6. Явление полиморфизма в металлах.

Скорость кристаллизации определяется числом зарождающихся центров кристаллизацииn и скоростью их ростаm. В отсутствии переохлажденияm,n=0. По мере увеличения степени переохлаждения, происходит увеличение числа центров кристаллизации и скорости их роста, причем числоn увеличивается быстрееm.Это связано с тем, что с увеличением степени переохлаждения уменьшается критический размер зародыша и их количество. Однако с увеличением степени переохлаждения уменьшается скорость диффузионных процессов, контролирующих рост зародыша. Практически процесс кристаллизации осуществляется по восходящим ветвям. Нисходящие ветви не реализуются, т.к. металл кристаллизуется при постоянной температуре.

Возможное существования металлов в различных кристаллизационных модификациях называется полиморфизмом или аллотропией. При определенных условиях, атомы, образующие кристаллическую решетку одного типа, перестраиваются с образованием кристаллической решетки другого типа. По сути это кристаллизационный процесс, т.к. перенастройка решетки из одного типа в другой происходит при постоянной температуре. Однако, т.к. этот процесс имеет место в твердом состоянии его называют перекристаллизацией. К полиморфным металлам относятся: железо, олово, титан, марганец, кобольт.

В частности железо имеет 2 модификации: α-Fe– до 911⁰С, от 911 – 1392⁰С – γ- железо (ГЦК). Температурным полиморфизмом обладают около 30 металлов (Fe,Co,Zr,Pb). Быстрое охлаждение иногда может сохранить высокотемпературную модификацию при 25-30 С в течение длительного времени, т.к при этих температурах очень низкая диффузионная подвижность атомов не позволяет произвести их перестройку. При нагреве до 2000 С и давлением до 10¹⁰Па углерод полиграфита перекристаллизовывается в алмаз.При очень больших давлениях вFeобнаруживается низкотемпературная модификацияFeс ГПУ решеткой. Увеличение давления приводит к превращению менее упакованной структуры в более плотную.

Справка:

Кристаллическая решетка – решетка, составленная тремя системами параллельных линий, проходящих через центр атомов. Весьма удобно распределение атомов в кристалле изображать в виде пространственных схем, так называемых элементарных кристаллических решетках. Под элементарными кристаллическими решетками понимают наименьший комплекс атомов, которые при многократном повторении в пространстве позволяет получить пространственную кристаллическую решетку.

5. Атомно-кристаллическая структура металла. Элементарная кристаллическая ячейка. Классы симметрии.

При рассмотрении кристаллической решетки принимают следующие условия:

1) кристалл бесконечен;

2) кристаллы образованы атомами;

3) центры атомов будем называть узлами кристаллической решетки;

Кристаллическая решетка – решетка, составленная тремя системами параллельных линий, проходящих через центр атомов. Весьма удобно распределение атомов в кристалле изображать в виде пространственных схем, так называемых элементарных кристаллических решетках(ячейках). Под элементарными кристаллическими решетками понимают наименьший комплекс атомов, которые при многократном повторении в пространстве позволяет получить пространственную кристаллическую решетку. Отрезки, при переносе через которые кристалл совмещается сам собой, называется периодом (параметром) кристаллической решетки. Для описании кристалл. В целом необходимо знать знать периоды, через которые решетка совмещается и знать углы этих направлений. В зависимости от соотношений углов и периодов образуется 7 симгоний (одинаковых углов).

Кубическая симгония : а=в=с, α = β= γ= 90⁰

Тетрагональная: а=в, но не равно с. с/а>1, α = β= γ= 90⁰

Гексагональная: а=в, но не равно с. с/а>1, α= β= 90⁰, γ= 120⁰.

У металлов 2 симгонии: кубическая (Fe,Al,Cu,Ni,W,Mo,Au,Ag), тетрагональная реже (олово), гексагональная (Ti,Mg,Zn,Cd,Zr).

Кубическая симгония:

1) примитивная: металлы не имеют такой решетки, a=2R( атомы соприкасаются,R– радиус атомов);

2) ОЦК: большая диагональ равна 4R;

3) ГЦК: диагональ равна 4R( атомы на пересечении диагоналей каждой грани).

Каждая решетка имеет свое координационное число – число атомов, находящихся на наиболее близком и одинаковом расстоянии от данного атома. Чем оно больше, тем плотнее. Плотность упаковки – отношение объема, занимаемого атомами данной решетки к объему все решетки. Для определения атомных плоскостей в пространстве, т.е плоскостей, проходящих через атомы, пользуются индексами. NKL– индексы Мюллера, они представляют собой 3 целых рациональных числа, по величине равных обратным отрезкам, отсекаемых данными плоскостями на осях координат. Единицы длины вдоль этих осей выбирают равными длинам ребер элементарных ячеек.

Анизотропия – свойства разные. Она реще выражена у металлов с гексагональными решетками, т.е она менее симметрична. В этом случае в зависимости от направления для всех свойств ( тепловых, электрических и т.п) В основе анизотропии лежит то, что межплоскостные расстояния и плотность расположения (упаковки) атомов зависит от направления в кристалле, т.к сила связи атомов зависит от расстояния между плоскостями. Реже анизотропия проявляется в монокристаллах, полученных искусственным путем. В промышленности чаще используют поликристаллы. (чем меньше зерно, тем свойства лучше и прочнее). В случае поликрист. Строения металла анизотропии нет, т.к среднестатист. расстояние между атомами по всем направлениям оказываются примерно одинаковыми.