Кристаллическое строение

Загрузка...

главная страница Рефераты Курсовые работы текст файлы добавьте реферат (спасибо :)Продать работу

поиск рефератов

Методичка на тему Кристаллическое строение

скачать
похожие рефераты
подобные качественные рефераты
1 2    
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ
Типы кристаллических решеток. Твердые тела делят на кристаллические и аморфные. Кристалические тела при нагреве остаются твердыми до определенной температуры (температуры плавления), при которой они переходят в жидкое состояние. Аморфные тела при нагреве раз­мягчаются в большом температурном интервале; сначала они становятся вязкими и лишь затем переходят в жидкое состояние.
Все металлы и их сплавы — тела кристаллические. Металлами называют химические элементы, характерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая электро- и теплопроводность, пластичность, а для многих металлов также способность свариваться.. Для металлов характерно то, что, вступая в химические реакции с элементами, являющими­ся неметаллами, они отдают последним свои внешние, валентные электроны. Это объясняется тем, что у атомов металла внешние электроны непрочно связаны с его ядром. Металлы имеют на наружных оболочках всего 1—2 электрона, тогда как у неметаллов таких электронов много (5-8).
Чистые химические элементы металлов (на­пример, железо, медь, алюминий и др.) могут образовывать более сложные вещества, в состав которых могут входить несколько элементов-ме­таллов, часто с примесью заметных количеств элементов-неметаллов. Такие вещества называ­ют металлическими сплавами. Простые вещест­ва, образующие сплав, называют компонентами сплава.
Для описания кристаллической структуры ме­таллов пользуются понятием кристаллической ре­шетки. Кристаллическая решетка — это вообра­жаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие ме­талл. Частицы вещества (ионы, атомы), из кото­рых построен кристалл, расположены в опреде­ленном геометрическом порядке, который перио­дически повторяется в пространстве. В отличие от кристаллов в аморфных телах (стекло, пласт­массы) атомы располагаются в пространстве бес­порядочно, хаотично.
Формирование кристаллической решетки в ме­талле происходит следующим образом. При пе­реходе металла из жидкого в твердое состояние расстояние между атомами сокращается, а силы взаимодействия между ними возрастают. Харак­тер взаимодействия атомов определяется строе­нием их внешних электронных оболочек. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках, теряют связь со своими ато­мами вследствие отрыва валентного электрона одного атома положительно заряженным ядром другого и т. д. Происходит образование свобод­ных электронов, так как они не принадлежат отдельным атомам. Таким образом, в твердом состоянии металл представляет собой структуру,  состоящую из положительно заряженных ионов,  омываемых свободными электронами.
Связь в металле осуществляется электростатическими силами. Между ионами и свободными  электронами возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают ионы. Такую, связь между частицами металла называют металлической.
Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами притяжения между ио­нами и электронами. Ионы находятся на таком расстоянии один от другого, при котором потен­циальная энергия взаимодействия минимальна. В металле ионы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Та­кое расположение ионов обеспечивается взаимодействием их с валентными электронами, кото­рые связывают ионы в кристаллической решетке.
Типы кристаллических решеток у различных металлов различны. Наиболее часто встречаются  решетки:
объемно-центрированная кубическая (ОЦК) — α-Fe, Cr, W,   гранецентрированная кубическая (ГЦК) — γ-Fe, A1, Си и
гексагональная плотноупакованная (ГПУ) — Mg, Zn и др. 
Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом его объеме, называют элементарной кристаллической ячейкой (рис.).

