Анизотропия свойств металлов это

Обновлено: 19.09.2024

Свойства материалов зависят от природы атомов, из которых они состоят, и силы взаимодействия между ними. Аморфные ма­териалы характеризуются хаотическим расположением атомов. Поэтому свойства их в разных направлениях одинаковы, другими словами, аморфные материалы изотропны.

В кристаллических материалах расстояния между атомами в раз­ных кристаллографических направлениях различны. Например, в ОЦК решетке в кристаллографической плоскости, проходящей че­рез грань куба, находится всего один атом, так как четыре атома в вершинах одновременно принадлежат четырем соседним элемен­тарным ячейкам: (1/4) • 4 = 1. В то же время в плоскости, проходящей через диагональ куба, будут находиться два атома: 1 + (1/4) -4 = 2. Из-за неодинаковой плотности атомов в разных направлениях кри­сталла наблюдаются разные свойства. Различие свойств в кристалле в зависимости от направления испытания называется анизотропией.

Разница в физико-химических и механических свойствах в раз­ных направлениях может быть весьма существенной. При измере­нии в двух взаимно-перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расши­рения (ТКЛР) различаются в 3 — 4 раза, а прочности кристалла железа — более чем в 2 раза.

Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов, или так называемых монокристаллов. Большинство же технических литых металлов, затвердевших в обычных условиях, имеют поли­кристаллическое строение. Такие металлы состоят из большого числа кристаллов или зерен (рис. 2.3, а). При этом каждое отдельное зер­но анизотропно. Различная ориентация отдельных зерен приводит к тому, что в целом свойства поликристаллического металла явля­ются усредненными.

Поликристаллическое тело характеризуется квазиизотропно­стью — кажущейся независимостью свойств от направления испы­тания.

Квазиизотропность сохраняется в литом состоянии. При об­работке давлением (прокатка, ковка), особенно если она ведется без нагрева, большинство зерен металла приобретает примерно оди­наковую ориентировку — так называемую текстуру (рис. 2.3, б), после чего металл становится анизотропным. Свойства деформи­рованного металла вдоль и поперек направления главной дефор­мации могут существенно различаться. Анизотропия может приво­дить к дефектам металла (расслой, волнистость листа). Анизотро­пию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии получения деталей.

Рис. 2.3. Ориентация кристаллических решеток в зернах литого металла (а) и после обработки давлением (б)

1.5. Идеальное и реальное строение металлических материалов

Общие сведения. Идеальная кристаллическая решетка представ­ляет собой многократное повторение элементарных кристалличес­ких ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность рас­положения атомов в кристаллической решетке, что оказывает су­щественное влияние на свойства материала.

Различают три типа дефектов кристаллического строения: то­чечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты. Такие дефекты (рис 2.4) характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не пре­вышает нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам от­носятся свободные места в узлах кристаллической решетки — ва­кансии (рис. 2,4, а); атомы, сместившиеся из узлов кристалли­ческой решетки в межузельные промежутки, — дислоцированные атомы (рис. 2.4, б); атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки, — примес­ные атомы (рис. 2.4, в). Точечные дефекты и дислоци­рованных атомов могут располагаться обособленно или образовы­вать цепочки. Точечные дефекты образуются в процессе кристал­лизации под воздействием тепловых, механических, электричес­ких воздействий, а также при облучении нейтронами, электрона­ми, рентгеновскими лучами. Вакансии и дислоцированные атомы могут появляться вследствие теплового движения атомов. В харак­терных для металлов решетках энергия образования дислоциро­ванных атомов значительно больше энергии образования тепло­вых вакансий. Поэтому основными точечными дефектами в метал­лах являются тепловые вакансии.| Точечные дефекты не закреплены в определенных объемах металла, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке в результате диффузии.

Рис. 2.4. Точечные дефекты в кристаллической решетке: а — вакансия; б — дислоцированный атом; в — примесный атом внедрения.

Косвенным доказательством образования вакансий в кристал­лической решетке может служить простой эксперимент с нагре­вом двух одинаковых образцов алюминия до температуры, на не­сколько градусов меньшей его температуры плавления. Если ох­лаждение этих образцов провести с разной скоростью, при ком­натной температуре объем быстро охлажденного (закаленного) образца будет на 0,2 % больше, чем объем медленно охлажденного (отожженного) образца. Объясняется это тем, что при температу­ре, близкой к температуре плавления, благодаря диффузии части атомов к поверхности в металле образуется большое число вакан­сий. В случае медленного охлаждения большинство атомов успева­ет вернуться в исходное положение. При быстром охлаждении эти вакансии не успевают вернуться в исходное состояние и остаются в структуре закаленного образца. Если же закаленный образец вновь нагреть и медленно охладить, разница между объемами образцов исчезнет.

