книги / Основы металловедения и термообработки
..pdf2. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ
СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
Среди материалов, применяемых в технике, металлы и их сплавы занимают ведущее место, несмотря на возрастающую роль неметаллических материалов. В том числе материалов ор ганического происхождения.
Металлы и сплавы принято делить на две группы:
1.черные - железо и его сплавы (стали и чугуны) и
2.цветные - Al, Си, Ti, Mg, Zn, Сг, Ni, Mo, W, Be и другие металлы и сплавы на их основе.
Металловедение изучает зависимость между составом, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения под внешним воздействием.
Как уже отмечалось, характер межатомного взаимодейст
вия металлов обуславливает их кристаллическое строение в твердом состоянии. При этом металлы обладают рядом харак терных свойств: высокой тепло- и электропроводностью, термо электронной эмиссией (испусканием электронов при нагреве),
непрозрачностью и металлическим блеском, |
способностью |
к пластической деформации. |
|
Эти свойства металлов являются следствием так называе |
|
мого металлического состояния вещества, |
возникающего |
в комплексе атомов. При сближении атомов их внешние элек троны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими и способными свободно перемещаться между периодически расположенными положительно заряженными ионами. Взаи модействие ионного скелета и «электронного газа» получило название металлической связи. Энергия этой межатомной свя зи весьма высока.
2.1. Элементы кристаллографии.
Полиморфизм металлов
Для металлов характерны несложные плотноупакованные кристаллические решетки (рис. 5): кубическая объемно-центри рованная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гек сагональная плотноупакованная (ГПУ).
Рис. 5. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток и схемы
упаковки в них атомов: а - объемноцентрированная кубическая;
б - гранецентрированная кубическая; в - гексагональная
плотноупакованная решетка
Параметры решеток большинства металлов находятся
в пределах 2-7 Â (ангстрем, 1 Â = КГ7 мм).
Плотность «упаковки» кристаллической решетки атомами характеризуется координационным числом, под которым пони мают число атомов, находящихся на равном и наименьшем рас стоянии от данного атома. Чем больше координационное число кристаллической решетки, тем больше плотность ее упаковки атомами. Для ОЦК координационное число равно 8 (обознача ется К8) и отношение объема, занятого атомами, к объему ячей ки составляет 68 %. Наиболее плотно упакованы ГЦК (К12)
и ГПУ (Г 12) решетки, в них коэффициент заполнения объема атомами составляет 74 %.
Расположение атомов в кристалле описывается пространст венной решеткой, узлы которой совпадают с центрами атомов. Пространственная решетка характеризуется элементарной ячей кой - минимальным по объему параллелепипедом, перемещени ем которого вдоль его ребер можно воспроизвести всю решетку.
Длины ребер элементарной ячейки называют периодами или параметрами решетки. Элементарная ячейка характеризует ся тремя периодами решетки - а, в, с и тремя углами - а, р, у (рис. 6).
а |
б |
Рис. 6. Расположение элементарных частиц в кристалле: а - пространственное изображение; б - схема
Для определения положения атомных плоскостей кристал лических решеток пользуются величинами отрезков, отсекае мых данной плоскостью на осях координат (рис. 7). Единицы длины вдоль этих осей равны длинам ребер элементарной ячей ки. Индексы плоскостей (величины обратные длинам отсекае мых плоскостями отрезков) пишут в круглых скобках и обозна чают (100), (110), (111) и т.п. Индексы направлений расположе ния атомов в кристаллической решетке записывают в квадратных скобках [111], [ПО], [010] и т.п. Индексами выхо дящего из начала координат направления служат три целых, взаимно простых (не имеющих общего делителя) числа, про-
13
порциональных координатам любой точки, лежащей на этом направлении.
Рис. 7. Индексы кристаллографических плоскостей
и направлений в кубической решетке
Вследствие неодинаковой плотности расположения атомов в кристаллической решетке в различных плоскостях и направ лениях многие свойства кристалла зависят от направления. Эта неодинаковость свойств монокристалла в разных кристал лографических направлениях называется анизотропией.
Кристалл - тело анизотропное, в отличие от изотропных аморфных тел (стекло, пластмассы и др.), свойства которых не зависят от направления.
Технические металлы являются поликристаллами, состоя щими из множества анизотропных кристаллов, неупорядоченно ориентированных один по отношению к другому. Вследствие этого поликристаллическое тело является изотропным. Если же кристаллы имеют какую-то преимущественную ориентацию, на пример в результате холодной прокатки металлического листа, поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств.
14
Для некоторых кристаллических веществ возможен поли морфизм - существование в различных типах кристаллических структур при изменении температуры. Эти кристаллические структуры называются аллотропическими формами или моди фикациями (с повышением температуры обозначаются а, р, у, 5). Стабильность модификации в определенном интервале тем ператур свидетельствует о том, что ее свободная энергия (F) в этом температурном интервале меньше, чем свободная энер гия других форм «упаковки» атомов. Это представлено на рис. 8 на примере железа, существующего в кристаллических структу рах с решетками ОЦК (а- и 5-модификации) и ГЦК (у-моди- фикации). При температурах ниже 911 °С и выше 1392 °С «упа ковка» атомов железа в кристаллическую структуру с ОЦК ре шеткой имеет меньшую свободную энергию, чем «упаковка» атомов в структуру с ГЦК-решеткой. Символом P (Fep) обозна чается ферромагнитное состояние железа, существующее при температуре ниже точки Кюри (768 °С). Переход через точку Кюри не изменяет типа кристаллической структуры, она остает ся ОЦК, т.е. остается Fea.
