Материаловедение – наука о материалах, их строении и свойствах.
1. Строение металлов. Кристаллизация.
Основными материалами современной техники являются металлы и их сплавы.
К металлам относятся 76 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, в их числе элементы I-III групп – Cu, Ag, Au, Mg, Zn и др.
Особую группу составляют переходные металлы IV, V и VI периодов, имеющие незаполненные внутренние электронные оболочки: Fe, Mn, Cr, Co, Ni, Mo, W, Nb, V, Ti и др.
1.1. Атомно-кристаллическое строение металлов
Валентные электроны в металле не принадлежат отдельным атомам, это свободные, общие электроны (электронный газ). Атомы (положительные ионы), силами электростатического взаимодействия с электронным газом, расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решетку. Минимальный фрагмент, характеризующий ее строение, называют элементарной ячейкой. Кристаллической решетке свойственны периодичность строения и наличие периодического электростатического поля.
Основные типы кристаллических решеток металлов (рис. 1):
объемноцентрированная кубическая - ОЦК (Feα, Cr, Mo, W, V и др.);
гранецентрированная кубическая - ГЦК (Feγ Cu, Ag, Au, Ni, и др.);
гексагональная плотноупакованная - ГПУ (Be, Zn, Mg, Cd и др.).
а) б) в)
Рис. 1. Основные типы кристаллических решеток металлов: а – объемно- центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная.
Параметры кристаллических решеток:
- период – расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями;
- базис (Б) – число атомов, принадлежащих одной элементарной ячейке в кристалле;
- координационное число (К) – число атомов, равноудаленных на минимальное расстояние от данного атома;
- плотность упаковки (ПУ) – отношение объема, занятого атомами в элементарной ячейке, к ее объему.
Параметры кристаллических решеток.
ОЦК: периоды a=b=c, Б=2, К8, ПУ=68%;
ГЦК: a=b=c, Б=4, К12, ПУ=74%;
ГПУ: c/a = 1,633, Б=6, Г12, ПУ=74%.
1.2. Полиморфизм металлов.
Полиморфизм – это свойство металла иметь разные кристаллические решетки (полиморфные модификации) при разных температурах. Полиморфизм присущ многим металлам, например, Feα имеет ОЦК-решетку, Feγ – ГЦК, Tiα – гексагональную, Tiβ – ОЦК и т.д. Температура полиморфного превращения чистых металлов постоянна: Feα↔Feγ – 910оС; Tiα↔Tiβ – 882 оС. Полиморфные модификации имеют разные свойства.
1.3. Дефекты кристаллического строения металлов
Дефекты - это несовершенства кристаллического строения (рис.2).
Точечные дефекты, сопоставимы с размерами атомов:
вакансии – отсутствующие атомы в узлах кристаллической решетки;
межузельные атомы – собственные атомы между узлами;
атомы внедрения и замещения – примесные атомы.
Рис. 2. Точечные дефекты в кристаллической решетке.
Линейные дефекты – дислокации (рис. 3):
краевая дислокация – граница неполной атомной плоскости, перпендикулярная вектору сдвига в кристаллической решетке;
винтовая дислокация – линия, параллельная вектору сдвига, вокруг которой атомные плоскости образуют винтовую поверхность.
Плотность дислокаций ,
см-2 – суммарная протяженность дислокаций
в 1 см3 кристалла.
τ
a с
c а с а τ
Рис. 3. Схематические изображения краевой (а) и винтовой (б) дислокаций
τ – векторы сдвига; ас – линии дислокаций.
Поверхностные дефекты. К ним относятся:
границы зерен – поверхности раздела между отдельными зернами в поликристалле;
дефекты упаковки – нарушения чередования атомных плоскостей.
Объемные дефекты: поры, трещины, частицы вторичных фаз, и т.д.
Дефекты искажают кристаллическую решетку и влияют на свойства металлов (рис 4). Увеличение плотности дислокаций в технических металлах (участок 4) приводит к повышению прочности металлов. Высокую прочность имеют кристаллы с бездефектной структурой - «усы» (участок 2).
Рис. 4. Зависимость прочности металла от плотности дислокаций: 1 – теоретическая прочность; 2 – бездефектные кристаллы «усы»; 3 – не упрочненные металлы; 4 – сплавы, упрочненные наклепом, термической или термомеханической обработкой.