У твердих тілах атоми можуть розміщуватися в просторі двома способами:

• Безладне розташування атомів, коли вони не займають певного місця один щодо одного. Такі тіла називаються аморфними .

Аморфні речовини мають формальними ознаками твердих тіл, тобто вони здатні зберігати постійний обсяг і форму. Однак вони не мають певної температури плавлення або кристалізації.

• Впорядковане розташування атомів, коли атоми займають в просторі цілком певні місця, Такі речовини називаються кристалічними .

Атоми здійснюють щодо свого середнього положення коливання з частотою близько 10 13 Гц. Амплітуда цих коливань пропорційна температурі.

Завдяки впорядкованого розташування атомів в просторі, їх центри можна з'єднати уявними прямими лініями. Сукупність таких пересічних ліній представляє просторову решітку, яку називають кристалічною решіткою .

Зовнішні електронні орбіти атомів стикаються, так що щільність упаковки атомів в кристалічній решітці досить велика.

Кристалічні тверді тіла складаються з кристалічних зерен - кристаллитов. У сусідніх зернах кристалічні решітки повернені відносно один одного на деякий кут.

У кристаллитами дотримуються ближній і дальній порядки. Це означає наявність впорядкованого розташування і стабільності як оточуючих даний атом найближчих його сусідів ( ближній порядок ), Так і атомів, що знаходяться від нього на значних відстанях аж до кордонів зерен ( дальній порядок ).

а) б)

Мал. 1.1. Розташування атомів в кристалічному (а) і аморфному (б) речовині

внаслідок дифузії окремі атоми можуть залишати свої місця в вузлах кристалічної решітки, однак при цьому впорядкованість кристалічної будови в цілому не порушується.

Всі метали є кристалічними тілами, що мають певний тип кристалічної решітки, що складається з малорухомих позитивно заряджених іонів, між якими рухаються вільні електрони (так званий електронний газ). Такий тип структури називається металевим зв'язком.

Тип решітки визначається формою елементарного геометричного тіла, багаторазове повторення якого по трьох просторових осях утворює решітку даного кристалічного тіла.

кубічна

(1 атом на осередок)

а)

об'ємно-центрована кубічна (ОЦК)

(2 атома на осередок)

б)

гранецентрированная кубічна (ГЦК)

(4 атома на осередок)

в)

гексагональная щільноупакована (ДП)

(6 атомів на осередок)

г)

Мал. 1.2. Основні типи кристалічних решіток металів

Метали мають відносно складні типи кубічних грат - об'ємно центрована (ОЦК) і гранецентрированная (ГЦК) кубічні решітки.

Основу ОЦК-решітки становить елементарна кубічна осередок (рис. 1.2, б), в якій позитивно заряджені іони металу знаходяться в вершинах куба, і ще один атом в центрі його обсягу, т. Е. На перетині його діагоналей. Такий тип решітки в певних діапазонах температур мають залізо, хром, ванадій, вольфрам, молібден і ін. Метали.

У ГЦК-решітки (рис. 1.2, в) елементарною клітинкою служить куб з центрованими гранями. Подібну грати мають залізо, алюміній, мідь, нікель, свинець і ін. Метали.

Третьою розповсюдженим різновидом щільноупакованих решіток є гексагональна щільноупакована (ГПУ, рис. 1.2, г). ГПУ-осередок складається з віддалених один від одного на параметр з паралельних зосереджених гексагональних підстав. Три іона (атома) знаходяться на середній площині між підставами.

У гексагональних решіток відношення параметра с / а завжди більше одиниці. Таку решітку мають магній, цинк, кадмій, берилий, титан і ін.

Компактність кристалічної решітки або ступінь заповнювання її обсягу атомами є важливою характеристикою. Вона визначається такими показниками як параметр решітки, число атомів в кожній елементарній комірці, координаційне число і щільність упаковки.

Параметр решітки - це відстань між атомами по ребру елементарного осередку. Параметри решітки вимірюється в нанометрів (1 нм = 10 -9 м = 10 Å). Параметри кубічних грат характеризуються довжиною ребра куба і позначаються літерою а.

Для характеристики гексагональної решітки приймають два параметра - сторону шестикутника а й висоту призми с. Коли відношення с / а = 1,633, то атоми упаковані найбільш щільно, і решітка називається гексагональної плотноупакованной (рис. 1.2 г). Деякі метали мають гексагональну решітку з менш щільною упаковкою атомів (с / а> 1,633). Наприклад, для цинку с / а = 1,86, для кадмію с / а = 1,88.

Параметри а кубічних грат металів знаходяться в межах від 0,286 до 0,607 нм. Для металів з гексагональної гратами а лежить в межах 0,228-0,398 нм, а з в межах 0,357- 0,652 нм.

Параметри кристалічних решіток металів можуть бути виміряні за допомогою рентгеноструктурного аналізу.

При підрахунку числа атомів в кожній елементарній комірці слід мати на увазі, що кожен атом входить одночасно в декілька осередків. Наприклад, для ГЦК-решітки, кожен атом, що знаходиться в вершині куба, належить 8 осередків, а атом, що центрує грань, двом. І лише атом, що знаходиться в центрі куба, повністю належить цій комірці.

Таким чином, ОЦК- і ГЦК-осередки містять відповідно 2 і 4 атома.

під координаційним числом розуміється кількість найближчих сусідів даного атома.

Мал. 1.3. Координаційне число в різних кристалічних решітках для атома А:

а) - об'емноцентрірованная кубічна (К8); б) - гранецентрированная кубічна (К12); в) - гексагональна щільноупакована (Г12)

В ОЦК решітці (рис. 1.3, а) атом А (в центрі) знаходиться на найбільш близькому рівній відстані від восьми атомів, розташованих у вершинах куба, т. Е. Координаційне число цієї решітки дорівнює 8 (К8).

У ГЦК решітці (рис. 1.3, б) атом А (на грані куба) знаходиться на найбільш близькому рівній відстані від чотирьох атомів /, 2, 3, 4, розташованих у вершинах куба, від чотирьох атомів 5, 6, 7, 8, розташованих на гранях куба, і, крім того, від чотирьох атомів 9, 10, 11, 12, що належать розташованої поруч кристалічної осередку. Атоми 9, 10, 11, 12 симетричні атомам 5, 6, 7, 8. Таким чином, ГЦК решітки координаційне число дорівнює 12 (К12).

У ГПУ решітці при с / а = 1,633 (рис. 1.3, в) атом А в центрі шестигранного підстави призми знаходиться на найбільш близькому рівній відстані від шести атомів /, 2, 3, 4, 5, 6, розміщених у вершинах шестикутника, і від трьох атомів 7, 8, 9, розташованих у середній площині призми. Крім того, атом А виявляється на такій же відстані ще від трьох атомів 10, 11, 12, що належать кристалічної осередку, що лежить нижче основи. Атоми 10, 11, 12 симетричні атомам 7, 8, 9.

Отже, для ГПУ решітки координаційне число дорівнює 12 (Г12).

Щільність упаковки являє собою відношення сумарного обсягу, займаного власне атомами в кристалічній решітці, до її повного об'єму. Різні типи кристалічних решіток мають різну щільність упаковки атомів. У ГЦК решітці атоми займають 74% всього обсягу кристалічної решітки, а міжатомні проміжки ( «пори») 26%. В ОЦК решітці атоми займають 68% всього обсягу, а «пори» 32%. Компактність решітки залежить від особливостей електронної структури металів і характеру зв'язку між їх атомами.

Від типу кристалічної решітки сильно залежать властивості металу.

Впорядкованість кристалічної будови в просторової решітці дозволяє виділити окремі кристалографічні напрямки і площини.

