Кристалічна будова металів

Кристалічна будова характеризується геометрично правильним розташуванням атомів (іонів) у просторі. Атоми металу перебувають на певній відстані між собою, при якій енергія взаємодії позитивно і негативно заряджених частинок мінімальна. В площині атоми утворюють атомну сітку, а в просторі – атомно-кристалічну гратку. Атоми коливаються навколо точки рівноваги з великою частотою.

Властивості металів визначаються певним типом кристалічної гратки. Переважна більшість металів має кубічну об'ємноцентровану, кубічну гранецентровану або гексагональну щільноукладену гратку.

Рис.1.1.Елементарні кристалічні гратки:

а – об’ємноцентрований куб; б - гранецентрований куб;

в – гексагональна гратка.

В кристалічній гратці об'ємноцентрований куб(ОЦК) вісім атомів розташовано на перетині ребер куба і один — на перетині його діагоналей. Таку будову (ОЦК) мають метали: калій, натрій, β-титан, β-цирконій, тантал, вольфрам, ванадій, α-залізо, хром та інші.

Кристалічну решіткухарактеризується її лінійним розміром. Для кубічної комірки це довжина ребра куба а, яка вимірюється в нанометрах (нм). Один нанометр 1 нм = 10^{-9 м}. Для металів з кубічною елементарною решіткою значення аперебуває в межах 0,2...0,6 нм.

Елементарна кристалічна гратка гранецентрований куб(ГЦК) має вісім атомів на перетині ребері шість атомів — на перетині діагоналей граней куба. Така будова властива для свинцю, нікелю, срібла, золота, платини, γ-заліза та інших металів.

У гексагональній щіпьноукладеній гратці (ГЩУ)атоми розташовані в кутах і в центрі основ шестигранної призми, а три атоми — між її основами, всього 17. Таку решітку мають магній, α-титан, кадмій, реній, осмій, рутеній, цинк, берилій та інші метали.

Дефекти кристалічної будови

Реальні кристали на відміну від ідеальних мають багато різних дефектів. Під дефектомрозуміють зону кристалу, де порушено правильне розташування атомів. За геометричною ознакою дефекти кристалічної будови поділяють на: точкові, лінійні, поверхневі, об'ємні.

Точкові дефектидуже малі в усіх трьох вимірах упросторі: їх розміри не перевищують декількох параметрів кристалічної гратки. До таких дефектів належать вакансії, міжвузлові атоми, атоми домішок тощо.

Вакансієюназивається порожнє місце в кристалі, де мав би перебувати атом. Окремий атом, що коливається з вищою енергією, покидає вузол кристалічної гратки і потрапляє на поверхню кристалу або на границю між зернами. На місці, де перебував цей атом,утворилась вакансія, яку заповнює згодом інший атом. В результаті відбувається міграція вакансії в глибину кристалу.

Рис. 1.2. Точкові дефекти:

а – вакансія; б – міжвузловий атом; в – атом домішки

Кожній температурі відповідає своя рівноважна концентрація вакансій. Що вища температура кристалу, то більше в ньому вакансій і частіше вони переходять від вузла до вузла. При температурі, близькій до температури плавлення металу, кількість вакансій становить близько 1 % кількості атомів у кристалі. Зі збільшенням кількості вакансій зменшуються густина, електро- і теплопровідність кристалу.

Міжвузловимназивають атом, що вийшов із положення рівноваги і зайняв простір між вузлами. На його місці утворилась вакансія. Перехід атомів у між-вузлове положення викликає опромінення нейтронами, при цьому значно менший вплив мають теплові коливання атомів.

Атоми домішокє навіть у найчистішому металі. Вони або заміщають атоми основного металу у вузлах кристалічної гратки, або розташовуються між вузлами. У близькому оточенні точкових дефектів кристалічна гратка викривлюється. Такі спотворення суттєво не позначаються на механічних властивостях металу, зате вони позначаються на деяких його фізичних властивостях, наприклад на електроопорі.

В різних площинах кристалічної гратки атоми розміщені з різною щільністю і тому властивості кристалу в різних напрямах різні. Таке явище називається анізотропією.

Найбільш суттєвим лінійним порушенням будови кристалу є дислокації. Одним із способів утворення дислокації є зсув частини атомів кристалу відносно іншої частини атомів. В невеликій спотвореній зоні міжатомні відстані менші або більші від нормальних, а поза межами цієї зони вони нормальні. Дислокації виникають під час кристалізації, пластичної деформації, фазових перетворень.

Тема 1.2. Кристалізація металів.

Кристалізація – це перехід металу з рідкого стану в твердий. В рідкому стані атоми металу знаходяться в безперервному русі і при охолодженні займають певний порядок. Кристалізація починається при зниженні температури розплаву до певного значення.

Кристалізація відбувається в дві стадії:

- утворення зародків кристалізації;

- ріст кристалів навколо цих зародків.

Ріст кристалів відбувається за рахунок приєднання до зародків нових атомів. На початку кристалізації кристали ростуть вільно, зберігаючи правильну геометричну форму. Розмірі кристалів збільшується, як збільшується і кількість зародків. Вільний ріст кристалів триває до моменту стикування з сусідніми кристалами. У місцях стикання ріст кристалів припиняється і продовжується там, де є вільний доступ рідкого металу. В результаті геометрична форма кристалів спотворюється. Такі кристали називаються кристалітами або зернами.

Дефекти геометричної форми кристалів та збільшення розмірів зерен негативно впливає на властивості металу. Кращі властивості мають метали, під час кристалізації яких виникає якомога більша кількість зародків кристалізації. Тоді метал буде мати дрібнозернисту структуру.

Кількість зерен буде збільшуватись і вони будуть дрібнішими, якщо до рідкого металу перед початком кристалізації ввести дрібні тугоплавкі частинки нітридів, карбидів і силіцидів металів. Таке введення штучних центрів кристалізації називається модифікацією сплаву чи металу.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
	\|	Поліморфні перетворення

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.005 сек.