Кристаллическое строение металлов
Все вещества в жёстком состоянии имеют кристаллическое либо аморфное строение.
В аморфном веществе (стекле, канифоли) атомы расположены хаотично, без всякой совокупности.
В кристаллическом веществе атомы расположены по геометрически верной схеме и на определенном расстоянии друг от друга.
Все металлы исплавы имеют кристаллическое строение.
Кристаллические зерна имеют неизвестную форму и снаружи не похожи на обычные кристаллы — многогранники, исходя из этого их именуют кристаллитами, зернами либо гранулями. Но внутреннее строение кристаллитов ничем не отличается от внутреннего строения кристаллов.
Виды кристаллических решеток. При затвердевании атомы металлов образуют геометрически верные совокупности, именуемые кристаллическими решетками,
Порядок размещения атомов в решетке возможно разным, ехнич. ские металлы образуют решетки, несложные (элементарные; ячейки которых воображают центрированный куб [а- и б-железо, хром, молибден, вольфрам, ванадий, марганец], куб с центрированными гранями [у-железо, алюминий, медь, никель, свинец либо гексагональную, имеющую форму шестигранной призмы ячейку (магний, цинк, а-титан, а-кобальт).
Элементарная ячейка повторяется в трех измерениях, образуя кристаллическую решетку, исходя из этого положение атомов в элементарной ячейке определяет структуру всего кристалла.
Элементарная ячейка центрированного куба (рис. 1) складывается из девяти атомов, из которых восемь расположены по вершинам куба, а девятый — в его центре.
Для характеристики кристаллической решетки (ядерной структуры кристалла) используют пространственную решетку, которая есть геометрической схемой кристаллической решетки и складывается из точек (узлов), закономерно расположенных в пространстве.
На рис. 2 приведена часть пространственной решетки центрированного куба. Тут забраны восемь смежных элементарных ячеек; узлы, расположенные по вершинам и в центре каждой ячейки, отмечены кружками.
Элементарная ячейка куба с центрированными гранями (рис. 3) складывается из 14 атомов, из них 8 атомов расположены по вершинам куба и 6 атомов — по граням.
На рис. 4 приведена часть пространственной решетки куба с центрированными гранями (гранецентрированного куба). На схеме имеется восемь элементарных ячеек: узлы расположены по вершинам и по центрам граней каждой ячейки.
Гексагональная ячейка складывается из 17 атомов, из них 12 атомов расположены по вершинам шестигранной призмы, 2 атома — в центре атома и 3 основания — в призмы.
Для измерения расстояния ‘между соседними атомами кристаллических решеток пользуются особой единицей, именуемой ангстремом (А); А = 10~8 см.
Параметр решеток (сторона куба либо шестигранника) у меди 3,6А, а у алюминия 4,05 А, у цинка 2,67 А и т. д.
Любой атом складывается из положительно заряженного ядра и нескольких слоев (оболочек) отрицательно заряженных и движущихся около ядра электронов. Электроны внешних оболочек атомов металлов, именуемые валентными, легко отщепляются, скоро движутся между ядрами и именуются свободными.
Благодаря наличия свободных электронов атомы металлов являются положительно заряженными ионами.
Так, в узлах решеток, обозначенных кружками на рис. 2 и 4, находятся положительно заряженные ионы. Ионы, но, не находятся в покое, а непрерывно колеблются около положения равновесия.
С увеличением температуры амплитуда колебаний возрастает, что приводит к расширению кристаллов, а при температуре плавления колебания частиц усиливаются так, что это ведет к разрушению кристаллической решетки.
Рис. 1. Элементарная ячейка центрированного куба
Рис. 2. Часть пространственной решетки центрированного куба
Рис. 3. Элементарная ячейка куба с центрированными гранями
Рис. 4. Часть пространственной решетки куба с центрированными гранями
Рис. 5. Гексагональная ячейка
Во всех кристаллах наблюдаются маленькие отклонения от совершенной решетки — незанятые узлы и разного рода смещения атомов. На рис. 34 приведены схемы строения совершенной и настоящей кристаллических решеток.
спайность и Анизотропность кристаллов,. В отдельных кристаллах свойства разны в различных направлениях. В случае если забрать громадный кристалл, вырезать из него пара однообразных по размеру, но различно ориентированных образцов, и произвести опробования их, то время от времени возможно взять очень большую отличие в особенностях между отдельными примерами.
К примеру, при опробовании образцов, вырезанных из кристалла меди, величина удлинения изменялась в пределах от 10 до 55%, а величина предела прочности — от 14 до 35 кг!мм2 для разных образцов. Это свойство кристаллов именуют анизотропностью. Анизотропность кристаллов разъясняется определенным размещением атомов в пространстве.
Рис. 6. Схема строения совершенных (а) и настоящих (б) кристаллов
Следствием анизотропности кристаллов есть спайность, которая выявляется при разрушении. В местах излома кристаллов возможно замечать верные плоскости, показывающие на то, что смещение частиц под влиянием внешних сил происходит не непоследовательно, а верными последовательностями, в определенном направлении, соответственно размещению частиц в кристалле. Эти плоскости именуются плоскостями спайности.
Аморфные тела изотропны, т. е. все их свойства однообразны во всех направлениях. Излом аморфного тела постоянно имеет неправильную, искривленную, так именуемую раковистую поверхность.
Металлы, затвердевшие в простых условиях, состоят не из одного кристалла, а из громадного количества отдельных кристаллов, различно ориентированных по отношению друг к другу, исходя из этого свойства литого металла будут примерно однообразны во всех направлениях; это явление именуют квазиизотропностью (кажущейся изотропностью).
