Основы технологии материалов

Металлы, особенности атомно- кристаллического строения Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определённым набором свойств: «металлический блеск» (хорошая отражательная способность); пластичность; высокая теплопроводность; высокая электропроводность.

Кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело. Элементарная ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл. Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла.

Основными параметрами кристалла являются: · размеры рёбер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решётки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определёнными. · углы между осями ( ). · координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке. · базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки. · плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары.

Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа; примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек; базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях; объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр; гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней

Основные типы кристаллических решеток: а – объемно- центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

Понятие об изотропии и анизотропии Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны.

В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией.

Для обозначения кристаллографических плоскостей и направлений пользуются индексами Миллера. Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографической плоскостью. Прямая, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографическим направлением.

В кубических кристаллах индексы (100) относятся к плоскости, параллельной осям Y и Z; индексы (010) - к плоскости, параллельной осям X и Z, а (001) - к плоскости, параллельной осям X и Y. В кристаллах с ортогональными осями эти плоскости вместе с тем перпендикулярны соответственно осям X, Y, Z.

Для обозначения направлений в кристалле применяют индексы в виде наименьших целых чисел, относящихся между собой как компоненты вектора, параллельного данному направлению. В отличие от обозначения плоскостей их пишут в квадратных скобках [001]. В кубических кристаллах эти направления перпендикулярны плоскости с теми же индексами. Положительное направление оси X обозначают (100), положительное направление оси Y – (010), отрицательное направление оси Z – (001), диагональ куба – (111) и т.д.

Аллотропия или полиморфные превращения. Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом. Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.

Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.

Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз. Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.

Магнитные превращения Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы.

При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определенной температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа – С) Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками. Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.