Всі метали, затвердевающие в нормальних умовах, являють собою кристалічні речовини, тобто укладання атомів в них характеризується певним порядком - періодичністю, як за різними напрямками, так і з різних площинах. Цей порядок визначається поняттям кристалічна решітка.
Іншими словами, кристалічна решітка це уявна просторова решітка, у вузлах якої розташовуються частинки, що утворюють тверде тіло.
Елементарна комірка - елемент обсягу з мінімального числа атомів, багаторазовим перенесенням якого в просторі можна побудувати весь кристал.
Елементарна комірка характеризує особливості будови кристала. Основними параметрами кристала є:
- розміри ребер елементарного осередку. a, b, c - періоди решітки - відстані між центрами найближчих атомів. В одному напрямку витримуються строго визначеними.
- кути між осями ().
- координаційне число (К) вказує на число атомів, розташованих на найближчому однаковій відстані від будь-якого атома в решітці.
- базис решітки кількість атомів, що припадають на одну елементарну комірку решітки.
- щільність упаковки атомів в кристалічній решітці - обсяг, зайнятий атомами, які умовно розглядаються як жорсткі кулі. Її визначають як відношення обсягу, зайнятого атомами до обсягу осередку (для об'ємно-центрованої кубічної решітки - 0,68, для гранецентрированной кубічної решітки - 0,74)
Рис.2.1. Схема кристалічної решітки
Класифікація можливих видів кристалічних решіток була проведена французьким вченим О. Браве, відповідно вони отримали назву «решітки Браве». Всього для кристалічних тіл існує чотирнадцять видів решіток, розбитих на чотири типи;
- примітивний - вузли решітки збігаються з вершинами елементарних осередків;
- базоцентрірованний - атоми займають вершини осередків і два місця в протилежних гранях;
- об'ємно-центрований - атоми займають вершини осередків і її центр;
- гранецентрированний - атоми займають вершини осередки і центри всіх шести граней
Мал. 2.2. Основні типи кристалічних решіток: а - об'ємно-центрована кубічна; б-гранецентрированная кубічна; в - гексагональна щільноупакована
Основними типами кристалічних решіток є:
1. Об'ємно - центрована кубічна (ОЦК) (див. Рис.1.2), атоми розташовуються у вершинах куба і в його центрі (V, W, Ti, Fe # 945;)
2. гранецентрованих кубічних (ГЦК) (див. Рис. 1.2б), атоми розташовуються у вершинах куба і по центру кожної з шести граней (Ag, Au, Fe # 947;)
3. Гексагональна, в основі якої лежить шестикутник:
o проста - атоми розташовуються в вершинах осередку і по центру двох підстав (вуглець у вигляді графіту);
o щільноупакована (ГПУ) - є 3 додаткових атома в середній площині (цинк).
Властивості тіла залежать від природи атомів, з яких воно складається, і від сили взаємодії між цими атомами. Сили взаємодії між атомами в значній мірі визначаються відстанями між ними. В аморфних тілах з хаотичним розташуванням атомів в просторі відстані між атомами в різних напрямках рівні, отже, властивості будуть однакові, тобто аморфні тіла ізотропні
У кристалічних тілах атоми правильно розташовуються в просторі, причому за різними напрямками відстані між атомами неоднакові, що зумовлює суттєві відмінності в силах взаємодії між ними і, в кінцевому результаті, різні властивості. Залежність властивостей від напрямку називається анізотропією
Щоб зрозуміти явище анізотропії необхідно виділити кристалографічні площини і кристалографічні напрямки в кристалі.
Площина, що проходить через вузли кристалічної решітки, називається кристаллографической площиною.
Пряма, що проходить через вузли кристалічної решітки, називається кристаллографическим напрямком.
Для позначення кристалографічних площин і напрямків користуються індексами Міллера. Щоб встановити індекси Міллера, елементарну комірку вписують в просторову систему координат (осі X, Y, Z - кристалографічні осі). За одиницю виміру приймається період решітки.
Рис.2.3. Приклади позначення кристалографічних площин (а) і кристалографічних напрямків (б)
Для визначення індексів кристалографічної кристалографічної площини необхідно:
- встановити координати точок перетину площини з осями координат в одиницях періоду решітки;
- взяти зворотні значення цих величин;
- привести їх до найменшого цілому кратному, кожному з отриманих чисел.
Отримані значення простих цілих чисел, які не мають загального множника, є індексами Міллера для площини, вказуються в круглих дужках. Приклади позначення кристалографічних площин на рис. 1.3 а.
Іншими словами, індекс по осі показує, на скільки частин площину ділить осьову одиницю по даній осі. Площині, паралельні осі, мають по ній індекс 0 (110)
Орієнтація прямої визначається координатами двох точок. Для визначення індексів кристаллографического напрямку необхідно:
# 61623; одну точку напряму поєднати з початком координат;
# 61623; встановити координати будь-якої іншої точки, що лежить на прямій, в одиницях періоду решітки
# 61623; привести ставлення цих координат до відношенню трьох найменших цілих чисел.
Індекси кристалографічних напрямків вказуються в квадратних дужках [111]
У кубічної решітці індекси напрямки, перпендикулярного площині (hkl) мають ті ж індекси [hkl].
