Строение металлов

Общие сведения

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

Металлы — наиболее распространенные и используемые материалы в деятельности человека. Их отличают высокая прочность, способность к значительным пластическим деформациям, что позволяет об­рабатывать их давлением (прокатка, ковка и т.п.), хорошие ли­тейные свойства, свариваемость и т. д. Первыми плавильными агрегатами для получения железа из руд были неглубокие земляные ямы (горны), в которые за­гружали железную руду и древесный уголь. При переплавке руды она превращалась в сыродутное железо в виде комков (же­лезных криц), после чего подвергалась ковке. В XIII—XIV вв. нашей эры сыродутные горны заменили круглыми шахтными печами —домницами. В них развивались более высокие темпе­ратуры и происходило насыщение железа углеродом. В результате в нижней части домницы получался жидкий металл — чу­гун. Из него затем получали простые отливки (плиты, шары и т.д.). Примерно в середине XIV в. стали перерабатывать хрупкий чугун в ковкий и прочный металл — сталь, выжигая углерод из жидкого чугуна в так называемых кричных горнах, которые впос­ледствии были заменены более совершенными способами пе­редела чугуна, такими как пудлинговый, бессемеровский, томасовский, мартеновский. Последние три вместе с разработанным в середине XX в. кислородно-конверторным являются основ­ными способами производства стали в настоящее время.

Все вещества в твердом состоянии имеют кристаллическое или аморфное строение. В аморфном веществе атомы или молекулы расположены хаотично, в то время как в кристаллическом веществе — в строго определенном порядке, и каждая элементарная кристаллическая ячейка представляет собой пространственную геометрическую фигуру. Параметр крис­таллической ячейки измеряется в нанометрах (нм). Каждый металл имеет свою кристаллическую структуру и, следовательно, элементарную кристаллическую ячейку. Металлы, в основном, имеют 3 вида кри­сталлических решеток — кубические (объемно- и гранецентрированные) и гексагональные.

Все металлы имеют принадлежащую только им кристаллическую решетку, однако некоторые металлы (железо, олово, титан, цирконий, ко­бальт и др.) способны менять свою решетку в твердом состоя­нии при изменении температуры, т.е. подвергаться вторичной кристаллизации. Существование одного и того же металла в не­скольких кристаллических формах называется аллотропией, или полиморфизмом, а процесс изменения кристаллической решетки носит название аллотропического, или полиморфного превращения.

Все реальные кристаллические тела (металлы) имеют дефекты кристаллической струк­туры, что влияет на их свойства. Дефектами кристалла называют всякое нарушение трансляционной симметрии кристалла — идеальной периодичности кристаллической решётки. Различают несколько разновидностей дефектов по размерности. А именно, бывают нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (плоские) и трёхмерные (объемные) дефекты.

К нульмерным (или точечным) дефектам кристалла относят все дефекты, которые связаны со смещением или заменой небольшой группы атомов (собственные точечные дефекты), а также с примесями. Они возникают при нагреве, легировании, в процессе роста кристалла и в результате радиационного облучения. Могут вноситься также в результате имплантации. Свойства таких дефектов и механизмы их образования наиболее изучены, включая движение, взаимодействие, аннигиляцию, испарение.

Одномерные (линейные) дефекты представляют собой дефекты кристалла, размер которых по одному направлению много больше параметра решетки, а по двум другим — соизмерим с ним. К линейным дефектам относят дислокации и дисклинации. Общее определение: дислокация — граница области незавершенного сдвига в кристалле. Дислокации характеризуются вектором сдвига (вектором Бюргерса) и углом φ между ним и линией дислокации. При φ=0 дислокация называется винтовой; при φ=90° — краевой; при других углах — смешанной и тогда может быть разложена на винтовую и краевую компоненты. Дислокации возникают в процессе роста кристалла; при его пластической деформации и во многих других случаях. Их распределение и поведение при внешних воздействиях определяют важнейшие механические свойства, в частности такие как прочность, пластичность и др. Дисклинация — граница области незавершенного поворота в кристалле. Характеризуется вектором поворота.

Основной дефект-представитель этого класса — поверхность кристалла. Другие случаи — границы зёрен материала, в том числе малоугловые границы (представляют собой ассоциации дислокаций), плоскости двойникования, поверхности раздела фаз и др.

Объёмные дефекты. К ним относятся скопления вакансий, образующие поры и каналы; частицы, оседающие на различных дефектах (декорирующие), например пузырьки газов, пузырьки маточного раствора; скопления примесей в виде секторов (песочных часов) и зон роста. Как правило, это поры или включения примесных фаз. Представляют собой конгломерат из многих дефектов. Происхождение — нарушение режимов роста кристалла, распад пересыщенного твердого раствора, загрязнение образцов. В некоторых случаях (например, при дисперсионном твердении) объемные дефекты специально вводят в материал, для модификации его физических свойств

Диффузия. Под диффузией понимают перемещения атомов в кристаллическом теле на расстояния больше средних межатомных для данного вещества. Процесс перемещения атомов одного рода в чистых металлах или атомов основного компонента в сплавах, не связанный с изменением концентрации в разных объемах тела, называется самодиффузией. Перенос разнородных атомов в спла­вах или в металлах с повышенным содержанием примесей, со­провождающийся изменением концентрации, называется диффу­зией или гетеродиффузией

Дата добавления: 2014-01-20