Кристаллическое строение.

Типы кристаллических решеток. Твердые тела делят на кристаллические и аморфные. Кристал­лические тела при нагреве остаются твердыми до определенной температуры (температуры плавления), при которой они переходят в жид­кое состояние. Аморфные тела при нагреве раз­мягчаются в большом температурном интервале; сначала они становятся вязкими и лишь затем, переходят в жидкое состояние.

Все металлы и их сплавы — тела кристалли­ческие. Металлами называют химические эле­менты, характерными признаками которых яв­ляются непрозрачность, блеск, хорошая электро- и теплопроводность, пластичность, а для многих металлов также способность свариваться. Не потеряло своего научного значения определе­ние металлов, данное более 200 лет назад вели­ким русским ученым М. В. Ломоносовым: «Ме­таллы суть светлые тела, которые ковать мож­но». Для металлов характерно то, что, вступая в химические реакции с элементами, являющими­ся неметаллами, они отдают последним свои внешние, валентные электроны. Это объясняется тем, что у атомов металла внешние электроны непрочно связаны с его ядром. Металлы, имеют на наружных оболочках всего 1—2 электрона, тогда как у неметаллов таких электронов много (5-8).

Чистые химические элементы металлов (на­пример, железо, медь, алюминий и др.) могут образовывать более сложные вещества, в состав которых могут входить несколько элементов-ме­таллов, часто с примесью заметных количеств элементов-неметаллов. Такие вещества называ­ют металлическими сплавами. Простые вещест­ва, образующие сплав, называют компонентами сплава.

Для описания кристаллической структуры ме­таллов пользуются понятием кристаллической ре­шетки. Кристаллическая решетка - это вообра­жаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие ме­талл. Частицы вещества (ионы, атомы), из кото­рых построен кристалл, расположены в опреде­ленном геометрическом порядке, который перио­дически повторяется в пространстве. В отличие от кристаллов в аморфных телах (стекло, пласт­массы) атомы располагаются в пространстве бес­порядочно, хаотично.

Формирование кристаллической решетки в ме­талле происходит следующим образом. При пе­реходе металла из жидкого в твердое состояние расстояние между атомами сокращается, а силы взаимодействия между ними возрастают. Харак­тер взаимодействия атомов определяется строе­нием их внешних электронных оболочек. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках, теряют связь со своими ато­мами вследствие отрыва валентного электрона одного атома положительно заряженным ядром другого и т. д. Происходит образование свобод­ных электронов, так как они не принадлежат отдельным атомам. Таким образом, в твердом состоянии металл представляет собой структуру, состоящую из положительно заряженных ионов омываемых свободными электронами.

Связь в металле осуществляется электростати­ческими силами. Между ионами и свободными электронами возникают электростатические си­лы притяжения, которые стягивают ионы. Такую связь между частицами металла называют ме­таллической.

Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами притяжения между ио­нами и электронами. Ионы находятся на таком расстоянии один от другого, при котором, потен­циальная энергия взаимодействия минимальна. В металле ионы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Та­кое расположение ионов обеспечивается взаимо­действием их с валентными электронами, кото­рые связывают ионы в кристаллической решетке.

Типы кристаллических решеток у различных металлов различны. Наиболее часто встречаются решетки: объемно-центрированная кубическая (ОЦК) — a-Fe, Cr, W, гранецентрированная ку­бическая (ГЦК) — y-Fe, A1, Си и гексагональ­ная плотноупакованная (ГПУ) — Mg, Zn др. Наименьший объем кристалла, дающий пред­ставление об атомной структуре металла в лю­бом его объеме, называют элементарной кри­сталлической ячейкой (рис. 1). Кристаллическая решетка характеризуется ее параметрами напри­мер длиной ребра куба для ОЦК и ГЦК, кото­рая составляет для разных металлов 2,8-6·10-⁸см.

Рис. 4.1. Элементарные ячейки кристаллических решеток:

I - кубическая объемно-центрированная la-железо);

II - кубическая гранецентрированная (медь);

111- гексагональ­ная плотноупакованная;

а и с - параметры решеток

Дефекты в кристаллах. В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обусловленные нарушением правильного распо­ложения атомов кристаллической решетки. Де­фекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные, ли­нейные и поверхностные.