Присутствие вакансий объясняет возможность диффузии — пе­ремещения атомов на расстояния, превышающие средние межа­томные расстояния для данного металла. Перемещение атомов осу­ществляется путем обмена местами с вакансиями.

Линейные дефекты. Такие дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяжен­ность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных де­фектов — дислокации.

Теория дислокаций позволила объяснить природу прочности и пластичности металлов. Ее использование дало возможность объяс­нить огромную разницу между теоретической и практической проч­ностью металлов.

На рис. 2.5 приведена схема участка кристаллической решетки с одной лишней атомной полуплоскостью, т.е. краевой дислокацией. Линейная атомная полуплоскость PQQ'P' называется экстраплоско­стью, а нижний край экстраплоскости QQ' — линией дислокации. Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовывать­ся винтовые дислокации. Винтовые дислокации могут быть полу­чены частичным сдвигом атомных слоев по плоскости, который нарушает параллельность атомных слоев.

Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест - кри­сталлическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряжений: выше линии дислокации решетка сжата, а ниже ра­стянута. Дислокации образуются уже при кристаллизации метал­лов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дислокаций может достигать большой величины.

Рис. 2.5. Краевая дислокация

Экстраплоскость

Использование теории дислокаций позволило объяснить боль­шое расхождение между теоретической и фактической прочностью металлов. Теоретическая прочность должна быть пропорциональна произведению сил межатомной связи на число атомов в сечении кристалла.

Расчетное усилие для смещения одной части кристалла относи­тельно другой оказалось на 2 — 3 порядка выше фактически затра­чиваемого при пластической деформации металла. Так, теорети­ческая прочность железа составляет примерно 13 ООО МПа, а фак­тическая — 250 МПа. Такое расхождение теоретической и факти­ческой прочности объясняется тем, что деформация происходит не вследствие одновременного смещения целых атомных плоско­стей, а вследствие постепенного перемещения дислокаций.

Дислокации легко перемещаются в направлении, перпендику­лярном экстраплоскости. Чем легче перемещаются дислокации, тем ниже прочность металла, тем легче идет пластическая деформация.

Таким образом, причиной низкой прочности реальных метал­лов является наличие в структуре материала дислокаций и других несовершенств кристаллического строения. Получение бездислокационных кристаллов приводит к резкому повышению прочности материалов (рис.2.8.). Левая ветвь кривой (штриховая линия) соответствует созданию совершенных бездислокационных нитевидных кристаллов (так называемых усов), прочность которых близка к теоретической. С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затрудненным, требуется увеличение прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется, что соответствует правой ветви кривой (сплошная линия) на рис.2.8.

На практике препятствие движению дислокаций, т.е. упрочнение создается введением других элементов (легированием), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет. А пластичность падает. Металл становится более прочным, но хрупким.

Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями: получение металлов с более близким к идеальному строением кристаллической решетки, т.е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало, либо наоборот увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.

Поверхностные дефекты. Такие дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической ре­шетки. Ими могут быть границы зерен, границы фрагментов внут­ри зерна, границы блоков внутри фрагментов. Соседние зерна по своему кристаллическому строению имеют неодинаковую простран­ственную ориентацию решеток. Блоки повернуты относительно друг друга на угол от нескольких секунд до нескольких минут, их раз­мер 10 -5 см. Фрагменты имеют угол разориентировки θ не более 5°. Если угловая разориентировка решеток соседних зерен меньше 5°, такие границы называют малоугловыми границами (рис. 2.9). Все субзеренные границы (границы фрагментов и блоков) — малоуг­ловые. Строение границ зерен оказывает большое влияние на свой­ства металла.

Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5—10 атомных расстояний с наружным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого (рис. 2.10). Неупорядо­ченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.

Вследствие того что границы зерен препятствуют перемеще­нию дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства металла.

Под размером зерна принято понимать величину его среднего диаметра, выявляемого в поперечном сечении.

Чем мельче зерно, тем выше предел текучести и прочность металла. Одновременно при измель­чении зерна увеличиваются пластичность и вязкость металла. Пос­леднее особенно важно для металлических изделий, работающих при низких температурах. Повышенная пластичность и вязкость обусловлены более однородным составом и строением мелкозер­нистого металла, отсутствием в нем крупных скоплений, струк­турных несовершенств, способствующих образованию трещин.

Помимо перечисленных дефектов в металле имеются макроде­фекты объемного характера: поры, газовые пузыри, неметалли­ческие включения, микротрещины и т.д. которые снижают проч­ность металла.

1.6. Кристаллизация металлов

Общая характеристика процесса. Еще Д.К.Черновым было ус­тановлено, что процесс кристаллизации состоит из двух элемен­тарных процессов: зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

При температурах, близких к температуре затвердевания, в жидком металле образуются небольшие группировки атомов, так называемые флуктуации, в которых атомы упакованы так же, как в твердых кристаллах. Из части этих флуктуации образуются заро­дыши, или центры кристаллизации. С увеличением степени пере­охлаждения возрастает число центров кристаллизации, образую­щихся в единицу времени. Вокруг образовавшихся центров крис­таллизации начинают расти кристаллы. Одновременно в жидкой фазе образуются новые центры кристаллизации. Увеличение об­щей массы затвердевшего металла происходит как за счет возник­новения новых центров кристаллизации, так и за счет роста суще­ствующих. Схема последовательных этапов процесса затвердевания приведена на рис .2.12

Взаимным ростом кристаллов объясняется неправильная фор­ма зерен. Реальные твердые кристаллы .неправильной формы на­зываются кристаллитами.

Суммарная скорость кристаллизации зависит от хода обоих эле­ментарных процессов и определяется скоростью зарождения (СЗ) центров кристаллизации и скоростью роста (CP) кристаллов из этих центров (рис. 2.13). Величины СЗ и CP зависят от степени переохлаждения ∆T. При равновесной температуре ∆Т= 0; СЗ = 0; CP = 0. С увеличением ∆T растет разность свободных энергий ∆F= Т_ж - F_TB, где F_M, F_TB — свободная энергия жидкого и твердого металла соответственно, и при хорошей подвижности атомов СЗ и CP увеличиваются и достигают максимума. Последующее умень­шение СЗ и CP объясняется снижением подвижности атомов при снижении температуры. При малых значениях коэффициента диф­фузии затруднена перестройка атомов жидкости в кристалличес­кую решетку твердого тела. При очень сильном переохлаждении СЗ
и CP равны нулю, жидкость не кристаллизуется, а превращает­ся в аморфное тело.

Для реальных металлов, как правило, реализуются лишь вос­ходящие ветви кривых СЗ и CP, и с ростом степени переохлаж­дения увеличиваются скорости обоих процессов.

От соотношения СЗ и CP зависит размер зерен. При малом пе­реохлаждении, например при заливке металла в земляную форму с малой теплопроводностью или подогретую металлическую фор­му, CP велика, СЗ мала. В этом случае в объеме образуется неболь­шое количество крупных кристаллов. При увеличении ∆Т в случае заливки жидкого металла в холодные металлические формы СЗ возрастает, что приводит к образованию большого количества мел­ких кристаллов.

СЗ; CP

То Степень переохлаждения —► Температура

Рис. 2.13. Влияние степени переох­лаждения А Г на скорость зарожде­ния (СЗ) и скорость роста (CP) кристаллов: Г0 — равновесная температура

Размер зерна определяется не только степенью переохлажде­ния. Важную роль играют температура нагрева и разливки металла, его химический состав и особенно присутствие посторонних при­месей. В реальных условиях самопроизвольное зарождение крис­таллов в жидком металле затруднено. Источником образования за­родышей служат различные твердые частицы: неметаллические включения, оксиды, продукты раскисления. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче зерна. Иногда в металл специально вводят вещества, кото­рые при кристаллизации способствуют измельчению зерна. Эту опе­рацию называют модифицированием. При введении в магниевые сплавы магнезита зерно уменьшается более чем в 10 раз: от 0,2. 0,3 мм до 0,01. 0,02 мм. Для стали модификаторами являются: алюминий, ванадий, титан, для чугуна — магний.

1.7. Дендритная кристаллизация

При кристаллизации реальных слитков и отливок важную роль играет направление отвода теплоты. Кристаллизация начинается от стенок формы или изложницы. В направлении отвода теплоты, т.е. перпендикулярно стенке формы, кристалл растет быстрее, чем в других направлениях. При этом образуются оси первого поряд­ка. Одновременно на их ребрах происходит зарождение и рост перпендикулярных им осей вто­рого порядка, затем третьего по­рядка и т.д. В результате образу­ется разветвленный древовид­ный кристалл, называемый ден­дритом (рис .2.14) .

Так как при затвердевании имеет место так называемая из­бирательная кристаллизация, т. е. в первую очередь затвердевает более чистый металл, границы зерен более обогащены приме­сями. Неоднородность химичес­кого состава в пределах дендри­та называется дендритной ликва­цией. В большей степени, чем другие элементы, ликвации под­вержены углерод, сера, фосфор.

Анизотропия свойств металлов это

Анизотропия (от др. uреч. ἄνισος — неравный и τρόπος — направление) - зависимость свойств материала (например, механических: предела прочности, относительного удлинения, твердости, износостойкости и др.) от направления внутри этого материала. Если материал изотропен, то его свойства одинаковы во всех направлениях.

