Будова кристалів металу - студопедія

Всі металеві тіла кристалічні. Їх атоми в кристалах мають певне, закономірне розташування в просторі. Атоми складаються з позитивно заряджених іонів і негативно заряджених електронів. Електрони у металів слабо пов'язані з ядром і можуть легко переходити від одного іона до іншого. Цим пояснюється висока електро- і теплопровідність металів.

Уявні лінії, проведені через центри атомів (позитивно заряджених іонів), утворюють так звану кристалографічну площину. Багаторазове повторення кристалографічних площин, розташованих паралельно, утворює просторову кристалічну решітку (рис. 5). Атоми в вузлах кристалічної решітки коливаються з певними амплітудою і частотою і знаходяться під дією сил взаємного тяжіння і відштовхування. Розміри кристалічної решітки (відстані між центрами сусідніх атомів) називаються параметрами і вимірюються в ангстремах - Å (1Å = 1'10 -8 см) або в кілоіксах - КХ (1кХ = 1,00202Å), Або в нанометрах - нм (1нм = 1'10 -9 см = 0,1 Å).

Прагнення атомів металів зайняти місця, найбільш близькі один до одного, призводить до утворення трьох типів кристалічних решіток: кубічної об'ємно центрованої (ОЦК), кубічної гранецентрированной (ГЦК) і

гексагональної плотноупакованной (ГПУ) (рис. 5).

Мал. 5. Схема розташування атомів в металі: а - в площині;

б - в просторі; кубічні решітки металів: об'ємно

центрований куб (в) і осередок його кристалічної решітки (г);

гранецентрированний куб (д) і осередок його кристалічної решітки (е);

елементарні осередки: об'ємно центрованої кубічної решітки (ж);

гранецентрированной кубічної решітки (з); плотноупакованной

кубічної решітки (і)

В осередку решітки кубічної об'ємно центрованої атоми розташовані у вершинах і в центрі куба; такі грати мають, наприклад, хром, ванадій, вольфрам і ін. В осередку кубічної гранецентрированной решітки атоми розташовані у вершинах куба і в центрі кожної грані куба; такі грати мають алюміній, нікель, свинець і ін. В решітці гексагональної плотноупакованной атоми розташовані у вершинах шестикутних підстав призми, в центрах цих підстав і всередині призми; такі грати мають магній, титан, цинк і ін.

З викладеного вище зрозуміло, що характерні ознаки металів обумовлені їх внутрішньою будовою (структурою). Геометрична правильність розташування атомів в кристалічній решітці надає їм особливості, яких немає у аморфних тіл (смола, скло).

У площинах і напрямках кристалічної решітки атоми розташовані з різними щільністю, відстанню один від одного, і тому властивості кристалів (фізичні, хімічні, механічні) в різних напрямках різні (рис. 6). Така відмінність властивостей називається анізотропією. Всі кристали анізотропні. У металах, що складаються з великої кількості по-різному орієнтованих дрібних анізотропних кристалів, властивості у всіх напрямках однакові (усереднені). Якщо в структурі металу створюється однакова орієнтування всіх кристалів, то з'являється анізотропія всього металу.

Мал. 6. Кристалографічні площині і напрямки

в об'ємно центрованої кубічної решітці: а - в напрямку

граней (чотири атома); по діагоналі: б - три, в - чотири атома

Насправді реальний кристал на відміну від ідеального уявлення про його кристалічній решітці має структурні недосконалості (дефекти): точкові, лінійні, поверхневі.

Точкові недосконалості. Як вказувалося, атоми знаходяться в коливальному русі в вузлах решітки. Чим вище температура, тим більше амплітуда цих коливань. Хоча атоми в кристалічній решітці мають однакову (середньої) енергією і значення їх амплітуди коливань однакові, завжди є окремі атоми, у яких і енергія, і амплітуда більше, ніж у інших. Такі атоми можуть переміщатися з одного вузла в інший, що виявився вільним.

Найбільш легко переміщуються атоми поверхневого шару кристала (наприклад, атом 1 на рис. 7, а). Місце, де знаходився такий атом, виявляється вільним і називається вакансією. Через деякий час у вільний вузол переміщається інший атом (наприклад, атом 2 на рис. 7, б). У звільнилося переміщається наступний атом (атом 3 на рис. 7, в). Таким чином, вакансія переміщається по кристалу. Наявність вакансій спотворює атомну решітку кристала, впливаючи на властивості металу (рис. 7, г).

Зі збільшенням температури збільшується число вакансій і вони частіше переходять з одного вузла в інший. Вакансії відіграють визначальну роль в дифузійних процесах, що протікають в металах і сплавах.

Лінійні недосконалості. Найбільш поширеними є недосконалість, мають протяжність тільки в одному напрямку, або лінійні дефекти. Їх називають дислокациями. Дислокації утворюються в результаті місцевих зсувів (зрушень) кристалографічних площин, що відбуваються в кристалічній решітці кристалів. Найбільш поширені крайові дислокації (рис. 8). Крайова дислокація - це нижня межа (край) як би зайвою, що не має продовження полуплоскости АВ. Лінію атомів нижньої межі півплощини АВ і називають дислокацією (див. Рис. 8).

Освіта дислокацій може відбуватися при кристалізації, термічній обробці і при інших процесах. Дислокації дуже впливають на механічні властивості - знижують міцність, але забезпечують здатність металу пластично деформуватися (рис. 9).

Поверхневі недосконалості - кордони зерен і блоків металу. На кордоні між зернами (кристалами) атоми мають менш правильне розташування, ніж в обсязі зерна. Зерна разоріентіровать, повернені щодо один одного на кілька градусів. По межах зерен скупчуються дислокації і вакансії. Зерно складається з великої кількості областей, званих блоками, межі яких є дислокації, що розділяє зерно на блоки (рис. 10).

Отже, в реальній кристалічній решітці металів завжди є вакансії, дислокації, атоми домішок (мають інші атомні розміри), які спотворюють форму кристалічних осередків і їх параметри. Все це впливає на реальні властивості металів (рис. 11). Для визначення властивостей металів стандартами передбачається проведення відповідних випробувань.