Рис. I. Элементарные ячейки кристаллических решеток:
I — кубическая объемно-центрированная ( α-железо), II — кубическая гранецентрированная (медь), 111 - гексагональная плотноупакованная; а и с — параметры решеток
Кристаллическая решетка характеризуется ее параметрами, например длиной ребра куба для ОЦК и ГЦК, которая составляет для разных металлов 2,8 ? 6*10 -8см.
Дефекты в кристаллах. В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обусловленные нарушением правильного расположения атомов кристаллической решетки. Де­фекты кристаллического строения подразделяют  по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные.
Атомы совершают колебательные движений возле узлов решетки, и с повышением температуры амплитуда этих колебаний увеличивается. Большинство атомов данной кристаллической решетки имеют одинаковую (среднюю) энергию и колеблются при данной температуре с одинако­вой амплитудой. Однако отдельные атомы обла­дают энергией, значительно большей средней энер­гии, и перемещаются из одного места в другое. Наиболее легко перемещаются атомы поверх­ностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находился такой атом, называется вакансией (рис. 2, а).

Рис. 2. Дефекты в кристаллах:
а - вакансия, б — внедренный атом, в   краевая линейная дислокация, г - неправильное расположение атомов на границе зерен 1 и 2     
 На это место через некоторое время перемещается один из атомов соседнего слоя и т. д. Таким образом вакансия перемещается в глубь кристалла. С повышением температуры ко­личество вакансий увеличивается и они чаще пе­ремещаются из одного узла в другой. В диффу­зионных процессах, протекающих в металлах, ва­кансии играют определяющую роль. К точеч­ным дефектам относят также атом, внед­ренный в междоузлие кристаллической решетки (рис. 2, б), и замещенный атом, когда место ато­ма одного металла замещается в кристалличес­кой решетке другим, чужеродным атомом. Точеч­ные дефекты вызывают местное искажение кри­сталлической решетки.
Линейные дефекты  являются другим важнейшим видом несовершенства кристалличе­ской решетки, когда в результате сдвига на одно межатомное расстояние одной части решетки относительно другой вдоль какой-либо плоскости число рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в нижней. В данном случае в верхней части решетки появилась как бы лиш­няя атомная плоскость (экстраплоскость). Край экстраплоскости, перпендикулярный направле­нию сдвига, называется краевой, или линейной, дислокацией (рис. 2, в), длина которой мо­жет достигать многих тысяч межатомных рас­стояний. Шириной дислокации считают расстоя­ние от центра дефекта до места решетки без ис­кажения. Ширина дислокации мала и составляет несколько атомных расстояний.
Кристаллическая решетка в зоне дислокации упруго искажена, поскольку атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного состоя­ния. Для дислокации характерна их легкая по­движность. Это объясняется тем, что атомы, об­разующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное состояние. Дислокации образуют­ся в процессе кристаллизации металлов (см. гл.1, § 2), а также при пластической деформа­ции, термической обработке и других процессах.
Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между отдельными кри­сталлами (рис. 2, г). На границе раздела атомы кристалла расположены менее правильно, чем в его объеме. Кроме того, по границам раздела скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются примеси, что еще больше наpyшает порядок расположения атомов. При этом сами кристаллы разориентированы, т. е. могут быть повернуты относительно друг друга на де­сятки градусов. Прочность металла может либо увеличиваться вследствие искажений кристалли­ческой решетки вблизи границ, либо уменьшать­ся из-за наличия примесей и концентрации де­фектов. Дефекты в кристаллах существенно вли­яют на свойства металлов.
Анизотропия кристаллов. Неодинаковость фи­зических свойств среды в разных направлениях называют анизотропией. Анизотропия кри­сталлов обусловлена различаем плотности упа­ковки атомов в решетке в различных направле­ниях. Все кристаллы анизотропны, а аморфные тела (стекло, смола) изотропны, т. е. имеют оди­наковую плотность атомов в различных направ­лениях.
Анизотропия свойств важна при использовании  монокристаллов — одиночных кристаллов, частицы которых расположены единообразно по всему их объему. Монокристаллы имеют правильную кристаллическую огранку (в форме ес­тественных многогранников), анизотропны по ме­ханическим, электрическим и другим физическим свойствам.
Металлы и сплавы, применяемые в технике, обычно имеют поликристаллическую структуру, т. е. состоят из множества мел­ких и различно ориентированных кристаллов, не имеющих правильной кристаллической огранки и называемых кристаллитами  (или зернами). В каждом зерне поликристалла наблюдается анизотропия. Однако вследствие разнообразной, беспорядочной ориентировки кристаллографиче­ских плоскостей в различных зернах поликристалл может иметь одинаковые свойства по раз­ным направлениям и не обнаруживать анизотро­пию (когда размеры зерен значительно меньше размеров пол и кристалла и количество их весьма велико). Это обстоятельство во многих случаях позволяет рассматривать поликристаллическое тело как подобное изотропному, несмотря на ани­зотропию свойств отдельных составляющих его зерен.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
Переход из жидкого состояния в твердое (кри­сталлическое) называют кристаллизацией. Процессы кристаллизации зависят от температу­ры и протекают во времени, поэтому кривые ох­лаждения строятся в координатах температу­ра - время (рис. 3). Теоретический, т. е. идеаль­ный процесс кристаллизации металла без пере­охлаждения  протекает при температуре Т 5 (рис. 3). При достижении идеальной температу­ры затвердевания Т 5 падение температуры пре­кращается. Это объясняется тем, что перегруп­пировка атомов при формировании кристаллической решетки идет с выделением тепла (выде­ляется скрытая теплота кристаллизации). Каждый чистый металл (не сплав) кристаллизуется при строго индивидуальной постоянной темпера­туре. По окончании затвердевания металла тем­пература его снова понижается.