Рис. 8. Зависимость величины свободной
энергии от температуры для Fe„ и Fey
Явление полиморфизма железа имеет очень большое прак тическое значение, так как делает возможным для сплавов на основе железа (сталей и чугунов) проведение термообработки с формированием микроструктуры, обеспечивающей требуемые свойства металла.
2.2. Дефекты кристаллического строения
металлов
Реальные металлы всегда имеют нарушения упорядоченного расположения атомов - дефекты кристаллического строения. Уже отмечалась поликристалличность реальных металлов, предпола гающая сочленение соседних кристаллов (зерен), отличающихся пространственной ориентацией. Границей между зернами являет ся переходная область шириной до 5 межатомных расстояний (рис. 9). Большеугловые границы зерен представляют собой по верхностные дефекты кристаллического строения, их протяжен ность значительна только в двух измерениях.
|
|
|
|
|
Граница |
|
|
|
Зерно I |
|
Г |
___к___ |
Зерно П |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
• |
|
|
* > |
*« ш ш• • |
|
|
|
\ 4 |
V |
. V |
. • |
|
t *i |
||
V * \ W |
Л •• • • • !## |
||||||
Ф • • |
Щ 9 |
• • • • • • -À-#-4* |
4-4 |
||||
т. |
»* • • Д ltlMl «• -• 4 |
||||||
4 |
* |
\ |
it |
# / |
* • ; * * • • |
* * * * * |
+++ |
• |
t |
# |
м # |
|
|
||
Рис. 9. Строение большеугловых границ
Внутри зерен отмечают узкие малоугловые границы, разде ляющие объемы кристалла, незначительно развернутые друг относительно друга (субзерна, блоки) (рис. 10). Эти малоугло-
вые границы, как и большеугловые межзеренные границы, от носятся к поверхностным дефектам кристаллического строения.
Рис. 10. Блочная структура зерна
с малоугловыми границами
Кристаллическое строение субзерен и блоков также неиде ально: внутри их имеют место одномерные, точечные дефекты (вакансии, межузельные атомы) (рис. 11) и дефекты линейные, имеющие значительную протяженность в одном измерении (дислокации краевые и винтовые). Краевая дислокация в сече нии представляет собой край лишней полуплоскости (экстра плоскость), перпендикулярной плоскости локального сдвига атомов в кристаллической решетке (рис. 12, а, б) и считается положительной, если экстраплоскость снизу (-*-), или отрица тельной, если экстраплоскость сверху (у).
а |
б |
в |
Рис. 11. Точечные дефекты в кристаллической решетке:
а- вакансия; б - межузельный атом;
в- примесный атом внедрения
Вектор
Экстраплоскость
сдвига
Рис. 12. Схема расположения атомов у краевой дислокации (а, б) и винтовой дислокации (в)
Винтовые дислокации, в отличие от краевых, располагают ся параллельно направлению сдвига (рис. 12, в); АВС - плос кость скольжения винтовой дислокации. Вокруг дислокаций кристаллическая решетка упруго искажена. Мерой искажения решетки служит так называемый вектор Бюргерса. У краевой дислокации вектор Бюргерса (Ь ) равен межатомному расстоя нию и перпендикулярен дислокационной линии, у винтовой дислокации - параллелен ей.
Дислокации и вакансии образуются в процессе кристалли зации, пластической деформации и фазовых превращений. Уп ругие поля дефектов кристаллического строения обусловливают их взаимодействие. Внутри кристалла дислокации образуют замкнутые сетки, петли (рис. 13). Плотность дислокаций оцени вается как их суммарная длина (в см), приходящаяся на единицу объема (см3), т.е. размерность плотности дислокаций - см-2. На пример, в техническом недеформированном железе плотность дислокаций р » 10* см-2, а после деформации - р « Ю12 см-2.
2.3. Диффузия
Под диффузией понимают перемещение атомов в кристал лическом теле на расстояния* превышающие средние межатом ные расстояния данного вещества. Процессы крИсталлизации,
В металлах диффузия происходит преимущественно по вакансионному механизму (рис. 14, а): на место вакансии 1 может переместиться атом 2, обладающий повышенной энергией, ока завшуюся на его месте вакансию займет атом 3 и т.д.
о о оао О О 0,0бО О
Рис. 14. Схема диффузионного перемещения атомов
вкристаллической решетке металла по вакансионному (а)
имежузельному (б) механизмам
При диффузии в металле элементов с малым атомным диаметром (углерод, азот, водород) диффузия происходит по межузельному механизму (рис. 14, б).
Скорость диффузии, определяемая как количество вещест ва т, диффундирующего через единицу площади поверхности раздела за единицу времени, зависит от градиента концентрации элемента dc/dc в направлении диффузии
0 )
где de - изменение концентрации элемента на расстоянии dx;
D - коэффициент диффузии.
Знак «минус» указывает на то, что диффузия протекает в направлении объемов с меньшей концентрацией от объемов с большей концентрацией.
Выражение (1) называют первым законом Фика. Если гра диент концентрации изменяется во времени т, то диффузия опи сывается вторым законом Фика: