Глава 1. Кристаллическое строение металлов
ФАЗА И СТРУКТУРА.
Фаза – называют однородную составную часть системы, имеющую определённые состав, кристаллическое строение и свойства.
Структура – под этим определением понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах или сплавах.
АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ.
Металлы обладают следующими свойствами:
Высокой тепло и электропроводностью.
С ростом температуры электросопротивление металлов растёт.
Высокой термоэлектронной эмиссией, то есть металлы при нагреве легко испускают электроны.
Обладают наличием металлического блеска.
Высокой пластичностью – их можно ковать.
У металлов чаще всего встречаются следующие кристаллические решётки: кубическая, гексоганальная, тетрогональная.
Кубическая решетка бывает объемно центрированная и гранецентрированная.
Объемно центрированная кубическая решетка (ОЦК). Железо (до 910о), а также Cr, Mo, W, Nb и др. металлы.
Период – это расстояние между двумя параллельными атомными плоскостями в элементарной ячейке. Период характеризует объём этой ячейки.
Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК). Железо (выше 910о), а также Al, Cu, Ni и др. металлы. Период – это ребро куба.
Гексагональная решетка имеет два периода решетки: α ≠ c. Кадмий, цинк, графит и магний.
Тетрагональная решетка α ≠ c. Закалённая сталь, Mn, In. Она может быть объёмно центрированной или гранецентрированной.
СТРОЕНИЕ РЕАЛЬНЫХ КРИСТАЛЛОВ.
Зернистое строение:
Поликристалл. При кристаллизации металлов образуется большое количество зародышей твердой фазы, и растут они за счет жидкого металла. Затем при росте они сталкиваются друг с другом и их рост прекращается, так как жидкости между ними уже нет. При этом каждый зародыш образует свое зерно, и в результате в металле будут зерна и границы зерен, то есть металл имеет зернистое строение
Монокристалл. Весь кристалл состоит из одного зерна (полупроводники, солнечные батареи и др.).
ПОЛИМОРФИЗМ.
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 – 910 оС; Tiα↔Tiβ – 882о С. Полиморфные модификации имеют разные свойства.
ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ.
Дефекты - это несовершенства кристаллического строения.
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
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.
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).
ПРОЦЕСС КРИССТАЛЛИЗАЦИИ
Любое вещество может находится в 4 агрегатных состояниях. Переход из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым превращением. Фазовые превращения для чистых кристаллических тел происходят при Т=const.
Кристаллизацией называется процесс образования кристаллов(образование кристаллической решетки) из жидкой или газообразной фаз. Форма, величина, а также направление кристаллов влияет на все свойства металлов и сплавов.
СТЕПЕНЬ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЯ измеряется в градусах Цельсия и зависит от скорости охлаждения(чем больше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения), природы и чистоты расплава (чем чище расплав, тем меньше степень переохлаждения. Начичие нерастворённых частичек ускоряет процесс кристаллизации, увеличивает степень переохлаждения.).
Рис.1.1. Кривые изменения числа центров кристаллизации (Ч.Ц.) и скорости роста кристаллов (С.Р.) от степени переохлаждения.
На практике измельчение зерна в сплавах достигается путём модифицирования, путём введения в расплав дисперсных частичек, являющимися дополнительными центрами кристаллизации.