Аллотропия металлов. Аллотропией (либо полиморфизмом) металлов именуется их свойство иметь разное строение при разных температурах. Аллотропию выявляют все элементы, имеющие валентность, изменяющуюся при трансформации температуры: к примеру, железо, марганец, никель, олово и др.
Каждое аллотропическое превращение происходит при определенной температуре. К примеру, одно из превращений железа протекает при температуре 910°, ниже которой атомы составляют решетку центрированного куба, а выше — решетку гранецентрированного куба.
Та либо другая структура именуется аллотропической формой либо модификацией. Разные модификации обозначают греческими буквами а, (3, у и т. д. в виде индексов, причем букву а приписывают модификации, существующей при темперах-турах ниже первого аллотропического превращения. Аллотропические превращения сопровождаются выделением либо поглощением теплоты.
Кристаллизация металлов. Кристаллизацией металлов именуется образование кристаллов в металлах (и сплавах) при переходе из жидкого состояния в жёсткое (первичная кристаллизация). Перекристаллизацию из одной модификации в другую в ходе охлаждения затвердевшего металла именуют вторичной кристаллизацией.
Процесс кристаллизации металла легче всего проследить посредством счетчика времени и термоэлектрического пирометра, что воображает милливольтметр 2, подключенный к термопаре. Термопару (две разнородные проволоки, спаянные финишами) погружают в расплавленный металл. Появляющийся наряду с этим термоток пропорционален температуре металла, и стрелка милливольтметра отклоняется, показывая эту температуру по намерено калиброванной шкале.
Показания пирометра записывают во времени и по взятым данным строят кривые охлаждения в координатах температура —время.
Температура, соответствующая какому-либо превращению в металле, именуется критической точкой.
На рис. 8,а приведена кривая, полученная при нагревании металла. Тут горизонтальный участок (площадка ab) показывает место критической точки плавления tnjl.
Точка а соответствует началу плавления, точка b — окончанию плавления.
Рис. 7. Схема трансформации температуры металла термоэлектрическим пирометром
Участок ab характеризует неизменность температуры во времени при длящемся нагреве. Это говорит о том, что тепловая энергия затрачивается на внутреннее превращение в металле, в этом случае на превращение жёсткого металла в жидкий (скрытая теплота плавления).
При охлаждении переход из жидкого состояния в жёсткое сопровождается образованием кристаллической решетки, т. е. кристаллизацией.
Рис. 8. Кривые нагревания (а) и охлаждения (б — без петли, в — с петлей) металла
У некоторых металлов величина переохлаждения (tnx — tnp) оказывается очень большой (у сурьмы, к примеру, до 40°), и при температуре переохлаждения tnp сходу бурно начинается кристаллизация, в следствии чего температура скачкообразно увеличивается практически до tnjl. В этом случае на графике образуется петля теплового гистерез иса.
При затвердевании и при аллотропическом превращении в металле сначала образуются центры кристаллизации, около которых группируются атомы, образуя соответствующую кристаллическую решетку.
Так, процесс кристаллизации, складывается из двух этапов: роста центров кристаллов и образования кристаллизации.
У каждого из появляющихся кристаллов кристаллографические плоскости ориентированы случайно, помимо этого, при первичной кристаллизации кристаллы смогут поворачиваться, поскольку они окружены жидкостью. Смежные кристаллы растут навстречу друг другу и точки их столкновения определяют границы кристаллитов (зерен).
У аморфных веществ кривые охлаждения плавные, без уступов и площадок; ясно, что аллотропии у этих веществ быть неимеетвозможности.
Кристаллизация железа. Рассмотрим критические точки и процесс кристаллизации железа, наиболее значимого технического металла.
На рис. 9 приведены нагревания и кривые охлаждения чистого железа. Железо плавится при температуре 1539°.
Наличие критических точек при более низких температурах показывает на то, что железо имеет пара аллотропических метаморфоз в жёстком состоянии.
Критические точки превращений железа обозначают буквой А, приписывая букву с — при нагревании и букву г — при охлаждении; индексы 2, 3 и 4 помогают для отличия аллотропических превращений друг от друга (индекс 1 резервирован для обозначения превращений на диаграмме состояния Fe—Fe3C.
Рис. 9. нагревания железа и Кривые охлаждения
При температурах ниже 768° железо владеет магнитными особенностями и имеет кристаллическую решетку центрированного куба. Эта модификация носит название а-железо: при нагревании она в точке Асг переходит в немагнитную модификацию Р-железо.
Кристаллическая структура наряду с этим не изменяется (по современным представлениям магнитное превращение связано с трансформациями во внешних электронных оболочках атомов), исходя из этого р-железо именуют кроме этого немагнитным а-железом.
В точке Ас3 при температуре 910° Р-железо (немагнитное а-железо) переходит в у-железо, имеющее кристаллическую решетку гранецен-трированного куба.
В точке Ас4 при температуре 1401° у-железо переходит в б-железо, причем кристаллическая решетка снова перестраивается из гранецен-трированного куба в центрированный куб.
При охлаждении будут иметь место те же переходы, лишь в обратной последовательности.
Из перечисленных превращений громаднейшее практическое значение имеют превращения в точке А3 как при нагреве, так и при охлаждении.
у-железо способно растворить до 2% углерода при температуре 1130°; а-железо — до 0,025% при 723° и только 0,006% при 0°. Свойство у-железа растворять большое количество углерода употребляется для производства последовательности операций термической и химико-термической обработки.
Превращение в точке А3 связано с трансформацией количества, поскольку плотность кристаллической решетки у-железа больше плотности решетки а-железа.
