книги / Материаловедение.-1

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2017

3

4

5

ТЕМА 1. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Все металлы и металлические сплавы в обычных условиях являются кристаллическими телами, в которых атомы (ионы) расположены в определенном порядке. Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку; атомы металла располагаются в узлах сетки. Наименьший объем, дающий представление об атомно-кристаллической струк-

туре в целом, называется элементарной кристаллической ячейкой. Большинство металлов образуют одну из следующих решеток: кубическую объемноцентрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную плотноупакованную (ГПУ). Эти решетки отличаются высокой симметрией

ибольшой плотностью упаковки атомов (в 1 см3 содержится более 1022 атомов). Поскольку именно атомы являются мельчайшими составляющими любого технического материала, то многие характеристики и свойства атомов приобретают особое значение. Так, атомная масса определяет плотность и теплоемкость твердых тел, а структура электронных оболочек влияет на характер межатомного взаимодействия и прочность межатомных связей.

Атомы металлов содержат на внешнем энергетическом уровне небольшое количество электронов, поэтому они, имея слабую связь с ядром, способны легко отделяться от атомов

инаходиться в относительно свободном состоянии. При взаимодействии атомов металлов происходит обобществление валентных электронов в объеме всего кристалла. Подвижность множества валентных электронов («электронного газа», «электронного облака») определяет такие свойства металлов, как высокая электропроводность и теплопроводность, блеск, непрозрачность. Чем больше плотность «электронного газа», тем сильнее межатомная связь. Для большинства случаев (табл. 1) с увеличением

6

энергии связи Eсв растут температура плавления Tпл, модуль упругости Еупр, энергия активации самодиффузии Qдиф; коэффициент линейного расширения α, наоборот, уменьшается. Исключения: аномально завышен модуль упругости у бериллия, что позволяет использовать его сплавы как материалы повышенной жесткости; титан и цирконий имеют заниженные значения модуля упругости и энергии активации самодиффузии. Последнее объясняет их пониженную жаропрочность.

Ненаправленность металлической связи, когда каждый атом стремится притянуть к себе как можно больше соседних атомов, определяет большую компактность кристаллических структур металлов. В наиболее плотноупакованных кристаллах (ГПУ и ГЦК) каждый атом может иметь 12 соседей (координационное число К12). В решетке объемноцентрированного куба для каждого атома число ближайших равноудаленных элементарных частиц равно 8 (К8). Благодаря образованию плотноупакованных структур металлические кристаллы более пластичны и менее тверды, чем кристаллы с ковалентным типом связи.

Таблица 1

Энергия межатомной связи и свойства металлов

7

Около тридцати металлов (Fe, Ti, Sn, Co и др.) обладают температурным полиморфизмом. Полиморфизм технических материалов имеет крайне важное значение для их обработки и эксплуатации. Например, термообработка сталей основана на стабилизации ГЦК-структуры железа при высокой температуре с переходом ее в ОЦК-структуру во время охлаждения.

Пример. Описать аллотропические превращения в железе. Построить кривую охлаждения для железа в интервале температур

1600–20 °С.

Решение. Аллотропией, или полиморфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные кристаллические формы. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую сопровождается поглощением тепла (при нагреве) или выделением тепла (при охлаждении), поэтому в чистых металлах такие превращения происходят при постоянной температуре. Например, железо в интервале температур 911–1392 °С имеет гранецентрированную кубическую решетку ГЦК – γ-железо; при температурах до 911 °С и от 1392 до 1539 °С железо имеет решетку ОЦК – α-железо:

911 1392

α-Fe → γ-Fe → α-Fe (δ-Fe).

Аллотропические формы железа, как и других металлов, обозначают буквами греческого алфавита. Кривая охлаждения для железа приведена на рис. 1.

Следует отметить, что все кристаллические тела не обладают совершенной кристаллической структурой, а содержат различного рода «дефекты» – несовершенства структуры

(вакансии, межузельные атомы, дислокации, границы зерен), возникающие в результате смещения или удаления атомов со своих мест в решетке. Если бы все реальные материалы имели совершенную структуру, они не обладали бы пластичностью и не поддавались обработке, необходимой для изготовления деталей. Термообработка и улучшение свойств сталей основаны не только на изменении структуры, но и на сопутствующих

8

им изменениях несовершенств. Наиболее важным видом несовершенств, определяющим механические свойства металлов, являются дислокации (рис. 2).

Рис. 1. Аллотропические превращения в железе

Рис. 2. Дислокация в кристаллической решетке

9

Так, любая пластическая деформация является результатом движения и одновременного генерирования дислокаций. У отожженных металлов плотность дислокаций, т.е. суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема, равна 106–107 см–2. Дислокации, как и другие несовершенства кристаллического строения, появляются в металлах при кристаллизации.

Кристаллизацией называется переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры. Затвердевание происходит путем образования центров кристаллизации (зародышей) и их роста. Пока кристаллы растут свободно, они имеют правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как прекращается рост отдельных граней, и образу-

ются кристаллиты, или зерна (рис. 3).

Рис. 3. Схема процесса кристаллизации (показана кристаллографическая ориентация зерен)

Форма и размер зерен зависят от условий их роста: скорости и направления отвода тепла, температуры жидкого металла и др. Типичная структура слитка металла состоит из трех зон: мелких равноосных кристаллов на поверхности слитка, зоны столбчатых кристаллов, расположенных нормально к стенкам формы, и равноосных кристаллов больших размеров в середине слитка. Применяя различные технологические приемы, можно изменять количественное соотношение зон.

10