Файл: Теория - ткм.doc

Самым распространенным металлом на земном шаре является алюминий. Он составляет 8,8% всей земли. Второй по распространенности – это железо. Оно составляет 4,6% всей земли. Железо наиболее дешевый металл.

2.2. Кристаллические решетки металлов.

Атомы металлов находящиеся в твердом состоянии, связаны между собой металлической связью, стремятся иметь как можно большее число ближайших соседей и поэтому упаковываются в пространстве наиболее компактным образом.

Таким плотным атомным упаковкам соответствуют следующие кристаллические структуры:

1. Объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК).

Такая структура встречается у хрома (Cr), ванадия (V), вольфрама (W) и т. д., то есть у тугоплавких металлах.

• Базис равен 2

• Координационное число равно 8

• Степень компактности 0,68. Это означает, что 68% объема занято атомами, а остальное место составляют поры (пустоты).

2. Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК).

Такая структура встречается у никеля (Ni), алюминия (Al), меди (Cu) и у благородных металлов: золото (Au), серебро (Ag), платина (Pt)

• Базис равен 4

• Координационное число равно 12

• Степень компактности 0,74. Это означает, что 74% объема занято атомами, а остальное место составляют поры (пустоты).

3. Гексагональная плотно упакованная решетка (ГПУ).

Такая структура встречается у бериллия (Bi), магния (Mg), цинка (Zn) и т. д.

• Базис равен 6

• Координационное число равно 12

• Степень компактности 0,74. Это означает, что 74% объема занято атомами, а остальное место составляют поры (пустоты).

У ГЦК и ГПУ решетки степень компактности одинаковый, это наивысшая степень компактности.

Иногда у металлов встречаются структуры с гексагональной или тетрагональной решеткою, но гораздо реже, чем три выше описанных решетки.

2.3. Полиморфизм металлов.

Полиморфизм– это изменение кристаллической структуры материала с изменением внешних условий, то есть температуры и давления.

Температура и давление, при которых наблюдается смена кристаллической структуры материала, называют температурой и давлением полиморфного превращения.

Различные кристаллические модификации принято обозначать буквами греческого алфавита (α, β, γ, δ, ε и т. д.)

Примером полиморфизма у не металлов является полиморфизм углерода.

Хорошо известны две кристаллические модификации углерода – это алмаз и графит. По сути, это один и тот же элемент углерода, но у данных материалов отличие состоит в кристаллическом строение в результате и свойства материалов совершенно различные.

Полиморфизмом обладает большинство металлов. Например, у кобальта (Co) с повышением температуры ГПУ меняется на ГЦК и наоборот с понижением температуры ГЦК меняется на ГПУ.

У титана (Ti) с повышением температуры ГПУ меняется на ГЦК и наоборот с понижением температуры ГЦК меняется на ГПУ. Еще одним ярким полиморфизмом является олово (оловянная чума) при низких температурах ниже – 30⁰ белое и пластичное олово (β – Sn)превращается в серый порошок (α – Sn).

Наиболее ярко полиморфизм проявляется у железа.

ОЦК ГЦК ОЦК

α – Fe β – Fe γ – Fe δ – Fe

768⁰ 911⁰ 1392⁰ 1539⁰ T⁰ C

Комнатная температура температура плавления (жидкое

состояние)

α – Fe, β – Fe имеют одинаковую ОЦК и различаются лишь магнитными свойствами. Сначала полагали, что изменение магнитных свойств связано с изменением кристаллической структуры, но позже выяснилось, что не так, однако исторически сложившиеся деления железа, но α – Fe, β – Fe сохранилось.

При температуре выше 911⁰ железо имеет ГЦК решетку, которая отличается от ОЦК решетки большой плотностью, поэтому при нагреве железа до 9110 наблюдается сокращения образца.

Выше 1392⁰ железо имеет также ОЦК решетку, но период этой решетки несколько больше чем период решетки α – Fe.

2.3. Зернистое строение металлов.

Все металлы и сплавы, затвердевшие в обычных условиях, имеют зернистое строение, то есть состоят из множества мельчайших кристалликов неправильной формы (зерен), случайным образом ориентирующееся в пространстве. Размеры таких зерен колеблются от микрона до м.микрона. Зерна отделены друг от друга границей, представляющий собой переходный слой толщиной 5 – 10 межатомных расстояний. Порядок расположения атомов на границах сильно нарушен, на протяжении границы кристаллическая решетка первого плавно переходит в кристаллическую решетку соседнего зерна.

Ориентация кристаллических решеток в соседних зернах произвольная, случайная. Угол разориентировки может составлять десятки градусов, поэтому границы называют больше угловыми. Сами зерна делятся на фрагменты, которые в свою очередь делятся на блоки. Угол разориентации кристаллической решетки в соседних фрагментах меньше 50 , а блоков от нескольких секунд до минут. Границы блоков и фрагментов называют мало угловыми.

Причиной зернистого строения является то, что они кристаллизуются сразу из нескольких центров. В начальный момент затвердевая в жидком расплаве появляются центры кристаллизации или зародыши, которые начинают расти. Вследствие момента времени в расплаве появляется очередная порция зародышей, которые также растут и т. д., до тех пор пока весь расплав не затвердеет. На заключительном этапе отдельные кристаллы начинают соприкасаться и мешают другу расти, поэтому они принимают произвольную форму.

Тема №3: Дефекты кристаллической структуры.

Структура реальных кристаллов отличается от идеальной. В реальных кристаллах всегда имеются те или иные нарушения, периодичности расположения атомов. Эти нарушения называют дефектами кристаллической структуры. В зависимости от размеров все дефекты подразделяются на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Все точечные дефекты искажают кристаллическую структуру материала, поэтому оказывается воздействия на свойства материалов.

3.1. Точечные дефекты.

Точечные дефекты во всех измерениях имеют размеры сравнимые с межатомными расстояниями. К ним относятся вакансии, межузельные атомы и атомы примеси.

Вакансией называется место не занятое атомами в узле кристаллической решетки.

Межузельным атомом называется атом, смещенный из узла кристаллической решетки в положение между узлами.

Примусные атомы могут располагаться как в узлах кристаллической решетки (примусные атомы замещения) так и в межузельном пространстве (внедрение)

Вакансии межузельные атомы рождаются при любых температурах отличных от абсолютного нуля из-за тепловых колебаний.

Эти дефекты являются подвижными и при встречи могут рекомбинировать. Процессы генерации (рождения) и рекомбинации (уничтожения) в материалах уравновешены, и каждой температуре соответствует своя равновесная концентрация дефектов.

ПАВ

В ПАЗ Зернистое строение атома.

Чем выше температура, тем выше концентрация. Все точечные дефекты, а в особенности крим. атомы влияют на электропроводность металлов, в частности электропроводность металлов ухудшается при увеличение примесей атомов, чем чище металл, тем лучше проводит. Подвижные вакансии способствую процессам диффузии в материалах. На механические свойства точечные дефекты практический не влияют (либо влияют слабо), это влияние становится заметным только при очень высокой концентрации точечных дефектов. Например, при облучении металлов резко нарастает концентрация точечных радиационных дефектов, при этом возрастает твердость и износостойкость металлов.