З. Гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ).
ДИСЦИПЛИНА: «МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ» ЛЕКЦИЯ 1 ВВЕДЕНИЕ Металловедение – прикладная наука, изучающая взаимосвязи между составом, строением и свойствами металлов и сплавов в различных условиях. Изучение этой дисциплины позволяет осуществить правильный и рациональный выбор материалов для конкретных условий работы той или иной детали, изделия или конструкции в целом. Металлы и их сплавы повсеместно используются для конструкций машин, оборудования, инструмента и т.д. В последнее время в промышленности стали использоваться искусственно созданные материалы такие как керамика, пластмассы, синтетические волокна, каучуки, композиционные материалы. Однако, металлы и металлические материалы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать. Синтетические материалы в мировом производстве заменили всего лишь около 6% металлов. И это не случайно. Свойства, которыми обладают металлы и их сплавы, не присущи никакому другому материалу. Металлы характеризуются прочностью, твердостью, пластичностью, устойчивостью против воздействия температур, агрессивных сред, обладают высокой электро- и теплопроводностью и многими другими ценными свойствами. Кроме того, металлические материалы хорошо обрабатываются, режутся, могут свариваться. Чистые металлы составляют основу огромного количества сплавов. Изменяя химический состав, вводя в него небольшие добавки тех или иных химических элементов, можно получать сплавы почти с любыми заранее заданными свойствами. Таким образом, задача металловедения – правильный выбор металлического материала для изготовления деталей, изделий, работающих в конкретных, заданных условиях ( возможное воздействие внешних нагрузок, влияние температуры, агрессивных сред, радиации и т.д.) и обеспечение надежности и длительной работоспособности этих изделий. Металлические материалы обычно делятся на две большие группы: -- сплавы на основе железа (сталь и чугун), которые называются черными металлами; -- сплавы на основе остальных металлов (алюминий, магний, титан, медь, молибден, ниобий и другие), которые называют цветными металлами. Наибольшее распространение в промышленности получили сплавы на основе железа. Эти универсальные конструкционные материалы не только обладают высокими свойствами, но имеют относительно небольшую стоимость. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Общее свойство металлов и сплавов - их кристаллическое строение, характеризующееся закономерным расположением атомов в пространстве. Атомно-кристаллическое строение (АКС) - это строго определенное закономерное расположение атомов в пространстве. Для количественного описания и оценки АКС вводится понятие кристаллической решетки - воображаемой пространственной сетки, в узлах которой находятся атомы. Атомно-кристаллическая структура может быть представлена изображением одной элементарной ячейки, повторяющейся во всех трех измерениях. Элементарная ячейка - наименьший объем, трансляцией которого можно полностью воспроизвести структуру кристалла (рис.1.1). Рис.1.1 В кристалле атомы сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение АКС и кристаллических решеток принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки (рис.1.2). Рис.1.2 Расстояния между центрами ближайших атомов (a, b, c ) называются параметрами (периодами) решетки. Величина периодов в металлах порядка 0,1…7 нм. Размеры элементарных ячеек 0,2…0,3 нм. Для кубической кристаллической решетки а=b=с. Координационное число — количество атомов, находящихся на одинаковом и наименьшем расстоянии от данного. Период решетки характеризует ее размеры, координационное число - характеризует плотность упаковки элементарной ячейки. Углы между гранями кристаллической решетки (α, β, γ) характеризуют тип кристаллической решетки. Для кубической решетки α=β=γ= 90о. Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографической плоскостью. Прямая, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографическим направлением. Типы кристаллических решеток. Существует 14 типов кристаллических решеток (решетки Бравэ). Рассмотрим 3 из них, которые наиболее часто встречаются у основной группы металлов и наиболее распространены в природе: 1. Объемоцентрированная кубическая решетка (ОЦК). Рис.1.3 В кристаллической решетке ОЦК (рис.1.3) атомы расположены в вершинах элементарной ячейки и в центре куба. Такая ячейка содержит 9 атомов. Кубическую объемоцентрированную решетку имеют хром, вольфрам, железо, ванадий, молибден и другие металлы. 2. Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК) Рис.1.4 В ячейке кубической гранецентрированной решетки (рис.1.4) атомы находятся в вершинах куба и на пересечении диагоналей каждой плоскости. Такая ячейка имеет 14 атомов. Решетку ГЦК имеют свинец, никель, медь, железо, серебро и другие металлы.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
З. Гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ).
|
|
|
Рис.1.5
В гексагональной плотноупакованной решетке (рис.1.5) атомы расположены в вершинах и в центре шестигранных оснований призмы, а три атома – в средней плоскости призмы. Ячейка ГПУ решетки содержит 17 атомов.
Гексагональную кристаллическую решетку имеют магний, кадмий, цинк и другие металлы.
Некоторые металлы могут изменять тип кристаллической решетки при изменении температуры (при нагреве, либо охлаждении). Такие металлы называются полиморфными.
Явление полиморфизма – изменение типа кристаллической решетки при изменении температуры.
Реальное строение металлов и сплавов
Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Таких кристаллов в природе практически не существует. Их можно создать только в лабораторных условиях (их называют металлические усы, т.к. их толщина соответствует нескольким межатомным расстояниям).
В реальных кристаллах всегдаприсутствуют дефекты кристаллического строения, которые нарушают периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти дефекты оказывают существенное влияние на свойства материалов.
Различают два вида дефектов кристаллического строения: точечные и линейные.
Точечные дефекты характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров.
К точечным дефектам относятся :
-- вакансии ( свободные места в узлах кристаллической решетки (рис.1.6);
-- атомы внедрения и замещения (примесные атомы, которые могут находиться и в узлах решетки, и в междоузлии, рис.1.7 а, б)
Рис.1.6. Вакансии
Атомы совершают колебательные движения возле узлов решетки. Под воздействием внешних воздействий (например, температуры) отдельные атомы приобретают энергию, значительно большую, чем средняя энергия соседних атомов в решетке. Эти атомы могут перемещаться из одного места в другое. Наиболее легко перемещаются атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находились такие атомы, называется вакансией (рис.1.6). На это место перемещается один из соседних атомов и т.д. Таким образом, вакансия перемещается вглубь кристалла.
При комнатной температуре концентрация вакансий сравнительно невелика и составляет около 1 на 1018 атомов, но количество вакансий в кристаллической решетке резко возрастает при нагреве и может достигать огромных величин. Так, например, в решетке некоторых металлов в 1 см3 количество вакансий может достигать 1013.
К точечным дефектам относят также атомы, внедренные в междоузлие кристаллической решетки (рис.1.7 а) и замещенные атомы, когда место атома основного металла замещается в кристаллической решетке атомом другого элемента (рис.1.7 б).
Рис. 1.7. Примесные атомы внедрения (а) и замещения (б).
Точечные дефекты приводят к локальным искажениям в кристаллической решетке и локальным изменениям межатомных связей. С увеличением количества точечных дефектов может возрастать сопротивление кристаллической решетки дальнейшему смещению атомов.
С другой стороны, присутствие вакансий в решетке объясняет возможность такого физического процесса, как диффузия.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 924; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!