Введение. Точечные дефектымалы во всех трех измерениях Их величина не превышает атомного диаметра

Точечные дефектымалы во всех трех измерениях Их величина не превышает атомного диаметра. К точечным дефектам относят вакансии, замещенные атомы и внедренные атомы. Вакансии - это пустые, не занятые атомами узлы кристаллической решетки. Замещенные атомы – это инородные атомы, находящиеся в узлах решетки вместо основного атома. Внедренные атомы –это атомы, находящиеся в междоузлии кристаллической решетки. Это могут быть чужеродные атомы или атомы основного металла. Точечные дефекты вызывают вокруг себя искажения кристаллической решетки (упругие поля напряжений), которые достаточно быстро затухают по мере удаления от дефекта. Точечные дефекты появляется вследствие теплового колебания атомов. Некоторые атомы, обладающие повышенной энергией, при этих колебаниях перемещаются из одного места в другое, создавая вакансии и внедренные атомы. Точечные дефекты не являются неподвижными, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке. При нагреве амплитуда колебаний атомов возрастает, а, следовательно, растет концентрация точечных дефектов. Наибольшей концентрации они достигают вблизи температуры плавления. Вакансии играют основополагающую роль в диффузионных процессах, которые, как известно, ускоряются при нагреве.

Кристаллическими называют твердые вещества, в которых атомы расположены в пространстве в строго определенном порядке. Все металлы являются кристаллическими веществами. Для описания такой структуры используют понятие кристаллическая решетка. Кристаллическая решетка - это воображаемая трехмерная решетка, в узлах которой расположены атомы. Воображаемая плоскость, проведенная через центры атомов, называется кристаллической плоскостью.

Кристаллическое строение металлов

Введение.

Лекция №1. Строение и свойства металлов.

Материаловедение – наука, которая рассматривает связь между химическим составом, внутренним строением и свойствами материалов, а также изучает закономерности их изменения при внешних физико-химических воздействиях.

Все материалы делят на две большие группы – металлические и неметаллические. К металлам относят металлы и их сплавы. 4/5 всех известных химических элементов таблицы Д.И.Менделеева составляют металлы.

В свою очередь металлические материалы делят на черные и цветные. К черным металлам относят железо и сплавы на его основе – стали и чугуны. Все остальные металлы относят к цветным металлам. Цветные металлы также разделяют на тяжелые, легкие, благородные, редкие (РЗМ), радиоактивные. Чистые металлы обладают низкими механическими свойствами, поэтому в промышленности в качестве конструкционных материалов используют сплавы. Чистые металлы находят применение в узких областях, когда необходимо использовать их специальные свойства, например, электрические.

Наибольшее применение в промышленности получили черные металлы. На основе железа изготавливают около 90% всей металлопродукции. Однако, цветные металлы обладают рядом ценных физико-химических свойств, что делает их сплавы незаменимыми в промышленности. Наибольшее значение имеют сплавы на основе меди, алюминия, магния, титана.

В настоящее время бурно развивается производство неметаллических материалов – пластмасс, резины, керамики. Использование их в промышленности в качестве конструкционных материалов в настоящее время невелико. Предсказание того, что они существенно потеснят металлические материалы, пока что не оправдалось.

Металлы – это вещества, обладающие характерным металлическим блеском, высокой электропроводностью, теплопроводностью, высокой пластичностью.

Твердые вещества в зависимости от взаимного расположения атомов делят на аморфные и кристаллические. Аморфными называют твердые вещества, атомы которых располагаются в пространстве хаотично, обладающих, так называемым ближним порядком. К таким веществам относят стекло, смолу клей, а так же новый класс материалов – металлические стекла.

Кристаллическое строение металлов имеетсвои особенности.В металлах на внешней электронной оболочке находятся один или два электрона, слабо связанных с ядром. Они могут покидать свою оболочку и в тоже мгновение находить освободившееся место. Эти постоянно блуждающие электроны назвали электронным газом. В узлах кристаллической решетки остаются положительно заряженные ионы. Положительно заряженные ионы должны находиться друг от друга на таком расстоянии, чтобы оторвавшиеся электроны успевали попадать на внешнюю оболочку, и атом оставался нейтральным. Между положительными ионами и отрицательным электронным газом возникают силы притяжения, которые стягивают ионы. Такую связь называют металлической.

Полиморфизм металлов. Полиморфизмом называют способность некоторых металлов менять свою кристаллическую решетку при изменении температуры (или давления).

Анизотропия металлов – зависимость механических (а также электрических, магнитных, оптических и др.) свойств от направления, в котором их измеряют. Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов – монокристаллов. Анизотропия связана с различной насыщенностью атомами плоскостей решетки и неодинаковыми межатомными расстояниями. Например, прочность монокристалла меди измеренная в одних направлениях составляет 140 МПа (МПа – мегапаскаль, 1Па=1Н/кв.м), а в других – 330 МПа, т.е. разница свойств весьма существенна.

Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов – монокристаллов. Металлы и металлические сплавы, применяемые в технике, обычно имеют поликристаллическое строение. Они состоят из большого количества кристаллов неправильной формы, имеющих различную ориентацию. Эти неправильные разориентированные кристаллы называются кристаллитами или зернами. В каждомотдельном зерне должна наблюдаться анизотропия, но вследствие различной ориентации решеток в каждом зерне поликристалл имеет одинаковые усредненные свойства, не зависящие от направления их измерения. Эту особенность поликристаллического тела называют псевдо изотропией (т.е. ложной изотропией) или квазиизотропией (как будто изотропия). Квазиизотропия металлов характерна для его литого или равновесного состояния. В результате холодной обработки давлением (прокатки, ковки) зерна приобретают приблизительно одинаковую ориентацию кристаллической решетки. При этом металл становится анизотропным Свойства такого металла вдоль и поперек направления деформации различаются иногда значительно.

Аморфные материалы, в отличие от кристаллических являются изотропными, т.к. имеют одинаковую плотность атомов в различных направлениях.

Дефекты кристаллического строения. Реальный металлический кристаллимеет большое количество дефектов, которые нарушают порядок в кристаллической решетке и оказывают большое влияние на свойства металла. По геометрическим признакам их подразделяют на точечные, линейные и поверхностные дефекты.

Линейные дефекты - дислокации(от латинского смещение) имеют малые размеры в двух направлениях и большую протяженность в третьем направлении. Дислокации - это дефекты кристаллической решетки, представляющие собой линии, вдоль которых нарушено правильное чередование атомных плоскостей. Дислокации определяют так называемые структурно-чувствительные свойства металлов (прежде всего прочность и пластичность). Различают краевую дислокацию и винтовую дислокацию, возможны смешанные дислокации. Краевая дислокация представляет собой искажение кристаллической решетки, вызванное наличием «лишней» кристаллической полуплоскости (экстраплоскости). Край этой экстраплоскости, перпендикулярный направлению сдвига, является краевой дислокацией. Линия дислокации перпендикулярна плоскости рисунка. (Рассмотрели на лекции) Длина дислокации достигает многих тысяч атомных диаметров, а ширина ее составляет несколько атомных диаметров. Краевая дислокация может загибаться, превращаясь в винтовую. Единицей измерения дислокаций является их плотность. Плотность дислокаций – это суммарная длина дислокаций, приходящаяся на единицу объема. Плотность дислокаций обозначают греческой буквой ρ. Размерность см в кубе

Дислокации образуются уже в процессе кристаллизации. Минимальная плотность дислокаций в равновесном состоянии.Так как атомы в зоне дислокаций смещены относительно их равновесного положения, кристаллическая решетка в этой зоне упруго искажена. Атомы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное состояние. Поэтому дислокации обладают легкой подвижностью. Пластическая деформация металлов обусловлена движением дислокаций. При пластической деформации дислокации интенсивно «размножаются», обусловливая дальнейшую деформацию, которая сопровождается деформационным упрочнением (наклепом). Плотность дислокаций также возрастает при определенных видах термической обработки.

Поверхностные дефекты – малы только в одном измерении. Чаще всего это граница двух различно ориентированных участков кристаллической решетки (границы зерен). На этих границах нарушается правильно расположение атомов. Кроме того, на границах скапливаются точечные и линейные дефекты, концентрируются примеси. Это переходная зона шириной в несколько атомных расстояний.

Кроме перечисленных микродефектов в металле имеются макроскопические объемные дефекты. К ним следует отнести поры, трещины, газовые пузыри, неметаллические включения.

Материаловедение – наука, которая рассматривает связь между химическим составом, внутренним строением и свойствами материалов, а также изучает закономерности их изменения при внешних физико-химических воздействиях.

Все материалы делят на две большие группы – металлические и неметаллические. К металлам относят металлы и их сплавы. 4/5 всех известных химических элементов таблицы Д.И.Менделеева составляют металлы.

В свою очередь металлические материалы делят на черные и цветные. К черным металлам относят железо и сплавы на его основе – стали и чугуны. Все остальные металлы относят к цветным металлам. Цветные металлы также разделяют на тяжелые, легкие, благородные, редкие (РЗМ), радиоактивные. Чистые металлы обладают низкими механическими свойствами, поэтому в промышленности в качестве конструкционных материалов используют сплавы. Чистые металлы находят применение в узких областях, когда необходимо использовать их специальные свойства, например, электрические.

Наибольшее применение в промышленности получили черные металлы. На основе железа изготавливают около 90% всей металлопродукции. Однако, цветные металлы обладают рядом ценных физико-химических свойств, что делает их сплавы незаменимыми в промышленности. Наибольшее значение имеют сплавы на основе меди, алюминия, магния, титана.

В настоящее время бурно развивается производство неметаллических материалов – пластмасс, резины, керамики. Использование их в промышленности в качестве конструкционных материалов в настоящее время невелико. Предсказание того, что они существенно потеснят металлические материалы, пока что не оправдалось.

Дата добавления: 2014-01-13