Всего на сайте:
148 тыс. 196 статей

Главная | Химия

Кристаллическое строение металлов  Просмотрен 170

Глава 1.Кристаллическое строение и свойства металлов и сплавов

Кристаллическое строение металлов

Основными конструкционными материалами в настоящее время являются металлы и их сплавы. Металлами называются твердые кристаллические тела, имеющие характерный металлический блеск и обладающие высокими показателями теплопроводности, электропроводности, пластичности.

В твердом состоянии металлы имеют кристаллическое строение, которое характеризуется упорядоченным расположением атомов (ионов) в пространстве с образованием кристаллических решеток. Наибольшее распространение имеют три типа кристаллических решеток:

· объемно-центрированная кубическая решетка - ОЦК (рис. 1.1), а - параметр решетки (расстояние между двумя соседними атомами, измеренное вдоль ребра). Такую решётку имеют металлы: Fe Ti, Cr, Мо и др.;

· гранецентрированная кубическая решетка - ГЦК (рис. 1.2). Такую решётку имеют металлы: Fe, Си, Ni, и др.

· гексагональная плотноупакованная решетка - ГПУ (рис. 1.3). Такую решётку имеют металлы: Mg, Ti и др.

Рис. 1.1. ОЦК решетка

Некоторые металлы изменяют свою решетку в зависимости от температуры. Это явление называется полиморфизмом или аллотропией. Каждая полиморфная модификация обозначается буквами греческого алфавита.

Так, полиморфизм свойственен железу. Изменение решетки железа происходит при температуре 911°С. Модификация железа, которая существует при температуре ниже 911°С, имеет решетку ОЦК и обозначается Feα, а модификация, которая существует при температуре выше 911°С, имеет решетку ГЦК, и обозначается Feγ. Это же относится и к титану. Титан, имеющий решётку ГПУ, обозначается Tiα, а титан имеющий решётку ОЦК обозначается Tiβ.

Полиморфизм имеет большое практическое значение. На использовании этого явления основаны способы упрочнения и разупрочнения сплавов с помощью термической обработки.

Процесс образования кристаллической решетки в металлах, сплавах и неметаллах называется кристаллизацией. Она бывает первичной и вторичной. Первичная - это кристаллизация из жидкого состояния и она свойственна всем металлам, а вторичная - кристаллизация из твердого состояния и она свойственна металлам, для которых присуще полиморфное превращение, а также в случае изменения растворимости с выделением избыточных фаз в твёрдом состоянии. Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: I - образование зародышей (центров кристаллизации) (рис. 1.4, а); II - рост кристаллов.

Рис. 1.4. Схема процесса кристаллизации металлов и сплавов

На рис. 1.4 показано, как происходит зарождение и рост кристаллов: 1 - зарождение кристаллов; 2-4 - зарождение новых и рост образовавшихся ранее кристаллов; 5-7 - рост кристаллов.

Кристаллы имеют правильную форму и правильное внутреннее строение.

В результате роста кристаллов, между последними происходит столкновение. Кристаллы приобретают неправильную внешнюю форму, но сохраняют правильное внутреннее строение. Такие кристаллы называются кристаллитами или зернами. Их можно увидеть с помощью оптического микроскопа. Процесс кристаллизации количественно можно оценить двумя параметрами: скоростью зарождения центров кристаллизации [V3] и скоростью их роста [Vp]. V3 - это количество центров, которые зарождаются в единице объема за единицу времени [1/мм3·с], [1/мм3·мин]. Vp - это скорость увеличения линейных размеров за единицу времени [мм /с], [мм/мин].

Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения величин V3 и Vр. При большом значении Vp и малом V3 образуется небольшое количество крупных кристаллов. При малых значениях Vp и больших V3 образуется большое количество мелких кристаллов.

Размер зерен существенно влияет на свойства металлов и сплавов на их основе. Чем мельче размер зерна, тем выше уровень свойств. Существуют следующие способы измельчения зерна:

увеличение скорости кристаллизации;

модифицирование - введение дополнительных центров кристаллизации. В качестве дополнительных центров кристаллизации применяют металлические порошки Ti, Mo, V и др.

В большинстве случаев процесс кристаллизации усложняется тем, что в направлении большего отвода тепла рост кристаллов происходит быстрее, чем в других направлениях. Это приводит к образованию кристаллов древовидной формы, которые называются дендритами (рис.

1.5).

Рис.1.5. Схема дендрита

Дендрит состоит из оси первого порядка 1, от которой идут ответвления (оси второго 2 и последующих порядков 3 и т.д., рис. 1.5).

Контрольные вопросы

1. Что такое металлы?

2. Назовите наиболее распространенные типы кристаллических решеток.

3. Что такое полиморфизм?

4. Что такое кристаллизация?

5. В чем отличие первичной кристаллизации от вторичной?

6. Из каких стадий состоит процесс кристаллизации?

7. Что такое зерно?

8. Какие Вы знаете количественные параметры процесса кристаллизации?

9. При каком соотношении количественных параметров процесса кристаллизации можно получить мелкое и крупное зерно?

10. Как практически можно измельчить зерно?

11. Что такое дендрит?

 

Предыдущая статья:Геометрія 7 клас. Следующая статья:Эксплуатационные свойства конструкционных материалов
page speed (0.0145 sec, direct)