Рис. 3. Кривые кристаллизации металла при охлаждении с разной скоростью
Практически кристаллизация протекает при более низкой температуре, т. е. при переохлажде­нии металла до температур Tn, Tn 1, Tn 2 (напри­мер, кривые 1, 2). Степень переохлаждения (ΔT=T s —Tn) зависит от природы и чистоты ме­талла к скорости охлаждения. Чем чище жидкий металл, тем он более склонен к переохлаждению. При увеличении скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает, а зерна металла ста­новятся мельче, что улучшает его качество. Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных усло­виях составляет от 10 до 30°С. При больших скоростях охлаждения она может достигать со­тен градусов.
 Процесс кристаллизации состоит из двух ста­дий: зарождения - кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. При переохлаждении сплава ниже Tn на многих участках жидкого металла (рис. 4, а, б) образуются способные к росту кри­сталлические зародыши.
                      
Рис. 4. Последовательные этапы процесса кристаллизации        металла
 Сначала образовавшие­ся кристаллы растут свободно и имеют более или менее   правильную   геометрическую  форму (рис. 4, в, г, д). Затем при соприкосновении рас­тущих кристаллов их правильная форма нару­шается, так как в этих участках рост граней пре­кращается. Рост кристалла продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. В результате кристаллы, имев­шие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами (рис. 4,е).
Величина зерен зависит от числа центров кри­сталлизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно металла.
Величина зерен, образующихся при кристалли­зации, зависит не только от количества самопро­извольно зарождающихся центров кристаллиза­ции, но также и от количества нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле. Такие нерастворимые примеси являются готовы­ми центрами кристаллизации. Ими являются окислы (например, Al2O3), нитриды, сульфиды и другие соединения. Центрами кристаллизации в данном металле или сплаве могут быть только такие твердые частицы, которые соизмеримы с размерами атомов основного металла. Кристал­лическая решетка таких твердых частиц должна быть близка по своему строению и параметрам решетке кристаллизующегося металла. Чем боль­ше таких частичек, тем мельче будут зерна за­кристаллизовавшегося металла.
На образование центров кристаллизации вли­яет и скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кри­сталлизации и, следовательно, мельче зерно ме­талла.
Чтобы получить мелкое зерно, создают искус­ственные центры кристаллизации. Для этого в расплавленный металл (расплав) вводят специ­альные вещества, называемые модификаторами. Модифицирование отливок проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, окислы). При модифицировании, например, ста­ли применяют алюминий, титан, ванадий; алю­миниевых сплавов — марганец, титан, ванадий.
Строение металлического слитка. Форма рас­тущих кристаллов определяется не только усло­виями их касания друг с другом, но и составом сплава, наличием примесей и режимом охлажде­ния. Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный  (древовидный)  характер (рис. 5).