Металлография тесно связана с вопросами анизотропии. По некоторым свойствам материал может быть изотропен, по другим — анизотропен. Материалы могут отличаться степенью анизотропии. Вопрос анизотропности материала связан с выбором направления внутри этого материала. В одном направлении материал может рассматриваться как анизотропный, в других – как изотропный. Анизотропия в металлографии может рассматриваться на разных масштабных уровнях. Например, на микроуровне (внутри зерна) материал может быть анизотропен, а на другом - изотропен (например в объеме образца).

Анизотропия может быть разделена на естественную и искусственную.

Примером естественной анизотропии на микроуровне является анизотропия элементарной кристаллической ячейки. Если рассматривать отдельные направления внутри элементарной ячейки, то проявляется анизотропия: различные направления имеют различные свойства на масштабном уровне, определяющемся размерами кристаллической решетки. В качестве примера можно привести монокристалл медного купороса (рис.1). Степень анизотропии кристаллов кубической сингонии гораздо выше. Если рассматривать направления осей x, у и z, то монокристалл поваренной соли изотропен (рис.1б). Овализованный кристалл поваренной соли имеет изотропную форму.

а	б

Рисунок 1. Гидратированные кристаллы медного купороса (а); естественный и овализованный кристаллы хлорида натрия (б).

Плотность и удельная теплоёмкость у всех кристаллов не зависят от направления. Анизотропия остальных физических свойств кристаллов тесно связана с их симметрией и проявляется тем сильнее, чем ниже симметрия. Например, усилие сдвига, скорость роста или растворения кристалла зависят от направления. Пример анизотропной структуры электролитического покрытия меди представлен на рис. 2. Кристаллиты покрытия растут на подложке в определенном направлении и все они ориентированы в пространстве одинаково. Скорость роста кристаллов максимальна в направлении, перпендикулярном подложке.

Рисунок 2. Структура электролитического покрытия меди.

Молекулярные кристаллы (белки или полимеры) также являются анизотропными объектами. Изделия, созданные на основе полимеров могут быть как анизотропными (например искусственные нити для производства тканей), так и изотропными (изделия, получаемые при горячем формообразовании полимерных порошков). Сам порошок (рис.3) можно считать изотропным.

Рисунок 3. Порошок политетрафторэтилена; освещение по методу темного поля.

Помимо белков, естественная анизотропия свойственна другим материалам биологического происхождения. Например: слюда, костные и мышечные ткани человека и животных, древесина и листья, трава и т.д.
Анизотропия материалов связана либо с естественной анизотропией материала, либо создается искусственно для придания материалу определенных свойств. Поликристаллические материалы (металлы, сплавы) принято считать изотропными, поскольку кристаллиты, составляющие металл, ориентированы хаотично относительно внешних и внутренних направлений в материале. Анизотропия в металлических материалах создается искусственно. Это, например, специальные условия кристаллизации (рис.4) (направленный теплоотвод). На рис.4а показана структура литой меди; кристаллиты вытянуты в направлении теплоотвода. Структура на рис.4б не имеет направленности. Анизитропную структуру можно получить при деформации - прокаткой и волочением. Например, на рис.5а показана структура прокатанной стали. Видны полосы перлита (темные), вытянутые вдоль направления деформации. Структура, показанная на рис.5б тоже состоит из перлита и феррита, но такую структуру можно считать изотропной, потому что феррит и перлит равномерно распределены в объеме стали. Сам перлит анизотропен, потому что имеет пластинчатое строение (в противоположность зернистому перлиту, который является изотропным).

Анизотропия, созданная тпластической деформацией, сохраняется в изделии или материале после прекращения воздействия и определяет комплекс его физико-механических свойств. Например, после холодной прокатки на 90% и отжига при 800 0 С медь имеет различное относительное удлинение: вдоль направления деформации – 40%, под углом 45 0 к направлению деформации – 75%.

а	б

Рисунок 4. Макроструктура литья: а – анизотропия макроструктуры меди за счет направленного теплоотвода; б – изотропная структура меди, формирующаяся при равномерном теплоотводе.

а	б

Рисунок 5. Анизотропия структуры углеродистой стали, созданная холодной прокаткой (а), и однородная структура, полученная нормализацией (б).

Композиционные материалы представляют собой искусственные анизотропные материалы, созданные, как правило, из двух и более материалов, часто различной природы. Композиционный материал состоит из армирующего прочного материала (как правило анизотропного) и связующего изотропного вещества с более низкими свойствами. Часто в качестве армирующего элемента используются высокопрочные волокна – графитовое или борное волокно, стекловолокно и т.д. (рис.6 а). Понятно, что в продольном сечении материал можно рассматривать как анизотропный (рис. 6 б), в поперечном сечении – как изотропный, т.к. сечение волокна сферическое (рис. 6в). Из элементарных соображений понятно, что свойства композиционного материала вдоль волокна будут существенно отличаться от свойств в поперечном направлении. Этот случай анизотропии представляет собой частный случай анизотропии под названием ортотропия (от др. греч. ὀρθός — прямой и τρόπος — направление) —различие свойств материала по взаимно перпендикулярным направлениям.

