Toate metalele care se solidifică în condiții normale sunt substanțele cristaline, adică, ambalarea atomilor în ele se caracterizează printr-o anumită ordonanță-periodicitate, atât în direcții diferite, cât și în diferite planuri. Această ordine este definită de conceptul de latură cristalină.
Cu alte cuvinte, rețeaua cristalină este o latură spațială imaginară, la nodurile cărora se află particulele care formează un corp solid.
O celulă elementară este un element de volum din numărul minim de atomi, al cărui transfer multiplu în spațiu este posibil să se construiască întregul cristal.
Celula elementară caracterizează caracteristicile structurii cristalului. Parametrii principali ai cristalului sunt:
- dimensiunile marginilor celulei unității. a, b, c sunt deschiderile zăbrelelor, distanțele dintre centrele celor mai apropiați atomi. Într-o direcție, ele sunt strict definite.
- Unghiuri între axe ().
- Numărul de coordonare (K) indică numărul de atomi localizați la cea mai apropiată distanță identică față de orice atom din rețea.
- baza rețelei este numărul de atomi per unitate de celulă a rețelei.
- densitatea de ambalare a atomilor din rețeaua de cristal - volumul ocupat de atomi, care sunt considerați condiționat ca bile rigide. Acesta este definit ca raportul dintre volumul ocupat de atomi de carbon la volumul celulei (pentru o rețea cubică centrată pe corp - 0,68, pentru o rețea cubică cu fețe centrate - 0.74)
Figura 2.1. Schema zăbrelelor de cristal
Clasificarea tipurilor posibile de laturi de cristal a fost efectuată de omul de știință francez O. Brava, respectiv, au fost numite "zăbrele Bravais". În total pentru corpurile cristaline există 14 tipuri de laturi, împărțite în patru tipuri;
- primitiv - nodurile rețelei coincid cu vârfurile celulelor elementare;
- atomi bazați pe atomi de bază ocupă vârful celulelor și două locuri în fețe opuse;
- centrate pe volum - atomii ocupă vârful celulelor și centrul lor;
- centrat pe față - atomii ocupă vârfurile celulei și centrele tuturor celor șase fețe
Fig. 2.2. Principalele tipuri de laturi cristaline sunt: a - centrată pe volum cubic; b - cubic centrat pe față; în - hexagonale închise
Principalele tipuri de laturi cristaline sunt:
(., A se vedea Figura 1.2) - 1. volumetrica centrat cubic (bcc), atomii sunt aranjate în colțurile unui cub în centru (V, W, Ti, Fe # 945;)
2. cubice cu fețe centrate (fcc) (a se vedea figura 1.2b ..), atomii sunt aranjate în colțurile unui cub și centrul fiecăreia dintre cele șase fețe (Ag, Au, Fe # 947;)
3. Hexagonal, a cărui bază este un hexagon:
o atomii simpli - sunt localizați în vârfurile celulei și în centrul celor două baze (carbon sub formă de grafit);
o hcp - există 3 atomi suplimentari în planul mijlociu (zinc).
Proprietățile unui corp depind de natura atomilor din care acesta este constituit și de puterea interacțiunii dintre acești atomi. Forțele de interacțiune dintre atomi sunt în mare măsură determinate de distanțele dintre ele. In solide amorfe cu un aranjament aleatoriu atomilor lor în spațiu distanțele dintre atomii din direcții diferite sunt egale, prin urmare, proprietățile vor fi corpul amorf aceeași, adică izotrop
In solide cristaline atomii sunt aranjate în spațiu corect și în direcții diferite, nu sunt aceeași distanță între atomii, care predetermină diferențe semnificative în interacțiunea forțelor între ele și, în consecință, proprietăți diferite. Dependența proprietăților de direcție se numește anisotropie
Pentru a înțelege fenomenul de anizotropie, este necesar să se elaboreze planuri cristalografice și direcții cristalografice în cristal.
Planul care trece prin nodurile rețelei cristaline se numește plan cristalografic.
Linia dreaptă care trece prin nodurile laturii cristaline se numește direcția cristalografică.
