АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
Все металлы и многие неметаллические материалы имеют кристаллическое строение, т.е. закономерное расположение атомов в пространстве внутри каждого кристалла. Атомы располагаются на таком расстоянии, когда силы связи, действующие на атом, равны между собой.
Силы (энергия) связи между атомами.
Силы, действующие на атом, складываются из сил притяжения междуэлектронами и ионами и сил отталкивания между одинаково заряженнымиионами. При расстоянии, равном r0 силы отталкивания и силы притяжения равны, т.е. атом находится в положении равновесия и удерживается в этом положении.
Вид (геометрия) атомно-кристаллического строения определяется ми-нимальным значением энергии связи, которая зависит от типа связей в кристаллах.
Типы метатомных связей в кристаллах.
Молекулярная связь – отдельные молекулы, связанные между собойсилами Ван-дер-Ваальса. Связь неимеет направленного характера. Молекулярную связь имеют органические вещества, например, полимеры.
Ковалентная связь – жестко связывает каждый атом с другим за счет обменного взаимодействия двух обобщественных электронов с противоположными спинами. Между электронами возникает обменное взаимодействие. Связь направленная. Эта связь типична для элементов IVA-VIIA подгрупп периодическойсистемы.
Ионная связь – результат электростатического взаимодействия между разноименнозаряженными ионами. Каждый ион имеет четыре ближайших соседа противоположного знака, что обеспечивает электростатическое взаимодействие.
Металлическая связь – действует только в металлах и сплавах на их основе. Она не направленная и определяет особенности физико-механических свойств металлов.
Металлическая связь – взаимодействие закономерно расположенных положительно заряженных ионов, окруженных свободными электронами (электронный газ). Металлический тип связи обуславливает присущие только металлам металлические свойства и кристаллическое строение.
Металлические свойства:
1. Термоэлектронная эмиссия
2. Высокая тепло- и электропроводность
3. Металлический блеск, отражательная способность
4. Повышенная способность пластического деформирования
5. Положительный температурный коэффициент электросопротивления
Кристаллы (кристаллическая решетка)
1. Наличие дальнего порядка врасположении атомов
2. Атомы располагаются на расстоянии, когда энергии отталкивания и притяжения равны
3. Строение кристаллической решетки описывается элементарной ячейкой. Элементарная ячейка – это наименьший объем кристалла, многократное повторениекоторого по осям х, у, z дает представление о строении всего кристалла. Характеристики ячейки – ребра a, b, c и углы между ними α, β, γ; отрезки a, b, c называются периодами решетки.
ИДЕАЛЬНОЕ СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ.
Идеальный кристалл имеет однородное, закономерное и симметричное расположение атомов в пространстве. Геометрия расположения атомов определяет тип кристаллической решетки.
ХАРАКТЕРИСТИКИ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК.
1. Координационное число К или Z – количество ближайших равноудаленных атомов относительно «базисного атома».
2. Плотность упаковки n – число целых атомов, приходящихся на однуэлементарную ячейку, когда каждая ячейка в пространстве окружена ей подобными.
Пример: Атом в вершине куба принадлежит одновременно 8 ячейкам, т.е. на одну ячейку приходится 1/8 атома. Атомов 8 × 1/8 = 1 – на 1 ячейку.
3. Коэффициент компактности решетки η - отношение объема всех атомов решетки к ее геометрическому объему. Свободные пространства в ячейке называются порами. Они классифицируются по геометрической форме:
а)Тетраэдрическая пора - пустота в плотной упаковке атомов, окруженная четырьмя равновеликими шарами (атомами). Размер тетраэдрической поры определяется как радиус вписанной в нее сферы.
б) Октаэдрическая пора - пустота в плотной упаковке атомов, окруженная шестью равновеликими шарами (атомами). Размер октаэдрической поры определяется как радиус вписанной в нее сферы.
η = Vатома/Vячейки
Vячейки = Vатома + Vпоры
Наиболее часто встречающиеся типы решеток
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:
1. примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;
2. базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;
3. объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;
4. гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней
Объемно-центрированная кубическая решетка (Mo, W, V, Feα)
Гранецентрированная кубическая решетка (Ag, Au)
Гексагональная плотноупакованная решетка
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 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.
Дефекты кристаллической решетки (реальное строение кристаллов)
В реальных кристаллах всегда имеются отклонения от идеального порядка в расположении атомов, называемые несовершенствами или дефектами решетки. По геометрии вызываемых ими нарушений решетки дефекты подразделяют на точечные, линейные и поверхностные.
Точечные дефекты
Это вакансии – пустые узлы решетки, «свои» атомы в междоузлии и атомы примесей в узлах решетки и междоузлиях. Основная причина образования первых двух видов дефектов – движение атомов, интенсивность которого возрастает с повышением температуры.
Типы точечных дефектов кристаллической решетки: 1 – вакансия, 2 – атом в междоузлии
Линейные дефекты
Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации – линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла. Важнейшими видами линейных дефектов – краевые и винтовые дислокации.
Образование краевой дислокации в результате частичного сдвига верхней части кристалла под действием усилия.
Видно, что под влиянием сдвигающего усилия произошел частичный сдвиг верхней части кристалла вдоль некоторой плоскости скольжения («легкого сдвига»). В результате образовалась экстраплоскость. Поскольку она не имеет продолжения вниз, вокруг ее края возникает упругое искажение решетки радиусом в несколько межатомных расстояний (т.е приблизительно 10 в -7 степени см), протяженность же этого искажения во много раз больше (может доходить до 0,1…1 см). Такое несовершенство кристалла вокруг края экстраплоскости является линейным дефектом решетки и называется краевой дислокацией.
Остановимся на двух особенностях механизма перемещения дислокаций.
1. Дислокации могут весьма легко (при малой нагрузке Р) передвигаться вдоль плоскости скольжения посредством «эстафетного» перемещения экстраплоскости. На рис. показан начальный этап такого движения (двумерный рисунок в плоскости, перпендикулярной линии краевой дислокации).
Начальный этап эстафетного перемещения краевой дислокации
.А-А – плоскость скольжения, 1-1 экстраплоскость (исходная позиция) Под действием усилия Р атомы экстраплоскости (1–1) отрывают от плоскости (2–3) атомы (2–2), расположенные выше плоскости скольжения. В результате эти атомы образуют новую экстраплоскость (2'-2'); атомы «старой» экстраплоскости (1–1) занимают освободившиеся места, достраивая плоскость (1'-1'-3). Этот акт означает исчезновение «старой» дислокации, связанной с экстраплоскостью (1–1), и возникновение «новой», связанной с экстраплоскостью (2'-2'), или, другими словами, передачу «эстафетной палочки» - дислокации на одно межплоскостное расстояние. Такое эстафетное перемещение дислокации будет продолжаться до тех пор, пока она не дойдет до края кристалла, что будет означать сдвиг его верхней части на одно межплоскостное расстояние (т.е. пластическую деформацию).Этот механизм не требует больших усилий, т.к. состоит из последовательных микросмещений, затрагивающих лишь ограниченное число атомов, окружающих экстраплоскость.
2. Очевидно, однако, что такая легкость скольжения дислокаций будет наблюдаться лишь в том случае, когда на их пути отсутствуют какие – либо препятствия. Такими препятствиями являются любые дефекты решетки (особенно линейные и поверхностные!), а также частицы других фаз, если они присутствуют в материале. Эти препятствия создают искажения решетки, преодоление которых требует дополнительных внешних усилий, поэтому могут заблокировать движение дислокаций, т.е. сделать их неподвижными.
Поверхностные дефекты
Все промышленные металлы (сплавы) являются поликристаллическими материалами, т.е. состоят из огромного количества мелких (обычно 10 в -2…10 в -3 степени см), хаотически ориентированных кристалликов, называемых зернами. Очевидно, что периодичность решетки, присущая каждому зерну (монокристаллу), в таком материале нарушена, поскольку кристаллографические плоскости зерен повернуты относительно друг друга на угол, величина которого колеблется от долей до нескольких десятков градусов.
Схема строения границ зерен в поликристаллическом материале
Граница между зернами представляет собой переходный слой шириной до 10 межатомных расстояний, обычно с неупорядоченным расположением атомов. Это место скопления дислокаций, вакансий, примесных атомов. Поэтому в объеме поликристаллического материала границы зерен являются двумерными, поверхностными дефектами.
Объемные (трехмерные).
Под ними понимают нарушения, которые в трех измерениях имеют неограниченные размеры. К таким нарушениям относят трещины, поры, усадочные раковины.
Влияние дефектов решетки на механические свойства кристаллов. Пути повышения прочности металлов
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 в 6…10 в 8степени дислокаций в сечении) 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 способы упрочнения основаны на торможении, блокировании подвижных дислокаций путем резкого увеличения числа дефектов решетки (в первую очередь линейных и поверхностных!), а также создании многофазных материалов.Такими традиционными методами повышения прочности металлов являются:
– пластическое деформирование (явление наклепа или нагартовки)
– термическая (и химико-термическая) обработка
– легирование (введение специальных примесей).
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.