а	б	в

Рисунок 6. Анизотропия композиционных материалов: а – борное волокно; б – волокно в составе композита, продольное сечение материала; в – поперечное сечение материала.

Презентация по дисциплине ОП.04 Материаловедение "Металл. Виды решёток. Анизотропия" (2 курс)

Великий русский учёный М.В. Ломоносов первый дал наиболее точное определение металла. Он писал “Металлы суть светлого тела, которые ковать можно.”
В настоящее время к этому можно добавить ещё их высокую электро - и теплопроводность. В период. системе Менделеева элементы с металлическими свойствами выделены чёрным шрифтом – их всего 83 и составляют примерно ¾ всех элементов. Атомы металлов характеризуются малым количеством электронов (1-2) на наружной оболочке.
Высокая электро - и теплопроводность металлов; физические и химические свойства, хорошо объясняется легкостью отрыва у них внешних элементов.

Металлы (от греческого металлон – копи, рудники, а не буквально – «добытое из земли») – вещества неорганического происхождения.
Металл- химический элемент обладает характерными свойствами: блеск, непрозрачность, хорошей электро- и теплопроводностью, способностью коваться и свариваться.
К металлам относят также их сплавы, имеющие по свойствам много общего с металлами.

ЗАПАСЫ МЕТАЛЛОВ НА НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ
Алюминий 8; Железо 5; Магний 2; Титан 0,6; Медь 0,01; Никель 0,01;
Олово 0,004; Цинк 0,004;
Свинец 0,0016; Серебро 0,00001;
Золото 0,0000005;
Платина 0,00000005
(В ПРОЦЕНТАХ)

КЛАССИФИКАИЯ МЕТАЛЛОВ
Все металлы можно разделить на две большие группы - черные и цветные металлы.
ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ чаще всего имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочно-земельных), высокую темᴨературу плавления, относительно высокую твердость. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

ЧЁРНЫЕ МЕТАЛЛЫ
Железные металлы
Тугоплавкие металлы
Урановые металлы
Редкоземельные металлы (РЗМ)
Щелочноземельные металлы

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ
Легкие и тяжёлые металлы
Благородные металлы
Легкоплавкие металлы

ЧЁРНЫЕ МЕТАЛЛЫ
ЖЕЛЕЗНЫЕ МЕТАЛЛЫ -железо, кобальт, никель и близкий к ним по свойствам марганец.
Применяют как добавки к сплавам железа, в качестве основы для сплавов, похожих по своим свойствам на высоколеᴦᴎҏованные стали.
ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ - Ti, V, Cr, Zr, Mo, Tc (технеций), Hf (гафий), Ta(тантал), W, Re (рений), температура плавления которых выше, чем железа (т.е. выше 1539).
Применяют как добавки к леᴦᴎҏованным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов

УРАНОВЫЕ МЕТАЛЛЫ -Ас (актиний), Th (торий), U(уран), Np (нептуний), Pu (плутоний), Bk (берклий), Cf (калифорний), Md (менделевий), No (нобелий).
Актиниды, преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики.
РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ (РЗМ) - La (лантан), Ce (церий), Nd (неодим), Sm (санарий), Eu (европий), Dy (диспрозий), Lu (лютеций), Y (иттрий), Sc (сландий)- лантаноиды.
Применяют как присадки к сплавам других элементов. В природных условиях они встречаются вместе и трудно разделимы на отдельные элементы.

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ
ЛЕГКИЕ МЕТАЛЛЫ – Ве (бериллий), Mg (магний), Al (алюминий), обладающие малой плотностью.
БЛАГОРОДНЫЕ МЕТАЛЛЫ – Ag (серебро), Pt (платина), Au (золото), Pd (палладий), Os (осмий), Ir (иридий) . Сu - полублагородный металл. Обладают высокой устойчивостью против коррозии.
ЛЕГКОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ – Zn (цинк), Cd (кадмий), Hg (ртуть), Sn (олово), Bi (висмут), Sb (сурьма), Pb (свинец), As (мышьяк), In (индий), и элементы с ослабленными металлическими свойствами - Ga(галлий), Ge(германий)

Опыт проведённый в 1889 году в Москве А.Г. Столетовым показал, что электроны в металле связаны непрочно.
Все металлы и металлические сплавы в твёрдом состоянии являются телами кристаллическими.
В отличии от аморфных тел (стекло, смола) имеющие хаотическое расположение атомов, в кристаллических телах, а поэтому и в металлах атомы занимают в пространстве строго определённые места, образуя пространственную или кристаллическую решетку.