Pentru a desemna planurile și direcțiile cristalografice, folosiți indicii Miller. Pentru a stabili indicii Miller, o celulă elementară este înscrisă într-un sistem de coordonate spațiale (axele X, Y, Z sunt axele cristalografice). Unitatea de măsură este perioada de zăpadă.
Figura 2.3. Exemple de desemnare a planurilor cristalografice (a) și direcții cristalografice (b)
Pentru a determina indicii unui plan cristalografic cristalografic, este necesar:
- stabilirea coordonatelor punctelor de intersecție a planului cu axele de coordonate în unități ale perioadei de zăbrele;
- să ia valorile reciproce ale acestor cantități;
- aduceți-le la cele mai mici multipli multipli, fiecare dintre numerele obținute.
Valorile obținute de numere întregi prime, care nu au un factor comun, sunt indicii Miller pentru plan, sunt indicați în paranteze. Exemple de desemnare a planurilor cristalografice din Fig. 1.3 a.
Cu alte cuvinte, indicele de-a lungul axei indică câte părți divizează unitatea axială de-a lungul axei date. Planurile paralele cu axa au indexul 0 (110)
Orientarea liniei este determinată de coordonatele celor două puncte. Pentru a determina indicii direcției cristalografice, este necesar:
# 61623; un punct de direcție este combinat cu originea;
# 61623; Pentru a stabili coordonatele oricărui alt punct situat pe o linie dreaptă, în unități ale perioadei de zăbrele
# 61623; aduceți raportul dintre aceste coordonate și raportul celor trei cel mai mici.
Indicii de direcții cristalografice sunt indicați în paranteze pătrate [111]
În rețeaua cubică, indicii direcției perpendiculare pe planul (hkl) au aceiași indici [hkl].
Structura cristalelor reale. Defecte ale structurii cristalului și efectul acestora asupra proprietăților fizice și mecanice ale metalelor.
Un singur cristal poate fi crescut dintr-o topitură lichidă. Ele sunt de obicei utilizate în laboratoare pentru a studia proprietățile unei substanțe.
Metale, aliaje, obținute în condiții normale constau dintr-un număr mare de cristale, adică au o structură policristalină. Aceste cristale se numesc boabe. Ele au o formă neregulată și sunt orientate diferit în spațiu. Fiecare bob are o orientare de rețea cristalină diferită de orientarea boabelor adiacente prin proprietățile metalelor reale sunt mediate, iar fenomenele anizotropie nu sunt observate
În rețeaua cristalină a metalelor reale, există diferite defecte (imperfecțiuni) care rup legăturile dintre atomi și afectează proprietățile metalelor. Se disting următoarele imperfecțiuni structurale:
· Punct - mic în toate cele trei dimensiuni;
· Linear - mic în două dimensiuni și extins arbitrar în al treilea;
· Superficial - mic într-o singură dimensiune.
Una dintre cele mai frecvente imperfecțiuni ale structurii cristaline este prezența defectelor de puncte: posturile vacante, atomii dislocați și impuritățile (Figura 2.4.).
Fig.2.4. Puncte defecte
Vacanțe - absența atomilor din nodurile rețelei cristaline, "găuri", care s-au format ca urmare a diferitelor cauze. Se formează la trecerea atomilor de la suprafață în mediu sau a punctelor zăbrele pe suprafață (limitele granulelor, golurile, fisuri, și așa mai departe. D.), Ducând la deformare plastică la bombardament corp de atomi sau particule de energie înaltă (iradiere în iradiere ciclotron sau neutroni reactor nuclear). Concentrația locurilor vacante este în mare măsură determinată de temperatura corporală. Trecând de-a lungul cristalului, pot apărea locuri libere. Și să se unească în divinități. Acumularea de numeroase posturi vacante poate duce la formarea de pori și goluri.
Un atom dislocat este un atom care a ieșit dintr-un sit de zăbrele și a luat locul său într-o interstiție. Concentrația atomilor dislocați este mult mai mică decât vacanțele, deoarece pentru formarea lor este necesară o cheltuială semnificativă de energie. În același timp, formează un post vacant pe locul atomului deplasat.
