Tehnik-ast.ru

Электро Техник
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Кристаллическое строение металлов типы кристаллических решеток

Кристаллическое строение металлов типы кристаллических решеток

Все вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном, переходы между которыми (так называемые фазовые переходы) сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии где — внутренняя энергия; Т — температура; — энтропия), энтропии, плотности и других физических свойств. Четвертым агрегатным состоянием часто называют плазму — сильно ионизированный газ (т. е. газ заряженных частиц — ионов, электронов), образующийся при высоких температурах (свыше 108 К). Однако это утверждение неточно, так как между плазмой и газом нет фазового перехода. Тем не менее, плазма резко отличается от газа прежде всего сильным электрическим взаимодействием ионов и электронов, проявляющимся на больших расстояниях.

Реализация того или иного агрегатного состояния вещества зависит главным образом от температуры и давления, при которых оно находится (рис. 5). Важной характеристикой является отношение

средней потенциальной энергии взаимодействия атомов к их средней кинетической энергии Для газов , для жидкостей Для твердых тел .

В газах межмолекулярные (атомы в газах объединены в молекулы N, и т. д.) расстояния большие, молекулы практически не взаимодействуют друг с другом и, свободно двигаясь, заполняют весь возможный объем. Таким образом, для газа характерно отсутствие собственного объема и формы.

Рис. 5. Диаграмма состояния вещества в зависимости от давления и температуры

Рис. 6. Кристаллическая решетка (выделена элементарная ячейка с параметрами

Жидкости и твердые тела относят к конденсированному состоянию вещества. В отличие от газообразного состояния у вещества в конденсированном состоянии атомы расположены ближе друг к другу, что приводит к их более сильному взаимодействию и, как следствие этого, жидкости и твердые тела имеют постоянный собственный объем. Для теплового движения атомов в жидкости характерны малые колебания атомов вокруг равновесных положений и частые перескоки из одного равновесного положения в другое. Это приводит к наличию в жидкости только так называемого ближнего порядка в расположении атомов, т. е. некоторой закономерности в расположении соседних атомов на расстояниях, сравнимых с межатомными. Для жидкости в отличие от твердого тела характерно такое свойство, как текучесть.

Атомы в твердом теле, для которого в отличие от жидкого тела характерна стабильная, постоянная собственная форма, совершают только малые колебания около своих равновесных положений. Это приводит к правильному чередованию атомов на одинаковых расстояниях для сколь угодно далеко удаленных атомов, т. е. существования так называемого дальнего порядка в расположении атомов. Такое правильное, регулярное расположение атомов в твердом теле, характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях (рис. 6), образует кристаллическую решетку, а тела, имеющие кристаллическую решетку, называют твердыми телами. Кроме того, существуют аморфные тела (стекло, воск и т. д.). В аморфных телах атомы совершают малые колебания вокруг хаотически

расположенных равновесных положений, т. е. не образуют кристаллическую решетку. Аморфное тело находится с термодинамической точки зрения в неустойчивом (так называемом метастабильном) состоянии и его следует рассматривать как сильно загустевшую жидкость, которая с течением времени должна закристаллизоваться, т. е. атомы в твердом теле должны образовать кристаллическую решетку и превратиться в истинно твердое тело.

Для аморфного тела характерна изотропия свойств (одинаковые свойства по разным направлениям), а также отсутствие точки плавления, т. е. при повышении температуры аморфное тело размягчается Эти особенности вызваны отсутствием у аморфного тела дальнего порядка в расположении атомов, однако ближний порядок имеется. Таким образом, аморфное тело правильнее рассматривать как жидкость в переохлажденном, метастабильном состоянии с очень высоким коэффициентом вязкости.

Рис. 7. Схема сил взаимодействия (а) и потенциальной энергии взаимодействия (б) между атомами в зависимости от расстояния

Аморфное состояние образуется при быстром и более) охлаждении расплава. Например, при охлаждении ряда сплавов из жидкого состояния образуются так называемые металлические стекла, обладающие специфическими физико-механическими свойствами.

Какие силы удерживают атомы в твердом теле. Между атомами, образующими кристаллическое твердое тело, существуют силы притяжения, которые уравновешиваются на расстояниях порядка см силами отталкивания (рис. 7, а).