Рис. 4.2. Дефекты в кристаллах:

а — вакансия, б — внедренный атом, в — краевая линейная дислокация, г — непра­вильное расположение атомов на границе зерен 1 и 2

Атомы совершают колебательные движения возле узлов решетки, и с повышением температуры амплитуда этих колебаний увеличивается. Большинство атомов данной кристаллической ре­шетки имеют одинаковую, (среднюю) энергию и колеблются при данной температуре с одинако­вой амплитудой. Однако отдельные атомы обла­дают энергией, значительно большей средней энер­гии, и перемещаются из одного места в другое. Наиболее легко перемещаются атомы поверх­ностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находился такой атом, называется вакансией (рис. 2, а). На это место через некоторое время перемещается один из атомов соседнего слоя и т. д. Таким образом вакансия перемещается в глубь кристалла. С повышением температуры количество вакансий увеличивается и они чаще пе­ремещаются из одного узла в другой. В диффу­зионных процессах, протекающих в металлах, ва­кансии играют определяющую роль. К точеч­ным дефектам относят также атом, внед­ренный в междоузлие кристаллической решетки (рис. 2, б), и замещенный атом, когда место ато­ма одного металла замещается в кристалличес­кой решетке другим, чужеродным атомом. Точеч­ные дефекты вызывают местное искажение кри­сталлической решетки.

Линейные дефекты являются другим важнейшим видом несовершенства кристалличе­ской решетки, когда в результате сдвига на од­но межатомное расстояние одной части решетки относительно другой вдоль какой-либо плоскости число рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в нижней. В данном случае в верхней части решетки появилась как бы лиш­няя атомная плоскость (экстраплоскость). Край экстраплоскости, перпендикулярный направле­нию сдвига, называется краевой, или линейной, дислокацией (рис. 2, в), длина которой мо­жет достигать многих тысяч межатомных рас­стояний. Шириной дислокации считают расстоя­ние от центра дефекта до места решетки без ис­кажения. Ширина дислокации мала и составляет несколько атомных расстояний.

Кристаллическая решетка в зоне дислокаций упруго искажена, поскольку атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного состояния. Для дислокаций характерна их легкая по­движность. Это объясняется тем, что атомы, об­разующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное состояние. Дислокации образуют­ся в процессе кристаллизации металлов (см. гл. 1, 2), а также при пластической деформации, термической обработке и других процессах.

Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между отдельными кри­сталлами (рис. 2,г). На границе раздела атомы кристалла расположены менее правильно, чем в его объеме. Кроме того, по границам раздела скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются примеси, что еще больше на­рушает порядок расположения атомов. При этом сами кристаллы разориентированы, т. е. могут быть повернуты относительно друг друга на де­сятки градусов. Прочность металла может либо увеличиваться вследствие искажений кристалли­ческой решетки вблизи границ, либо уменьшать­ся из-за наличия примесей и концентрации де­фектов. Дефекты в кристаллах существенно вли­яют на свойства металлов.

Анизотропия кристаллов. Неодинаковость фи­зических свойств-среды в разных направлениях называют анизотропией. Анизотропия кри­сталлов обусловлена различием плотности упа­ковки атомов в решетке в различных направле­ниях. Все кристаллы анизотропны, а аморфные тела (стекло, смола) изотропны, т. е. имеют оди­наковую плотность атомов в различных направ­лениях.

Анизотропия свойств важна при использовании монокристаллов — одиночных кристаллов, частицы которых расположены единообразно по всему их объему. Монокристаллы имеют пра­вильную кристаллическую огранку (в форме ес­тественных многогранников), анизотропны по ме­ханическим, электрическим и другим физическим свойствам. Так, для монокристалла меди предел прочности Qb изменяется от 120 до 360 МПа в за­висимости от направления приложения нагрузки.

Металлы и сплавы, применяемые в технике, обычно имеют поликристаллическую структуру, т. е. состоят из множества мел­ких и различно ориентированных кристаллов, не имеющих правильной кристаллической огранки и называемых кристаллитами (или зернами). В каждом зерне _% поликристалла наблюдается анизотропия. Однако вследствие разнообразной, беспорядочной ориентировки кристаллографиче­ских плоскостей в различных зернах поликрис­талл может иметь одинаковые свойства по раз­ным направлениям и не обнаруживать анизотро­пию (когда размеры зерен значительно меньше размеров поликристалла и количество их весьма велико). Это обстоятельство во многих случаях позволяет рассматривать поликристаллическое тело как подобное изотропному, несмотря на ани­зотропию свойств отдельных составляющих его зерен.