Atomii de impuritate sunt întotdeauna prezenți în metal, deoarece este practic imposibil să se miroasă un metal chimic pur. Acestea pot fi mai mari sau mai mici decât dimensiunea atomilor principali și sunt localizați la locurile de zăbrele sau internoduri.
defecte punctuale provoca o ușoară deformare a grilajului, ceea ce poate conduce la o modificare a proprietăților corpului (conductivitate electrică, proprietăți magnetice), prezența lor contribuie la fluxul de procese de difuzie și de transformare de fază în stare solidă. Când se deplasează printr-un material, defectele pot interacționa.
Defectele liniare principale sunt dislocări. înțelegerea apriori dislocațiilor folosit pentru prima dată în 1934 godu Orovanom și Theilers când deformarea plastică a materialelor cristaline, pentru a explica diferența mare între metalul teoretic și practic rezistență.
Dislocarea - acestea sunt defecte ale structurii cristaline, reprezentând linii de-a lungul și în apropierea cărora este încălcat amenajarea corectă a planurilor atomice caracteristice cristalului.
Dislocarea marginii este o linie de-a lungul căreia marginea jumătății "extra" se termină în interiorul cristalului (Figura 2.5)
Fig. 2.5. Displazia marginii (a) și mecanismul de formare a acesteia (b)
Un plan incomplet este numit un plan suplimentar.
Cele mai multe dislocări sunt formate de un mecanism de forfecare. Formarea sa poate fi descrisă prin următoarea operație. Cristal de incizie ABCD plane, deplasa în raport cu porțiunea superioară a inferior cu o perioada grilajului, în direcția perpendiculară AB și apoi reconcilia din nou atomii de pe marginile tăiate ale fundului.
Cele mai mari distorsiuni în aranjamentul atomilor din cristal au loc în apropierea marginii inferioare a planului extra-plan. La stânga și la dreapta de la marginea extra aceste distorsiuni sunt mici (câteva perioade de zăbrele), și de-a lungul marginii distorsiunii suplimentare se extind prin întregul cristal și poate fi foarte mare (mii de parametrii de rețea) (fig. 2.6).
Dacă planul extra este în partea superioară a cristalului, atunci dislocarea marginii este pozitivă (), dacă în partea inferioară, apoi negativă (). Dislocările aceluiași semn resping, iar cele opuse sunt atrase.
Fig. 2.6. Distorsiuni în rețeaua cristalină în prezența unei dislocări de margine
Un alt tip de dislocare a fost descris de Burgers și a fost denumită o dislocare cu șurub
O spirală dislocare se obține prin forfecare parțială a planului Q în jurul liniei FE (fig. 2.7), pe suprafața cristalului se formează un pas, trecând de la punctul E la marginile cristaline. O astfel de deplasare paralelă parțială dă straturi atomice, cristalul se transformă într-un plan atomic singur pe șurub într-o formă răsucită de spirală scobit în jurul unei linii EF, care este separarea părții a planului de alunecare în care a avut loc trecerea de la partea în care se începe trecerea frontierei. Pe linia EF se observă natura macroscopică a regiunii de imperfecțiune, în alte direcții dimensiunile ei sunt mai multe perioade.
Dacă tranziția de la orizonturile superioare la cele inferioare se face prin rotirea în sensul acelor de ceasornic, atunci dislocarea este corectă și dacă rotația în sensul invers acelor de ceasornic este cea din stânga.
Fig. 2.7. Mecanismul de formare a unei dislocări cu șurub
O dislocare a șuruburilor nu este asociată cu niciun plan de alunecare, se poate deplasa de-a lungul oricărui plan care trece prin linia de dislocare. Posturile vacante și atomii dislocați nu se scurg la o dislocare a șuruburilor.
În procesul de cristalizare, atomii de materie care cad din vapori sau soluții se alătură ușor etapei, ceea ce duce la un mecanism spiralat de creștere a cristalelor.
Liniile de dislocare nu se poate termina în cristal, acestea ar trebui să fie închise, fie pentru a forma o buclă sau o sucursală în mai multe luxații, sau du-te la suprafața cristalului.
Structura de dislocare a materialului este caracterizată de densitatea dislocărilor.
Densitatea de dislocare în cristal este definit ca numărul mediu de linii de dislocare ce traversează zona pătrat de 1 m 2 în interiorul corpului sau lungimea totală a liniilor de dislocare într-un volum de 1 m 3
Densitatea dislocărilor variază într-o gamă largă și depinde de starea materialului. După recoacerea completă, densitatea de dislocare este 10 5 ... 10 7 m -2. în cristale cu o latură de cristal puternic deformată, densitatea de dislocare ajunge la 10 15 ... 10 16 m -2.
Densitatea dislocării determină într-o mare măsură ductilitatea și rezistența materialului (Figura 2.8)
Fig. 2.8. Influența densității dislocării asupra forței
Rezistența minimă este determinată de densitatea critică a dislocărilor
Dacă densitatea este mai mică decât valoarea a, rezistența de deformare crește brusc, iar puterea este aproape teoretică. rezistență mai mare realizată prin asigurarea unei structuri de metal cu defect liber, și creșterea densității de dislocare, împiedicând mișcarea lor. In prezent, cristalele fara defecte create - lungimea mustăți de 2 mm, o grosime de 0,5 ... 20 m - „mustăți“ cu o rezistență aproape teoretic: fier = 13000 MPa, pentru cupru = 30000 MPa. Când calire metalelor creșterea densității de dislocare, aceasta nu trebuie să depășească 15 ... 10 brumărel 16 m -2. În caz contrar, se creează fisuri.
Luxații afecta nu numai puterea și ductilitatea, ci și pe alte proprietăți ale cristalelor. Cu o creștere a densității de dislocare creșteri interne variază proprietăți optice, a crescut de metal rezistivitate. Dislocații crește viteza medie de difuzie în cristal, accelera îmbătrânirea și alte procese care reduc rezistența chimică, cu toate acestea, ca urmare a tratamentului de suprafață a cristalului cu substanțe speciale, în locurile în care se formează dislocații gropi.
Dislocările se formează atunci când cristalele se formează dintr-o fază gazoasă sau fază gazoasă, cu o creștere a blocurilor cu mici unghiuri de misorientare. Când se deplasează locurile de muncă în interiorul unui cristal, se concentrează, formând cavități sub formă de discuri. Dacă astfel de discuri sunt mari, atunci este avantajos din punct de vedere energetic să le "slam" într-o dislocare de margine de-a lungul marginii discului. Dislocările se formează în timpul deformării, în timpul cristalizării, în timpul procesării termice.
Defectele de suprafață reprezintă limitele granulelor, fragmentelor și blocurilor (Figura 2.9).
Fig. 2.9. Dezorientarea boabelor și blocurilor în metal
Dimensiunea granulelor este de până la 1000 μm. Unghiurile de dezorientare sunt de până la câteva zeci de grade (# 920;).
Limita dintre granule este o suprafață subțire de 5 până la 10 diametre atomice cu o perturbare maximă în ordinea atomilor.
Structura stratului de tranziție promovează acumularea de dislocări în el. La limitele granulelor, concentrația impurităților este crescută, ceea ce reduce energia de suprafață. Cu toate acestea, chiar și în interiorul granulei, structura ideală a rețelei cristaline nu este niciodată observată. Există zone care sunt dezorientate unul față de celălalt cu mai multe grade (# 920; 1). Aceste zone sunt numite fragmente. Procesul de împărțire a boabelor în fragmente se numește fragmentare sau poligonizare.
La rândul său, fiecare fragment constă din blocuri cu dimensiuni mai mici de 10 microni, dezorientate cu un unghi mai mic de un grad (# 920; 2). O astfel de structură se numește bloc sau mozaic.
Acestea includ pori, fisuri care au dimensiuni macroscopice, spre deosebire de cele microscopice considerate anterior.
3 Structura materialelor metalice.
Conceptul de fază, micro- și macrostructură. Metode moderne de studiere a structurii. Fractography. Baza termodinamică, mecanismul și cinetica cristalizării. Modificarea metalului lichid. Structura lingoului metalic. Transformări polimorfe în metale. Aliaj, componentă, fază, sistem. Regula de faze. Tipuri de faze formate în aliaje metalice (soluții solide, compuși chimici, amestecuri mecanice).
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: