоскости, то расстояние между частицами соответственно будут равны а, б, с. Плоскости, параллельные координационным осям, разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед называют элементарной ячейкой. Последовательное перемещение его образует пространственную решетку. Вершины параллелепипеда называют узлами пространственной решетки.

Металлы кристаллизуются с образованием объемно-центрированной кубической (ОЦК), гранецентрированной кубической (ГЦК), гексагональной плотноупакованной (ГП) и тетрагональной решеток (рис. 2).

Число ближайших равноудаленных частиц определяет координационное число К. Например, в решетке объемно-центрированной кубической (ОЦК) для каждого атома число таких соседей будет равно восьми (К8). Для простой кубической решетки координационное число будет 6 (К6), для гранецентрированной кубической (ГЦК) – 12 (К12).

Рис. 2. Кристаллические решетки:

а - объемно-центрированной кубической (ОЦК), б - гранецентрированной кубической (ГЦК); в - гексагональной плотноупакованной (ГП); г - тетрагональная

ОЦК-решетку имеют такие металлы, как Cr, Mo, W, V, Ta, Nd. Такая структура не обладает большой плотностью упаковки

ГЦК-решетку имеют такие металлы, как Ni, Au, Ag, Cu,Fe, Pt, Al и Pb. ГП-решетку имеют Mg, Co, Zn, Cd, Be.

В кристалле расстояния между атомами в различных кристаллографических направлениях различны, поэтому различны и свойства.

Анизотропия – это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая в результате упорядоченного расположения атомов в пространстве.

Диффузия – перенос вещества, обусловленный беспорядочным тепловым движением диффундирующих частиц. Основными типами движения при диффузии в твердых телах являются случайные скачки атомов из узла кристаллической решетки в соседний узел или вакансию.

3. Дефекты кристаллов

Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты, которые подразделяются на точечные, линейные, поверхностные и объемные.

Размеры точечного дефекта близки к межатомному расстоянию. К самым простым точечным дефектам относятся: вакансии, межузельные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения (рис.3).

а б в

Рис. 3. Точечные дефекты в кристаллической решетке:

а – вакансия; б – межузельный атом; в – примесный (чужеродный) атом внедрения

Вакансией называется пустой узел кристаллической решетки, а межузельным атомом – атом, перемещенный из узла в позицию между атомами. Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при любой температуре выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаниях атомов.

Пересыщение точечными дефектами достигается при резком охлаждении после высокотемпературного нагрева, при пластическом деформировании и при облучении нейтронами.

С течением времени избыток вакансий сверх равновесной концентрации уничтожается на свободных поверхностях кристалла, порах, границах зерен и других дефектах решетки.

Важнейшие виды линейных дефектов – краевые и винтовые дислокации (рис. 4).

а в

Рис. 4. Схемы краевой (а) и винтовой (б) дислокаций

Краевая дислокация в сечении представляет собой край «лишней» полуплоскости в решетке. Вокруг дислокаций решетка упруго искажена.

Внутри кристалла дислокации связаны в единую объемную сетку; в каждом узле сетки соединены три дислокации и сумма их векторов Бюргерса равна нулю.

Дислокации возникают при кристаллизации, плотность их большая, поэтому они значительно влияют на свойства материала. Особенно велико влияние дислокаций на прочность кристаллов. Благодаря подвижным дислокациям экспериментально определенный предел текучести материалов в 1000 раз меньше теоретического значения.

Наиболее важными поверхностными дефектами являются большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников.

Поликристаллический сплав содержит огромное количество мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно (рис. 5), границы между зернами представляют собой переходный слой шириной 1-5 нм.

Рис. 5. Схемы строения большеугловых (а) и малоугловых (б) границ

В переходном слое нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей. Границы между зернами называются большеугловыми, так как соответствующие кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы в десятки градусов (рис. 5, а).

Каждое звено, в свою очередь, состоит из блоков (субзерен). Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения, а его границы – стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные субзерна (рис. 5, б). Угол разориентации между соседними зернами невелик, поэтому такие границы называют малоугловыми.

Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, ограниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоев.

Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойств материалов. Особенно большое значение имеют границы зерен.

Объемные дефекты – это трещины и поры в материалах.

Рекристаллизация – это процесс зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения. В результате рекристаллизации образуются новые, чаще всего равноосные зерна.

Полигонизацией называется процесс формирования субзерен, разделенных малоугловыми границами.