Будова реальних кристалів. Дефекти кристалічної будови і їх вплив на фізико-механічні властивості металів.
З рідкого розплаву можна виростити монокристал. Їх зазвичай використовують в лабораторіях для вивчення властивостей того чи іншого речовини.
Метали і сплави, отримані в звичайних умовах, складаються з великої кількості кристалів, тобто, мають полікристалічне будова. Ці кристали називаються зернами. Вони мають неправильну форму і по-різному орієнтовані в просторі. Кожне зерно має свою орієнтування кристалічної решітки, відмінну від орієнтування сусідніх зерен, внаслідок чого властивості реальних металів усереднюються, і явища анізотропії не спостерігається
У кристалічній решітці реальних металів є різні дефекти (недосконалості), які порушують зв'язку між атомами і впливають на властивості металів. Розрізняють такі структурні недосконалості:
· Точкові - малі у всіх трьох вимірах;
· Лінійні - малі в двох вимірах і як завгодно протяжні в третьому;
· Поверхневі - малі в одному вимірі.
Одним з поширених недосконалостей кристалічної будови є наявність точкових дефектів: вакансій, дислокованих атомів і домішок (рис. 2.4.).
Рис.2.4. точкові дефекти
Вакансія - відсутність атомів у вузлах кристалічної решітки, «дірки», які утворилися в результаті різних причин. Утворюється при переході атомів з поверхні в навколишнє середовище або з вузлів решітки на поверхню (границі зерен, порожнечі, тріщини і т. Д.), В результаті пластичної деформації, при бомбардуванні тіла атомами або частками високих енергій (опромінення в циклотроні або нейтронної опромінення в ядерному реакторі). Концентрація вакансій в значній мірі визначається температурою тіла. Переміщаючись по кристалу, поодинокі вакансії можуть зустрічатися. І об'єднуватися в дивакансії. Скупчення багатьох вакансій може призвести до утворення пір і пустот.
Дислокований атом - це атом, що вийшов з вузла решітки і зайняв місце в междоузлие. Концентрація дислокованих атомів значно менше, ніж вакансій, так як для їх освіти потрібні істотні витрати енергії. При цьому на місці перемістилися атома утворюється вакансія.
Домішкові атоми завжди присутні в металі, так як практично неможливо виплавити хімічно чистий метал. Вони можуть мати розміри більше або менше розмірів основних атомів і розташовуються у вузлах решітки або междоузлиях.
Точкові дефекти викликають незначні спотворення решітки, що може привести до зміни властивостей тіла (електропровідність, магнітні властивості), їх наявність сприяє процесам дифузії і протіканню фазових перетворень в твердому стані. При переміщенні по матеріалу дефекти можуть взаємодіяти.
Основними лінійними дефектами є дислокації. Апріорне уявлення про дислокації вперше використано в 1934 році Орованом і Тейлером при дослідженні пластичної деформації кристалічних матеріалів, для пояснення великої різниці між практичної і теоретичної міцністю металу.
Дислокація - це дефекти кристалічної будови, що представляють собою лінії, уздовж і поблизу яких порушено характерне для кристала правильне розташування атомних площин.
Крайова дислокація являє собою лінію, уздовж якої обривається всередині кристала край "зайвої" півплощини (рис. 2.5)
Мал. 2.5. Крайова дислокація (а) і механізм її утворення (б)
Неповна площина називається екстраплоскості.
Більшість дислокацій утворюються шляхом сдвигового механізму. Її утворення можна описати за допомогою наступної операції. Надрізати кристал по площині АВСD, зрушити нижню частину відносно верхньої на один період решітки в напрямку, перпендикулярному АВ, а потім знову зблизити атоми на краях розрізу внизу.
Найбільші спотворення в розташуванні атомів в кристалі мають місце поблизу нижнього краю екстраплоскості. Вправо і вліво від краю екстраплоскості ці спотворення малі (кілька періодів решітки), а вздовж краю екстраплоскості спотворення простягаються через весь кристал і можуть бути дуже великі (тисячі періодів решітки) (рис. 2.6).
Якщо екстраплоскості знаходиться у верхній частині кристала, то крайова дислокація - позитивна (), якщо в нижній, то - негативна (). Дислокації одного знака відштовхуються, а протилежні притягаються.
Мал. 2.6. Спотворення в кристалічній решітці при наявності крайової дислокації
Інший тип дислокацій був описаний Бюргерса, і отримав назву гвинтова дислокація
Гвинтові дислокація отримана за допомогою часткового зсуву по площині Q навколо лінії EF (рис. 2.7) На поверхні кристала утворюється сходинка, що проходить від точки Е до краю кристала. Такий частковий зсув порушує паралельність атомних шарів, кристал перетворюється в одну атомну площину, закручену по гвинту у вигляді порожнього гелікоїда навколо лінії EF, яка представляє межу, що відокремлює частину площині ковзання, де зсув уже стався, від частини, де зрушення не починався. Уздовж лінії EF спостерігається макроскопічний характер області недосконалості, в інших напрямках її розміри становлять кілька періодів.
