Министерство образования и науки Украины
Донбасский государственный технический университет
Кафедра ОМД
ЛЕКЦИЯ
по дисциплине Металловедение
на тему
«Атомно-кристаллическое строение металлов»
Ст.преп. Горецкий Ю.В.
Алчевск 2009
«Атомно-кристаллическое строение металлов»
1. Строение металлов в твердом состоянии
Всеметаллы и металлические сплавы – тела кристаллические, атомы (ионы) расположеныв металле закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы расположеныхаотично.
Металлическоесостояние возникает в комплексе атомов, когда при их сближении внешниеэлектроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими, т.е.коллективизируются и свободно перемещаются между положительно заряженными ипериодически расположенными ионами.
Устойчивостьметалла определяется электрическим притяжением между положительно заряженнымиионами и обобщенными электронами (такое взаимодействие получило названиеметаллической связи).
Силасвязи в металлах определяется силами отталкивания и силами притяжения междуионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии друг отдруга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной (рис. 1)
/>
Рисунок1. Энергетические условия взаимодействия атомов в кристаллической решеткевещества
Величинаа соответствует расстояние между атомами в кристаллической решетке, а а0соответствует равновесному расстоянию между атомами. В связи с этим в металлеатомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку,что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.
Металлическиесостояния характеризуются высокой энергией связи между атомами. Мерой ее служиттеплота сублимации (сумма энергии необходимой для перехода твердого металла кпарообразному состоянию, для металла – от 20 до 200 ккал/(г·атом)).
2. Атомно-кристаллическое строение металлов
Податомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов,существующее в кристалле. Атомы в кристалле расположены в определенном порядке,который периодически повторяется в трех измерениях.
Дляописания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственнойили кристаллической решетки.
Кристаллическаярешетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узле которойрасполагаются атомы (ионы), образующие металл.
Наименьшийобъем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всемобъеме, получил название элементарной кристаллической ячейки (решетки).
Дляхарактеристики элементарной ячейки задают шесть величин: три ребра ячейки a, b, c и три угла междуними α, β, γ. Эти величины называют параметрами кристаллическойрешетки.
Кристаллическиерешетки бывают простыми (атомы только в вершинах решетки) и сложными.
Металлыобразуют одну из следующих высокосимметричных сложных решеток с плотнойупаковкой атомов: кубическую объемноцентрированную (ОЦК), кубическуюгранецентрированную (ГЦК) и гексагональную (ГПУ) (рис. 2).
/>
ОЦК:Rb, K, Na, Li, Tiβ, Tlβ, Zrβ, Ta, W, V, Feα, Cr, Nb, Ba, и др.
ГЦК:Cu, Al, Pt, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Feγ, Coα, Caα, Ce, Srα, Th, Sc и др.
ГПУ:Mg, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Be, Coβ, Caα, Zrα, Laα, Tiα и др.
Рисунок2. Кристаллические решетки металлов и схемы упаковки атомов
Расстояниемежду ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарнуюячейку, называют периодом решетки, измеряется в нанометрах (1нм = 10-9см= Å= 10-8см).
Периодырешетки металлов находятся в пределах 0,2 – 0,7 нм.
Для ОЦК: a, b, c; a = b = c.
Для ГЦК: a, b, c; a = b = c.
ДляГПУ: а, с; с/а = 1,633 (к Zn неотносится)
Числоатомов в каждой элементарной ячейке (плотность упаковки – равняется числуатомов, приходящихся на одну элементарную ячейку):
ОЦК:ПУ (плотноупакованная) = />;
ГЦК:ПУ = />;
ГПУ:ПУ = />.
Координационноечисло – под ним понимают число атомов, находящихся на равном и наименьшемрасстоянии от данного атома. Чем выше координационное число, тем большеплотность упаковки атомов:
ОЦК:расстояние (min) между атомами />, на этом расстоянии от рассматриваемогоатома находится 8 соседей – К8 .
ГЦК:/>, К12.
ГПУ:Г12 (с/а = 1,633).