Соответственно при см потенциальная энергия взаимодействия атомов имеет минимальное значение (рис. 7, б). Таким образом при атомы притягиваются, при — отталкиваются, при находятся в устойчивом положении. Существование атомно-кристаллической решетки в твердых телах с межатомным расстоянием порядка см объясняется тем, что минимум потенциальной энергии системы достигается именно тогда, когда атомы регулярно, периодически расположены в пространстве. В самом общем случае при данной температуре Т расположение атомов в кристаллической решетке, т. е. структура кристаллов, соответствует не минимуму потенциальной энергии (точнее внутренней энергии но в данном рассмотрении пренебрегаем кинетической энергией атомов), а минимуму свободной энергии . Это обстоятельство, т. е. наличие энтропийного члена Т ответственно, в частности, за многообразие встречающихся у элементов и их соединений кристаллических структур.

Читайте так же:
Как крепится токарный патрон

Природу отталкивания атомов в различных твердых телах можно считать одинаковой: на больших расстояниях основную роль играют кулоновские силы отталкивания положительных ионов (ядер), а на меньших расстояниях главную роль играют силы отталкивания, возникающие вследствие перекрытия заполненных электронных оболочек сближенных атомов.

Силы притяжения (силы связи) в твердых телах существенно отличаются по своей природе. Обычно рассматривают четыре основных типа связи в твердых телах: металлическую, ионную, ковалентную и связь Ван-дер-Ваальса. В большинстве случаев связи в твердых телах носят смешанный характер. В металлах и сплавах определяющее значение имеет металлический тип связи. Связь в металлах обусловлена взаимодействием положительных ионов с коллективизированными электронами. Свободные электроны проводимости, находясь между ионами, как бы «стягивают» их, компенсируя силы отталкивания. У ряда металлов (например, переходных) определенный вклад вносит также ковалентная связь, при которой объединяются два атома, временно передающие друг другу валентный электрон и удерживаемые поэтому силами электростатического притяжения. При ионной связи соседние атомы уже постоянно обменялись электронами.

Кристаллическое строение металлов типы кристаллических решеток

  • Главная
  • Материаловедение
    • Контрольные вопросы
    • Атомно-кристаллическое строение атомов
    • Кристаллизация металлов
    • Деформация и рекристаллизация металлов
    • Фазы в металлических сплавах

    АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

    Все металлы и многие неметаллические материалы имеют кристаллическое строение, т.е. закономерное расположение атомов в пространстве внутри каждого кристалла. Атомы располагаются на таком расстоянии, когда силы связи, действующие на атом, равны между собой.

    Силы (энергия) связи между атомами.

    Силы, действующие на атом, складываются из сил притяжения междуэлектронами и ионами и сил отталкивания между одинаково заряженнымиионами. При расстоянии, равном r0 силы отталкивания и силы притяжения равны, т.е. атом находится в положении равновесия и удерживается в этом положении.

    Вид (геометрия) атомно-кристаллического строения определяется ми-нимальным значением энергии связи, которая зависит от типа связей в кристаллах.

    Типы метатомных связей в кристаллах.

    Молекулярная связь – отдельные молекулы, связанные между собойсилами Ван-дер-Ваальса. Связь неимеет направленного характера. Молекулярную связь имеют органические вещества, например, полимеры.

    Ковалентная связь – жестко связывает каждый атом с другим за счет обменного взаимодействия двух обобщественных электронов с противоположными спинами. Между электронами возникает обменное взаимодействие. Связь направленная. Эта связь типична для элементов IVA-VIIA подгрупп периодическойсистемы.

    Ионная связь – результат электростатического взаимодействия между разноименнозаряженными ионами. Каждый ион имеет четыре ближайших соседа противоположного знака, что обеспечивает электростатическое взаимодействие.

    Металлическая связь – действует только в металлах и сплавах на их основе. Она не направленная и определяет особенности физико-механических свойств металлов.

    Металлическая связь – взаимодействие закономерно расположенных положительно заряженных ионов, окруженных свободными электронами (электронный газ). Металлический тип связи обуславливает присущие только металлам металлические свойства и кристаллическое строение.

    Металлические свойства:

    1. Термоэлектронная эмиссия

    2. Высокая тепло- и электропроводность

    3. Металлический блеск, отражательная способность

    4. Повышенная способность пластического деформирования

    5. Положительный температурный коэффициент электросопротивления

    Кристаллы (кристаллическая решетка)

    1. Наличие дальнего порядка врасположении атомов

    2. Атомы располагаются на расстоянии, когда энергии отталкивания и притяжения равны

    3. Строение кристаллической решетки описывается элементарной ячейкой. Элементарная ячейка – это наименьший объем кристалла, многократное повторениекоторого по осям х, у, z дает 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.