Кристалографічні напрямки - це характерні прямі лінії, що виходять з точки відліку, уздовж яких в кристалічній решітці розташовуються атоми. Точками відліку, можуть служити вершини куба, а кристалографічними напрямками - його ребра і діагоналі, а також діагоналі граней (рис. 1.4, а).

Мал. 1.4. Кристалографічні напрямки і площини в кристалічній решітці: а) - основні напрямки та їх позначення; б), в), г) - основні площини і їх позначення

Кристалографічними площинами є, наприклад, площини граней кубів (рис. 1.4, б), а також їх різні діагональні площині разом з розташованими на них атомами (рис. 1.4, в, г). Для ГПУ-решіток кристалографічними площинами можуть бути площині підстав (рис. 1.2, г).

Для визначення індексу будь-якого напрямку необхідно знайти індекс найближчого до цієї точки відліку атома, що знаходиться на даному напрямку. Наприклад, індекс найближчого атома уздовж осі ОХ позначається цифрами 100 (рис. 1.4, а). Ет і цифри являють собою координати згаданого атома щодо точки О, виражені через кількість параметрів уздовж осей OX, OY і OZ відповідно.

Індекси напрямки ОХ і паралельних йому напрямків позначаються [100]. Відповідно напрямки OY і OZ позначаються [010] і [001]. Кристалографічні напрямків вздовж діагоналей граней XOZ, XOY і YOZ позначають [101], [110] і [011]. Користуючись зазначеної методикою, можна визначити індекс будь-якого напрямку. Наприклад, індекс напрямків вздовж діагоналі куба виразиться так: [111].

Для визначення індексу кристаллографической площині необхідно спочатку знайти координати найближчих точок її перетину з осями координат, проведеними з точки відліку О. Потім взяти зворотні їм величини і записати їх в круглих дужках у звичайній послідовності. Наприклад, координатами точок перетину з осями координат найближчої площині, паралельній площині XOY, вираженими через параметри решіток, є числа Ґ, Ґ, 1 (див. Рис. 1.4, б). Тому індекс цій площині можна записати у вигляді (001).

Індексами площин, паралельних площинах XOZ і YOZ, виявляться вираження (010) і (100) (рис. 1.4, б). Індекс вертикальної діагональної площині куба виразиться через (110), (рис. 1.2, в), а індекс похилій площині, що перетинає з усіма трьома осями координат на видаленні одного параметра, набуде вигляду (111) (див. Рис. 1.4, г).

під анізотропією розуміється неоднаковість механічних та інших властивостей в кристалічних тілах уздовж різних кристалографічних напрямків. Вона є природним наслідком кристалічної будови, так як на різних кристалографічних площинах і вздовж різних напрямків щільність атомів різна.

Наприклад, в кубічних гратах (див. Рис. 1.2, б, в) за напрямками вздовж ребер налічується менше атомів, ніж уздовж діагоналей куба в ОЦК-решітці або діагоналей граней в ГЦК-решітці. На площинах, що проходять через межі ОЦК- і ГЦК-решіток, знаходиться менше атомів, ніж на діагональних площинах.

Оскільки механічні, фізичні та хімічні властивості вздовж різних напрямків залежать від щільності знаходяться на них атомів, то перераховані властивості вздовж різних напрямків в кристалічних тілах повинні бути неоднаковими.

Анізотропія проявляється тільки в межах одного монокристала або зерна-кристалітів. У полікристалічних тілах вона не спостерігається через усереднення властивостей по кожному напрямку для величезної кількості довільно орієнтованих один щодо одного зерен. Тому реальні метали є квазіізотропнимі тілами, т. Е. Псевдоізотропнимі.

Мал. 1.5. Елементарна комірка решітки ОЦК

Зрушення в кристалі відбувається найбільш легко уздовж атомних площин з найбільш щільною упаковкою атомів. Розглянемо об'ємно-центрическую кубічну решітку (ОЦК) (рис. 1.5):

а)

1) Площина ABCD (рис 1.6 а). Кількість атомів в площині ABCD - 1; площа ABCD = a 2; площа, яка припадає на 1 атом - питома площа: - міра щільності упаковки.

