Кристаллическая решетка обеспечивающая высокую пластичность металла
Обновлено: 18.05.2024
В большинстве случаев техника использует кристаллические материалы. Субструктура материала - кристаллическое строение наряду с химическим составом определяет все свойства. В реальных металлах кристаллы выпадают из расплавов при охлаждении и создаются физико-химическими процессами при нагреве твердого тела.
Атомы в кристаллах расположены закономерно в узлах кристаллической решетки или в местах пересечения кристаллических плоскостей. Все пространство кристалла можно разбить на элементарные ячейки. Повторяя в пространстве элементарную ячейку, можно описать весь кристалл. Простейшей кристаллической ячейкой является куб, по вершинам которого располагаются атомы. Основные типы кристаллических решеток металлов: объемоцентрированная кубическая (О.Ц.К.); гранецентрированная кубическая (Г.Ц.К.).; гексоганальная плотноупакованная (Г.П.У.) рис.1.
Кристаллические решетки характеризуются параметрами: периодом решетки, координационным числом, атомным радиусом, базисом или количеством атомов, приходящимся на одну ячейку, энергией решетки, плотностью упаковки атомов и др.
Рис 1. Типы кристаллических решеток. (1.1 - объемоцентрированная кубическая ОЦК; 1.2 - гранецентрированная кубическая плотноупакованная ГЦК; 1.3 - гексоганальная плотноупакованная решетка ГПУ).
Периодом решетки называется расстояние между центрами двух соседних атомов. Координационное число - количество атомов, находящихся на наиболее близком расстоянии от любого атома в решетке. Атомный радиус (половина атомного диаметра) - половина межатомного расстояния между центрами ближайших атомов.
Металлы имеют плотную упаковку атомов, т.е. высокие координационные числа и большое количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку.
Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных направлениях, многие свойства кристалла анизотропны. Металлы и другие элементы и вещества имеют полиморфные превращения. Кристаллическая структура изменяется в зависимости от температуры. Например, кристаллическая решетка железа в интервале температур от 0 до 910 о С - ОЦК (Fe-α); от 910 до 1400 о С - ГЦК (Fe-γ); от 1400 до 1539 о С (плавление) - ОЦК (Fe-α или Fe-δ).
Реальные металлы являются поликристаллическими веществами. Размеры зерен (кристаллов) колеблются в широких пределах от долей микрона до нескольких миллиметров. В приведенных выше примерах рассматривались идеальные кристаллические решетки. Особенностью строения реальных металлических материалов является наличие искажений и дефектов кристаллического строения, вызванное действием температурных, электромагнитных и иных полей, а т .ж. механическими напряжениями. Наибольшее число дефектов возникает при первичной кристаллизации расплава или при пластической деформации твердого тела. Кристаллические дефекты разделяют на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Источниками дефектов являются прежде всего примеси. Например, если в алюминии содержится 0.001% (10-5) примеси кремния, то в 1 мм 3 будет 6·10Е14 посторонних атомов. Атомы примесей искажают кристаллические решетки. Примеси могут располагаться в виде отдельных атомов, скоплений по поверхностям или в определенных объемах. Рис 2.1. Другим источником дефектов являются тепловые колебания атомов. Среднее значение амплитуды тепловых колебаний равно 5-10% межатомного расстояния, но энергия тепловых колебаний в решетке распределена неравномерно. Колебания атомов тоже различны. Если на поверхности атом обладает энергией, необходимой для испарения, он может выйти из кристаллической решетки. Образуется дефект, который называется вакансией. Рис 2.2.
Образование дислоцированных атомов (рис. 2.3.) требует большей энергии активации, поэтому количество таких дефектов меньше, преимущественно они возникают при облучении кристаллов.
Рис. 2.1 Рис. 2.3. Рис. 2.2.
Рис.2. Точечные дефекты кристаллических решеток. 2.1. - примесный атом; 2.2. - вакансия (дефект Шоттки); 2.3. - дислоцированный атом (дефект Френкеля).
Вакансии имеют большое значение особенно для протекания диффузии, создают условия для повышения пластичности металла при низких температурах.
Реальные кристаллы разделены на фрагменты и блоки (мозаичная структура). Поверхности кристаллов (границы зерен), границы фрагментов и блоков являются местом скопления всевозможных дефектов и местом их возникновения Рис 3. Основными линейными дефектами являются дислокации. Дислокации бывают линейными (краевыми), представляющие собой край экстра - плоскости (полуплоскости) рис 4.1., рис 4.2.; и винтовыми рис. 4
| Рис. 3. Мозаичная структура кристалла | Рис. 4.1. Дислокация на границе блоков | Рис. 4.2. и Рис.4.3. Краевая и винтовая дислокации |
Дефекты влияют на структурночувствительные свойства. Например, наличие дислокаций изменяет прочность металлов. Теоретический подсчет предела упругости дает величину, превышающую реальную в 1000 раз (10 Е5 и 100 МПа) для чистых металлов и в 100 раз для сталей. Бездефектные кристаллические металлические и керамические материалы в виде волокон и НК (нитевидных кристаллов) применяются как арматура - фаза упрочнитель конструкционных композитов. Рис. 5.
