Атомно-кристаллическое строение металлов

Раздел 1.Материаловедение

Для изготовления деталей машин требуются материалы с различными свойствами, способные работать при высоких нагрузках, положительных и отрицательных температурах, в агрессивных или абразивных средах. 

Материаловедение – наука о связи между составом, структурой и свойствами материалов и закономерностях их изменения при внешних воздействиях.

 

 

	свойства

 

Тема 1.1 Металловедение

Понятие о металлах

Классификация металлов

Основу современной техники составляют металлы и металлические сплавы. Сегодня металлы являются самым универсальным по применению классом материалов.

Металлы – вещества, которые обладают ковкостью, блеском, электропроводностью и теплопроводностью. В технике все металлические материалы называют металлами и делят на две группы.

Железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы - цветными.

На основе железа изготовляется до 95 % всех конструкционных и инструментальных материалов. Этосвязано с большим содержанием железа в земной коре, его низкой стоимостью, высокими технологическими и механическими свойствами.  

Цветные металлы по сходным свойствам подразделяют на подгруппы:

- легкие металлы (Li, Mg, Be, Al, Ti) c плотностью до 5 г/см³;

- тяжелые металлы (Pb, Mo, Ag, Pt, W, Ta, Ir, Os)  с плотностью выше 10 г/см³;

- легкоплавкие металлы (Sn, Pb, Zn) с температурой плавления 232º C, 327º C, 410º С соответственно;

- тугоплавкие металлы (W, Mo, Ta, Nb) c температурой плавления, большей, чем у железа (˃1536º C);

- благородные металлы (Au, Ag, Pt) c выcокой устойчивостью к коррозии;

- урановые металлы;

- редкоземельные металлы;

- щелочные и щелочноземельные металлы (Na, K, Li, Ca).

Атомно-кристаллическое строение металлов

Металлы имеют кристаллическое строение, т.е. характеризуются упорядоченным расположением атомов – кристаллической решеткой.

Минимальный объем кристалла, полностью сохраняющий все его свойства, называется элементарной ячейкой.

Всего для кристаллических тел существует четыре типа решеток:

1. Примитивная – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек.

2. Базоцентрированная кубическая (БЦК) – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях.

3. Объемно-центрированная кубическая (ОЦК)– атомы занимают вершины ячеек и ее центр. Данную решетку имеют металлы: Pb, K, Na, Li, Ti, W, Ta, Cr и др.

4. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней. Данную решетку имеют металлы: Sr, Tn, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Cu, Co идр.

Основными параметрами кристаллической решетки являются:

1. Период – расстояние между центрами ближайших атомов,  ().

2. Координационное число – число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.

3. Базис решетки – количество атомов в элементарной ячейке.

4. Плотность упаковки – объем, занятый атомами.

Задача. Рассчитаем число атомов, приходящихся на одну ячейку в решетке ОЦК.

 

Решение:

Пронумеруем атомы в ячейке. Каждый атом в вершине куба (1-8) принадлежит восьми соседним ячейкам, следовательно, данной ячейке принадлежит 1/8 атома. Таких атомов 8: атом и один атом в центре решетки (9). .

Ответ: 2 атома.

 

Неодинаковое число атомов вдоль различных направлений кристаллической решетки приводит к анизотропии - различию физических свойств кристалла в разных направлениях решетки. Все кристаллы анизотропны.

В реальных кристаллах всегда имеются дефекты строения. Несовершенства строения кристаллов связаны с колебательным движением атомов вокруг узлов решетки. Отдельные атомы, называемые дислоцированными, выходят из узла решетки. Место, где находился атом (вакансия) не остается свободным, его занимает атом из более глубоких слоев, в результате решетка искажается.

Различают точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты. Точечные дефекты малы во всех трех измерениях. К ним относятся вакансии, межузельные атомы, атомы примеси.

 

 

 

 

Линейные дефекты (дислокации) малыв дух измерениях и сколь угодно протяжны в третьем. Поверхностные дефекты образуются на границе отдельных кристаллов (зерен) и малы лишь в одном измерении. Объемные дефекты (пороки кристаллов) – это трещины, включения с другим типом решетки, поры, раковины.  

Деффекты в кристаллах сильно влияют на свойства материалов.