Лекции по "Материаловедению"

1. Атомно-кристаллическое  строение металлов.

Металлы, описываемые  пространственной кристаллической  решеткой, под которой понимают наименший  комплекс атомов, при многократной трансляции которых по всем направлениям воспроизводится пространственная кристаллическая решетка.

 В узлах кристаллической  решетки располагаются атомы.

 Пространственную  кристаллическую решетку легче  всего представить в виде элементарной  кристаллической ячейки. Ячейка  – это та часть решетки,  при многократной трансляции  которой она и воспроизводится.

 Три основные вектора  элементарной ячейки называются  трансляционными плоскими осевыми  единицами.

 Абсолютная величина  трансляции – это период кристаллической  решетки.

 Период кристаллической  решетки измеряют в анкстреммах

1А=10-8 см или в кХ (килоиксах), так называемых кристаллографических анкстреммах.

1кХ=1,00202 А

 На одну элементарную  ячейку приходится различное  количество атомов; при чем атомы  занимают определенные места  в ячейке.

 В зависимости от  расположения атомов в ячейке  различают простые, кубические, объемно-центрированные кубические, гранецентрированные кубические, гексагональные решетки.

1.Простая решетка  представляется в виде куба, в  узлах которой располагаются  атомы.

 Простейшая решетка  описывается одним параметром, которым  является ребро куба а.

2.Объемно-центрированная  кубическая решетка (ОЦК) представляет  собой также куб, внутри которого  дополнительно расположен еще  один атом.

 Параметры решетки  определяются длиной ребра куба  а.

3.Гранецентрированная  кубическая решетка (ГЦК) представляет собой куб, В центре каждой грани которого расположены дополнительно по одному атому.

4.Гексагональная плотно  упакованная решетка. В отличие  от кубической характеризуется  двумя параметрами а и с.

 В случае, если отношение  с/а=1,666, то решетка считается плотноупакованной, а иначе – неплотно упакованной.

 Примеры:

 ОЦК – вольфрам, молибден, железо Fea;

 ГЦК – алюминий, медь, никель, железо Feg;

 ГПУ – бериллий  … .

 Некоторые металлы,  например индий, имеют тетрагональную  решетку.

 Свойства металлов при прочих равных условиях определяются типом кристаллической решётки, т.е. количеством атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. На простую ячейку приходит с один полный атом.

 На ОЦК ячейку  приходится два атома: один  атом вносится атомом и один принадлежит только этой ячейке.

 Для ВЦК на одну  ячейку приходится четыре атома.

 Плотность кристаллической  решетки определяется, так называемым  координатным числом. Под координатным  числом понимается число атомов, находящихся на кратчайшем расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки К=8, для ГЦК – К=12 и для ГПУ – К=12.

 От величины координатного  числа зависит компактность (плотность  укладки) кристаллической решетки.  Так в простой кристаллической  решетки плотность укладки атомов  в ячейке составляет менее 50%. В ОЦК – 50%, в решетках с координатным числом 12 – порядка 75%

2. Строение  реальных кристаллов. Дефекты кристаллического  строения.

В реальном кристалле  всегда имеются дефекты строения (несовершенства).

Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на 4 - е группы:

1. Точечные (нульмерные);

2. Линейные (одномерные);

3. Поверхностные (двухмерные);

4. Объемные (трехмерное).

2. Точечные дефекты

Эти дефекты малы во всех трех измерениях и размеры их не превышают нескольких атомных диаметров.

К точечным дефектам относят  вакансии («дырки» - дефекты Шоттки), межузельные атомы (дефекты Френкеля), примесные атомы образующие твердые  растворы внедрения и замещения.

Вакансии образуются в результате перехода атомов из узлов  решетки на поверхность, или их полного испарения с поверхности кристалла (рис. 1).

С повышением температуры  концентрация вакансий возрастает.

Межузельные атомы - эти  дефекты образуются в результате перехода атома из узла решетки в  междоузлие (на месте атома образуется вакансия). В металлах возникают очень трудно, связано с большими затратами энергий на переход атома в междоузлие.

Атомы примесей присутствующие даже в самом чистом металле, как  правило, образуют твердые растворы

Точечные (нульмерные) дефекты  являются центрами локальных искажений в кристаллической решетке. Однако заметные искажения решетки (смещение атомов), окружающие нульмерный дефект, создается только на расстояниях нескольких атомных диаметров (составляют доли межатомного расстояния).

Дефекты Шоттки и Френкеля оказывают влияние на свойства металлов: электропроводность, магнитные свойства, предопределяют процесс диффузии в металлах.

3. Линейные дефекты  или одномерные

Эти несовершенства имеют  малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в  третьем измерении. Дефект имеет протяженность несколько межатомных расстояний.

К линейным дефектам относятся  дислокации, цепочки вакансий или  цепочки межузельных атомов.

Различают дислокации следующих  видов: краевые, винтовые, смешанные.

Краевая дислокация - представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное в ней наличием в ней «лишней» атомной полуплоскости - экстраплоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа (рис. 3).

Образуется дислокация при кристаллизации или сдвиге.

Рассмотрим образование дислокации при сдвиге. Возьмем параллелепипед (кристалл) и проведем сдвиг верхней части кристалла относительно нижней на одно межатомное расстояние, при этом сдвиг охватывает не всю плоскость скольжения, а только часть её АВDС, граница АВ плоскости АВDС и будет дислокацией (рис. 4). Линия краевой дислокации перпендикулярна вектору сдвига . В верхней части кристалла n плоскостей, а в нижней n - 1, т. е. на одну меньше.

Если эксраплоскость находится в верней части кристалла, то дислокация положительная (+), если в нижней - отрицательная (T)

Край экстраплоскости  представляет собой линию краевой (линейной) дислокации, длина которой  может достигать многих тысяч  межатомных расстояний. Дислокация может  быть прямой или выгибаться в ту или другую сторону. Вокруг дислокации на протяжении пяти-семи атомных размеров кристаллическая решетка сильно искажена. Над дислокацией атомы в кристалле уплотнены, а под ней раздвинуты.

Винтовая дислокация - была открыта в 1939г. Бюргерсом. Образуется также при кристаллизации или сдвиге. Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой.

Винтовая дислокация параллельна вектору.

При наличии винтовой дислокации кристалл можно рассматривать  как состоящий из одной атомной  плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности.

Различают винтовые дислокации левые и правые. Винтовая дислокация параллельна вектору сдвига.

Искажения кристаллической  решетки, вызванные дислокациями.

Дислокации окружены полями упругих напряжений, вызывающих искажение кристаллической решетки.

В краевой дислокации выше края экстраплоскости межатомные расстояния меньше нормальных, а ниже края - больше.

Критерием искажения  кристалла служит вектор Бюргерса.

Вектор Бюргерма позволяет  найти силы, требуемые для продвижения дислокации, силы взаимодействия и энергию дислокаций и т.д. В краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен к её линии, а у винтовой - параллелен ей.

Дислокации находящиеся  в одной плоскости скольжения и имеющие разные знаки (например + и T) притягиваются и взаимно уничтожаются (аннигилируют) и наоборот.

Под действием напряжений дислокации двигаются (скользят), что  определяет дислокационный механизм пластической деформации.

Дислокации влияют на прочностные пластические свойства металлов; а также и на их физические свойства - увеличивают электросопротивление, скорость диффузии и др.

Скопление примесных  атомов внедрения у экстраплоскости  дислокации называется облаком (атмосферой) Котрелла, при этом энергия упругих  искажений в кристалле понижается.

Важной характеристикой дислокаций является величина плотности дислокации. Под плотностью дислокации понимают суммарную длину дислокации l, приходящуюся на единицу объема V кристалла в см/см3 = см-2:

В металле имеется  большое число дислокаций (106-1012см-2).

4. Поверхностные или  двухмерные дефекты

Эти дефекты малы только в одном измерении. К ним относятся  границы зерен, границы блоков, дефекты  упаковки, двойниковые границы.

Металлы, используемые в  технике, состоят из большого числа  кристаллов неправильной формы, называемых зернами или кристаллитами. По границам между зернами металла нарушается правильность строения кристаллической решетки. Обычно зерна повернуты произвольно. Разориентация между соседними зернами составляет от нескольких градусов до десятков градусов (обычно более 50) Граница между зернами называется - большеугловой.

Границы между отдельными кристаллитами (зернами) представляют собой переходную область шириной  в 5 - 10 атомных размеров, в которой  решетка одного кристалла, имеющего определенную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого кристалла, имеющего иное кристаллографическое направление. Поэтому на границе зерна атомы имеют менее правильное расположение, чем в объеме зерна

Двойники (границы двойников).

Двойникованием называют симметричную переориентацию областей кристаллической решетки. Решетка внутри двойниковой прослойки является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла

Нульмерные, двухмерные, одномерные дефекты относятся к  микродефектам т. е. которые нельзя наблюдать невооруженным глазом.

5. К объемным (трехмерным) дефектам относят такие, которые  имеют размеры в трех измерениях: неметаллические включения, царапины, макроскопические трещины, поры  и т. д.

6. Диффузия - под ней  понимают перемещение атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния данного вещества.

Процессы связанные  с диффузией: процесс кристаллизации, фазовые превращения, рекристаллизация, процессы насыщения поверхности  другими компонентами.

Самодиффузия - процесс перемещения атомов не связанный с изменением концентрации и отдельных объемах.

Диффузия (гетеродиффузия) - перемещение атомов сопровождается изменением концентрации (происходит в металлах с повышенным содержанием  примесей и в сплавах).

3.Аллотропия металлов. Анизотропия.

Аллотропия металлов.

Многие металлы в  твердом состоянии при изменении  температуры могут существовать в разных кристаллографических формах. Это явление называют полиморфизмом  или аллотропией, а процесс - полиморфным  или аллотропическим превращением.

Температура, при которой  происходит какое-либо превращение  в металле (например, переход из жидкого  состояния в твердое), называется критической, а точки, обозначающие начало и конец этого превращения - критическими.

В реальных условиях в процессе кристаллизации металл обычно остается жидким ниже теоретической температуры затвердевания и процесс кристаллизации начинается при температуре переохлаждения.

Величина является степенью переохлаждения. Это переохлаждение зависит от природы металла, степени его загрязненности различными включениями и скорости охлаждения. У некоторых металлов оно может быть значительным, например для сурьмы достигает 41 °С (кристаллизация начинается при 631 °С-41 °С = 590 °С). При переохлаждении процесс кристаллизации начинается бурно, в результате чего температура металла скачкообразно повышается.

Полиморфные модификации  обозначают греческими буквами, которые  в виде индексов добавляют к символу, обозначающему элемент. Превращение  одной модификации в другую при нагреве чистого металла сопровождается поглощением тепла, а при охлаждении- выделением тепла. Полиморфные превращения металлов протекают в том случае, если при данной температуре этот металл может существовать с иной кристаллической решеткой и меньшим запасом свободной энергии. Температура, при которой происходит переход одной полиморфной модификации в другую, называется температурой полиморфного превращения.

Особое внимание к  качеству металла уделяется на производстве труб. Трубы профильные изготовленные  по ГОСТ - http://kpmtrade.ru/trubi_profilnie.html. Поставщик, хорошо себя зарекомендовавший - КПМ Трейд.