Все металлы и их сплавы имеют кристаллическое строение. В идеально кристаллическом веществе атомы расположены по геометрически правильной схеме и на определенном расстоянии друг от друга. Если металл застывает, можно наблюдать в микроскоп кристаллы, которые имеют геометрически правильные формы в виде кристаллических решеток. В твердом состоянии вещества имеют три основных вида
:
АТОМНО–КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Кубическая объемно-центрическая (ОЦK) - имеет 9 атомов, представляет собой куб, в вершинах которого и в центре расположены атомы, повторением этой ячейки путем переноса образуется вся структура кристалла. Такую решетку имеют Ванадий, Вольфрам, Хром, Молибден, Железо.

Кубическая гранецентрированная (ГЦК) решетка имеет 14 атомов. Такую решетку имеет: Алюминий, Медь, Свинец, Никель.

Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) кристаллическая решетка имеет 17 атомов. Такая решетка у Цинка, Титана, Магния. Параметр решеток это сторона куба или шестигранника, у всех металлов находится в пределах от 0,2 до 0,4 нанометра - это 10-9 метра.

В действительности кристаллы имеют дефекты, и их структура отличается от идеальных решеток. Дефекты делятся на точечные, линейные и поверхностные.

Размеры кристаллической решетки характеризуются параметрами или периодами решетки. Параметры измеряются в: ангстремах А
1 А = 10-8 см, 1 А = 0.1 нм. Килоиксах 1 кХ = 1.00202 А
Параметры кубических решеток принято характеризовать длиной ребра куба и обозначать буквой а. У:Cl a = 2,878 А ; Al a = 4.041 A
В ГПУ решетки принимают 2 параметра: сторону шестигранника – а и высоту призмы – С

Параметры решетки металлов: а – находится в пределах = 2,86 до 6,07 А. (0,296 – 0,607 нм)

АНИЗОТРОПИЯ
АНИЗОТРОПИЯ-различные свойства металлов в различных плоскостях кристаллической решетки.
Если металлы или материалы в различных направлениях (в различных плоскостях имеют различные механические свойства) – то такое явление называют анизотропией.
АНИЗОТРОПНОСТЬ в металлах объясняется тем, что в различных направлениях (плоскостях в кристаллах атомы располагаются на различном расстоянии) В той плоскости, где атомы располагаются ближе друг к другу – межатомное притяжение больше и следовательно механические свойства выше и наоборот.

ВСЕ КРИСТАЛЛЫ АНИЗОТРОПНЫ
Аморфные тела (стекло, смола) – имеют одинаковые плотность упаковки атомов, поэтому их свойства одинаковы во всех направлениях, т.е. изотропные.
Аморфное тело можно получить металлическое – это нужно быстрое вращение и скорость охлаждения 106 0С (сек).
Степень анизотропности может быть различной.
Исследовали единичный (Монокристаллы Cu) в различных направлениях, и установлено, что прочность изменяется от 12 до 36 кг/мм2 а, удлинение от 10-15%
Японцы получили аморфные металлы, где атомы расположены беспорядочно, этот металл обладает специфическими физико-механическими свойствами.

СТРОЕНИЕ РЕАЛЬНЫХ КРИСТАЛЛОВ
КРИСТАЛЛЫ - имеют небольшие размеры но твердые тела. Они делятся на идеальные – где атомы располагаются строга по плоскостям; и реальные кристаллы металлов – которые обладают рядом структурных несовершенств, т.е. дефектов – отклонения от правильной геометрической формы (строения).
Дефекты реальных кристаллов делятся на 3 группы:
Точечные
Линейные
Поверхностные
Вакансии можно увеличить путём облучения радиоактивными частицами. 1 вакансия = 100 атомов.

ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ или несовершенства – очень малы во всех 3х измерениях, к ним относятся:
а) Вакансии – свободные узлы в атомно-кристаллической решетки.
б) Промежуточные атомы – атомы смещенные в междоузлие:
в) Атомы примесей – которые замещают атомы металла в решетке или внедряются в междоузлие:

II. ЛИНЕЙНЫЕ ДЕФЕКТЫ ИЛИ НЕСОВЕРШЕНСТВА – размер их мал в 2х измерениях
К ним относятся – дислокации краевая
винтовая
Краевая дислокация – характеризуется добавочной атомной плоскостью, в результате кристаллизации решетка искажается. Краевая дислокация может простираться в длину на многие тысячи параметров решетки.
Винтовая дислокация – когда горизонтальная плоскость изгибается, и край каждой из них смыкается с краем ближайшей соседней плоскости.
Образование дислокации может происходить в процессе кристаллизации, при пластической деформации, т/о и других процессах.
С помощью дислокации происходит упрочнение металла.
Число дислокации в 1 см3 = один миллион.

III. Поверхностные дефекты – размер которых мал только в одном направлении. К ним относятся : границы между зернами или двойникование границы, поверхности зерна между твердыми зернами.
На границе между зернами атомы имеют менее правильное расположение, чем в объеме зерна. Зерна разоентированы, повернуты друг относительно друга на несколько градусов.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ

Краткое описание документа:

Презентация предназначена для проведения урока по дисциплине ОП.04 Материаловедение. В презентации расмотрены вопросы:Классификация металлов. Атомно–кристаллическое строение металлов. Анизотропность и ее значение в технике.

Презентация помогает обучающимся лучше освоить изучаемый материал. Наглядно показаны классификация металлов, виды кристаллических решёток, дефекты кристаллического строения.

Рабочие листы и материалы для учителей и воспитателей

Более 3 000 дидактических материалов для школьного и домашнего обучения

Понятие об изотропии и анизотропии. Особенности металлов, как тел имеющих кристаллическое строение

Из изложенного выше уясним, что характерные признаки металлов обусловлены их внутренним строением, т. е. структурой. Геометрическая правильность расположения атомов в кристаллических решётках придаёт металлам особенности, которых нет у аморфных тел.

1.Первой особенностью металлов является анизотропия свойств кристаллов, т. е. различие свойств кристаллов в разных направлениях.

Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны.

В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией

Чтобы понять явление анизотропии необходимо выделить кристаллографические плоскости и кристаллографические направления в кристалле.

Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографической плоскостью.

Прямая, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографическим направлением.

Для обозначения кристаллографических плоскостей и направлений пользуются индексами Миллера. Чтобы установить индексы Миллера, элементарную ячейку вписывают в пространственную систему координат (оси X,Y, Z – кристаллографические оси). За единицу измерения принимается период решетки.

Рис.1.3. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей (а) и кристаллографических направлений (б)

Для определения индексов кристаллографической кристаллографической плоскости необходимо:

· установить координаты точек пересечения плоскости с осями координат в единицах периода решетки;

· взять обратные значения этих величин;

· привести их к наименьшему целому кратному, каждому из полученных чисел.

Полученные значения простых целых чисел, не имеющие общего множителя, являются индексами Миллера для плоскости, указываются в круглых скобках. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей на рис. 1.3 а.

Другими словами, индекс по оси показывает на сколько частей плоскость делит осевую единицу по данной оси. Плоскости, параллельные оси, имеют по ней индекс 0 (110)

Ориентация прямой определяется координатами двух точек. Для определения индексов кристаллографического направления необходимо:

· одну точку направления совместить с началом координат;

· установить координаты любой другой точки, лежащей на прямой, в единицах периода решетки

· привести отношение этих координат к отношению трех наименьших целыж чисел.

Индексы кристаллографических направлений указываются в квадратных скобках [111]

В кубической решетке индексы направления, перпендикулярного плоскости (hkl) имеют те же индексы [hkl].

У металлических тел анизотропия свойств не выражена так резко, как у отдельных кристаллов. Металлы являются поликристаллическими телами, т. е. они состоят не из одного, а из бесчисленного количества кристаллов, по-разному ориентированных. Произвольность ориентировки каждого кристалла приводит к тому, что в любом направлении располагается приблизительно одинаковое количество различно ориентированных кристаллов. В результате получается, что свойства поликристаллических тел будут одинаковы во всех направлениях -----это явление получило название «квазиизотропия» (ложная изотропия).

2.Второй особенностью металлов как тел кристаллического строения является наличие у них плоскостей скольжения (спайности).

По этим плоскостям происходит сдвиг или отрыв (разрушение) частиц кристаллов под действием внешних усилий. У аморфных тел смещение частиц происходит не по определённым плоскостям, а беспорядочно. Излом аморфного тела всегда имеет неправильную, искривлённую форму.

3.Третьей особенностью металлов как тел кристаллического строения является то, что процесс перехода их из твёрдого состояния в жидкое и наоборот происходит при определённой температуре, называемой температурой плавления (затвердевания). Аморфные тела переходят в жидкое состояние постепенно и не имеют определённой температуры плавления.

Анизотропии свойств металлов

Свойства материалов зависят от природы атомов и сил взаимодействия между ними. Аморфные материалы характеризуются хаотическим расположением атомов, поэтому свойства их в различных направлениях одинаковы или изотропны. В кристаллических материалах плотность атомов в различных кристаллографических направлениях различно, в следствии чего наблюдается различие свойств в разных направлениях плоскостей металла.
Различие свойств в кристалле в зависимости от кристаллографического направления называется анизотропией.
Анизотропия свойств характерна для монокристаллов (одиночных кристаллов). Однако, большинство технических металлов – тела поликристаллические, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллов, которые неупорядочено ориентированы по отношению друг к другу. Это приводит к тому, что в целом свойства поликристаллического
металла являются усредненными, т.е. они изотропны (квазиизотропны). Анизотропными становятся металлы после обработки давлением в холодном состоянии, когда большинство зерен приобретают одинаковую ориентировку (текстуру).

Дефекты кристаллического строения В реальных кристаллах всегда есть дефекты, которые оказывают влияние на свойства сплавов и их обработку. Дефекты – это отклонения от правильного идеального регулярного расположения атомов в решетке кристалла. Различают: точечные, линейные, поверхностные (двухмерные) и объемные (трехмерные). Точечные дефекты Точечные дефекты малы во всех трех измерениях (длина – несколько атомных диаметров). К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы, примесные атомы и их комплексы. Вакансии –представляют собой узлы решетки, в которых атомы отсутствуют («дырки»). Причина – активация атомов, которая есть всегда, если температура выше 0 градусов Кельвина. В кристаллах всегда есть атомы, кинетическая энергия которых выше средней. Такие атомы, особенно, если они находятся вблизи поверхности, могут выйти на поверхность кристалла, а их место займут атомы, находя щиеся дальше от поверхности, а принадлежащие им узлы кристаллической решетки окажутся свободными. Так возникают тепловые вакансии, т. е. возникающие при нагреве. Вакансии искажают кристаллическую решетку изменяя тем самым, например электропроводность, кроме того играют определенную роль в диффузионных процессах, протекающих в металлах. При комнатной температуре концентрация вакансий невелика, но при повышении температуры, особенно вблизи температуры плавления резко возрастает, но все равно мала – до 2 % при температуре плавления. Быстрым охлаждением вакансии можно зафиксировать (скорость охлаждения велика, и атомы не успевают вернуться в исходное положение). Такие вакансии называют закалочными. Вакансии образуются не только в результате нагрева, но и при пластической деформации. Перемещаясь по кристаллу одиночные вакансии могут встречаться. В этом случае они могут объединяться в пары, образуя дивакансии (бивакансии), т. к. при этом уменьшается их суммарная поверхность, устойчивость такой спаренной вакансии возрастает. Возможно также образование тривакансий и целых цепочек. Межузельные атомы ( дислоцированный атом) – сместившиеся из узлов решетки в межузельные промежутки. Образуется редко, т к энергия их образования очень велика, в несколько раз больше образования вакансий. Примесные атомы – занимают место основных атомов или внедряются внутрь ячейки. Точечные дефекты оказывают влияние на физические свойства металлов: электропроводность, магнитные свойства и т.д., а также на фазовые превращения в металлах и сплавах. На механические свойства влияют мало. ЛиЛинейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем. Особо важным видом линейных дефектов являются дислокации – локализованные искажения кристаллической решетки, вызванные наличием в них «лишней» атомной плоскости или экстраплоскости. Краевая линейная дислокация –область несовершенств кристаллической решетки вокруг края экстраплоскости. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла то дислокацию называют положительной и обозначают «+», если в нижней, то отрицательной « – ». Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного – притягиваются. Кроме краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться винтовые дислокации, которые получаются путем частичного сдвига и закручивания. Дислокации образуются уже при кристаллизации металла, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращениях. Важной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций ( ). Плотность дислокаций – суммарная длина дислокаций, приходящаяся на единицу объема Vкристалла. Для отожженнных металлов =10 6 – 10 8 см -2 . После холодной деформации увеличивается до 10 11 – 10 12 см -2 . Вектор Бюргерса – это мера искаженности кристаллической решетки обусловленная присутствием в ней дислокации; он характеризует сумму всех упругих смещений решетки, накопившихся вокруг дислокации. Дислокации оказывают влияние на механические свойства металлов. Поверхностные дефекты малы только в одном направлении. Они представляют собой упругие искажения кристаллической решетки по границам зерен или их фрагментов (блоков мозаичной структуры). Различают большеугловые (высокоугловые) и малоугловые (низкоугловые) границы. Большеугловые границы представляют собой области в несколько периодов кристаллической решетки, на протяжении которых решетка одной кристаллографической ориентации переходит в решетку другой ориентации. Такое строение имеют межзеренные границы. Малоугловые границы представляют собой цепочки дислокаций (дислокационные стенки), отделяющие одну часть кристаллической решетки от другой (один блок мозаичной структуры от другого). Плотность расположения дислокаций зависит от угла между кристаллографическими плоскостями в соседних блоках. Чем угол больше (в пределах до нескольких угловых градусов), тем чаще расположены дислокации. Объемные дефекты представляют собой искажения решетки, вызванные наличием пор, трещин, раковин и других макроскопических нарушений непрерывности кристаллической решетки. B) 2. (d) 3. (a) 4. (a) 5. (c) 6. (d) 7. (d) 8. (c) 9. (d) 10. (a) 11. (b) 12. (a) B) 14. (a) 15. (c) 16. (c) 17. (a) 18. (d) 19. (c) 20. (c) 21. (a) Читайте также:    Металлы из которых делают украшения    Керамические брекеты с металлическим пазом    Анальный расширитель из металла    Окисление металла в среде неэлектролита    Резка и раскрой металла