    ИДЕАЛЬНОЕ СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ.

    Идеальный кристалл имеет однородное, закономерное и симметричное расположение атомов в пространстве. Геометрия расположения атомов определяет тип кристаллической решетки.

    ХАРАКТЕРИСТИКИ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК.

    1. Координационное число К или Z – количество ближайших равноудаленных атомов относительно «базисного атома».

    2. Плотность упаковки n – число целых атомов, приходящихся на однуэлементарную ячейку, когда каждая ячейка в пространстве окружена ей подобными.

    Пример: Атом в вершине куба принадлежит одновременно 8 ячейкам, т.е. на одну ячейку приходится 1/8 атома. Атомов 8 × 1/8 = 1 – на 1 ячейку.

    3. Коэффициент компактности решетки η — отношение объема всех атомов решетки к ее геометрическому объему. Свободные пространства в ячейке называются порами. Они классифицируются по геометрической форме:

    а)Тетраэдрическая пора — пустота в плотной упаковке атомов, окруженная четырьмя равновеликими шарами (атомами). Размер тетраэдрической поры определяется как радиус вписанной в нее сферы.

    б) Октаэдрическая пора — пустота в плотной упаковке атомов, окруженная шестью равновеликими шарами (атомами). Размер октаэдрической поры определяется как радиус вписанной в нее сферы.

    η = Vатома/Vячейки

    Vячейки = Vатома + Vпоры

    Наиболее часто встречающиеся типы решеток

    Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа:

    1. примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;

    2. базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;

    3. объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;

    4. гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней

    Объемно-центрированная кубическая решетка (Mo, W, V, Feα)

    Гранецентрированная кубическая решетка (Ag, Au)

    Гексагональная плотноупакованная решетка

    Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией.

    Дефекты кристаллической решетки (реальное строение кристаллов)

    В реальных кристаллах всегда имеются отклонения от идеального порядка в расположении атомов, называемые несовершенствами или дефектами решетки. По геометрии вызываемых ими нарушений решетки дефекты подразделяют на точечные, линейные и поверхностные.

    Точечные дефекты

    Это вакансии – пустые узлы решетки, «свои» атомы в междоузлии и атомы примесей в узлах решетки и междоузлиях. Основная причина образования первых двух видов дефектов – движение атомов, интенсивность которого возрастает с повышением температуры.

    Типы точечных дефектов кристаллической решетки: 1 – вакансия, 2 – атом в междоузлии

    Линейные дефекты

    Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации – линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла. Важнейшими видами линейных дефектов – краевые и винтовые дислокации.

    Образование краевой дислокации в результате частичного сдвига верхней части кристалла под действием усилия.

    Видно, что под влиянием сдвигающего усилия произошел частичный сдвиг верхней части кристалла вдоль некоторой плоскости скольжения («легкого сдвига»). В результате образовалась экстраплоскость. Поскольку она не имеет продолжения вниз, вокруг ее края возникает упругое искажение решетки радиусом в несколько межатомных расстояний (т.е приблизительно 10 в -7 степени см), протяженность же этого искажения во много раз больше (может доходить до 0,1…1 см). Такое несовершенство кристалла вокруг края экстраплоскости является линейным дефектом решетки и называется краевой дислокацией.

    Остановимся на двух особенностях механизма перемещения дислокаций.

    1. Дислокации могут весьма легко (при малой нагрузке Р) передвигаться вдоль плоскости скольжения посредством «эстафетного» перемещения экстраплоскости. На рис. показан начальный этап такого движения (двумерный рисунок в плоскости, перпендикулярной линии краевой дислокации).

