2015-03-27
852
Твердые тела в зависимости от скорости охлаждения при кристаллизации делят на аморфные и кристаллические.
Аморфный металл получается при скоростях охлаждения 106…107 °С/с и более. Атомы при этом не располагаются в правильном порядке, не образуют кристаллов. Аморфное твердое тело является изотропным, т.е. обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях. Кроме того, ему присущи высокая твердость, хорошая коррозионная стойкость и др. свойства. Если такое тело нагреть до определенной температуры, которая приведет к значительному повышению тепловой активности атомов, то аморфное состояние его перейдет в кристаллическое. Можно получить и смешанную структуру: аморфная основа и образовавшиеся в ней кристаллы.
В кристаллических твердых телах (при меньших скоростях охлаждения) атомы расположены в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы и создавая кристаллическую решетку или воображаемую пространственную сетку. Кристаллическое строение является общим свойством металлов и сплавов и характеризуется определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с атомами (ионами) в узлах.
Атомно-кристаллическая структура может быть представлена изображением не ряда периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Элементарной ячейкой называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Трансляцией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла. Наиболее часто металлы имеют кристаллические решетки следующих типов.
| Объемноцентрированный куб (ОЦК) | Гранецентрированный куб (ГЦК) | Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) | ||
| 
| 
| ||
| а, с – параметры (периоды) решетки | ||||
| а=с | ||||
| К = 68 % | К = 74 % | К = 74 % | ||
| Na, K, V, Nb, Cr, Mo, W | Cu, Ag, Au, Pt, Al, Pb, Ni | Be, Mg, Zn, Cd | ||
Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары, то не трудно видеть, что в решетке помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т.е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности К. Расчеты компактности показали, что решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК.
Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. При полиморфном превращении меняются форма и тип кристаллической решетки. Это явление называется перекристаллизацией. При переходе из одной полиморфной формы в другую меняются свойства вещества. На явлении полиморфизма основана термическая обработка. Известны полиморфные превращения железа Fea«Feg (ОЦК-ГЦК-ОЦК: 911°-1392°), титана Tia«Tig, олова (пластинчатое белое олово – хрупкий порошок серого олова).
a – полиморфная модификация, устойчивая при более низких температурах;
g – полиморфная модификация, устойчивая при более высоких температурах.
Кристаллическим веществам свойственна анизотропия свойств, они имеют различные свойства в разных направлениях. Причем, разница в физико-химических и механических свойствах кристаллов в разных направлениях может быть весьма существенной. Например, коэффициент линейного расширения в двух взаимно-перпендикулярных направлениях может различаться в 3-4 раза, а прочность в 2 раза. Это объясняется тем, что число атомов, приходящихся на то или иное плоское сечение кристаллической решетки неодинаково.
Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов (монокристаллов). Большинство технических металлов, затвердевших в обычных условиях, имеют поликристаллическое строение. Они состоят из большого числа кристаллов (зерен). При этом каждое отдельное зерно анизотропно. Различная ориентировка отдельных зерен приводит к тому, что в целом свойства поликристаллического металла усреднены. При обработке металлов давлением большинство зерен металла приобретает одинаковую ориентировку – текстуру, после чего металл становится анизотропным. Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления главной деформации могут существенно различаться. Анизотропию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии получения деталей.