б)

Мал. 1.6. Площині решітки ОЦК

а) - базисна площина; б) - площину з максимальною упаковкою атомів

2) Площина ABGH (рис 1.6 б). Кількість атомів в площині ABGH - 2; площа ABGH = a 2 ;

У площині ABGH щільність упаковки більше ніж в AB З D. Найбільш вірогідний зсув уздовж діагональних площин.

Деякі метали, наприклад, залізо, титан, олово і ін. Здатні після досягнення певних температур змінювати кристалічну будову, т. Е. Змінювати тип елементарної комірки своєї кристалічної решітки. Це явище отримало назву аллотропии або поліморфізму , А самі переходи від одного кристалічної будови до іншого називаються аллотропическими або поліморфними.

На рис. 1.7 показано зміна вільної енергії F від температури t для двох варіантів кристалічної будови заліза: ОЦК (крива 1) і ГЦК (крива 2).

В інтервалі температур 911-1392оC залізо має грати ГЦК, так як при цьому його вільна енергія менше. При t <911 ° С і t> 1 392 ° С, у нього повинна бути решітка ОЦК, що володіє меншою вільної енергією.

Мал. 1.7. Зміна вільної енергії (Fсв) в залежності від температури (T) і типу кристалічної решітки: 1 - для ОЦК-решітки; 2 - для ГЦК-решітки

Різні аллотропические форми металів позначаються буквами грецького алфавіту, при цьому низькотемпературні модифікації позначаються літерою a, а наступні в порядку зростання температур - буквами b, g, d і т. Д. Аллотропическими формами заліза є: до 911 ° С - альфа-залізо (a -Fe), що має ОЦК-решітку, від 911 ° с до 1392 ° с гамма--залізо (g -Fe) з гратами ГЦК і від 1392 ° с до 1539 ° с т. е. до температури плавлення - знову a -Fe з гратами OЦK, однак, щоб відрізнити його від низькотемпературної модифікації, його прийнято називати дельта-залізом (d -F е).

Відоме в практиці так зване немагнітне бета-залізо (b -Fe) самостійної аллотропическими формою не є, так як має таку ж, як у a -Fe ОЦК-решітку і відрізняється від нього тільки відсутністю магнітних властивостей, які воно втрачає при 768 ° С (точка Кюрі).

Кристалічна решітка, в якій відсутні порушення цілісності і всі вузли заповнені однорідними атомами називається ідеальною кристалічною решіткою металу.

В решітці реального металу можуть перебувати різні дефекти.

Всі дефекти кристалічної решітки прийнято ділити на точкові, лінійні, поверхневі та об'ємні.

Точкові дефекти порівнянні з розмірами атомів. До них відносяться вакансії, т. Е. Незаповнені вузли решітки, межузельние атоми даного металу (рис 1.8), домішкові атоми заміщення, т. Е. Атоми, по діаметру співмірні з атомами даного металу і домішкові атоми впровадження, мають дуже малі розміри і тому що знаходяться в междоузлиях (рис 1.9). Вплив цих дефектів на міцність металу може бути різним у залежності від їх кількості в одиниці об'єму та характеру.

Мал. 1.8. Схема освіти пари вакансія-впроваджений атом

Мал. 1.9. Домішкові атоми впровадження та заміщення

Лінійні дефекти мають довжину, що значно перевищує їх поперечні розміри. До них відносяться дислокації , Т. Е. Дефекти, які утворюються в решітці в результаті зсувів кристалографічних площин.

Дислокації бувають двох видів.

Найхарактернішою є крайова дислокація (рис. 1.10). Вона утворюється в результаті виникнення в решітці так званої півплощини або екстраплоскості.