В настоящее время разработана дислокационная теория, объясняющая механизмы пластической деформации и причины разрушения металлов, их упрочнения при обработке давлением и иных технологических способах.
Влияние дефектов решетки на механические
В этой теме рассмотрим, в основном, влияние дефектов решетки на прочность кристаллических материалов.
В теме 1.1 отмечалось, что прочность – это способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием внешней нагрузки.
Под прочностью кристаллических тел понимают их сопротивление приложенной нагрузке, стремящейся сдвинуть или, в пределе, оторвать одну часть кристалла относительно другой.
Наличие в металлах подвижных дислокаций (уже в процессе кристаллизации возникает до 10 6 …10 8 дислокаций в сечении, равном 1см 2 ) приводит к их пониженной сопротивляемости нагружению, т.е. высокой пластичности и невысокой прочности.
Очевидно, что наиболее эффективным способом повышения прочности будет удаление дислокаций из металла. Однако такой путь не технологичен, т.к. бездислокационные металлы удается получать лишь в виде тонких нитей (так называемых «усов») диаметром в несколько микрон и длиной до » 10 мкм.
Поэтому практические способыупрочнения основаны на торможении, блокировании подвижных дислокаций путем резкого увеличения числа дефектов решетки (в первую очередь линейных и поверхностных!), а также создании многофазных материалов (см. параграф 1.2.2.).
Такими традиционными методами повышения прочностиметаллов являются:
– пластическое деформирование (явление наклепа или нагартовки),
– термическая (и химико-термическая) обработка,
– легирование (введение специальных примесей) и, наиболее общий подход, – это создание сплавов.
В заключение следует отметить, что повышение прочности, основанное на блокировании подвижных дислокаций, приводит к снижению пластичности и ударной вязкости и, соответственно, эксплуатационной надежности материала.
Поэтому вопрос о степени упрочнения необходимо решать индивидуально, исходя из назначения и условий работы изделия.
Внимание!
Вопросы для самопроверки к теме 1.2
1. В чем особенность кристаллического строения?
2. Какими характеристиками описывают кристаллические решетки?
3. Что такое период решетки; какова его примерная величина?
4. Определите координационное число и относительную плотность упаковки простой кубической решетки.
5. какие разновидности кубических решеток свойственны металлическим элементам?
6. Что такое полиморфизм?
7. Что такое дефекты решетки? Назовите их разновидности.
8. Перечислите основные виды точечных дефектов. Охарактеризуйте нарушения в решетке, создаваемые этими дефектами.
9. Что такое краевые дислокации? Как они возникают?
10. Каков механизм перемещения дислокаций?
11. Как влияет совершенство кристаллической решетки на подвижность дислокаций?
12. Что представляют собой поверхностные дефекты решетки?
13. Что является причиной пониженной прочности технических (неупрочненных) металлов?
14. Каковы принципы повышения прочности металлов?
15. Перечислите практические методы упрочнения металлов?
16. Как влияют традиционные методы повышения прочности на пластичность и ударную вязкость металлов?
Промежуточные тесты к теме 1.2
I. Каков наиболее вероятный порядок величины периода (параметра) кристаллической решетки?
II. Сколько целых атомов приходится на элементарную ячейку простой кубической решетки?
III. Какой вид дефектов кристаллической решетки обеспечивает высокую пластичность металлов?
3. Атомы примесей.
4. Дислоцированные (междоузельные) атомы.
5. Границы зерен.
IV. Какое из перечисленных утверждений неверно? Холодная пластическая деформация:
1) повышает прочность металла;
2) повышает электросопротивление;
3) снижает пластичность;
4) повышает ударную вязкость;
5) повышает твердость.
V. Какое из перечисленных утверждений неверно? Практические пути повышения прочности металлов основаны на:
Кристаллическая структура металлов. Общая характеристика и классификация металлов
В технике под металлами понимают материалы, обладающие целым комплексом специфических физических, химических, технологических, эксплуатационных и механических свойств.
Физические свойства отражают поведение материалов в различных тепловых, электромагнитных и гравитационных полях. К наиболее характерным физическим свойствам металлов следует отнести металлический блеск, высокую электро- и теплопроводность, способность испускать электроны при нагреве, а также сравнительно высокую плотность большинства металлов.
