2020-04-07
255
Для описания характерных особенностей строения металлов введем понятие фазы и структуры. Фаза – однородная составная часть системы, имеющая одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделенная от остальных частей поверхностями раздела. Большинство металлов, применяемых в технике, имеет многофазное строение. Например, стали 08кп, 45, Ст. 3 содержат ферритную и перлитную фазы, закаленные стали У12, Х12М, Р6М5 – мартенситную, карбидную и аустенитную фазы. Структура – характеристика фазового состава металла, которая определяется формой, размерами и особенностями взаимного расположения соответствующих фаз. Различают макроструктуру и микроструктуру.
Рис. 5.1. Микроструктуры армко-железа (а) и стали 20 (б):
1 – зерна феррита; 2 – зерна перлита.
Чтобы изучать структуры металлов, необходимо соответствующим образом подготовить их поверхности: сделать макро - или микрошлиф. Микрофотографии дают основание считать, что металлы имеют зернистое строение. Более тонкие методы исследования (рентгенографические, электронографические) позволили установить, что каждое зерно - кристаллическое образование, в котором атомы располагаются в определенной закономерной последовательности.
|
|
|
Кристалл – это твердое тело, в котором пространственное расположение атомов повторяется периодически и которое ограничено плоскостями, образующими друг с другом определенные углы. Кристаллы неправильной огранки, из которых состоят технические металлы, называют кристаллитами. Размеры кристаллитов обычно невелики (от миллиметров до микрометров). Поэтому детали машин и другие металлические изделия состоят из большого количества кристаллитов. Тело, состоящее из большого количества сросшихся друг с другом кристаллитов, называют поликристаллическим. В технике нередко используют тела, представляющие собой один большой кристалл. Такое тело называют монокристаллическим или просто монокристаллом.
Для характеристики закономерности расположения атомов в пространстве введем понятие о кристаллической решетке. Кристаллическая решетка – это простейшая модель кристалла, представляющая собой совокупность точек – центров колебания атомов, расположенных в пространстве так, что каждая точка имеет соседей, положение которых по отношению к ней совершенно одинаково. На рис. 5.2 показана схема простой кубической решетки. Любая точка в ней, например К, имеет шесть ближайших соседей. Каждая из соседних точек в свою очередь имеет шесть ближайших соседей, расположенных точно так же, как соседи располагаются вокруг точки К. Для наглядного изображения кристаллических решеток удобно их точки соединить прямыми (рис. 5.2). Элементарная ячейка – это наименьший комплекс точек, обладающих Рис. 5.2. Схема простой
|
|
|
всеми свойствами симметрии решетки, кубической решетки,
который при многократном повторении KLMNOPQR – элементарная
в пространстве вдоль координатных осей ячейка.
позволяют воспроизвести кристаллическую решетку. Длина ребра элементарной ячейки, которая соответствует линейному сдвигу, необходимому для нового совмещения ячейки с решеткой, называется параметром решетки.
Для однозначного описания элементарной ячейки в общем случае нужно задать три параметра a, b, c вдоль осей x, y, z, а также три угла α, β, γ, которые образуют оси x, y, z. Очевидно, что для кубической решетки α = β = γ = 90°, а a =b =c.
Математически доказано, что имеется только четырнадцать различных типов кристаллических решеток. Однако для описания строения металлов, имеющих широкое промышленное применение, достаточно трех.
Кубическая объемно – центрированная (ОЦК) (рис. 5.3, а). Для нее a =b =c, α = β = γ = 90°. Элементарная ячейка – куб, в центре которого расположен атом. Эта решетка характерна для α – железа, ванадия, калия, лития, молибдена, натрия, хрома, а также их сплавов.
| а |
| в |
| б |
Рис. 5.3. Кристаллические
решетки, типичные для
большинства металлов:
ОЦК (а), ГЦК (б) и ГПУ (в) -
Кубическая гранецентрированная (ГЦК) (рис. 5.3, б). Для нее также a =b =c, α = β = γ = 90°. Элементарная ячейка – куб, в центре каждой грани которого расположено по атому. Эта решетка характерна для γ – железа, алюминия, золота, меди, никеля, платины, серебра, свинца, а также их сплавов.
Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) (рис. 5.3, в). Для нее a =b ≠c, α = 120 °, β = γ = 90°. Элементарная ячейка – прямоугольгая шестигранная призма, внутри которой расположено три атома. Эта решетка характерна для бериллия, кадмия, кобальта, магния, осьмия, рения, титана, цинка, циркония.
