Кристаллическое строение

Кристаллическое строение

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ

Типы кристаллических решеток. Твердые тела делят на кристаллические и аморфные. Кристалические тела при нагреве остаются твердыми до определенной температуры (температуры плавления), при которой они переходят в жидкое состояние. Аморфные тела при нагреве раз-мягчаются 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.. Для металлов характерно то, что, вступая в химические реакции с элементами, являющими-ся 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 (на-пример, железо, медь, алюминий и др.) могут образовывать более сложные вещества, в состав которых могут входить несколько элементов-ме-таллов, часто с примесью заметных количеств элементов-неметаллов. Такие вещества называ-ют металлическими сплавами. Простые вещест-ва, образующие сплав, называют компонентами сплава.

Для описания кристаллической структуры ме-таллов пользуются понятием кристаллической ре-шетки. Кристаллическая решетка -- это вообра-жаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие ме-талл. Частицы вещества (ионы, атомы), из кото-рых построен кристалл, расположены в опреде-ленном геометрическом порядке, который перио-дически повторяется в пространстве. В отличие от кристаллов в аморфных телах (стекло, пласт-массы) атомы располагаются в пространстве бес-порядочно, хаотично.

Формирование кристаллической решетки в ме-талле происходит следующим образом. При пе-реходе металла из жидкого в твердое состояние расстояние между атомами сокращается, а силы взаимодействия между ними возрастают. Харак-тер взаимодействия атомов определяется строе-нием их внешних электронных оболочек. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках, теряют связь со своими ато-мами вследствие отрыва валентного электрона одного атома положительно заряженным ядром другого и т. д. Происходит образование свобод-ных 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 ио-нами и электронами. Ионы находятся на таком расстоянии один от другого, при котором потен-циальная энергия взаимодействия минимальна. В металле ионы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Та-кое расположение ионов обеспечивается взаимодействием их с валентными электронами, кото-рые связывают ионы в кристаллической решетке.

Типы кристаллических решеток у различных металлов различны. Наиболее часто встречаются решетки:

объемно-центрированная кубическая (ОЦК) -- б-Fe, Cr, W, гранецентрированная кубическая (ГЦК) -- г-Fe, A1, Си и

гексагональная плотноупакованная (ГПУ) -- Mg, Zn и др.

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом его объеме, называют элементарной кристаллической ячейкой (рис.).

Рис. I. Элементарные ячейки кристаллических решеток:

I -- кубическая объемно-центрированная ( б-железо), II -- кубическая гранецентрированная (медь), 111 - гексагональная плотноупакованная; а и с -- параметры решеток

Кристаллическая решетка характеризуется ее параметрами, например длиной ребра куба для ОЦК и ГЦК, которая составляет для разных металлов 2,8 ? 6*10 -8см.

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

Атомы совершают колебательные движений 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 одинако-вой амплитудой. Однако отдельные атомы обла-дают энергией, значительно большей средней энер-гии, и перемещаются из одного места в другое. Наиболее легко перемещаются атомы поверх-ностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находился такой атом, называется вакансией (рис. 2, а).

Рис. 2. Дефекты в кристаллах:

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

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 ко-личество вакансий увеличивается и они чаще пе-ремещаются из одного узла в другой. В диффу-зионных процессах, протекающих в металлах, ва-кансии играют определяющую роль. К точеч-ным дефектам относят также атом, внед-ренный в междоузлие кристаллической решетки (рис. 2, б), и замещенный атом, когда место ато-ма одного металла замещается в кристалличес-кой решетке другим, чужеродным атомом. Точеч-ные дефекты вызывают местное искажение кри-сталлической решетки.

Линейные дефекты являются другим важнейшим видом несовершенства кристалличе-ской 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 лиш-няя атомная плоскость (экстраплоскость). Край экстраплоскости, перпендикулярный направле-нию сдвига, называется краевой, или линейной, дислокацией (рис. 2, в), длина которой мо-жет достигать многих тысяч межатомных рас-стояний. Шириной дислокации считают расстоя-ние от центра дефекта до места решетки без ис-кажения. Ширина дислокации мала и составляет несколько атомных расстояний.

Кристаллическая решетка в зоне дислокации упруго искажена, поскольку атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного состоя-ния. Для дислокации характерна их легкая по-движность. Это объясняется тем, что атомы, об-разующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное состояние. Дислокации образуют-ся в процессе кристаллизации металлов (см. гл.1, § 2), а также при пластической деформа-ции, термической обработке и других процессах.

Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между отдельными кри-сталлами (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 наpyшает порядок расположения атомов. При этом сами кристаллы разориентированы, т. е. могут быть повернуты относительно друг друга на де-сятки градусов. Прочность металла может либо увеличиваться вследствие искажений кристалли-ческой решетки вблизи границ, либо уменьшать-ся из-за наличия примесей и концентрации де-фектов. Дефекты в кристаллах существенно вли-яют на свойства металлов.

Анизотропия кристаллов. Неодинаковость фи-зических свойств среды в разных направлениях называют анизотропией. Анизотропия кри-сталлов обусловлена различаем плотности упа-ковки атомов в решетке в различных направле-ниях. Все кристаллы анизотропны, а аморфные тела (стекло, смола) изотропны, т. е. имеют оди-наковую плотность атомов в различных направ-лениях.

Анизотропия свойств важна при использовании монокристаллов -- одиночных кристаллов, частицы которых расположены единообразно по всему их объему. Монокристаллы имеют правильную кристаллическую огранку (в форме ес-тественных многогранников), анизотропны по ме-ханическим, электрическим и другим физическим свойствам.

Металлы и сплавы, применяемые в технике, обычно имеют поликристаллическую структуру, т. е. состоят из множества мел-ких 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 кристаллографиче-ских плоскостей в различных зернах поликристалл может иметь одинаковые свойства по раз-ным направлениям и не обнаруживать анизотро-пию (когда размеры зерен значительно меньше размеров пол и кристалла и количество их весьма велико). Это обстоятельство во многих случаях позволяет рассматривать поликристаллическое тело как подобное изотропному, несмотря на ани-зотропию свойств отдельных составляющих его зерен.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Переход из жидкого состояния в твердое (кри-сталлическое) называют кристаллизацией. Процессы кристаллизации зависят от температу-ры и протекают во времени, поэтому кривые ох-лаждения строятся в координатах температу-ра - время (рис. 3). Теоретический, т. е. идеаль-ный процесс кристаллизации металла без пере-охлаждения протекает при температуре Т 5 (рис. 3). При достижении идеальной температу-ры затвердевания Т 5 падение температуры пре-кращается. Это объясняется тем, что перегруп-пировка атомов при формировании кристаллической решетки идет с выделением тепла (выде-ляется скрытая теплота кристаллизации). Каждый чистый металл (не сплав) кристаллизуется при строго индивидуальной постоянной темпера-туре. По окончании затвердевания металла тем-пература его снова понижается.

Рис. 3. Кривые кристаллизации металла при охлаждении с разной скоростью

Практически кристаллизация протекает при более низкой температуре, т. е. при переохлажде-нии металла до температур Tn, Tn 1, Tn 2 (напри-мер, кривые 1, 2). Степень переохлаждения (ДT=T s --Tn) зависит от природы и чистоты ме-талла к скорости охлаждения. Чем чище жидкий металл, тем он более склонен к переохлаждению. При увеличении скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает, а зерна металла ста-новятся мельче, что улучшает его качество. Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных усло-виях составляет от 10 до 30°С. При больших скоростях охлаждения она может достигать со-тен градусов.

Процесс кристаллизации состоит из двух ста-дий: зарождения - кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. При переохлаждении сплава ниже Tn на многих участках жидкого металла (рис. 4, а, б) образуются способные к росту кри-сталлические зародыши.

Рис. 4. Последовательные этапы процесса кристаллизации металла

Сначала образовавшие-ся кристаллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму (рис. 4, в, г, д). Затем при соприкосновении рас-тущих кристаллов их правильная форма нару-шается, так как в этих участках рост граней пре-кращается. Рост кристалла продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. В результате кристаллы, имев-шие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами (рис. 4,е).

Величина зерен зависит от числа центров кри-сталлизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно металла.

Величина зерен, образующихся при кристалли-зации, зависит не только от количества самопро-извольно зарождающихся центров кристаллиза-ции, но также и от количества нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле. Такие нерастворимые примеси являются готовы-ми центрами кристаллизации. Ими являются окислы (например, Al2O3), нитриды, сульфиды и другие соединения. Центрами кристаллизации в данном металле или сплаве могут быть только такие твердые частицы, которые соизмеримы с размерами атомов основного металла. Кристал-лическая решетка таких твердых частиц должна быть близка по своему строению и параметрам решетке кристаллизующегося металла. Чем боль-ше таких частичек, тем мельче будут зерна за-кристаллизовавшегося металла.