Мал. 1.10. Схема крайової дислокації в ідеальному кристалі

Нижній ряд екстраплоскості власне і прийнято називати дислокацією.

Іншим типом дислокації є гвинтова дислокація, яка представляє собою деяку умовну вісь всередині кристала, навколо якої закручені атомні площини (рис.1.11).

Мал. 1.11. Схема гвинтової дислокація

У гвинтовий дислокації, так само як в крайової, суттєві викривлення кристалічної решітки спостерігаються тільки поблизу осі, тому такий дефект може бути віднесений до лінійним.

Дислокації мають високу рухливістю, тому істотно зменшують міцність металу, тому що полегшують освіту зрушень в зернах-кристалітів під дією прикладених напружень.

Дислокаційний механізм сдвиговой пластичної деформації всередині кристалів може привести до руйнування вироби. Таким чином, дислокації безпосередньо впливають на характеристики міцності металу.

Для оцінки цього впливу використовується щільність дислокацій, під якою прийнято розуміти відношення сумарної довжини дислокацій до обсягу містить їх металу. Щільності дислокацій вимірюється в см -2 або м -2.

На рис. 1.12 у вигляді кривої ABC схематично показана залежність міцності металу від щільності дислокацій. Точка А відповідає теоретичної міцності металу, зумовленої необхідністю одночасного розриву всіх міжатомних зв'язків, що проходять через площину зсуву, в разі відсутності дислокацій.

При збільшенні кількості дислокацій (див. Ділянка АВ) міцність різко знижується, так як на кілька порядків зменшуються зусилля, необхідні для здійснення зрушень в зернах металу при його деформації і руйнуванні.

Мал. 1.12. Залежність межі міцності кристала від щільності лінійних дефектів (дислокацій). крива Одінга

При щільності дислокацій 10 6-107 см-2 (точка В на кривій), міцності мінімальна, і на ділянці ВС відбувається її зростання. Це пояснюється тим, що з ростом щільності дислокацій їх пересування відбувається не тільки по паралельним, але і по пересічних площинах, що істотно ускладнює процес деформування зерен.

Тому починаючи з точки В міцність металу зростає.

Максимальна щільність дислокацій, може скласти 1013 см-2. При подальшому зростанні щільності дислокацій відбувається руйнування металу.

Поверхневі дефекти включають в себе головним чином кордону зерен (рис.1.13). На кордонах кристалічна решітка сильно спотворена. У них накопичуються переміщаються зсередини зерен дислокації.

З практики відомо, що дрібнозернистий метал міцніше крупнозернистого. Так як у останнього менше сумарна протяжність (площа) меж. То можна зробити висновок, що поверхневі дефекти сприяють підвищенню міцності металу. Тому створено кілька технологічних способів отримання дрібнозернистих сплавів.

Рис.1.13. Структура кордону двох сусідніх кристалічних зерен

Об'ємні дефекти

кристалічної решітки включають тріщини і пори. Наявність даних дефектів, зменшуючи щільність металу, знижує його міцність.

Крім того, тріщини є сильними концентраторами напружень, в десятки і більше разів підвищують напруги створювані в металі робочими навантаженнями. Остання обставина найбільш істотно впливає на міцність металу.

У чому полягає суттєва різниця між будовою аморфних і кристалічних тіл? Що таке кристалічна решітка?

Перерахуйте основні типи осередків кристалічних решіток металів. Що таке параметри решіток?

Що розуміється під кристалографічними напрямками і площинами і як вони позначаються?

Що таке анізотропія властивостей в кристалах, чим вона обумовлена? Навести приклад.

Чому полікристалічні тіла є ізотропним? Що таке квазіізотропія (псевдоізотропія)?

Що таке аллотропия (поліморфізм) металів і яке її практичне значення?

Що представляють собою крайові дислокації, яка їхня роль в протіканні пластичної деформації металу і як вони впливають на його міцність?

Що таке щільність дислокацій і як вона впливає на характер зміни міцності металу?