Атомно-кристаллическое строение металла
Всякое вещество может находится в трех агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном.
В газах нет никакой закономерности расположения частиц (атомов, молекул).
Газ стремиться занять возможно больший объем. В жидком состоянии атомы и молекулы сохраняют близлежащий порядок. Порядок не устойчив и возникает и пропадает под действием тепловых колебаний. В твердом состоянии атомы совершают лишь небольшие колебания вокруг состояния равновесия. Присутствует как дальний, так и ближний порядок.
В металлах атомы располагаются в определенных местах, если соединить центры атомов воображаемыми линиями, то получим кристаллическую решетку.
Расстояние между центрами соседних атомов измеряется ангстремами (1 A = 1•10 -8 см) или Кх килоиксовая единица (1 Кх = 1,202 A)
Элементарной кристаллической ячейкой является наименьший объем металла, который дает полное представление об атомном строение металла в любом объеме. В реальном металле кристаллическая решетка состоит из огромного количества элементарных ячеек. Так, в 1 мм 3 железа > 10 млрд. ячеек.
Для описания решетки пользуются координатами точки, в которой сходятся все ребра. Пространственная решетка подразделяется на 7 сингоний.
1. Триклинная a? b? c, б? в? ч? 90? (К 2 Cr2 O7 )
2. Моноклинная a? b? c, б = ч = 90?, в? 90?
3. Ромбическая a? b? c, б = в = ч = 90? (Fe 3 C)
4. Ромбоэдрическая a = b = c, б = в = ч? 90? (As, Sb, Bi)
5. Гексагональная a = b? c, б = в = 90?, ч = 120? (Zn, Cd, Ni, As)
6. Тетрагональная a = b? c, б = в = ч = 90? (TiO 2 )
7. Кубическая a = b = c, б = в = ч = 90? (Cu, Fe, Na, Cl)
Период решетки колеблется от 2 до 4 A. Если считать, что атомы являются как бы упругими касающимися шарами, то параметр решетки и атомный диаметр связаны (объёмно-центрированный атомы занимают 68%; — гранецентрированный куб, 74%, т. е. более плотно упакована. Тетрагональная).
Гексагональная с/а = 1,633 при иных значениях получается неплотно упакованная гексагональная решетка. Число атомов, находящихся на наиболее близком расстоянии от данного атома, называется координационным числом.
Металлы образуют одну из следующих высоко симметричных сложных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объёмно-центрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную (ГПУ) (рисунок).
Кристаллизация металлов
... порядка растут оси третьего порядка и т.д. По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка, которые постепенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом. 1.2. Кристаллическое строение металлов [1,4]. У металлов ... - кристаллическая решетка (рис. 1.1). Каждый атом принадлежит 8 кристаллическим решеткам. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве, ...
Рисунок — Кристаллические решетки металлов и схемы упаковки атомов
а — ОЦК: Rb, K, Na, Li, Tiв, Tlв, Zrв, Ta, W, V, Feб, Cr, Nb, Ba, и др.
б — ГЦК: Cu, Al, Pt, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Feг, Coб, Caб, Ce, Srб, Th, Sc и др.
в — ГПУ: Mg, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Be, Coв, Caб, Zrб, Laб, Tiб и др.
Кристаллографические плоскости.
Кристаллографическое обозначение атомных плоскостей определяется особыми индексами. Индексы представляют собой целые рациональные числа, которые являются величинами обратными осевым отрезкам отсекаемых на осях координат.
Пример: если плоскость отсекает на осях х и у отрезки, равные (1,1) и пересекает ось z в бесконечности (?), то значения будут = 1/1; 1/1; 1/?, а индексы (110).
Индексы плоскости пишутся в круглых скобках и не разделяются запятыми (100), (010), (001).
Идентификация плоскости. При индицировании направлений одну точку прямой помещают в начало координат, а другую получают путем последовательного векторного сложения 3х переменных, соответствующих трем осям координат.
Индексы направлений принято заключать в квадратные скобки. В кубической решетке направления с любыми индексами всегда параллельны плоскостям с такими же индексами. Рассматривая разные плоскости кубический объем, центр решетки, видим, что плотность атомов в них различна. Например, в плоскость (100) приходит 1 атом = (4
- ?), 4 атома, каждый атом принадлежит 4 плоскостям. У плоскости (110) — 2 атома = (?•4+).
Следовательно, плотность атомов в плоскости (110) более высокая по сравнению с плоскостью (100).
2. Строение реальных кристаллов
Реальные кристаллы по всему объему имеют 3 группы несовершенств:
1) точечные (размеры дефектов малы во всех 3х измерениях);
2) линейные (малы в 2х измерениях);
3) границы зерен — поверхностные (в 1ом измерении);
4) примеси.
Точечные дефекты образуются в результате диффузионных процессов в металлах. Избыточная энергия активации — критическая энергия позволяющая атомам переходить из одного положения в другое.
Место, из которого атом переместился называется дыркой (вакансия).
Причем они движутся и чем больше температура, тем быстрее происходит перемещение.
Наибольшее число вакансий вблизи температуры плавления мало и составляет 1 — 2%.
Дислоцированный атом может перейти в другое место и перестать быть дислоцированным.
Точечное несовершенство кристаллической решетки играет определенную роль в диффузионных процессах.
Линейные дефекты образуются в процессе кристаллизации металлов под влиянием объемных изменений при переходе из жидкого состояния в твердое называется дислокацией.
Различают 2 вида дислокаций: линейную и винтовую.
Рисунок — Виды дислокаций. а — линейная дислокация, б — винтовая дислокация Линейную дислокацию можно представить как наличие лишней плоскости атомов — так называемая экстроплоскость. Число рядов над плоскостью на 1 больше, чем под ней.
Существование и строение дислокаций подтверждают большим количеством электронно-микроскопических исследований (увеличение до 750 000).
Технология возделывания кукурузы на зерно
... снижения ее урожайности и по кукурузе в течение ряда лет. Технология возделывания кукурузы на зерно предусматривает поточное выполнение всех работ, причем в строго определенные ... удобрений, высокопроизводительной техники и проведение минимального количества почвообработок. Технология возделывания кукурузы на зерно Основная предпосевная обработка почвы Предпосевную обработку почвы начинают ...
Винтовая дислокация.
Если кристалл нарезать пополам и сдвинуть одну часть относительно другой на один период, то горизонтальные атомные плоскости изогнутся и край каждой из них пройдет в соприкосновении с соседними. В результате получится закругление в виде винтовой плоскости. Линия EF представляет собой винтовую дислокацию. Поверхностные несовершенства связанны с наличием границ зерен. На границах зерен скапливаются дислокации, примеси, включения. Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов (И).
Граница между зернами представляет собой тонкую в 5 — 10 атомных диаметров поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов.
Строение переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Имеются участки, разориентированные один относительно другого на несколько градусов (И).
Эти участки называются фрагментами (а).
Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией.
В свою очередь каждый фрагмент состоит из блоков (б), размерами менее 10 мкм, разориентированных на угол менее одного градуса (И).
Такую структуру называют блочной или мозаичной.
Размеры блоков влияют на свойства металлов.
Примеси в металле. В любом металле есть примеси, так в 1 мм 3 Al содержится 6•104 атомов Si. Примести могут попадать между узлами решетки, попадая будут раздвигать, т. е. искажать Некоторые атомы примесей могут образовывать растворы замещения, т. е. замещать атомы основного металла в узле решетки. Здесь могут быть 2 случая. Если диаметр атома примести больше диаметра атома основного металла, то решетка искажена в сторону расширения. Если диаметр атома примеси меньше, то решетка сужена.
Некоторые атомы примесей могут образовывать раствор замещения, т. е. замещать атомы основного металла в узле решетки [15, «https:// «].
Некоторые примеси могут идти к границам зерен понижая свободную энергию, такая примесь называется горафильной.
Кроме того, если у полуплоскости имеется разряженное пространство, то атомы примеси также стремятся попасть сюда, располагаясь в виде цепочек. Эти места называются облаком или атмосфера Котрела. Могут быть примеси не растворимые в решетке основного металла. Эти примеси отбрасываются к границе и дают контур дендрита.
Умея регулировать кристаллические несовершенства можно создать металлы с заданными свойствами.
3. Кристаллизация металлов
При переходе из жидкого состояния в твердое образуется кристаллическая решетка, возникают кристаллы, и этот процесс называют кристаллизацией.
Всякая система стремится занять более устойчивое положение т. е. обладать меньшим запасом энергии. Пример:
Материаловедение и технология металлов
... металловедения по праву принадлежит. Чернову Д.К., который установил критические температуры ... кристалл. Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла ... температуру ее закалки, отпуска и пластической деформации в производственных условиях. В своих работах по кристаллизации ... строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл ...
- Шарик стремится из положения 1 в положение 2, т.к. потенциальная энергия в 2 меньше, чем в 1. Энергетическое состояние системы выражается функцией F = U — TS;
- F — термодинамическая функция;
- U — внутренняя энергия системы;
- Т — абсолютная температура;
- S — свободная энергия.
Возникновение и рост кристаллов при переходе металла из жидкого состояния в твердое называют первичной кристаллизацией. Преобразование первичных кристаллов при охлаждении затвердевшего металла, структурные превращения в нем, называют вторичной кристаллизацией.
С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рисунке.
Рисунок — Изменение свободной энергии в зависимости от температуры
В соответствии с этой схемой выше температуры Т S вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже ТS — в твердом.
При температуре равной Т S жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура ТS — равновесная или теоретическая температура кристаллизации.
Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры Т S . Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.
Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения (?Т):
?Т = Т теор — Ткр
Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждени).
Рассмотрим переход металла из жидкого состояния в твердое.
При нагреве всех кристаллических тел наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое. Такая же граница существует при переходе из жидкого состояния в твердое.
Кристаллизация — это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии. Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время — температура. Кривая охлаждения чистого металла представлена на рисунке.
Рисунок — Кривая охлаждения чистого металла Т теор — теоретическая температура кристаллизации;
Т кр — фактическая температура кристаллизации.
Пример: Сурьма — Т теор = 631? С, Ткр = 590? С, ?Т = 41? С.
Д. К. Чернов показал (1878 г) процесс кристаллизации заключается в зарождении мельчайших кристаллов (зародышей) центров кристаллизации.
Кристаллы и их применение
... распределение температуры на поверхности. Эти дефекты выявляются по изменению цвета нанесенного на поверхность жидкокристаллического материала. Тонкие пленки жидких кристаллов, заключенные между стеклами или листками пластмассы, нашли широкое применение в качестве индикаторных устройств. Жидкие кристаллы ...
Механизм кристаллизации представлен на рисунке.
Рисунок — Модель процесса кристаллизации Центры кристаллизации образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело.
Скорость кристаллизации определяется двумя факторами: скоростью зарождения центральных кристаллов и скоростью роста кристаллов.
кристаллический металл атом диффузионный
;
- где n — число зерен;
- К — коэффициент пропорциональности;
- ч.з. — число зародышей;
- с.р. — скорость роста;
- Чем больше зародышей и меньше скорость роста, тем мельче зерно. Температура разливки, химический состав и примеси влияют на размер зерна.
Форма кристаллических образований. Если на боковой поверхности кристалла возникает бугорок рост во все стороны — дендрит.
Строение слитка.
Черновым Д. К.
Рисунок — Схема стального слитка
Слиток состоит из трех зон:
1. мелкокристаллическая корковая зона;
2. зона столбчатых кристаллов;
3. внутренняя зона крупных равноосных кристаллов.
Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура.
Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.
Жидкий металл имеет большой объем — поэтому в процессе кристаллизации происходит уменьшение объема, что приводит к образованию усадочных раковин.
Обычно усадочные раковины в верхней части слитка стали.0
Раскисленная Mn — кипящая сталь содержит раковины и пустоты по всему слитку. Спокойная сталь раскисляется Mn, Si, Al.
Полуспокойная сталь Mn, Al. Некоторые металлы в зависимости от температуры могут существовать в различных кристаллических формах — модификациях. Это явление называется аллотропией. При этом атомно-кристаллическая решетка одного типа перестраивается в решетку другого типа. Изменение — перестройка кристаллической решетки при определенной температуре называется вторичной кристаллизацией.
Магнитные превращения. Fe, Со, Ni — хорошо намагничиваются, но при нагреве магнитные свойства уменьшаются. Температура потери магнитных свойств называется точкой Кюри.
Магнитное превращение в отличие от аллотропического — изменяется не скачкообразно, механические свойства не меняются.
Согласно современного представления происходит взаимодействие внешних электронных оболочек атомов.