Химические свойства отражают способность материалов взаимодействовать с другими веществами. С точки зрения химических свойств металлы это химические элементы, расположенные в левой части таблицы Менделеева. Атомы этих элементов содержат на внешней электронной оболочке небольшое число электронов, слабо связанных с ядром. Вступая в химические взаимодействия с неметаллами, атомы металлов легко отдают им свои внешние валентные электроны и становятся положительно заряженными ионами.
Технологические свойства отражают способность материалов подвергаться тому или иному виду обработки. К наиболее характерным технологическим свойствам металлов следует отнести их относительно хорошую деформируемость (в частности, штампуемость и ковкость), а также хорошую свариваемость и возможность получать изделия методом литья.
Эксплуатационные свойства характеризуют поведение материалов в реальных условиях эксплуатации. Среди эксплуатационных свойств металлов можно выделить их неплохую износостойкость.
Механические свойства отражают способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под воздействием различного рода нагрузок. К наиболее характерным механическим свойствам металлов относят их достаточно высокую пластичность и вязкость, а также твёрдость и прочность.
Физические и химические свойства металлов наиболее подробно изучаются в рамках дисциплин «Физика» и «Химия». Материаловедение большее внимание уделяет механическим и технологическим свойствам материалов.
Все металлы делят на две большие группы: на чёрные металлы и цветные металлы.
Чёрные металлы отличаются специфическим темно-серым цветом, высокой температурой плавления и относительно высокой твёрдостью. Цветные металлы имеют характерную белую, желтую или красную окраску, и отличаются от чёрных металлов большей пластичностью, меньшей твёрдостью и невысокой температурой плавления.
Чёрные металлы, в свою очередь, подразделяют на 5 групп:
1. Металлы группы железа – Fe, Cо, Ni и Mn.
Fe составляет основу самых распространённых в промышленности сплавов – сталей и чугунов. Остальные металлы этой группы применяются либо в качестве добавок к железоуглеродистым сплавам, либо в качестве основы для соответствующих сплавов (кобальтовых, никелевых и т.п.).
2. Тугоплавкие металлы – Ti, V, Cr, Mo, W и др.
Металлы этой группы имеют температуру плавления выше, чем у железа, т.е. более 1539°С. Их обычно используют в качестве добавок к легированным сталям, либо в качестве основы для специальных сплавов (например, титановых или хромовых). Вольфрам в чистом виде используют для изготовления нитей накала электроламп.
3. Урановые металлы или актиноиды – Ac, Th и т.д. Применяются, как правило, для изготовления сплавов, используемых в атомной энергетике.
4. Редкоземельные металлы или лантаноиды – La, Ce и т.д. Эти металлы обычно встречаются в смешанном виде и имеют близкие свойства. Их используют для изготовления специальных сплавов, обладающих особыми физическими и иными свойствами.
5. Щелочные металлы – Li, Na, K и т.д. Отличаются высокой химической активностью и поэтому в свободном виде не используются.
Цветные металлы подразделяют на 3 группы:
1. Легкие металлы – Al, Mg, Be. Обладают сравнительно низкой плотностью. Al из-за своей высокой электропроводности широко применяется для изготовления электропроводов. Кроме того, Al используют для получения алюминиевых сплавов, широко применяемых в машиностроении.
2. Благородные металлы – Ag, Au, Pt и т.д. в том числе Cu. Данные металлы отличаются высокой пластичностью, электропроводностью и коррозионной стойкостью. Благодаря этим свойствам они широко применяются в микроэлектронике и ювелирном деле. Медь используют также для получения бронз и латуней. Слитки благородных металлов, размещённые в банках, играют роль фактических денег.
3. Легкоплавкие металлы – Sn, Pb, Zn, Hg и т.д. Имеют сравнительно низкую температуру плавления. Температура плавления ртути (Hg) ниже комнатной и поэтому данный металл в обычных условиях является жидким. Sn и Pb используют для изготовления припоев, те сплавов, служащих для соединения деталей методом пайки.
Наиболее распространенным металлом на земном шаре является алюминий (8,8%). На втором месте находится железо (4,65%), которое к тому же является одним из наиболее дешёвых металлов.
2.2 Металлическая межатомная связь и модель «электронного газа»
Вышеназванные характерные свойства металлов, в большинстве своём, могут быть объяснены спецификой межатомного взаимодействия и особенностями структуры металлов. Атомы металлов, находящихся в твёрдом стоянии, связаны между собой особым типом химической связи, которую называют металлической связью. Такая связь устанавливается посредством обобществления всех валентных электронов атомами материала. Валентные электроны, потерявшие связь со своими атомами, оказываются принадлежащими всему металлу в целом и, будучи относительно свободными, образуют в объёме металла так называемый «электронный газ» или точнее «электронную жидкость». Сами же атомы при этом становятся положительно заряженными ионами. Таким образом, на атомарном уровне металлы выглядят как совокупность расположенных в узлах кристаллической решётки положительно заряженных ионов, которые омываются газом относительно свободных электронов или иначе «электронной жидкостью» (рис. 7).
