Кристаллическое строение металлов

Известно, что все металлы и их сплавы являются кристаллическими веществами. На рис. 3.1 приведена элементарная схема кристаллической решетки металла с указанием ее основных параметров. Известно 14 типов кристаллических решеток металлов в зависимости от возможных вариаций соотношения параметров a, b, c, а, в, y  и с учетом расположения атомов (ионов) не только в узлах решеток, но и в центрах элементарных ячеек или в центрах граней.

 

кристаллическое строение металлов

Рис. 3.1 – Схема кристаллической решетки металла:

a, b, c – параметры решетки;α , β, γ – углы между ними

 

Большинство металлов, используемых в технике, являются сплавами и имеют довольно простую элементарную ячейку одного из типов, показанных на рис. 3.2 – кубическая объемно-центрированная (о.ц.к.), кубическая гранецентрированная (г.ц.к.) и гексагональная плотно упакованная (г.п.у.). Кристаллическая решетка металлов и некоторых металлоидов может иметь различные модификации, являющиеся устойчивыми в определенной области температур. Эти модификации обозначаются буквами греческого алфавита. Например, Fe, Fe, Ti, Ti, и т.д. Превращение одной модификации решетки в другую называется полиморфным, а сама возможность существования металла в разных структурных формах называется полиморфизмом. Явление полиморфизма широко используется в технике для изменения свойств сплавов, например, с помощью термообработки.

 

image010image012image014

Рис. 3.2 – Элементарные ячейки (плоскости скольжения затенены):

а – гранецентрированная кубическая; б – объемно-центрированная кубическая;

в – гексагональная плотноупакованная

 

Параметры решетки определяют свойства металла. Металлы с г.ц.к. решеткой обладают высокой пластичностью и немагнитностью (Al, Cu, Ni, Fe), а со сложной (например, алмазной) решеткой (Si, Cr) обладают полупроводниковыми свойствами.

Различная плотность распределения атомов по разным направлениям и плоскостям скольжения решетки приводит к неодинаковости свойств кристаллов по этим направлениям. Это явление называется анизотропией. В технических металлах, являющихся поликристаллическими материалами с беспорядочно ориентированными в пространстве кристаллами, анизотропия не имеет ярко выраженного характера, поэтому их условно считают изотропными. Отметим, что направленный отвод тепла от металла сварного шва вызывает порой ощутимую анизотропию свойств.

Всякий металлический сплав, в том числе и сталь, представляет собой систему, состоящую из основного и легирующего компонентов. Однородная часть системы, имеющая одинаковый состав и агрегатное состояние и отделенная от остальных частей системы поверхностью раздела, переход через которую скачкообразно изменяет свойства компонента, называют фазой. Всякая система может состоять из однородных (гомогенных) и неоднородных (гетерогенных) фаз.

Структура – это взаимное расположение фаз в сплаве, их форма и размеры (макро-, микро-).

Компоненты в сплавах при изменении температуры могут образовывать следующие фазы: жидкие растворы, твердые чистые металлы, твердые растворы и химические соединения.

В твердом состоянии компоненты сплава могут образовывать:

твердые растворы;

химические соединения;

механические смеси, т.е. двухфазную (многофазную) структуру, состоящую из двух или нескольких чистых металлов.

Различают два основных вида твердых растворов: растворы замещения и внедрения.

Твердые растворы замещения образуются, когда оба компонента имеют однотипную с близкими значениями параметров кристаллическую решетку и величину атомных радиусов. В этом случае растворимый компонент размещается в узлах решетки растворителя. Если атомные радиусы различаются не более чем на 14…15 %, то образуются неограниченные растворы, если более – ограниченные. Примером неограниченного раствора может служить твердый раствор хрома в железе.

В твердых растворах внедрения атомы растворенных элементов находятся, в междоузлиях. Такие растворы образуются, когда атомы растворенного элемента весьма малы по сравнению с атомами растворителя. Примером может служить раствор углерода в железе, азота в никеле, магния в алюминии и т.д. Когда атомы растворителя и растворенного элемента занимают строго определенные места, то раствор называется упорядоченным (Cu-Al, Fe-Al). Из-за различия размеров атомов в твердых растворах происходит искажение формы кристаллической решетки, (рис. 3.3). Эти искажения являются причиной локального изменения концентрации элементов, ограничения растворимости и свойств сплавов.

 

image016

а)                                                   б)                                                 в)

Рис. 3.3 – Искажения кристаллической решетки в твердых растворах:

а, б – замещения,    в – внедрения

 

Свойства твердых растворов находятся в криволинейной зависимости от концентрации растворенного (легирующего) элемента, причем кривая «свойства — концентрация легирующего» — всегда имеет максимум или минимум.

Химическое соединение – это фаза, имеющая кристаллическую решетку с упорядоченным расположением атомов, которая отлична от решеток элементов, образующих это соединение. В этом причина того, что его свойства значительно отличаются от свойств составляющих его компонентов. Химические соединения имеют постоянную температуру плавления и, как правило, обладают большой твердостью и хрупкостью. Примерами химических соединений могут служить цементит Fe3C, присутствующий в сталях и чугунах, интерметаллид CuAl2, присутствующий в дуралюминах, W2C и т.д.

Механическая смесь – это неоднородная (гетерофазная) структура сплава, образующаяся из нескольких фаз, когда при кристаллизации компоненты фазы не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не образуют химические соединения. Смеси могут состоять из кристаллов (зерен) чистых компонентов, насыщенных твердых растворов или химических соединений.

 

 

Источник: Моисеенко В.П, Никашин А.И. Материалы и их поведение при сварке. Черные металлы и сплавы: Учебное пособие.  Ростов–на-Дону: Издательский центр  ДГТУ, 1997

 

 

Be the first to comment on "Кристаллическое строение металлов"

Добавить комментарий

%d такие блоггеры, как: