Кристаллическое строение металлов. Основы строения и свойств металлов

Основы строения и свойств металлов

III. Конструкционные материалы

ЛЕКЦИЯ №14

Конструкционные материалы – это твердые материалы, предназначенные для изготовления изделий, подвергаемых механическому нагружению.

Конструкционные материалы можно разбить на следующие типы:

1. Металлы и сплавы (стали, чугуны, цветные металлы и т.д.)

2. Неметаллические материалы (полимеры, пластмассы, древесные материалы, резины и т.д.)

3. Композиционные материалы. Это материалы, объединенные разными способами в монолит и сохраняющие при этом индивидуальные особенности.

Прообразом современных композиционных материалов считается железобетон.

Несмотря на достигнутые успехи в создании и использовании неметаллических материалов (пластмассы, полимеры и др.) основными конструкционными материалами еще долгое время будут оставаться металлы и сплавы.

Металлы являются телами кристаллическими. Кристаллическая решетка – регулярное расположение в кристаллах частиц (атомов, ионов), характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях.

Если соединить атомы воображаемыми линиями в трех взаимно перпендикулярных направлениях, то получится пространственная кристаллическая решетка. Ее наименьшим структурным образованием является элементарная ячейка, контур которой представляет геометрическое тело, например куб или шестигранную призму.

Ещё в 1890 – 1891 гг. русский минералог Е. С. Федоров систематизировал все известные кристаллы и выделил 230 пространственных групп.

Металлы имеют кристаллические решетки различных типов, наиболее типичными из которых являются:

– объемно-центрированная кубическая (ОЦК);

– гранецентрированная кубическая (ГЦК);

– гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

В объемно-центрированной кубической решетке восемь атомов располагаются в вершине куба и один – в центре куба (на пересечении диагоналей). Характерным линейным размером этой решетки является расстояние а между двумя атомами, расположенными вдоль одного ребра. Этот линейный размер называется параметром решетки. Значение параметра решетки а для различных металлов от 0,2 до 0,7 нм (1 нм = 10^-9 м). ОЦК решетку имеют железо (при низких температурах), ванадий, вольфрам, молибден, хром и другие металлы.

В гранецентрированной кубической решетке атомы расположены в вершинах куба и в центрах шести граней (в центре куба атома нет). ГЦК решетку имеют алюминий, медь, никель, свинец, серебро и другие металлы.

Гексагональная плотноупакованная решетка представляет собой шестигранную призму, в основании которой расположены правильные шестиугольники. Атомы расположены в вершинах и центрах этих шестиугольников. Еще три атома расположены в вершинах правильного треугольника, находящегося посредине между основаниями. Для ГПУ решетки характерны параметры а и с. ГПУ решетку имеют магний, цинк, титан, цирконий и другие металлы.

Способность металла изменять тип своей кристаллической решетки в зависимости от температуры называется аллотропией или полиморфизмом, а переходы от одного кристаллического строения к другому называется аллотропическими или полиморфными.

Некоторые металлы, например железо, титан, олово и другие, способны изменять свое кристаллическое строение, перестраивая тип элементарной ячейки. Так железо до температуры 911 °С имеет ОЦК решетку, а при превышении этой температуры перестраивается в ГЦК решетку, которая сохраняется до температуры

1 392 °С. После чего решетка вновь перестраивается и приобретает ОЦК строение, сохраняя его плоть до температуры плавления 1 539 °С.

В кристаллической решетке по различным направлениям находится разное число атомов. Из-за различной плотности расположения атомов в разных плоскостях некоторые свойства кристалла зависят от направления. Зависимость свойств от направления в кристалле называется анизотропией. Если свойства тела не зависят от направления, то такие тела называют изотропными.