Якщо перехід від верхніх горизонтів до нижніх здійснюється поворотом за годинниковою стрілкою, то дислокація права, а якщо поворотом проти годинникової стрілки - ліва.
Мал. 2.7. Механізм утворення гвинтової дислокації
Гвинтові дислокація не пов'язана з якою-небудь площиною ковзання, вона може переміщатися по будь-якій площині, що проходить через лінію дислокації. Вакансії і дислоковані атоми до гвинтової місцезнаходження ще не стікають.
У процесі кристалізації атоми речовини, що випадають з пара або розчину, легко приєднуються до сходинки, що призводить до спіральних механізму росту кристалу.
Лінії дислокацій не можуть обриватися усередині кристала, вони повинні або бути замкнутими, утворюючи петлю, або розгалужуватися на декілька дислокацій, або виходити на поверхню кристала.
Дислокаційна структура матеріалу характеризується щільністю дислокацій.
Щільність дислокацій в кристалі визначається як середнє число ліній дислокацій, які перетинають всередині тіла майданчик площею 1 м 2. або як сумарна довжина ліній дислокацій в об'ємі 1 м 3
Щільність дислокацій змінюється в широких межах і залежить від стану матеріалу. Після ретельного відпалу щільність дислокацій становить 10 5 ... 10 7 м -2. в кристалах з сильно деформованої кристалічною решіткою щільність дислокацій досягає 10 15 ... 10 16 м -2.
Щільність дислокації в значній мірі визначає пластичність і міцність матеріалу (рис. 2.8)
Мал. 2.8. Вплив щільності дислокацій на міцність
Мінімальна міцність визначається критичною щільністю дислокацій
Якщо щільність менше значення а, то опір деформації різко зростає, а міцність наближається до теоретичної. Підвищення міцності досягається створенням металу з бездефектной структурою, а також підвищенням щільності дислокацій, що утрудняє їх рух. В даний час створені кристали без дефектів - ниткоподібні кристали довжиною до 2 мм, товщиною 0,5 ... 20 мкм - "вуса" з міцністю, близькою до теоретичної: для заліза = 13000 МПа, для міді = 30000 МПа. При зміцненні металів збільшенням щільності дислокацій, вона не повинна перевищувати значень 10 15 ... 10 16 м -2. В іншому випадку утворюються тріщини.
Дислокації впливають не тільки на міцність і пластичність, але і на інші властивості кристалів. Зі збільшенням щільності дислокацій зростає внутрішнє, змінюються оптичні властивості, підвищується електроопір металу. Дислокації збільшують середню швидкість дифузії в кристалі, прискорюють старіння і інші процеси, зменшують хімічну стійкість, тому в результаті обробки поверхні кристала спеціальними речовинами в місцях виходу дислокацій утворюються ямки.
Дислокації утворюються при утворенні кристалів з розплаву або газоподібної фази, при зрощенні блоків з малими кутами разоріентіровкі. При переміщенні вакансій всередині кристала, вони концентруються, утворюючи порожнини у вигляді дисків. Якщо такі диски великі, то енергетично вигідно "захлопування" їх з утворенням по краю диска крайової дислокації. Утворюються дислокації при деформації, в процесі кристалізації, при термічній обробці.
Поверхневі дефекти - межі зерен, фрагментів і блоків (рис. 2.9).
Мал. 2.9. Разориентация зерен і блоків в металі
Розміри зерен складають до 1000 мкм. Кути разориентация складають до декількох десятків градусів (# 920;).
Кордон між зернами являє собою тонку в 5 - 10 атомних діаметрів поверхневу зону з максимальним порушенням порядку в розташуванні атомів.
Будова перехідного шару сприяє скупченню в ньому дислокацій. На кордонах зерен підвищена концентрація домішок, які знижують поверхневу енергію. Однак і всередині зерна ніколи не спостерігається ідеального будови кристалічної решітки. Є ділянки, разоріентіровать один щодо іншого на кілька градусів (# 920; 1). Ці ділянки називаються фрагментами. Процес поділу зерен на фрагменти називається фрагментацією або полігонізації.
У свою чергу кожен фрагмент складається з блоків, розмірами менше 10 мкм, разоріентіровать на кут менш одного градуса (# 920; 2). Таку структуру називають блоковою або мозаїчної.
До них відносяться пори, тріщини, що мають макроскопічні розміри на відміну від вище розглянутих мікроскопічних.
3 Структура металевих матеріалів.
Поняття фази, мікро- і макроструктури. Сучасні методи дослідження структури. Фрактографія. Термодинамічні основи, механізм і кінетика кристалізації. Модифікування рідкого металу. Будова металевого злитка. Поліморфні перетворення в металах. Сплав, компонент, фаза, система. Правило фаз. Типи фаз, що утворюються в металевих сплавах (тверді розчини, хімічні сполуки, механічні суміші).