Рис. 7. Модель «электронного газа (жидкости)»
Наличием в объёме металла электронного газа или жидкости объясняются многие свойства металлов. Так, если к металлу приложить разность потенциалов, то под воздействием электрического поля относительно свободные электроны наряду с хаотическим движением приобретут направленное движение в сторону от минуса к плюсу. Другими словами в металле возникнет электрический ток. Поскольку в металлах свободных носителей заряда, т.е. электронов, достаточно много, их электропроводность оказывается очень высокой. Эти же электроны проводимости весьма эффективно могут переносить тепловую энергию от разогретого участка металла к более холодным областям, и этим объясняется высокая теплопроводность металлов. Кроме того, электронная жидкость хорошо отражает фотоны, т.е. частицы света, и тем самым обеспечивает металлам характерный блеск.
При пластическом деформировании металлов наблюдается сдвиг атомных слоёв относительно друг друга и металлическая связь способствует этому процессу. В данном случае электронная жидкость играет роль своеобразного клея, соединяющего атомные слои, и одновременно роль своеобразной смазки, облегчающей процесс скольжения этих слоёв. В результате металлы оказываются достаточно пластичными материалами.
Металлическая связь, в отличие от ковалентной связи, не является строго направленной в пространстве и допускает произвольное число взаимодействующих частиц. В результате атомы металлов, стремясь к более выгодной и устойчивой конфигурации, обладающей меньшей свободной энергией, располагаются в пространстве наиболее компактным образом. Этим, в частности, объясняется относительно высокая плотность большинства металлов. Плотным атомным упаковкам металлов соответствуют следующие типы кристаллических структур:
1. Объёмоцентрированная кубическая структура или ОЦК-структура. Такую структуру описывает ОЦК-решётка, элементарная ячейка которой выглядит следующим образом:
Рис. 8. Элементарная ячейка ОЦК-структуры.
В узлах этой кристаллической решётки располагаются атомы, а точнее ионы, соответствующего металла. Координационное число в данном случае равно 8 (на ближайшем равном расстоянии от любого атома находится 8 аналогичных атомов). Коэффициент компактности равен 0,68. Это означает, что 68% объёма металла занято атомами, а остальную его часть составляют пустоты. Это достаточно плотное расположение атомов. Базис образуют два атома соответствующего металла (один атом, расположенный в центре ОЦК-ячейки, полностью ей принадлежит, и ещё один атом (8 по ⅛) дают узлы, расположенные в вершинах ячейки). ОЦК-структура наблюдается у таких металлов как Cr, Mo, W, V и др.
2. Гранецентрированная кубическая структура или ГЦК-структура. Эту структуру описывает ГЦК-решётка, элементарная ячейка которой выглядит следующим образом:
Рис. 9. Элементарная ячейка ГЦК-структуры.
В узлах решётки также располагаются атомы соответствующих металлов. Координационное число здесь равно 12, а коэффициент компактности имеет значение 0,74. Базис образуют четыре атома металла (каждый атом, расположенный в центре грани принадлежит ячейке только наполовину, а поскольку таких атомов 6, то получается ровно 3; плюс один атом дают вершины ячейки). ГЦК-структура характерна для Al, Cu, Ni, Ag, Au и Pt.
3. Гексагональная плотноупакованная структура или ГПУ-структура. Эту структуру описывает соответствующая ГПУ-решётка. Хотя ГПУ-решётку можно построить и с помощью меньшей по объёму ячейки, в данном случае в качестве элементарной ячейки лучше подойдёт шестигранная призма, которая нагляднее отражает гексагональную симметрию структуры (рис. 10).
Рис. 10. Элементарная ячейка ГПУ-структуры.
Координационное число для такой структуры равно 12 (если за начало отсчёта принять атом, расположенный в центре грани, то на равном ближайшем расстоянии от него находится 6 атомов, плюс по 3 атома сверху и снизу). Коэффициент компактности, как и у ГЦК-структуры, имеет значение 0,74. Это наивысшая степень упаковки атомов. Базис образуют 6 атомов соответствующего металла (3 атома внутри призмы полностью ей принадлежат; атомы в центре верхней и нижней грани принадлежат ячейке только наполовину, а каждый из 12 атомов в вершинах призмы принадлежит рассматриваемой ячейке лишь на 1/6 часть, поскольку находится на пересечении 6 аналогичных ячеек). ГПУ-структура наблюдается у таких металлов как Mg, Zn, Be и др.
Иногда у металлов наблюдается тетрагональная или простая гексагональная структура, но гораздо реже, чем три вышеназванные структуры.
Типы кристаллических решеток, особенности строения реальных металлических материалов
Читайте также: