Атомно-кристалічна будова сплавів

Всі метали поділяються на дві великі групи - кольорові і чорні. Чорні метали - це залізо та його сплави (сталь, чавун). Кольорові метали - це метали Al, Cu, Mg, V і ін.

Метали мають ряд характерних властивостей:
1. мають металевий блиск;
2. здатність до пластичної деформації;
3. високою тепло- і електропровідністю;
4. мають кристалічну будову.

1 Основні поняття

Атоми розташовуються закономірно і періодично, утворюючи кристалічну решітку - уявну просторову сітку, у вузлах якої розташовуються атоми. Кожен атом в решітці знаходиться в однаковому оточенні, тобто має навколо себе однакову кількість атомів, що знаходяться на рівній відстані.

Найменший обсяг кристала, що дає уявлення про атомну структуру металу в будь-якому обсязі називається елементарною клітинкою.

Решітка побудована з регулярно повторюваних «цеглинок» - найменших її елементів (елементарних осередків).

Характеристики кристалічних решіток

Будова і властивості кристалічних решіток характеризується наступними параметрами:
Період (параметр) решітки - відстань по ребру елементарного осередку між центрами сусідніх атомів, що знаходяться в кристалічної решітки. Позначається: a, b, c; вимірюється в ангстремах (1 = 10 -10 м = 0,1нм). У кубічної системі період дорівнює від 2 до 7, (в деякій літературі період для більшості металів - від 0,1 до 0,7 нм).
Координаційне чіслоК - показує скільки атомів знаходиться на найбільш близькому і рівній відстані від даного атома. Чим більше К. тим більше щільність упаковки.
Базис решітки - кількість атомів, що належать даній елементарній комірці, характеризує щільність решітки.
Коефіцієнт компактності - відношення обсягу, займаного атомами до всього обсягу решітки. Також характеризує щільність решітки.

Більшість металів і сплавів кристалізується з утворенням наступних елементарних осередків (всього 14 решіток Браве):

Об'ємно центрована кубічна решітка (ОЦК)

2 поліморфного перетворення

Поліморфний перетворення - це здатність металу існувати в різних модифікаціях, в різних кристалічних формах в залежності від температури. При полиморфном перетворення відбувається перебудова одного типу решітки в інший. Позначають стійку модифікацію при більш низькій температурі. Поліморфні Fe, Co, Sn, Mn, Ti, V і т. Д.

В результаті поліморфного перетворення змінюються властивості (зокрема щільність і обсяг). Наприклад при ГЦК => ОЦК обсяг збільшується, тому що зменшується координаційне число і компактність. На явищі поліморфізму заснована термічна обробка.

3 анізотропії властивостей металів

Властивості матеріалів залежать від природи атомів і сил взаємодії між ними. Аморфні матеріали характеризуються хаотичним розташуванням атомів, тому властивості їх в різних напрямках однакові або ізотропні. У кристалічних матеріалах щільність атомів в різних кристалографічних напрямках по-різному, в слідстві чого спостерігається відмінність властивостей в різних напрямках площин металу.
Відмінність властивостей в кристалі в залежності від кристалографічного напрямку називається анізотропією.
Анізотропія властивостей характерна для монокристалів (одиночних кристалів). Однак, більшість технічних металів - тіла полікристалічні, тобто складаються з великого числа анізотропних кристалів, які неврегульовані орієнтовані по відношенню один до одного. Це призводить до того, що в цілому властивості полікристалічного
металу є усередненими, тобто вони ізотропні (квазіізотропни). Анізотропними стають метали після обробки тиском в холодному стані, коли більшість зерен набувають однакову орієнтування (текстуру).

4 Дефекти кристалічної будови

У реальних кристалах завжди є дефекти, які впливають на властивості сплавів і їх обробку.

Дефекти - це відхилення від правильного ідеального регулярного розташування атомів в решітці кристала.

Розрізняють: точкові, лінійні, поверхневі (двомірні) і об'ємні (тривимірні).

Точкові дефекти малі у всіх трьох вимірах (довжина - кілька атомних діаметрів). До точкових дефектів відносяться вакансії, межузельние атоми, домішкові атоми і їх комплекси.

Вакансії - являють собою вузли решітки, в яких атоми відсутні ( «дірки»). Причина - активація атомів, яка є завжди, якщо температура вище 0 градусів Кельвіна.

У кристалах завжди є атоми, кінетична енергія яких перевищує середню. Такі атоми, особливо якщо вони знаходяться поблизу поверхні, можуть вийти на поверхню кристала, а їх місце займуть атоми, що знаходяться далі від поверхні, а належні їм вузли кристалічної решітки виявляться вільними. Так виникають теплові вакансії, т. Е. Виникають при нагріванні.
Вакансії спотворюють кристалічну решітку змінюючи тим самим, наприклад електропровідність, крім того грають певну роль в дифузійних процесах, що протікають в металах.
При кімнатній температурі концентрація вакансій невелика, але при підвищенні температури, особливо поблизу температури плавлення різко зростає, але все одно мала - до 2% при температурі плавлення.
Швидким охолодженням вакансії можна зафіксувати (швидкість охолодження велика, і атоми не встигають повернутися в початкове положення). Такі вакансії називають гартівними.
Вакансії утворюються не тільки в результаті нагрівання, але і при пластичної деформації.
Переміщаючись по кристалу поодинокі вакансії можуть зустрічатися. У цьому випадку вони можуть об'єднуватися в пари, утворюючи дивакансії (бівакансіі), т. К. При цьому зменшується їх сумарна поверхня, стійкість такої спареної вакансії зростає. Можливо також утворення трівакансій і цілих ланцюжків.

Межузельние атоми (дислокований атом) - змістилися з вузлів решітки в межузельние проміжки. Утворюється рідко, т до енергія їх утворення дуже велика, в кілька разів більше утворення вакансій.

Домішкові атоми - займають місце основних атомів або впроваджуються всередину осередки.

Точкові дефекти впливають на фізичні властивості металів: електропровідність, магнітні властивості і т.д. а також на фазові перетворення в металах і сплавах. На механічний властивості впливають мало.

Лінійні дефекти мають малі розміри в двох вимірах і велику протяжність в третьому. Особливо важливим видом лінійних дефектів є дислокації - локалізовані спотворення кристалічної решітки, викликані наявністю в них «зайвої» атомної площині або екстраплоскості.

Крайова лінійна дислокація - область недосконалостей кристалічної решітки навколо краю екстраплоскості. Якщо екстраплоскості знаходиться у верхній частині кристала то дислокацію називають позитивною і позначають «+», якщо в нижній, то негативною «-». Дислокації одного знака відштовхуються, а протилежної - притягуються.

Крім крайових дислокацій в кристалах можуть утворюватися гвинтові дислокації, які виходять шляхом часткового зсуву і закручування.

Дислокації утворюються вже при кристалізації металу, а також в процесі пластичної деформації і фазових перетвореннях.
Важливою характеристикою дислокаційної структури є щільність дислокацій (). Щільність дислокацій - сумарна довжина дислокацій, яка припадає на одиницю об'єму V кристала. Для отожженнних металів = 10 6 - 10 8 см -2. Після холодної деформації збільшується до 10 11 - 10 12 см -2.

Вектор Бюргерса - це міра спотворення кристалічної решітки обумовлена ​​присутністю в ній дислокації; він характеризує суму всіх пружних зміщень решітки, що накопичилися навколо дислокації.

Дислокації впливають на механічні властивості металів.