МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ЛЕКЦИЯ 2.

Вопрос 1. Строение и свойства чистых металлов.

Определение металлов.

Основную часть элементов периодической системы Д.И. Менделеева составляют металлы. Металлы различают простые, переходные, редкоземельные. У простых металлов внешние уровни электронной оболочки либо полностью заполнены, либо полностью не заполнены. К ним относятся Al, Cu, Mg, Zn, Cd, Be, Li. У переходных металлов внешние уровни заполнены не полностью и заполняются непоследовательно. К ним относятся Mn, Fe, Со, Ni, Cr, W, V, Ti, Nb, Та, Zr, Mo. К редкоземельным металлам относят обычно лантаноиды (La, Се, Nd, Sm, Yb, Еr) и др. Металлы обладают пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью и особым металлическим блеском.

Основные типы кристаллических решёток.

В твёрдом состоянии в обычных условиях атомы металлов располагаются в пространстве упорядоченно и образуют кристаллическую структуру. Для представления о периодичности повторения частиц в пространстве используют пространственные решётки. В узлах кристаллических решёток размещаются атомы или положительно заряженные ионы металлов, которые окружены общими коллективизированными валентными электронами.

Наиболее распространёнными для металлов являются структуры:

- объёмноцентрированная кубическая — ОЦК (a–Fe, Cr, a–W, Mo, b–Ti, Zr, V, b–Hf, Nb, Та и др.);

- гранецентрированная кубическая — ГЦК (g–Fe, Al, Сu, Pt, Ag, Au, Ni и др.);

- гексагональная плотноупакованная — ГПУ (a–Ti, Mg, Zn, Be, a–Zr, a–Hf, Re, a—Co и др.).

Рисунок 1 — Кристаллические решётки

а — объёмноцентрированная, б — гранецентрированная, в — гексагональная.

В кубической гранецентрированной решётке атомы располагаются в вершинах элементарной ячейки и в центрах её граней. Каждый атом имеет 12 ближайших соседей, расположенных на одинаковых расстояниях, равных 0,707 а, где а — длина ребра куба элементарной ячейки. ГЦК структура содержит два типа пустот (междоузлий), которые могут занимать более мелкие атомы других элементов — в центре куба и посредине его рёбер. Каждая из таких пустот окружена шестью атомами ГЦК решетки, расположенных в вершинах правильного октаэдра. Поэтому такие пустоты называются октаэдрическими. Более мелкие пустоты называют тетраэдрическими, поскольку их окружают четыре атома ГЦК решётки.

Структура объемноцентрированного куба является менее плотноупакованной, чем кубическая гранецентрированная. В решётке ОЦК атомы располагаются в вершинах и в центре элементарной ячейки. Каждый атом в этой решётке имеет восемь ближайших соседей, расположенных на одинаковом расстоянии, равном 0,866 а. В структуре ОЦК также имеется два типа пустот. Более крупные расположены на гранях элементарной ячейки и окружены четырьмя атомами ОЦК решётки, а более мелкие окружены шестью атомами, расположенными в вершинах неправильного октаэдра.

Гексагональная плотноупакованная структура состоит из отдельных слоёв. Каждый атом любого слоя окружён шестью расположенными на равных расстояниях с соседями этого же слоя и имеет по три ближайших соседа в слоях, расположенных выше и ниже данного слоя. Поэтому в ГПУ структуре каждый атом имеет 12 ближайших атомов соседей, расположенных на одинаковом расстоянии от него. ГПУ структура также имеет два типа пустот — октаэдрические и тетраэдрические.

Пространственную ориентацию кристаллических плоскостей и направлений в решётке кристалла определяют в кристаллографической системе координат:

Рисунок 2 — Кристаллографические направления в кубической решётке.

Свойства кристаллов зависят от ориентации, в которой они определяются. Это связано с различием расстояний в решётке кристалла в зависимости от направления. Кристаллические вещества являются анизотропными. Материалы с аморфной структурой или поликристаллы с равновероятным расположением кристаллитов обычно изотропны, так как все зерна имеют различную ориентировку. Монокристаллы имеют направленное кристаллическое строение и поэтому анизотропны. Известна анизотропия механических свойств (прочности, пластичности, усталости, вязкости разрушения и др.), электро- и теплопроводности, магнитных свойств, оптическая анизотропия. Свойства анизотропных кристаллов имеют определённую симметрию так же, как и симметрию в их строении. При симметрии свойств в кристаллах существуют некоторые эквивалентные направления с одинаковым значением свойств. У кристаллов с большим количеством плоскостей и осей симметрии анизотропия меньше, чем у менее симметричных кристаллов. Однако даже для металлов с ОЦК и ГЦК решёткой, отличающихся высокой симметрией, наблюдается существенное различие свойств в зависимости от направления. Для правильной оценки механических свойств, долговечности деталей необходимо учитывать направления, в которых они определяются. Наличие неблагоприятной ориентировки с низкими механическими свойствами, может служить причиной преждевременной поломки деталей.

В настоящее время широкое применение, в частности в двигателестроении, нашли направленные и монокристаллические детали, получаемые по специальной технологии. Подавляющее большинство металлических изделий в авиатехнике имеет поликристаллическую, так называемую квазиизотропную структуру, состоящую из большого количества беспорядочно ориентированных кристаллов. Свойства таких материалов во всех направлениях одинаковы.

При обработке металлических поликристаллических материалов давлением отдельные кристаллиты могут поворачиваться, вытягиваться и ориентироваться в определённом направлении. Тогда свойства таких изделий с преимущественной ориентировкой зёрен кристаллитов имеют отчётливо выраженную анизотропию — вдоль и поперёк прокатки. Текстурой называется преимущественная ориентировка кристаллов в поликристаллических материалах, обеспечивающая анизотропию свойств, а полученные таким образом материал — текстурированным.

Существует немало металлов, которым присуще явление полиморфизма — свойство металлов образовывать различные кристаллические структуры при изменении внешних условий (температуры, давления) с сохранением химического состава. Полиморфные превращения сопровождаются изменением кристаллического строения, удельного объёма металла, выделением или поглощением тепла. Полиморфные превращения бывают обратимые и необратимые. Полиморфные превращения имеют важное практическое значение, поскольку позволяют упрочнять сплавы при термической обработке, так как изменение форм кристаллов сопровождается изменением растворимости элементов в них.

Дата добавления: 2014-12-09; просмотров: 231; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!