Рисунок 5. Схема дендритного роста кристалла
Дендритная кристаллизация характери­зуется тем, что рост зародышей происходит с не­равномерной скоростью. После образования за­родышей их развитие идет в тех плоскостях и на­правлениях решетки, которые имеют наиболь­шую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла —так называемые оси (1) первого порядка (рис. 5). В дальнейшем от осей первого порядка начинают расти новые оси (2) — оси второго по­рядка, от осей второго порядка— оси (3) — третьего порядка и т.д. По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка, кото­рые постепенно заполняют все промежутки, ра­нее занятые жидким металлом.
Рассмотрим реальный процесс получения стального слитка. Стальные слитки получают ох­лаждением в металлических формах (изложни­цах) или на установках непрерывной разливки.  В изложнице сталь не может затвердеть одновре­менно во всем объеме из-за невозможности со­здания равномерной скорости отвода тепла. По­этому процесс кристаллизации стали начинается у холодных стенок и дна изложницы, а затем распространяется внутрь жидкого .металла.
При соприкосновении жидкого металла со стенками изложницы 1 (рис. 6) в начальный мо­мент образуется зона мелких равноосных кри­сталлов 2. Так как объем твердого металла меньше жидкого, между стенкой изложницы и застывшим металлом образуется воздушная про­слойка и сама стенка нагревается от соприкос­новения с металлом, поэтому скорость oxлaждeния металла, снижается и кристаллы растут в на­правлении отвода теплоты. При этом образуется зона 3, состоящая из древовидных или столбча­тых кристаллов. Во внутренней зоне слитка 4 об­разуются равноосные, неориентированные кристаллы больших размеров в результате замед­ленного охлаждения.

Рис. 6. Схема строения стального слитка
а - расположение дендритов в наружных частях слитка, б - строение слитка;
1-   стенки изложницы, 2 - мелкие равноосные кристаллы, 3 - древовидные кристаллы, 4 -  равноосные неориентированные кристаллы больших разме­ров, 5 - усадочная рыхлость, 6 - усадочная раковина
В верхней части слитка, которая затвердевав в последнюю очередь, образуется усадочная ра­ковина 6 вследствие уменьшения объема металла при охлаждении. Под усадочной раковиной ме­талл в зоне 5 получается рыхлым из-за большого количества усадочных пор. Для получения изделий используют только часть слитка, удаляя усадочную раковину и рыхлый металл слитка для последующего переплава.
Слиток имеет неоднородный химический сос­тав, который тем больше, чем крупнее слиток. Например, в стальном слитке концентрация се­ры и фосфора увеличивается от поверхности к центру и снизу вверх. Химическую неоднородность по отдельным зонам слитка называют зо­нальной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства металла.
Аллотропия металлов. Аллотропией, или поли­морфизмом, называют способность металла  в твердом состоянии иметь различные кристалли­ческие формы. Процесс перехода из одной кри­сталлической формы в другую называют алло­тропическим превращением. При нагреве чистого  металла такое превращение сопровождается по­глощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью за­траты определенной энергии на перестройку кри­сталлической решетки. Аллотропические превра­щения имеют многие металлы: железо, олово, ти­тан и др. Например, железо в интервале темпе­ратур 911—-1392°С имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) γ-Fe (рис. 7). В интервалах до 911°С и от 1392 до 1539°С железо имеет объемно-центрированную кубическую ре­шетку (ОЦК) — α-Fe. Аллотропические формы металла обозначаются буквами а, β, γ и т. д. Существующая при самой низкой .температуре ал­лотропическая форма металла обозначается че­рез букву  α, которая в виде индекса добавляется к символу химического элемента металла и т. д.
    продолжение
1 2    

Добавить методичку в свой блог или сайт
Удобная ссылка:

Скачать методичку бесплатно
подобрать список литературы


вверх страницы


© coolreferat.com | написать письмо | правообладателям | читателям
При копировании материалов укажите ссылку.