ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Кристаллическое строение металлов из "Технология металлов и конструкционные материалы " Аморфные и кристаллические т ел а. Всякое тело состоит из атомов. Тела, в которых атомы расположены беспорядочно, без системы, называются аморфными, например стекло, воск, смола. Аморфное, структурно бесформенное вещество яз-, ляется изотропным, т. е. имеет одинаковые свойства по всем направлениям. [c.35] обладающие строго упорядоченным взаимным расположением атомов, называются кристаллическими. Они могут обнаруживать сильно различающиеся свойства в разных геомет- ричеоких направлениях, т. е. кристаллические тела являются анизотропными. Примерами кристаллических тел являются металлы и сплавы. [c.35] Характерные признаки металлов — их специфический блеск, непрозрачность, электропроводность и теплопроводность. Великий русский ученый М. В. Ломоносов первый дал наиболее ясное определение металла в следующих словах Металлы суть светлые тела, которые ковать можно . Эти признаки металлов обусловлены особенностями строеиия атомов металлов и их взаимного сочетания. [c.36] Гранецентрированная кубическая решетка. Элементарная ячейка такой решетки (рис. 16, б) состоит из 4 атомов — восемь атомов в вершинах куба и по одному в центре каждой грани куба (шесть ато мов). Граиецентрированную кубическую решетку и.меют следующие элементы А Са Ре-, N1 Си Со Ag РЬ Р1 Аи и др. параметры некоторых из них в ангстремах ( ) следующие А1 —4,05 Ре,—3,60 Аи —4,08 Си —3,61 РЬ —4,94. [c.36] Находящиеся в узлах кристаллической решетки атомы, легко отдавая свои валентные электроны, обращаются в положительно заряженные ионы. Таким образом, в узлах кристаллической решетки металла располагаются не нейтральные атомы, а положительно заряженные ионы, пространство между которыми заполнено отрицательно заряженными электронами — электронным газом . Свободные электроны, притягиваясь одновременно к нескольким положительно заряженным ионам, обусловливают связь между ними. [c.37] Особенности строения кристаллических тел. Геометрическая правильность в расположении атомов в кристаллических телах придает их свойствам некоторые особенности, отличающие их от свойств тел некристаллических, или аморфных. Первой такой особенностью, как указывалось выше, является анизотропность свойств, или векториальность, под которой понимается неодинаковость свойств в разных направлениях. Если взять один крупный кристалл металла (монокристалл), вырезать из него образцы в разных направлениях к оси кристалла и испытать их свойства (механические и физические), то можно получить подтверждение анизотропности. Так, например, такие опыты, производившиеся над образцами, вырезанными из монокристалла меди, показали, что предел прочности в разных направлениях колеблется от 14 до 35 кГ/мм , относительное удлинение 8 — от 10 до 55% большие колебания замечены по теплопроводности и электропроводности. Анизотропность — неизбежное следствие правильности расположения атомов в решетке, она имеет большое значение в технике. [c.37] Переход металла из одного состояния в другое можно проследить по кривым нагревания и охлаждения, построенным экспериментально в координатах температура — время (рис. 17). [c.38] Твердый металл, нагретый до определенной температуры, начинает плавиться. Вследствие поглощения металлом скрытой теплоты плавления, температура остается постоянной л), что Отмечено на графике горизонтальным участком кривой нагревания (рис. 17, а). Только после того как металл расплавился полностью, его температура повышается по наклонному участку кривой. Расплавленный металл охлажЯается плавно до температуры кристаллизации, а затвердевает при постоянной температуре (горизонтальная площадка) (рис. 17,6). Эго указывает на то, что отвод тепла охлаждением компенсируется скрытой теплотой кристаллизации. После окончания затвердевания металла температура его плавно понижается. Кривые нагрева и охлаждения (см. рис. 17, а, б) характеризуют процесс равновесного превращения, так как в данном случае показ.ано совпадение температуры кристаллизации с температурой плавления. [c.38] Величиной, ила степенью, переохлаждения называется разность между равновесной (теоретической) и фактической те.нпе-ратурами кристаллизации. Например, равновесная температура затвердевания сурьмы = 631°С. Если жидкая сурьма была переохлаждена до иереохл = Ь Ъ°С и при этой температуре стала кристаллизоваться, то степень переохлаждения и = 63ГС—595°С = = 36°С. [c.39] На графике сильное переохлаждение у некоторых металлов отобразится кривой охлаждения и петлей на ней вследствие сильного переохлаждения на кривой охлаждения образуется петля (рис. 17,г), указывающая на то, что в результате большого переохлаждения в начальный момент кристаллизации бурно выделяется скрытая теплота затвердевания и температура металла скачкообразно повышается, приближаясь к tnл. Величина, или степень, переохлаждения зависит от скорости охлаждения чем больше скорость охлаждения, тем больше переохлаждение. Аморфные же тела затвердевают постепенно у них нет резкого перехода из жидкого состояния в твердое и нет, следовательно, определенной температуры затвердевания. Поэтому кривые охлаждения аморфных тел имеют плавный характер, как это показано на рис. 17, . [c.39] Механизм процесса кристаллизации. Основоположник научного металловедения Д. К. Чернов, изучая строение литой стали, установил, что процесс кристаллизации металла складывается из двух элементарных процессов 1) образования центров кристаллизации, или зародышей 2) роста кристаллов из этих центров-зародышей. При температуре кристаллизации в жидком металле сначала образуются центры кристаллизации, вокруг которых группируются атомы и образуют кристаллы правильной геометрической формы. Так как одновременно возникает множество зародышей и рост кристаллов идет по всем натаравлениям, то смежные кристаллы, сталкиваясь между собой, мешают свободному росту каждого. А это приводит к тому, что кристаллы получают неправильную внешнюю форму, несмотря на их правильное внутреннее строение. Кристаллы неправильной формы принято называть кристаллитами, полиэдрами или, чаще, зернами. [c.39] Центры кристаллизации и их рост. В результате быстрого охлаждения и, следовательно, увеличения степени переохлаждения расплавленного металла число центров кристаллизации (ЧЦ), возникающих в единицу времени (минуту) в единице объема (1 см ), резко увеличивается. [c.39] Для получения зерен нужного размера в литых деталях приходится регулировать скорость охлаждения, применяя искусственные меры постановку холодильников, отливку в металлические формы и др. [c.40] В современной технике широко используются искусственные способы создания центров кристаллизации путем введения в расплавленный металл специальных веществ, называемых модификаторами. Например, сталь часто модифицируют алюминием и титаном серый чугун — ферросилицием, магнием и медью силумин — натрием и т. д. [c.40] Аллотропическое превращение представляет собой вторичную кристаллизацию металла и аналогично процессу первичной кристаллизации его из жидкости для начала аллотропического пре-врашения требуется переохлаждение, образование но вых зерен происходит из центров кристаллизации за счет их последующего роста. [c.40] Горизонталь на кривой охлаждения при 768°С показывает не перестройку решетки, а возникновение магнитных свойств в железе выше 768°С железо немагнитно, ниже 768°С магнитно. [c.41] Изменение строения кристаллической решетки железа влечет за собой изменение некото рых его свойств так, Ре почти не растворяет углерода, Fe-f растворяет до 2 /о. [c.41] Кристалл хрома имеет решетку центрированного куба следовательно, ребро кристалла, состоящее из 10 элементарных ячеек, содержит 11 атомов, а вся грань—11-11 = 121 атом. Таких граней в кристалле 11 следовательно, во всем объеме будет 121-11 = 1331 атом. Кроме этих плоскостей, в кристалле имеются плоскости, в которых атомы находятся в центре ячеек решетки. В каждой плоскости таких атомов должно быть 10 = 100, а во всем объеме 100- 10 = 1000 таким образом, общее количество атомов в рассматриваемом кристалле составит 1331 1000 = 2331 атом. [c.41] Вернуться к основной статье