Особенности атомно-кристаллического строения металлов

Введение 

Материаловедение  относится к числу основополагающих дисциплин для машиностроительных специальностей. Это связано с  тем, что получение, разработка новых  материалов, способы их обработки  являются основой современного производства и во многом определяют уровенем своего развития научно-технический и экономический потенциал страны. Проектирование рациональных, конкурентноспособных изделий, организация их производства невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения. 

Материаловедение является основой для изучения многих специальных дисциплин. 

Разнообразие  свойств материалов является главным  фактором, предопределяющим их широкое  применение в технике. Материалы  обладают отличающимися друг от друга  свойствами, причем каждое зависит  от особенностей внутреннего строения материала. В связи с этим материаловедение как наука занимается изучением строения материала в тесной связи с их свойствами. Основные свойства материалов можно подразделить на физические, механические, технологические и эксплуатационные. 

От физических и механических свойств зависят  технологические и эксплуатационные свойства материалов. 

Среди механических свойств прочность занимает особое место, так как прежде всего от нее зависитнеразрушаемость изделий  под воздействием эксплуатационных нагрузок. Учение о прочности и разрушении является одной из важнейших составных частей материаловедения. Оно является теоретической основой для выбора подходящих конструкционных материалов для деталей различного целевого назначения и поиска рациональных способов формирования в них требуемых прочностных свойств для обеспечения надежности и долговечности изделий. 
 
 

1. Особенности атомно-кристаллического  строения металлов 

Строение металлов в твердом состоянии 

Все металлы  и металлические сплавы – тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металле закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы расположены хаотично. 

Металлическое состояние возникает в комплексе  атомов, когда при их сближении  внешние электроны теряют связь  с отдельными атомами, становятся общими, т.е. коллективизируются и свободно перемещаются между положительно заряженными и периодически расположенными ионами. 

Устойчивость  металла определяется электрическим  притяжением между положительно заряженными ионами и обобщенными электронами (такое взаимодействие получило название металлической связи). 

Сила связи  в металлах определяется силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются  на таком расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной 

Атомно-кристаллическое  строение металлов 

Под атомно-кристаллической  структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Атомы  в кристалле расположены в  определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. 

Для описания атомно-кристаллической  структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки.  

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узле которой  располагаются атомы (ионы), образующие металл. 

Наименьший объем  кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки (решетки). 

Для характеристики элементарной ячейки задают шесть величин: три ребра ячейки a, b, c и три угла между ними α, β, γ. Эти величины называют параметрами кристаллической решетки. 

Кристаллические решетки бывают простыми (атомы только в вершинах решетки) и сложными. 

Металлы образуют одну из следующих высокосимметричных сложных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемноцентрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную (ГПУ) 
 

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. 
 

Расстояние между  ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку, называют периодом решетки, измеряется в нанометрах (1нм = 10-9см = Е= 10-8см).  

Периоды решетки  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. 

Для ГПУ: а, с; с/а = 1,633 (к Zn не относится)  

Число атомов в  каждой элементарной ячейке (плотность  упаковки – равняется числу атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку): 

  

ОЦК: ПУ (плотноупакованная) = ; 

ГЦК: ПУ = ; 

ГПУ: ПУ = . 

  

Координационное число – под ним понимают число  атомов, находящихся на равном и  наименьшем расстоянии от данного атома. Чем выше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов: 
 

ОЦК: расстояние (min) между атомами , на этом расстоянии от рассматриваемого атома находится 8 соседей – К8 . 

ГЦК: , К12. 

ГПУ: Г12 (с/а = 1,633). 

Коэффициент заполнения ячейки (плотность укладки) – определяется как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки:  

ОЦК: 68% 

ГЦК: 74% 

ГПУ: 74%  

Для характеристики величины атома служит атомный радиус, под которым понимается половина расстояния между ближайшими соседними  атомами. Атомный радиус возрастает при уменьшении координационного числа. 
 

2. Типы кристаллических  решеток 

При переходе вещества из жидкого состояния в твердое (например, при застывании расплава металла) или при выпадании твердого вещества в осадок из насыщенного раствора (например, при твердении гипса) атомы и молекулы вещества стремятся занять такое положение относительно друг друга, чтобы силы их взаимодействия оказались максимально уравновешены. Поэтому их положение относительно друг друга оказывается вполне определенным, фиксированным. 

Такой геометрически  правильный и повторяющийся в  пространстве порядок расположения атомов (молекул) называют кристаллической  решеткой. Кристаллическая решетка  представляет собой пространственную сетку, в узлах которой располагаются молекулы, атомы или ионы, образующие кристалл. Существует шесть типов простых кристаллических решеток, наиболее симметричной из которых является кубическая.  

Длину ребер af b, с кристаллической ячейки называют периодами идентичности кристалла. Величины а, Ь, с и а, Р, у (углы между ребрами) однозначно определяют элементарную кристаллическую ячейку и называются ее параметрами.  

В 1848 г. французский  кристаллограф О. Браве показал, что в зависимости от соотношения  величин и взаимной ориентации ребер  элементарной кристаллической ячейки может существовать 14 типов кристаллических решеток. 

Различают примитивные (простые), базоцентрированные, объемно-центрированные и гранецентрированные решетки  Браве. Если узлы кристаллической решетки  расположены только в вершинах параллелепипеда, то такая решетка называется примитивной или простой. Если, кроме того, имеются узлы в центре оснований параллелепипеда, то данная решетка - базо-центрированная. Решетка называется объемно-центрированной, если кроме узлов в вершинах есть узел в месте пересечения пространственных диагоналей параллелепипеда, а гранецентриро-ванной, если кроме узлов в вершинах существуют узлы в центре всех шести граней параллелепипеда. 

В зависимости  от типа решетки различно не только число частиц в элементарной ячейке, но и расстояние между ними, а значит, и плотность упаковки частиц. Число ближайших к рассматриваемому атому соседних атомов называют координационным. Чем оно больше, тем плотнее упакованы частицы в кристаллической решетке. Для металлов характерны гранецентрированные, кубические и гексагональные решетки с координационным числом 12 и объемные - с координационным числом 8. 

Между частицами  твердого тела действуют силы как  притяжения, так и отталкивания. При определенном расстоянии между  частицами эти силы уравновешивают друг друга, и поэтому вещество в твердой фазе находится в равновесном состоянии. 

По современным  воззрениям, атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого с чрезвычайно большой скоростью (в несколько тысяч триллионов оборотов в секунду) вращаются по определенным орбитам электроны, создавая вокруг ядра так называемое электронное облако. 

Ядро атома  обладает определенным электрическим  зарядом, который численно равен  суммарному заряду электронов. Молекула образуется стяжением атомов за счет взаимодействия между электронами, находящимися на их внешних орбитах, и является, таким образом, сложной системой, несущей одновременно положительные и отрицательные заряды. 

По физической природе сил, действующих между  частицами решетки, различают ионные, металлические, межмолекулярные и ковалентные связи. 

Если в узлах  кристаллической решетки расположены  разноименные ионы, то кристаллы называются ионными. Атомы в ионных кристаллах обмениваются электронами, образуя ионы с устойчивыми внешними оболочками. Ионы располагаются так, что силы кулоновского притяжения между ионами противоположного знака больше, чем силы отталкивания между ионами одного знака. Ионный кристалл можно рассматривать как гигантскую ионную молекулу, в которой каждый из ионов взаимодействует со всеми остальными. Поэтому ионная связь является ненаправленной и ненасыщенной. 

В атомных кристаллах атомы в узлах кристаллической решетки взаимодействуют со своими ближайшими соседями за счет ковалентной химической связи. Последняя носит направленный характер: возникает между одинаковыми атомами при образовании общей пары валентных электронов - по одному от каждого атома. Наиболее характерные атомные (ковалентные) кристаллы образуются элементами четвертой группы периодической таблицы: углеродом (алмаз), кремнием, германием и др. 

По аналогии с атомными кристаллами в узлах  пространственной решетки металлических кристаллов размещаются положительные ионы металлов, а структурные связи обусловлены свободно перемещающимся облаком электронов (электронный газ), которое удерживает вместе положительные ионы. Металлическая связь возникает в том случае, если число валентных электронов невелико и при этом они слабее связаны с ядрами. При образовании металлов электронные оболочки валентных электронов перекрываются, поэтому валентные электроны получают возможность переходить от одного атома к другому и свободно перемещаться по всему кристаллу. Обобществленные электроны как бы «стягивают» положительные ионы в прочную структуру, уравновешивая отталкивание между ними. Металлическая связь более гибка и пластична, чем ионная. 

Молекулярные  кристаллы представляют собой достаточно сложную систему из взаимодействующих, плотноупакованных, устойчивых молекул, расположенных в узлах кристаллической решетки. В таких кристаллах молекулы (Н2, N2, С12, Вг2, СаО, Н20 и др.) сохраняют свою «индивидуальность» в газообразной, жидкой и твердой фазах и удерживаются в узлах решетки сравнительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. Последние являются силами притяжения и обусловлены движением электронов в атомах, ив 10...20 раз слабее, чем силы притяжения между ионами. 

Молекулы, образующие кристалл, могут быть полярными. Диполи молекул ориентируются так, что обращенные друг к другу концы соседних диполей разнополярны, и силы притяжения преобладают над силами отталкивания Молекулы, образующие кристалл, могут быть и неполярными. Однако из-за движения электронов и колебания ядер электрические центры тяжести положительных и отрицательных зарядов могут сместиться - возникает мгновенный электрический момент диполя. Диполи ориентируются соответствующим образом, и между молекулами возникают силы притяжения. Примером веществ, обладающих такой связью, служат «сухой лед» (двуокись углерода) и парафин. 

Твердые вещества, как правило, имеют кристаллическое  строение. Оно характеризуется правильным расположением частиц в строго определенных точках пространства. При мысленном соединении этих точек пересекающимися прямыми линиями образуется пространственный каркас, который называют кристаллической решеткой.