Лекція № 2: Кристалічна будова металів

План

1. Типи кристалічних решіток.

2. Параметри кристалічних решіток

3. Анізотропія.

4. Дефекти кристалічної будови

Кристали — тверді тіла з дискретним та упорядкованим розташу­ванням атомів, які утворюють просторову кристалічну ґратку. Експе­риментально доведено, що в кристалічних твердих тілах атоми знаходяться у вузлах кристалічної ґратки.

Характеристики кубічної та гексагональної систем

Більшість кристалічних ґраток металів належать до кубічної та гексагональної систем. Кубічна система, у свою чергу, може бути простою чи складною. Остання утворюється тоді, коли іони розмі­щуються не лише у вершинах куба, а й у його центрі - об'ємо-центрична кубічна (ОЦК) — або в центрах його граней - гранецентрична кубічна (ГЦК).

ОЦК-гратку мають важкотопкі (ванадій, ніобій, тантал, хром, молібден, вольфрам), лужні (літій, натрій, калій, рубідій, цезій) та інші метали, а також -залізо, -титан, -цирконій.

ГЦК-ґратка притаманна міді, сріблу, золоту, алюмінію, свинцю, платині тощо, а також -залізу, -кобальту.

Гексагональна ґратка може бути простою, коли іони розташову­ються у вершинах шестигранної призми та в центрах її базисів, та компактною, якщо до них додаються ще три іони у серединній площині призми. При співвідношенні періодів с/а=1,633 пакування буде ідеальним. Гексагональну компактну (ГК) ґратку мають такі метали, як берилій, магній, цинк, кадмій, гафній тощо, а також -кобальт, -титан, -цирконій.

Ступінь складності будови кристалічної ґратки можна оцінити за допомогою її щільності пакування - кількості іонів, що припадають на елементарну комірку. У простої кубічної ґратки щільність пакування дорівнює 1, оскільки кожен з 8 іонів, розташованих у вершинах куба, належить водночас 8 коміркам, отже, ¹/₈*8=1. В ОЦК-гратці до них додається ще 1 іон, розташований у центрі куба, і щільність пакування збільшується до 2, а в ГЦК — до 4: ¹/₈*8+¹/₂*6=4, бо іони в центрі кож­ної з 6 граней куба належать водночас 2 коміркам. В ідеальній ГК-гратці 12 іонів, розташованих у вершинах призми, належать кожен 6 коміркам; 2 іони в центрах базисів - 2 коміркам, отже, щільність паку­вання становитиме: ¹/_б*12+¹/₂*2+3=6.

Ще однією важливою характеристикою будь-якої кристалічної ґратки є її координаційне число - кількість найближчих рівновіддалених сусідів у кожної частинки. У ГЦК-ґратці найменша відстань між центрами іонів дорівнює: 0,707а. Де а відповідає довжині реб­ра куба, тобто є періодом ґратки. На цій відстані від кожного іона розташовано 12 сусідів Отже, координаційне число для ГЦК-гратку становить 12, тому її позначають ще К12 (кубічна ґратка з координаційним числом 12). Така структура відповідає найщільнішому пакуванню іонів у просторі.

ОЦК-ґратка є менш компактною, ніж попередня. Кожен з її іонів має тільки 8_сусідів та ще й на більшій відстані, яка дорівнює 0,866а. Отже, її координаційне число становить 8, а ґратку позначають ще К8.

В ідеальній ГК-ґратці кожен іон має 12 найближчих сусідів, розташованих на відстані а, тобто її координаційне число становить 12, а ґратку позначають як Г12.

Анізотропія кристалів

Анізотропія - різниця властивостей кристалічних тіл у різних напрямках. Вона зумовлена різними відстанями і, отже, різними значен­нями сил зв'язку між іонами в різних напрямках у кристалі.

Чим більше елементів симетрії має кристалічна ґратка, тим меншою буде її анізотропність. Анізотропія зменшується також при переході від спрямованого ковалентного до не спрямованого метале­вого зв'язку. Аморфні матеріали зазвичай ізотропні, а полікристалічні тіла, що складаються з великої кількості дезорієнтованих кристалів, квазіізотропні, тобто мають однакові властивості у різних напрямках.

Анізотропія металів має велике практичне значення. Наприклад, у кристалі чистої міді, що має ГЦК-гратку, границя міцності при розтягненні у напрямку [100] становить 146 МПа, тоді як у напрямку [110] ця характеристика сягає 350 МПа.

У деяких випадках бажано мати анізотропні полікристалічні тіла, коли ґратки більшості кристалів мають певну орієнтацію в просторі-так звану текстуру. Останню можна одержати при значній пластичній деформації, кристалізації, електролізі тощо.

Дефекти кристалічної будови

Кристалічна будова реальних металів і сплавів не є ідеальною, тобто періодичність розташування атомів (іонів) у кристалічній ґратці порушується численними дефектами - недосконалостями її будови. До них належать точкові, лінійні та поверхневі мікродефекти. Існують також об'ємні макродефекти.

Точкові дефекти

Ці дефекти мають невеликі розміри в усіх трьох вимірах - не більше кількох діаметрів атомів. До точкових дефектів належать вакансії, міжвузлові та домішкові атоми та їхні комплекси.

Вакансія - це не зайняте атомом місце у вузлі кристалічної ґратки. За моделлю Я. Френкеля, виникнення вакансій може відбу­ватися внаслідок флуктуаційних процесів переходу атомів кристала з вузла ґратки у міжвузлове положення, при цьому виникає парний дефект Френкеля, що складається з вакансії та міжвузлового атома. За моделлю Шотткі, вакансії можуть утворюватися при переході атома з вузла ґратки на поверхню кристала чи шляхом його повного випаровування з поверхні. У вільний вузол ґратки може переміщуватися інший атом, залишаючи нове вакантне місце, тобто відбуватиметься міграція вакансій. Цей процес відіграє важливу роль при дифузії та самодифузії, при повзучості металу тощо.

Навколо незайнятого вузла, міжвузлового чи домішкового атома кристалічна ґратка викривляється, тому точковий дефект розглядають як центр стиснення чи розширення в пружному середовищі.

Дислокації

Лінійні мікродефекти мають малі розміри у двох вимірах і велику протяжність у третьому. Такі недосконалості кристалічної будови нази­вають дислокаціями. Це особливий вид розташування атомів, коли порушено його періодичність. Розрізняють крайові (лінійні) та гвинтові дислокації.

Уявлення про крайову дислокацію пов'язане із зайвою атомною
площиною - екстраплощиною, яка не має продовження всередині
кристала. Така дислокація може виникнути, наприклад, у процесі кристалізації при зрощуванні кристалів з різною орієнтацією просторових ґраток, при пластичному деформуванні.

Якщо верхню частину кристала зсунути щодо нижньої на одну міжатомну відстань і зафіксувати положення, коли зсув охопив не всю площину ковзання, а лише її частину, то межа АВ між ділянкою, де ковзання вже відбулося, та іншою частиною цієї площини, де його ще не було, і буде крайовою дислокацією.

Порушення порядку розташування атомів може утворити інший вид лінійного дефекту - гвинтову дислокацію. Якщо надрізати кристал до середини по площині АВСD і зсунути його праву частину вниз на один період ґратки, то на верхній грані кристала утвориться сходинка, що закінчується в точці В. При цьому зміщення правої частини кристала щодо лівої зменшується у напрямку від А до В. Якщо до зсуву кристал складався з паралельних атомних площин, то після зсуву навколо осі ЕF атомні площини розташовуються у вигляді гвинтової сходинки. Вузька область викривленої ґратки навколо лінії ЕF відокремлює ту частину кристала, де зсув у процесі ковзання відбувся, від тієї, де його не було.

Механізм утворення гвинтової дислокації при кристалізації повністю не з'ясовано. Виникнення сходинки, можливо, зумовлене домішками.

Поверхневі дефекти мають малі розміри тільки в одному вимірі. До них відносять межі зерен і структурних елементів, з яких складаються зерна.

Полікристалічні тіла складаються з великої кількості дрібних (10^-1...10^-5см), по різному зорієнтованих щодо своїх сусідів, кристалів, які, в свою чергу, поділяються на фрагменти, що розорієнтовані на декілька градусів. Фрагменти також складаються із субзєрен (блоків мозаїки) розміром приблизно 10^-5...10^{-6 см, чия кристалічна ґратка за} своєю будовою наближається до відносно правильної.

Межею зерен вважають перехідну зону між зернами завширшки до 10 міжатомних відстаней, її називають висококутовою, тоді як кути розорієнтації сусідніх зерен становлять декілька десятків градусів. Межу блоків зерен називають малокутовою, адже кути розорієнту-вання становлять тут декілька кутових мінут або декілька десятків кутових секунд.

Межі зерен і блоків мають підвищену хімічну активність, містять скупчення дислокацій та домішкових атомів, правильність розташу­вання атомів тут порушена. Під впливом напружень, а особливо при підвищенні температури, межі можуть переміщуватися (мігрувати), що призводить до укрупнення зерен. Дифузія по межах зерен потребує меншої енергетичної активації порівняно з об'ємною дифузією.

До поверхневих відносять також дефекти пакування, пов'язані з відхиленням від регулярності в розташуванні шарів атомів.

Поверхневі дефекти значно впливають на властивості кристалічних тіл, особливо на їхню міцність, ударну в'язкість тощо.

Питання для самоконтролю

1. Яку решітку має хром, вольфрам, молібден, -залізо, ванадій.

1.1 Алюміній, нікель, мідь, свінец, - залізо, магній,титан, цинк?

1.2 об’ємноцентрова кубічна

1.3 гранецентрована кубічна

1.4 гексагональна щільно упакована

2. Чому дорівнює координаційне число хрома, ванадія, вольфраму, молібдена, - заліза, алюмінію, нікелю, міді, свинцю, - заліза, магнію, титану, цинка?

2.1 8

2.2 12

2.3 14

3. Що є параметрами кристалічної решітки хрома, ванадія, вольфраму, молібдена, - заліза, алюмінію, нікелю, міді, свинцю, - заліза, магнію, титану, цинка?

3.1 ребро куба

3.2 сторона шестикутника і висота призми

3.3 діагональ куба

4. Що належить до точкових дефектів?

4.1 вакансія

4.2 дислокації

4.3 поверхневі дефекти

5. Що належить до лінійних дефектів?

5.1 вакансія

5.2 дислокації

5.3 поверхневі дефекти

6. Що називається анізотропією?

7. Що називається координаційним числом?

8. Що називається ізотропією?

9. Як розташовані атоми в аморфних тілах?

10. Як розташовані атоми в кристалічних тілах?

Дата добавления: 2015-06-25