    Начальный этап эстафетного перемещения краевой дислокации

    .А-А – плоскость скольжения, 1-1 экстраплоскость (исходная позиция) Под действием усилия Р атомы экстраплоскости (1–1) отрывают от плоскости (2–3) атомы (2–2), расположенные выше плоскости скольжения. В результате эти атомы образуют новую экстраплоскость (2′-2′); атомы «старой» экстраплоскости (1–1) занимают освободившиеся места, достраивая плоскость (1′-1′-3). Этот акт означает исчезновение «старой» дислокации, связанной с экстраплоскостью (1–1), и возникновение «новой», связанной с экстраплоскостью (2′-2′), или, другими словами, передачу «эстафетной палочки» — дислокации на одно межплоскостное расстояние. Такое эстафетное перемещение дислокации будет продолжаться до тех пор, пока она не дойдет до края кристалла, что будет означать сдвиг его верхней части на одно межплоскостное расстояние (т.е. пластическую деформацию).Этот механизм не требует больших усилий, т.к. состоит из последовательных микросмещений, затрагивающих лишь ограниченное число атомов, окружающих экстраплоскость.

    2. Очевидно, однако, что такая легкость скольжения дислокаций будет наблюдаться лишь в том случае, когда на их пути отсутствуют какие – либо препятствия. Такими препятствиями являются любые дефекты решетки (особенно линейные и поверхностные!), а также частицы других фаз, если они присутствуют в материале. Эти препятствия создают искажения решетки, преодоление которых требует дополнительных внешних усилий, поэтому могут заблокировать движение дислокаций, т.е. сделать их неподвижными.

    Поверхностные дефекты

    Все промышленные металлы (сплавы) являются поликристаллическими материалами, т.е. состоят из огромного количества мелких (обычно 10 в -2…10 в -3 степени см), хаотически ориентированных кристалликов, называемых зернами. Очевидно, что периодичность решетки, присущая каждому зерну (монокристаллу), в таком материале нарушена, поскольку кристаллографические плоскости зерен повернуты относительно друг друга на угол, величина которого колеблется от долей до нескольких десятков градусов.

    Схема строения границ зерен в поликристаллическом материале

    Граница между зернами представляет собой переходный слой шириной до 10 межатомных расстояний, обычно с неупорядоченным расположением атомов. Это место скопления дислокаций, вакансий, примесных атомов. Поэтому в объеме поликристаллического материала границы зерен являются двумерными, поверхностными дефектами.

    Объемные (трехмерные).

    Под ними понимают нарушения, которые в трех измерениях имеют неограниченные размеры. К таким нарушениям относят трещины, поры, усадочные раковины.

    Влияние дефектов решетки на механические свойства кристаллов. Пути повышения прочности металлов

    Под прочностью кристаллических тел понимают их сопротивление приложенной нагрузке, стремящейся сдвинуть или, в пределе, оторвать одну часть кристалла относительно другой. Наличие в металлах подвижных дислокаций (уже в процессе кристаллизации возникает до 10 в 6…10 в 8степени дислокаций в сечении) приводит к их пониженной сопротивляемости нагружению, т.е. высокой пластичности и невысокой прочности. Очевидно, что наиболее эффективным способом повышения прочности будет удаление дислокаций из металла. Однако такой путь не технологичен, т.к. бездислокационные металлы удается получать лишь в виде тонких нитей (так называемых «усов») диаметром в несколько микрон и длиной до 10 мкм.Поэтому практические способы упрочнения основаны на торможении, блокировании подвижных дислокаций путем резкого увеличения числа дефектов решетки (в первую очередь линейных и поверхностных!), а также создании многофазных материалов.Такими традиционными методами повышения прочности металлов являются:

    – пластическое деформирование (явление наклепа или нагартовки)

    – термическая (и химико-термическая) обработка

    – легирование (введение специальных примесей).

    В заключение следует отметить, что повышение прочности, основанное на блокировании подвижных дислокаций, приводит к снижению пластичности и ударной вязкости и, соответственно, эксплуатационной надежности материала. Поэтому вопрос о степени упрочнения необходимо решать индивидуально, исходя из назначения и условий работы изделия.

    3 Атомно-кристаллическое строение металлов

    Металлические материалы. 83 из известных 112 химических элементов таблицы Менделеева Д. И. являются металлами. Они обладают рядом характерных свойств:

    — высокой тепло- и электропроводностью;

    — положительным коэффициентом электросопротивления (с повышением температуры электросопротивление растет);

    — термоэлектронной эмиссией (испусканием электронов при нагреве);

    — хорошей отражательной способностью (блеском);

    — способностью к пластической деформации;

    Рекомендуемые файлы

    Наличие перечисленных свойств обусловлено металлическим состоянием вещества, главным из которых является наличие легкоподвижных коллективизированных электронов проводимости.

    Металлическое состояние возникает в совокупности атомов, когда при их сближении внешние (валентные) электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими и свободно перемещаются между положительно заряженными, периодически расположенными ионами. Силы притяжения (силы связи) в твердых телах существенно отличаются по своей природе. Обычно рассматривают четыре основных типа связей в твердых телах: ван-дер-ваальсовые, ковалентные, металлические, ионную.

    Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решётку, называют элементарной ячейкой.

    Для характеристики элементарной ячейки используют параметры кристаллической решётки: три ребра а, в, с, измеряемых в ангстремах (1Å = 1* 10 -8 см) или в килоиксах – kX (1kX = 1,00202 Å) и три угла a, b, g, а также компактность структуры h — отношение объема, занимаемого атомами, к объёму ячейки ( для решётки ОЦК h = 64 %, для решётки ГЦК h = 74 %) и координационное число К — число ближайших соседей данного атома: для решётки ОЦК это число равно 8, т.е. атомы, находящиеся в вершине, принадлежат восьми элементарным ячейкам (рис.2.1.а), для решётки ГЦК это число равно 12, т.е. атомы, находящиеся в вершине, принадлежат двенадцати элементарным ячейкам (рис. 2.1.б).

    Описание: рис 2_3.emf

    Рис.2.1. Схема определения координационного числа кристаллической решётки: а – ГЦК; б – ОЦК; в – ГПУ

    Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая решётка. В простой кубической решётке атомы расположены (упакованы) недостаточно плотно.

    Стремление атомов металла занять места, наиболее близкие друг к другу, приводит к образованию решеток других типов (рис. 2.2):

    — объёмноцентрированной кубической решётки (ОЦК) (рис.2.2а) с параметром

    а = 0,28 – 0,6мм = 2,8 – 6,0 Å

    — гранецентрированной кубической решётки (ГЦК) (рис.2.2б) с параметром

    — гексагональной плотно упакованной решётки (ГПУ) (рис.2.2в) с параметром

    Описание: рис 2_1.emf

    Рис. 2.2. Кристаллические решётки: а – гранецентрированный куб (ОЦК); б – объемноцентрированный куб (ГЦК); в- гексагональная плотно упакованная (ГПУ)

    Узлы (положения атомов), направления в плоскости и в пространстве обозначаются с помощью так называемых индексов Миллера (рис. 2.3). Индексы узла записываются – (mnp), индексы направления — [mnp], индекс плоскости — (hk1).

    Описание: рис 2_2.emf

    Рис. 2.3. Символы некоторых важнейших узлов, направлений и плоскостей в кубической решётке

    Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решётки многие свойства отдельно взятого кристалла (химические, физические, механические) по данному направлению отличаются от свойств в другом направлении и, естественно, зависят от того, сколько атомов встречается в этом направлении. Различие свойств в зависимости от направления испытания носит название анизотропии. Все кристаллы анизотропны. Анизотропия – особенность любого кристалла, характерная для кристаллического строения.

    Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из совокупности кристаллитов с различной ориентацией. При этом свойства во всех направлениях усредняются.

    2.1. Строение реальных кристаллов

    Реальный кристалл состоит из скопления большого числа мелких кристаллов неправильной формы, которые называются зернами или кристаллитами (рис. 2.4).

    Рис. 2.4. Блочная структура кристалла: схема (а); реальная блочная структура в алюминии (б), наблюдаемая в электронном микроскопе на просвет, (х 35000)

    Зерно не является монолитным кристаллом, построенным из строго параллельных атомных слоев. В действительности оно состоит как бы из мозаики отдельных блоков, кристаллографические плоскости в которых повернуты друг относительно друга на небольшой угол – порядка нескольких минут. Такое строение зерна носит название мозаичной структуры, а составляющие ее блоки называются блоками мозаики.

    Часто блоки объединяются в более крупные агрегаты – так называемые фрагменты. Фрагменты в свою очередь разориентированы относительно друг друга в несколько градусов. Зерна ориентированы случайно по отношению друг к другу. Преимущественная ориентация зерен называется текстурой. Поверхность раздела зерен называется границей.

    Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из совокупности кристаллитов с различной ориентацией, что приводит к изменению свойств металлов при различных процессах их обработки.

    При определенных условиях, обычно при очень медленном контролируемом отводе тепла при кристаллизации, может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, который называют монокристаллом.

