Будова атомів металів (стр. 2 из 4)

Просторове розташування атомів у кристалічному тілі залежить від природи металу, характеру міжатомних зв'язків, температури, тиску. Прагнення атомів до найщільнішого розміщення приводить до значної кількості комбінацій їх взаємного розташування. Серед промислових металів найпоширенішими є утворення трьох основних типів кристалічних ґраток (рис. 1.3): об'ємоцентричної кубічної (ОЦК), гранецентричної кубічної (ГЦК) і гексагональної щільного пакування (ГЩП).

Рис. 1.3. Елементарні кристалічні ґратки: а — об'ємоцентричний куб; б гранецентричний куб; в — гексагональна щільного пакування

В об'ємоцентричній кубічній ґратці атоми розташовані у вершинах куба й один атом у центрі куба. Таку кристалічну ґратку мають P, K, Na, Li, Tiβ, Zrβ, Ta, W, V, Feα, Cr, Nb, Baй інші метали. У гранецентричній кубічній ґратці атоми розташовані у вершинах куба і в центрі кожної грані. Кристалічну ґратку такого типу мають Саα, Се, Srα, Th, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Ir, Feγ, Cu й інші метали.

Гексагональну ґратку щільного пакування мають Mg, Tiα, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Coβ, Be, Caβ й інші метали. Атоми у ГЩП-ґратці розташовані у вершинах і центрі шестигранних основ призми та три атоми — у середній площині призми.

Багато металів і деякі технічно важливі неметали кристалізуються у різних кристалічних ґратках залежно від таких зовнішніх умов, як температура і тиск, їх називають алотропними модифікаціями, а таке явище поліморфізмом. Низькотемпературну модифікацію позначають α, а високотемпературні — β, γ, δ тощо. Кожна модифікація має свій температурний інтервал існування. Внаслідок поліморфного перетворення утворюються нові кристалічні зерна іншої форми та розміру, тому таке перетворення називають перекристалізацією.

При поліморфних перетвореннях змінюється не лише тип кристалічної ґратки, але й властивості металу, при цьому властивості змінюються стрибкоподібно. Так, ОЦК-ґратка α-заліза при 911 °С перетворюється в ГЦК-ґратку γ-заліза, яка може розчинити значно більшу кількість вуглецю, ніж α-ґратка. Феромагнітні властивості має тільки α-залізо, але не в усій сфері свого існування, оскільки температура Кюрі становить 770 °С. Усе це має важливе значення для виробництва й обробки сталі. В інших елементах поліморфні перетворення супроводжуються змінами механічних, теплових, електричних, оптичних, хімічних властивостей.

Усі кристалічні тіла анізотропні, що передбачає різницю властивостей у різних напрямках. Анізотропія яскраво виражена лише в монокристалах. У полікристалічних матеріалах, наприклад зливках, з великою кількістю хаотично орієнтованих кристалів вона не має чітко вираженого характеру, оскільки властивості їх у різних напрямках усереднюються. Про такі матеріали говорять, що вони ізотропні. Аморфні тіла, які мають невпорядковану насиченість атомами, у різних напрямках також є ізотропними. Проте у структурі металу іноді може створюватися переважаюча орієнтація кристалів, тоді він стає анізотропним. Прикладом анізотропності може бути текстура листового металу, що з'являється під час його обробки тиском. Тоді його міцність, теплові, електричні, магнітні та інші властивості вздовж і поперек прокатки неоднакові і можуть значно різнитися. У багатьох випадках це небажано, але іноді створюється навмисно з метою поліпшення експлуатаційних характеристик. Таким чином, структура металів і сплавів визначає їх механічні й технологічні властивості, особливо під час термічної обробки, експлуатації виробів при високих і низьких температурах. Тому її вивчення має надзвичайно велике значення для практики.Матеріал для закріплення знань

Рис. 1.4. Ґратка об'ємоцентрична кубічна (Mo, W, V, Feα): r — найменша відстань до сусідніх атомів

Таблиця 1.1Характеристики об'ємоцентричної кубічної ґратки

Параметр	Значення
Кути між осями	α = β = γ = 90°
Період ґратки	a = b = c
Кількість атомів на чарунку	n = 2
Координатне число	Z = 8
Коефіцієнт компактності	K = 0,68

Рис. 1.5. Ґратка гранецентрична кубічна (Al, Cu, Au, Ag, Feγ): r — найменша відстань до сусідніх атомів

Таблиця 1.2Характеристики гранецентричної кубічної ґратки

Параметр	Значення
Кути між осями	α = β = γ = 90°
Період ґратки	a = b = c
Кількість атомів на чарунку	n = 4
Координатне число	Z = 12
Коефіцієнт компактності	K = 0,74

Рис. 1.6 Ґратка гексагональна щільного пакування (Mg, Coα, Zn, Tiα, Cd)

Таблиця 1.3Характеристики гексагональної щільноупакованої ґратки

Параметр	Значення
Кути між осями	α = β = 90°, γ = 90°
Період ґратки	a = b, c/a = 1,633
Кількість атомів на чарунку	n = 6
Координатне число	Z = 12
Коефіцієнт компактності	K = 0,74

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1. На які групи залежно від будови поділяються тверді тіла?

2. Що таке аморфні тіла?

3. Що таке кристалічні тіла?

4. Наведіть приклади аморфних тіл.

5. Наведіть приклади кристалічних тіл.

6. Що таке просторова кристалічна ґратка?

7. Назвіть основні параметри кристалічних ґраток.

8. Які типи кристалічних ґраток характерні для металів?

9. Що таке поліморфізм металів?

10. Анізотропія й ізотропія, що це?

«Дефекти кристалічної будови металів»

З рідкого розплаву можна виростити монокристали. Їх, як правило, використовують у лабораторіях для вивчення властивостей тієї чи іншої речовини.

Метали і сплави, отримані у звичайних умовах, складаються з великої кількості кристалів, тобто мають полікристалічну будову. Ці кристали називаються зернами, мають неправильну форму і по-різному орієнтовані в просторі. Кожне зерно має власне орієнтування кристалічних ґрат, відмінне від орієнтування сусідніх зерен, унаслідок чого властивості реальних металів усереднюються, і явище анізотропії не спостерігається.

У кристалічних ґратах реальних металів наявні різні дефекти (недосконалості), що порушують зв'язки між атомами і впливають на властивості металів. Розрізняють такі структурні дефекти:

точкові — малі у всіх трьох вимірах;

лінійні — малі у двох вимірах і як завгодно протяжні в третьому;

поверхневі — малі в одному вимірі.

Одним із поширених недоліків кристалічної будови є наявність точкових дефектів: вакансій, дислокованих атомів і домішок (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Точкові дефекти:а — вакансія; б — домішковий (чужорідний) атом; в — дислокований атом

Вакансія — відсутність атомів у вузлах кристалічних ґрат, «дірки», що утворилися в результаті різних причин: при переході атомів із поверхні в навколишнє середовище чи з вузлів ґрат на поверхню (границі зерен, порожнечі, тріщини тощо), у результаті пластичної деформації, при бомбардуванні тіла атомами чи частинками високих енергій (опромінення в циклотроні чи нейтронне опромінення в ядерному реакторі). Концентрація вакансій значною мірою визначається температурою тіла. Скупчення багатьох вакансій може призвести до утворення пор і порожнеч.

Дислокований атом — це атом, що вийшов із вузла ґрат і зайняв місце в міжвузлі. Концентрація дислокованих атомів значно менше, ніж вакансій, оскільки для їх утворення необхідні істотні витрати енергії. При цьому на місці атома, що перемістився, утвориться вакансія.

Домішкові атоми завжди присутні в металі, оскільки практично неможливо виплавити хімічно чистий метал. Вони можуть мати розміри, більші чи менші розмірів основних атомів, і розташовуються у вузлах ґрат чи міжвузлях.

Точкові дефекти викликають незначні перекручування ґрат, що може привести до зміни властивостей тіла (електропровідність, магнітні властивості), їхня наявність сприяє процесам дифузії та здійсненню фазових перетворень у твердому стані.

Основними лінійними дефектами є дислокації. Дислокація — це дефекти кристалічної будови, що являють собою лінії, уздовж і поблизу яких порушене характерне для кристала правильне розташування атомних площин.

Дислокації впливають не лише на міцність і пластичність, але й на інші властивості кристалів. Зі збільшенням щільності дислокацій змінюються оптичні властивості, підвищується електричний опір металу. Дислокації збільшують середню швидкість дифузії в кристалі (рис. 1.8), прискорюють старіння й інші процеси, зменшують хімічну стійкість, тому в результаті обробки поверхні кристала спеціальними речовинами в місцях виходу дислокацій утворюються ямки.

Рис. 1.8. Схема дифузії в кристалі

Поверхневі дефекти виникають на границях зерен, фрагментів і блоків (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Границі зерен:а — схема полікристалічного тіла; б — схема будови границі зерна

Розміри зерен складають до 1000 мкм. Границя між зернами являє собою тонку, в 5—10 атомних діаметрів, поверхневу зону з максимальним порушенням порядку в розташуванні атомів.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1. Що таке зерна?

2. Назвіть групи дефектів (недосконалостей) кристалічних граток.