Кристаллическое строение металлов

Лекция

План:

1. Характеристика кристаллических решеток

2. Деформация монокристаллов

3. Закон сдвигающих напряжений

Характер пластической деформации металлов тесно связан с их кристаллическим строением. За исключением редких случаев, металлы состоят из множества зерен кристаллического строения. От кристаллов, имеющих правильную геометрическую форму (например, кубичес­кую), зерна отличаются лишь отсутствием прямых ребер и плоских граней, поэтому их часто называют кристал­литами. Все остальные свойства кристаллов и кристалли­тов идентичны.

Рис. Пространственная кристаллическая решетка

Для кристаллических тел характерно правильное расположение атомов. Атомы располагаются в определенном порядке, по прямым линиям и, плоскостям. Если мысленно провести через ряды атомов линии, получим пространственную кристаллическую решетку. В такой решетке можно выделить элементарный объем, который фактически повторяется во всем объеме кристалла. Такой объем принято называется элементарной решеткой кристаллического вещества. Элементарные кристаллические решетки могут иметь различную форму, но для металлов характерны только три из них: гранецентрированный куб, объемноцентрированный куб и гексагональная решетка.

	a-Fe, Cr, W, Mo

Элементарные кристаллические решетки металлов: а – гранецентрированный куб, б – объемноцентрированный куб, в – гексагональная решетка

В гранецентрированном кубе атомы располагаются в каждой вершине куба, кроме того, посредине каждой грани также расположено по атому. Решетку в форме гранецентрированного куба имеют гамма-железо, медь, никель, свинец, алюми­ний, бэта-кобальт, золото, серебро. Все они отличаются высокой пластичностью. Объемноцентрированный куб имеет в каждой вершине по атому и один атом в центре объема куб.а. Решетка такого типа характерна для менее пластичных — металлов — альфа-железо, хром, вольфрам, молибден, тантал, альфа-кобальт. Гексагональная решетка имеет вид шестигранной призмы, в каждой вершине ко­торой расположено по атому, кроме того, по одному ато­му расположено в центре шестиугольных граней и три атома внутри объема призмы. Гексагональную ре­шетку имеют металлы: цинк, магний, кадмий, бериллий, титан, кобальт.

Характерной особенностью кристаллических веществ является анизотропия — различие свойств в разных нап­равлениях. Так как свойства твердых веществ зависят от расстояний между атомами, а расстояния эти в кристал­лах по разным направлениям различны, то и свойства кристаллов, измеренные в разных направлениях, различ­ны.

Через какой-либо атом пространственной решетки можно провести бесчисленное количество плоскостей, как угодно ориентированных в пространстве. В зависимости от направления плоскости на нее попадает большее или меньшее количество атомов. Можно выбрать плоскости, на которые попадает наибольшее количество атомов. По таким плоскостям легче всего осуществляется сдвиг од­ной части кристалла относительно другой, поэтому они называются плоскостями сдвига, или плоскостями транс­ляций. Направления сдвига совпадают с линиями на плоскости сдвига, по которым расстояния между атома­ми кристаллической решетки минимальны.

Наличие плоскостей и направлений сдвига представ­ляет, большой интерес, так как пластическая деформация кристаллических тел происходит в основном за счет сдви­гов. В кристаллах обычно имеется несколько систем равноценных плоскостей сдвига. Количество их зависит от типа элементарной ячейки. В гранецентрированном кубе можно провести 4 равноцен­ные плоскости сдвига, в объемноцентрированном 6ив гексагональной решетке 1.

Ввиду малости размеров зерен металла изучать процесс их деформации непосредственно неудобно, поэтому основные закономерности деформации зерен изучают на монокристаллах, которые можно искусственно выращи­вать до больших размеров путем осаждения частиц ве­щества из растворов, паров или из расплава. При таких исследованиях имеется в виду, что свойства зерен и свой­ства отдельных кристаллов одинаковы.

Деформация мо­нокристаллов осуществляется в основном путем сколь­жения и двойникования. При скольжении отдельные час­ти кристаллов сдвигаются одна относительно другой по взаимно параллельным плоскостям. Сдвиги как бы разделяют монокристалл на ряд отдельных кристал­ликов. Скольжение начинается тогда, когда сдвигающие напряжения в плоскостях сдвига достигнут определенной величины, характерной для данного металла, при данной скорости и температуре деформации, не, зависящей от схемы приложения сил. На этом положении, известном как закон сдвигающих напряжений, основано большинство методов расчета усилий при пластической деформации. По мере развития деформации необходимое для дефор­мации усилие увеличивается, угол Ө между нормалью к плоскости сдвига и направлением деформирующей силы возрастает при растяжении и уменьшается при сжатии, а угол φ между направлением сдвига и направлением деформирующей силы увеличивается при сжатии и уменьшается при растяжении. Таким образом, кристалл приобретает предпочтительную ориентировку по от­ношению к направле­нию деформирующей силы.

К основным видам дислокаций относятся краевая и винтовая, которые мож­но представить как результат неполного сдвига одной части кристалла относительно другой. На рис. а показан правильный кристалл с кубическими элементарными ячейками.

Рис. Схема кристаллической решетки:

а – без дислокаций, б – с краевой дислокацией, в – с винтовой дислокацией, г – при сочетании краевой и винтовой дислокации

Рис. Схема деформации кристалла двойникованием

При двойниковании происходит смещение узлов ре­шетки одной части кристалла в положение симметричное другой его части относительно плоскости двойникования. Деформированная часть кристалла образует двойник, как бы зеркальное отображение недеформированной его части. Кристаллическая решетка переходит в но­вое положение почти мгновенно. Двойникование проис­ходит тогда, когда сдвигающие напряжения в плоскости двойникования достигнут определенной величины, зависящей от природы металла, размеров кристалла, темпера­туры и скорости деформации. Двойникование сопутствует основному механизму — скольжению. Развитию двойнико­вания способствуют понижение температуры и повыше­ние скорости деформации.

Закономерности деформации монокристаллов позво­ляют объяснить многие явления, наблюдаемые при де­формации реальных металлов, такие как образование анизотропии, упрочнение, измельчение зерна и др.

Дата добавления: 2014-01-07