    2.2. Дефекты кристаллического строения

    Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. Реальные кристаллы всегда содержат несовершенства (дефекты) кристаллического строения, которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.

    Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве:

    1. Точечные. Точечными дефектами называются нарушения периодичности кристалла, размеры которых сопоставимы с размерами атома во всех измерениях.

    К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы, примеси замещения, примеси чужеродных атомов внедрения (рис. 2.5).

    Рис. 2.5.Точечные дефекты в кристаллической решетке: а- вакансия;

    б — межузельный атом; в- дефект Френкеля; г- примесные атомы замещения (большой) и внедрения (маленький).

    Стрелками указаны направления смещений атомов в решетке.

    Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при любой температуре выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаний атомов. Каждой температуре соответствует равновесная концентрация вакансий, а также межузельных атомов. Например, в меди при температуре 20-25 о С содержится 10 -13 ат. % вакансий, а вблизи точки плавления — уже 0,01 ат. % (одна вакансия приходится на 10 4 атомов).

    Пересыщение точечными дефектами достигается при резком охлаждении после высокотемпературного нагрева, при пластическом деформировании и при облучении нейтронами. Чем выше температура, тем больше концентрация вакансий и тем чаще они переходят от узла к узлу. Вакансии являются самой важной разновидностью точечных дефектов; они ускоряют все процессы, связанные с перемещениями атомов: диффузию, спекание порошков и т. д.

    2. Линейные. Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации – линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла.

    Важнейшие виды линейных несовершенств — краевые и винтовые дислокации (рис.2.6).

    Рис. 2.6. Схема дислокаций: а – краевая; б — винтовая

    Краевая дислокация в сечении представляет собой край «лишней» полуплоскости в решетке (рис.2.7)

    Рис. 2.7. Сечение простой кубической решетки: а — с краевой дислокацией; б — без дислокации.

    Вокруг дислокаций решетка упруго искажена. Схема образования атмосферы Коттрелла в кристалле представлена на рисунке 2.8.

    Рис. 2.8. Образование атмосферы Коттрелла: а – атомы примеси замещения (заштрихованы) и внедрения беспорядочно расположены в решетке; б, в – атомы примеси переместились к дислокации, в результате чего энергия решетки понизилась.

    3. Поверхностные (двумерные). Под этими дефектами понимают нарушения, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью лишь в несколько межатомных расстояний в третьем измерении.

    К поверхностным дефектам относятся дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен.

    4.Объемные (трехмерные). Под ними понимают нарушения, которые в трех измерениях имеют неограниченные размеры. К таким нарушениям относят трещины, поры, усадочные раковины.

    2.3. Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм

    Атомы данного элемента могут образовать, если исходить только из геометрических соображений, любую кристаллическую решетку. Однако устойчивым, а следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.

    Так, разные металлы образуют разные виды кристаллической решетки:

    — Li, Na, K, Mo, W – ОЦК;

    — Al, Ca, Cu, Au, Pt – ГЦК;

    — Mg, Zr, Hf, осмий – ГПУ.

    Однако в ряде случаев при изменении температуры или давления может оказаться, что для одного и того же металла более устойчивой будет другая решетка, чем та, которая существует при данной температуре или давлении. Так, например, существует железо с решетками объемно-центрированного и гранецентрированного кубов, обнаружен кобальт с гранецентрированной и с гексагональной решетками.

    Существование одного и того же металла (вещества) в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными или аллотропическими модификациями (таблица 2.1).

    Строение металлов. Атомно-кристаллическое строение металлов. Кристаллическая решетка металлов.

    В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место. Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике. Причина этого — в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

    Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:

    • «металлический блеск» (хорошая отражательная способность); ;
    • высокая теплопроводность;
    • высокая электропроводность.

    Строение металлов. Атомно-кристаллическое строение металлов.

    Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

    Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».

    Кристаллическая решетка металлов

    Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определенным порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка. Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

    Элементарная ячейка – элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл. Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

    • размеры ребер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов (в одном направлении выдерживаются строго определенными);
    • углы между осями (α, β, χ);
    • координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке;
    • базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки;
    • плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74).

    Схема кристаллической решетки

    Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа:

    • примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;
    • базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;
    • объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;
    • гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней.

    Типы кристаллических решеток

    Рис. 2: а – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

    голоса
    Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector