Строение и свойства материалов

Лекция  №1

 

Строение  и  свойства  материалов.

 

 

 

 

Металлы  и неметаллы. Особенности атомно-кристаллического строения 

 

Все  твёрдые  тела  делятся  на  а м о  р ф н ы е   и    к р и с т а л л и  ч е с к и е.

   В  аморфных  телах   атомы расположены хаотично,  т. е.  в  беспорядке,  без  всякой  системы  Примерами  аморфных  тел  могут  служить   стекло,  клей,  воск,  канифоль,… .

    В  кристаллических  телах  атомы расположены в строго  определённой  последовательности.  К телам с кристаллическим строением относят поваренную  соль,  кварц,  сахарный  песок,  металлы  и  сплавы.

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.

Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.

Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно  отличающих их от других материалов и  делающих во многих случаях незаменимыми.

Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определённым набором свойств:

• «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);
• пластичность;
• высокая теплопроводность;
• высокая электропроводность.

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объёму металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного  газа».

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.

Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Элементарная  ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.

Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

·  размеры рёбер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решётки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определёнными.

·  углы между осями ( ).

·  координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.

·  базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

·  плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74)

Рис.1.1. Схема  кристаллической решетки 

 

Классификация возможных видов кристаллических  решеток была проведена французским  ученым О. Браве, соответственно они  получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа;

·  примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;

·  базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;

·  объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;

·  гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней

Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток: а  – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная  

 

Основными типами кристаллических решёток являются:

1. Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1.2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, )
2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1.2б), атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au, )
3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:
• простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
• плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).

 

 

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.

 

Дефекты  кристаллического  строения.

Из жидкого  расплава можно вырастить монокристалл. Их обычно используют в лабораториях для изучения свойств того или иного вещества.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят  из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается

В кристаллической  решетке реальных металлов имеются  различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между  атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают следующие структурные несовершенства:

• точечные – малые во всех трех измерениях;
• линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;
• поверхностные – малые в одном измерении.

 

 

Точеные дефекты 

 

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей. (рис. 2.1.)

Рис.2.1. Точечные дефекты 

 

Вакансия –  отсутствие атомов в узлах кристаллической  решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин. Образуется при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, пустоты, трещины и т. д. ), в результате пластической деформации, при бомбардировке тела атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронной облучение в ядерном реакторе). Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться. И объединяться в дивакансии. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.

Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в  междоузлие. Концентрация дислоцированных  атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования  требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия.

Примесные атомы  всегда присутствуют в металле, так  как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.

Точечные дефекты  вызывают незначительные искажения  решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать. 

 

Линейные дефекты: 

 

Основными линейными  дефектами являются дислокации. Априорное  представление о дислокациях впервые использовано в 1934 году Орованом и Тейлером при исследовании пластической деформации кристаллических материалов, для объяснения большой разницы между практической и теоретической прочностью металла.