Типы кристаллической решетки

В теории ОМД рассматриваются процессы деформации металла на основе изучения, с одной стороны, физико-химических закономерностей, протекающих в металле при деформировании и, с другой, - чисто механических явлений, основанных на достижениях теории упругости и пластичности.

Сначала кратко остановимся на физико-химических основах деформации, памятуя о том, что глубокому изучения этого направления посвящен отдельный курс.

Металлы и сплавы представляют собой твердые тела. В отличие от аморфных (жидкостей) твердые тела имеют кристаллическое строение. Если в аморфных телах атомы и молекулы располагаются в хаотическом порядке, то в кристаллических телах, в том числе в металлах, атомы упорядочены. Первичной ячейкой строения металлического тела является кристалл, который представляет собой однородное физическое тело, состоящее из правильно уложенных и одинаково ориентированных элементарных кристалликов, имеющих форму выпуклого многогранника с определенным образом уложенными в нем атомами. Кристалл неправильной формы называется монокристаллом, но в нем, как и в кристалле, все атомы имеют одну ориентацию и упорядочены одинаково. Сросшиеся между собой несколько разноориентированных монокристаллов называются поликристаллом. Несколько сросшихся поликристаллов образуют зерно металла (или кристаллит).

Порядок расположения атомов в первичном элементарном кристалле кристаллического тела характеризует тип кристаллической решетки. Из всего разнообразия типов решетки для обработки давлением наибольший интерес представляют три - гранецентрированная, объемноцентрированная и гексагональная решетки, так как основная масса деформируемых металлов и сплавов имеют такое кристаллическое строение. Так g-железо при высокой температуре, медь, никель, золото, алюминий, серебро имеют гранецентрированную решетку, a-железо (низкотемпературное), ванадий, вольфрам, молибден, хром, тантал имеют объемноцентрированную решетку, и гексагональная решетку образуют магний, цинк, кобальт, a-титан, бериллий, кадмий. На рис. 1 приведены рассмотренные типы кристаллических решеток.

Строение кристаллической решетки определяет одно из фундаментальных свойств металла – его пластичность. Пластичность – это свойство металла изменять свою форму без разрушения. Пластичность металла может быть оценена количественно той степенью деформации, при которой появляются в металле первые трещины. Такая предельно допустимая степень пластической деформации может быть названа запасом пластичности.

Рис. 1. Типы кристаллических решеток основных

металлов.

а) объемноцентрированная,

б) гранецентрированная, в) гексагональная.

Серьезному изучению пластичности разных металлов по учебному плану посвящен отдельный большой курс, который является одним из основных в специализированной подготовке инженера-технолога по обработке металлов давлением.

Пластичность металла существенно зависит от типа кристаллической решетки. Наиболее пластичны металлы с гранецентрированной решеткой, объемноцентрированные металлы менее пластичны, еще меньшую пластичность имеют металлы с гексагональной решеткой. Это определяется количеством кристаллографических плоскостей и их направлений, по которым происходит скольжение металла при пластической деформации металла. Для определения плоскостей в кристаллической решетке принята система индексации. Для кубической решетки плоскость обозначается тремя цифрами, заключенными в круглые скобки. Цифры представляют собой обратные величины координат отрезков, отсекаемых плоскостью по трем осям кубической решетки, причем за единицу измерения принят параметр решетки.

Рис. 2. Плоскости кубической элементарной ячейки и их обозначения.

На рис. 2 показаны плоскость (100) – грань куба, плоскость(110), проходящая через два противоположных ребра, плоскость(111), отсекающая по каждой оси отрезок, равный 1, и плоскость, проходящая через диагональ основания и середину второго ребра, имеющая обозначение (121). В гексагональной решетке (рис 3) плоскость обозначается обратными значениями координат, отсекаемых ею на четырех осях, три из которых а₁, а₂ и а₃ расположены в плоскости основания (базиса), а четвертая а₄ – по высоте призмы.

Рис. 3. Обозначение плоскостей

в гексагональной решетке

Рис. 4. Обозначение направлений

в кубической решетке.

В кристаллической решетке обозначаются не только плоскости, но и направления. Направление задается прямой, исходящей из начала координат, и проходящей через атом, лежащий на этой прямой. Направление обозначается обратными значениями координат этого атома, заключенными в квадратные скобки. Причем, при отрицательных значениях координат над цифрой ставится знак минус. Примеры направлений в кубической решетке показаны на рис. 4.

На рис 1 видно, что в каждой решетке в разных плоскостях и по разным направлениям количество атомов и расстояния между ними различны, поэтому свойства кристаллического тела по разным направлениям не одинаковы. Различие свойств металла по различным направлениям называется анизотропией. Анизотропия является одним из основных свойств отдельного кристалла, которое может быть использовано в изделии, или, наоборот, с которым приходится бороться, если в металлическом изделии ценится однородность свойств по всем направлениям.

Монокристаллы в металлургии используются редко и выращиваются специальными методами в лабораториях. Металл, получаемый в промышленности путем затвердевания (кристаллизации) расплава, состоит из конгломерата зерен или кристаллитов и межзеренного вещества. Направления плоскостей атомных решеток в разных зернах различны и сильно зависят от условий кристаллизации. При последующей пластической деформации направления кристаллографических плоскостей в зернах изменяются весьма существенно.

Используемые в металлургии объемы металла всегда имеют поликристаллическое строение и могут не проявлять анизотропии, хотя внутри каждого монокристалла свойства его анизотропны. Пластическая деформация металла определяется свойствами отдельного зерна, то есть расположением кристаллографических плоскостей и расположением атомов на них, а также расположением зерен в поликристалле, величиной зерен, наличием других фаз внутри зерна, и, конечно, строением и свойствами межзеренного вещества. Как видно, на характер пластической деформации реального металла оказывают влияние много факторов.

Лекция 2

Дата добавления: 2014-01-07