Коэффициентзаполнения ячейки (плотность укладки) – определяется как отношение объема,занятого атомами к объему ячейки:
ОЦК:68%
ГЦК:74%
ГПУ:74%
Дляхарактеристики величины атома служит атомный радиус, под которым понимаетсяполовина расстояния между ближайшими соседними атомами. Атомный радиус возрастаетпри уменьшении координационного числа.
3. Полиморфные (аллотропические) превращения
Атомыметалла – исходя из геометрических соображений, могут образовать любуюкристаллическую решетку.
Однакоустойчивым, а, следовательно, реально существующим типом является решетка,обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.
Многиеметаллы в зависимости от температуры могут существовать в разныхкристаллических формах (т.н. полиморфных (аллотропических) модификациях). Врезультате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющегорешетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическаярешетка другого типа.
Полиморфнуюмодификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металловпринято обозначать буквой α, при более высокой температуре β, затемγ и т.д.
Полиморфноепревращение протекает при постоянной температуре (например, при нагреве идетпоглощение теплоты).
Известныеполиморфные превращения: Feα ↔ Feβ; Coα ↔ Coβ; Tiα ↔ Tiβ; Mnα ↔ Mnβ ↔ Mnγ ↔ Mnδ; Snα ↔ Snβ, а также для Ca, Li, N, Cs, Sr, Te, Zr, V и др.
Металлс данной кристаллической решеткой должен обладать меньшим запасом свободнойэнергии.
/>
Рисунок3. Полиморфизм железа и его связь со свободной энергией системы
Полиморфизмжелеза. Из рис. 3, видно, что в интервале температур 911 – 1392°С устойчивымявляется γ-железо (К 12) (имеет min свободную энергию), а при температурах ниже 911°С и выше 1392°Сустойчиво α-железо (К 8).
Втвердом металле полиморфные превращения происходят в результате зарождения ироста кристаллов аналогично кристаллизации из жидкого состояния. Зародыши новоймодификации наиболее часто возникают на границах зерна исходных кристаллов.
Врезультате полиморфного превращения образуется новые кристаллические зерна,имеющие другой размер и форму, поэтому превращение также называютперекристаллизацией.
Полиморфноепревращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов исплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности,магнитных свойств, механических и химических свойств и т.д.
Высокотемпературнаямодификация имеет высокую пластичность.
Втаблице № 1 показан интервал температур существования различных аллотропическихформ некоторых, имеющих практическое значение металлов, у которых обнаруженатемпературная аллотропия.
/>
4. Анизотропия свойств металлов
Изатомно-кристаллического строения металлов видно, что плотность расположенияатомов по различным плоскостям в кристаллических решетках неодинакова (рис. 4).
Вследствиенеодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решеткимногие свойства (химические, физические, механические) каждого кристаллазависят от направления решетки. Подобная неодинаковость свойств монокристалла вразных кристаллографических направлениях называется анизотропией.
/>
Рисунок4. Расположение атомов в различных плоскостях и направлениях в кубическойрешетке (ОЦК)
Кристалл– тело анизотропное в отличие от аморфных тел (стекло, пластмассы и т.д.), свойствакоторых не зависят от направления.
Техническиеметаллы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа анизотропныхкристаллов. В большинстве случаев, как уже указывалось выше, кристаллыстатистически неупорядоченно ориентированы один по отношению к другому, поэтомуво всех направлениях свойства более или менее одинаковы, т.е. поликристаллическоетело является изотропным (вернее – квазиизотропным (ложная изотропия)). Такаямнимая изотропность не будет наблюдаться, если кристаллы имеют одинаковуюпреимущественную ориентировку в каких-то направлениях. Эта ориентированность,или текстура, создается в известной степени, но не полностью в результатезначительной холодной деформации; в этом случае поликристаллический металлприобретает анизотропию свойств.
Литература
1. Лахтин Ю.М.,Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.
2. Гуляев А.П.Металловедение. М., 1986.
3. Новиков И.И.Дефекты кристаллического строения металлов. М., 1983.
4. Антикайн П.А.Металловедение. М., 1972.