8875

1.1 Атомно-кристаллическое строение и свойства металлов

Основные типы кристаллических решеток Строение кристаллической решетки описывается элементарной ячейкой.

Элементарная ячейка – это наименьший объем кристалла, дающий представление о строении всего кристалла. Характеристики ячейки – ребра a, b, c и углы между ними α, β, γ; отрезки a, b, c называются периодами решетки.

В металлах атомы располагаются в строгом порядке, как атомы в плоскости образуют атомную сетку, а в пространстве – атомнокристаллическую решетку (рис. 1 . 3). Линии на этих схемах являются условными; в действительности никаких линий не существует, а

атомы колеблются возле точек равновесия, т. е. узлов решетки с большой частотой.

Типы кристаллических решеток различны. Наиболее часто встречаются следующие решетки: кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная плотноупакованная.

Элементарные ячейки таких кристаллических решеток приведены на

11

рис. 1 . 4. В ячейке кубической объемно-центрированной решетки атомы расположены в вершинах куба и в её центре; такую решетку имеют хром,

ванадий, вольфрам, молибден и др. В ячейке кубической гранецентрированной атомы расположены в вершинах и в центре каждой грани куба; такой решеткой обладают алюминий, никель, медь, свинец и др.

Рис. 1.4. Элементарные ячейки кристаллических решеток:

а) кубическая объемно-центрированная;

б) кубическая гранецентрированная; в) гексагональная плотноупакованная

В ячейке гексагональной решетки атомы расположены в вершинах шестиугольных оснований призмы, в центре этих оснований и внутри призмы; гексагональную решетку имеют магний, титан, цинк и др. В

реальном металле кристаллическая решетка состоит из огромного количества ячеек.

Реальное строение металлических кристаллов Порядок в расположении атомов (упаковка) имеется не по всему

объему кристалла (кристаллической решетки). В реальности кристаллы в структуре металла имеют структурные несовершенства: точечные, линейные

и поверхностные.

12

Точечные (нульмерные) несовершенства – это дефекты, которые в трёх пространственных измерениях (X, Y, Z) малы, при этом их размеры не превышают нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся:

а) свободные места в узлах кристаллической решетки (вакансии); б) атомы,

сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки,

– дислоцированные атомы (дефект Френкеля); в) атомы других элементов,

находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки – примесные атомы и их комплексы. Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации под воздействием тепловых, механических, электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами. Наиболее важными точечными дефектами являются вакансии.

Известно, что атомы находятся в колебательном движении, чем выше температура, тем больше амплитуда этих колебаний. Большинство атомов металла в кристаллической решетке обладает одинаковой (средней) энергией и колеблется с одинаковой амплитудой, а отдельные атомы имеют значительно превышающую среднюю энергию. Такие атомы обладают не только большей амплитудой колебаний, но и способны перемещаться из одного места расположения в другое. Как правило, наиболее легко передвигаются атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность (например, атом 1, рис. 1 . 5,а).

Участок, где находился такой атом (свободный узел), называется вакансией,

которая не остается свободной. Через некоторое время в нее перемещается один из соседних атомов из более глубокого слоя (например, атом 2, рис. 1.5,б), а покинутый им узел также становится вакансией; затем перемещается, например, атом 3 (рис. 1 . 5,в) и т. д. Таким образом, вакансия перемещается в глубь кристалла. Как видно из рис. 1 . 5,г, вакансия искажает кристаллическую решетку. Количество вакансий увеличивается с повышением температуры и они чаще переходят из одного узла в другой.

Вакансии играют основную роль в диффузионных процессах,

протекающих в металлах.

13

Рис. 1.5. Вакансии в кристаллической решетке

Если атом переходит не на поверхность, а внедряется в междоузлие,

образуется пара точечных дефектов (вакансия и междоузельный атом). Эту пару называют дефектом Френкеля. В ионных кристаллах одиночные вакансии сами по себе возникать не могут, вследствие ограничений, вызванных электронейтральностью структуры. Поэтому возникают или дефекты Френкеля,

или пара вакансий (катионные и анионные), которые называются дефектами Шоттки. Различные типы точечных дефектов показаны на рис. 1.6, но их структура заметно сложнее.

14

г д е

Рис. 1.6. Различные типы дефектов в кристаллах: а - вакансия;

б – междоузельный атом; в – небольшой дефект замещения; г – большой дефект замещения; д – дефект Френкеля; е – дефект Шоттки (пара вакансий в

катионной и анионной подрешетках)

Точечные несовершенства появляются и как результат присутствия атомов примесей. Атомы примесей или замещают атомы основного металла в кристалле решетки, или располагаются внутри кристаллической решетки, искажая её.

Линейные (одномерные) несовершенства называются дислокациями. Они имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем.

Имеются различные виды дислокаций, одной из которых является краевая

(линейная) дислокация.

В идеальном кристалле происходит сдвиг на одно межатомное расстояние одной части кристалла относительно другой, вдоль какой-либо атомной

15

плоскости на участке ADEF (рис. 1.7,а).

Рис. 1.7. Схемы краевой дислокации:

а) образования; б) расположения атомов в плоскости, перпендикулярной линии дислокации AD

Как видно, влево сдвинулась только часть кристалла, находящаяся правее плоскости ABCD. При таком сдвиге число рядов атомов в верхней части кристалла на один больше, чем в нижней (рис. 1.7,б). Плоскость ABCD (рис.

1.7,а) представляет собой в данном случае как бы лишнюю атомную плоскость

(называемую экстраплоскостью), вставленную в верхнюю часть кристалла (АВ,

рис. 1.7,б). Линия AD (рис. 1.7,а), перпендикулярная направлению сдвига,

являющаяся краем экстраплоскости, называется краевой или линейной дислокацией, длина которой может достигать многих тысяч межатомных расстояний. Особым свойством дислокаций является их подвижность.

Объясняется это тем, что кристаллическая решетка в зоне дислокаций упруго искажена, атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного положения в кристаллической решетке и поэтому атомы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное положение.

Дислокации другого типа образуются при смещении частей кристалла не

16

перпендикулярно, а параллельно линии рассечения; они называются винтовыми дислокациями (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Конфигурация винтовой дислокации

Если нарисовать контур на плоскости, перпендикулярно линии обрыва так,

чтобы он окружал винтовую дислокацию, то этот контур никогда не замкнется,

а превратится в спираль вокруг линии дислокации.

Дислокации рождаются в процессе кристаллизации, пластической деформации, термической обработки и т.д. Они присутствуют в

металлических кристаллах в огромном количестве (106 – 1012 см-2).

Большое влияние на механические и многие другие свойства металлов и сплавов оказывают не только плотность, но и расположение дислокаций в объёме.

В общем случае в плоскости скольжения линия дислокации представляет собой произвольной формы пространственную линию, т.е. является смешанной дислокацией, отдельные малые участки этой кривой имеют краевую или винтовую ориентацию, но большая ее часть не перпендикулярна и не

параллельна вектору сдвига.

17

Поверхностными ( д в у м е р н ы м и ) несовершенствами являются границы зерен и блоков металла. Они малы только в одном измерении.

На границе между зернами атомы имеют менее правильное расположение, чем в объеме зерна. Зерна разориентированы, повернуты друг относительно друга на несколько градусов. По границам зерен скапливаются дислокации и вакансии. Зерно состоит из большого числа разориентированных на очень небольшие углы (десятые доли градусов)

областей, называемых субзернами или блоками (рис. 1 .9), границы которых представляют собой дислокации, разделяющие зерно на блоки.

Рис. 1.9. Схема блочной структуры кристалла

В отличие от них объемные дефекты в атомном масштабе макроскопические – они имеют во всех трех измерениях относительно большие размеры, несоизмеримые с атомным диаметром. К объемным дефектам относятся поры, включения, трещины, царапины и т.п., когда говорят о несовершенствах металлических кристаллов, то чаще всего имеют в виду микроскопические дефекты.

Анизотропия кристаллов В пространственном объёме кристаллической решетки атомы

расположены с различной плотностью и поэтому многие свойства кристаллов в различных направлениях различны. Такое свойство материи называется анизотропией.

18

Известно, что анизотропны все кристаллы. Степень анизотропности может быть значительной. Исследования монокристалла (единичного кристалла) меди в различных направлениях показали, что предел прочности σв изменяется от 120 до 360 МПа, а удлинение δ от 10 до 55%.

В отличие от кристаллов аморфные тела (например, глина) в различных направлениях имеют в основном одинаковую плотность атомов и,

следовательно, одинаковые свойства, т. е. они изотропны. В металлах,

состоящих из большого количества по-разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов (поликристалл), свойства во всех направлениях одинаковы (усредненные). Эта независимость свойств от направления называется квазиизотропией. Если в структуре металла создается одинаковая ориентировка кристаллов, то появляется анизотропия.

Кристаллизация металлов Когда металл переходит из жидкого состояния в твердое, этот процесс

называется кристаллизация.

центры кристаллизации

Рис. 1.10. Последовательные этапы процесса кристаллизации

Основы теории кристаллизации разработаны основоположником науки о металлах – металловедения Д.К. Черновым. Он установил, что кристаллизация состоит из двух процессов: зарождения мельчайших частиц кристаллов

(зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров

(рис. 1.10).

19

В процессе роста кристаллов к их зародышам присоединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала кристаллы свободны и сохраняют правильную геометрическую форму, но это происходит только до момента встречи растущих кристаллов друг с другом. В месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы. Такие кристаллы называют кристаллитами или зернами. Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем больше кристаллов образуется в данном объеме и каждый кристалл (зерно) меньше. На образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения. Чем больше скорость охлаждения металла, тем больше возникает в нем центров кристаллизации, и зерна получаются мельче (рис.

1.11).

На практике это подтверждается в тонких сечениях литых деталей,

охлаждающихся более быстро. На этих участках металл всегда получается более мелкозернистым, чем в толстых массивных литых объемах,

охлаждающихся медленнее.

Метод получения мелкого зерна при затвердевании металла заключается созданием искусственных центров кристаллизации. Для этого в расплавленный металл вводят специальные вещества, называемые модификаторами; процесс искусственного регулирования размеров зерен получил название

модифицирования.

Форма растущих кристаллов определяется не только условиями их столкновений между собой, но и составом сплава, наличием примесей и условиями охлаждения. В большинстве случаев при кристаллизации металлов механизм образования кристаллов носит так называемый дендритный характер.

Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с неравномерной скоростью. После образования зародышей их развитие идет главным образом в тех направлениях решетки, которые имеют

20