На образование центров кристаллизации вли-яет и скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кри-сталлизации и, следовательно, мельче зерно ме-талла.

Чтобы получить мелкое зерно, создают искус-ственные центры кристаллизации. Для этого в расплавленный металл (расплав) вводят специ-альные вещества, называемые модификаторами. Модифицирование отливок проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, окислы). При модифицировании, например, ста-ли применяют алюминий, титан, ванадий; алю-миниевых сплавов -- марганец, титан, ванадий.

Строение металлического слитка. Форма рас-тущих кристаллов определяется не только усло-виями их касания друг с другом, но и составом сплава, наличием примесей и режимом охлажде-ния. Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный (древовидный) характер (рис. 5).

Рисунок 5. Схема дендритного роста кристалла

Дендритная кристаллизация характери-зуется тем, что рост зародышей происходит с не-равномерной скоростью. После образования за-родышей их развитие идет в тех плоскостях и на-правлениях решетки, которые имеют наиболь-шую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла --так называемые оси (1) первого порядка (рис. 5). В дальнейшем от осей первого порядка начинают расти новые оси (2) -- оси второго по-рядка, от осей второго порядка-- оси (3) -- третьего порядка и т.д. По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка, кото-рые постепенно заполняют все промежутки, ра-нее занятые жидким металлом.

Рассмотрим реальный процесс получения стального слитка. Стальные слитки получают ох-лаждением в металлических формах (изложни-цах) или на установках непрерывной разливки. В изложнице сталь не может затвердеть одновре-менно во всем объеме из-за невозможности со-здания равномерной скорости отвода тепла. По-этому процесс кристаллизации стали начинается у холодных стенок и дна изложницы, а затем распространяется внутрь жидкого .металла.

При соприкосновении жидкого металла со стенками изложницы 1 (рис. 6) в начальный мо-мент образуется зона мелких равноосных кри-сталлов 2. Так как объем твердого металла меньше жидкого, между стенкой изложницы и застывшим металлом образуется воздушная про-слойка и сама стенка нагревается от соприкос-новения с металлом, поэтому скорость oxлaждeния металла, снижается и кристаллы растут в на-правлении отвода теплоты. При этом образуется зона 3, состоящая из древовидных или столбча-тых кристаллов. Во внутренней зоне слитка 4 об-разуются равноосные, неориентированные кристаллы больших размеров в результате замед-ленного охлаждения.

Рис. 6. Схема строения стального слитка

а - расположение дендритов в наружных частях слитка, б - строение слитка;

1- стенки изложницы, 2 - мелкие равноосные кристаллы, 3 - древовидные кристаллы, 4 - равноосные неориентированные кристаллы больших разме-ров, 5 - усадочная рыхлость, 6 - усадочная раковина

В верхней части слитка, которая затвердевав в последнюю очередь, образуется усадочная ра-ковина 6 вследствие уменьшения объема металла при охлаждении. Под усадочной раковиной ме-талл в зоне 5 получается рыхлым из-за большого количества усадочных пор. Для получения изделий используют только часть слитка, удаляя усадочную раковину и рыхлый металл слитка для последующего переплава.

Слиток имеет неоднородный химический сос-тав, который тем больше, чем крупнее слиток. Например, в стальном слитке концентрация се-ры и фосфора увеличивается от поверхности к центру и снизу вверх. Химическую неоднородность по отдельным зонам слитка называют зо-нальной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства металла.

Аллотропия металлов. Аллотропией, или поли-морфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные кристалли-ческие формы. Процесс перехода из одной кри-сталлической формы в другую называют алло-тропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превращение сопровождается по-глощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью за-траты определенной энергии на перестройку кри-сталлической решетки. Аллотропические превра-щения имеют многие металлы: железо, олово, ти-тан и др. Например, железо в интервале темпе-ратур 911---1392°С имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) г-Fe (рис. 7). В интервалах до 911°С и от 1392 до 1539°С железо имеет объемно-центрированную кубическую ре-шетку (ОЦК) -- б-Fe. Аллотропические формы металла обозначаются буквами а, в, г и т. д. Существующая при самой низкой .температуре ал-лотропическая форма металла обозначается че-рез букву б, которая в виде индекса добавляется к символу химического элемента металла и т. д.

Страницы: 1, 2