Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство (стр. 7 )

§  Класифікація можливих видів кристалічних решіток була проведена французьким вченим О. Браве, відповідно вони одержали назву «решітки Браве». Усього для кристалічних тіл існує чотирнадцять видів решіток, розбитих на чотири типи;

§  примітивний - вузли решітки збігаються з вершинами елементарних осередків; осередків і її центр;

§  гранецентрований - атоми займають вершини осередку й центри всіх

§  шести граней

§  безвідцентрований - атоми займають вершини осередків і два місця в протилежних гранях;

§  об’ємно-центрований - атоми займають вершини

Основні типи кристалічних решіток: а - об’ємно-центрована кубічна; б - гранецентрована кубічна; в - гексагональна щільно запакована

Основними типами кристалічних решіток є:

1.  Об'ємно - центрована кубічна (ОЦК) атоми розташовуються у вершинах куба й у його центрі (V, W, Ti,)

2.  Гранецентрована кубічна (ГЦК) атоми розташовуються у вершинах куба й по центрі кожної з 6 граней (Ag, Au,)

3.  Гексагональна, у підставі якої лежить шестикутник:

o  проста - атоми розташовуються у вершинах осередку й по центрі 2 підстав (вуглець у вигляді графіту);

o  щільно запакована (ГПУ) - є 3 додаткових атоми в середній площині (цинк).

Поняття про ізотропії й анізотропії

Властивості тіла залежать від природи атомів, з яких воно складається, і від сили взаємодії між цими атомами. Сили взаємодії між атомами в значній мірі визначаються відстанями між ними. В аморфних тілах з хаотичним розташуванням атомів у просторі відстані між атомами в різних напрямках рівні, отже, властивості будуть однакові, тобто аморфні тіла ізотропні

У кристалічних тілах атоми правильно розташовуються в просторі, причому по різних напрямках відстані між атомами неоднакові, що визначає істотні розходження в силах взаємодії між ними й, у кінцевому результаті, різні властивості. Залежність властивостей від напрямку називається анізотропією

Щоб зрозуміти явище анізотропії необхідно виділити кристалографічні площини й кристалографічні напрямки в кристалі.

Площина, що проходить через вузли кристалічної решітки, називається кристалографічною площиною.

Пряма, що проходить через вузли кристалічної решітки, називається кристалографічним напрямком.

Для позначення кристалографічних площин і напрямків користуються індексами Міллера. Щоб установити індекси Міллера, елементарний осередок уписують у просторову систему координат (осі X, Y, Z - кристалографічні осі). За одиницю виміру приймається період решітки.

Приклади позначення кристалографічних площин (а) і кристалографічних напрямків (б)

Для визначення індексів кристалографічної кристалографічної площини необхідно:

–  установити координати крапок перетинання площини з осями координат в одиницях періоду решітки;

–  взяти зворотні значення цих величин;

–  привести їх до найменшого цілого кратному, кожний з отриманих чисел.

Отримані значення простих цілих чисел, що не мають загального множника, є індексами Міллера для площини, вказуються в круглих дужках. Приклади позначення кристалографічних площин на мал.

Інакше кажучи, індекс по осі показує на скільки частин площина ділить осьову одиницю по даній осі. Площини, паралельні осі, мають по ній індекс 0 (110)

Орієнтація прямої визначається координатами двох крапок. Для визначення індексів кристалографічного напрямку необхідно:

–  одну крапку напрямку сполучити з початком координат;

–  установити координати будь-якої іншої крапки, що лежить на прямій, в одиницях періоду решітки

–  привести відношення цих координат до відношення трьох найменших цілих чисел.

Індекси кристалографічних напрямків вказуються у квадратних скобках [111]

У кубічній решітці індекси напрямку, перпендикулярного площини (hkl) мають ті ж індекси [hkl].

Алотропія або поліморфні перетворення.

Здатність деяких металів існувати в різних кристалічних формах залежно від зовнішніх умов (тиск, температура) називається алотропією або поліморфізмом.

Кожний вид решітки являє собою алотропічну видозміну або модифікацію.

Прикладом алотропічної видозміни залежно від температури є залізо (Fe).

Fe: – ОЦК - ;

- ГЦК ;

- ОЦК ; (високотемпературне )

Перетворення однієї модифікації в іншу протікає при постійній температурі й супроводжується тепловим ефектом. Видозміни елемента позначається буквами грецького алфавіту у вигляді індексу в основного позначення металу.

Прикладом алотропічного видозміни, обумовленого зміною тиску, є вуглець: при низьких тисках утвориться графіт, а при високих - алмаз.

Використовуючи явище поліморфізму, можна зміцнювати і роззміцнювати сплави за допомогою термічної обробки.

Магнітні перетворення

Деякі метали намагнічуються під дією магнітного поля. Після видалення магнітного поля вони мають залишковий магнетизм. Це явище вперше виявлене на залозі й одержало назву феромагнетизму. До феромагнетикам ставляться залізо, кобальт, нікель і деякі інші метали.

При нагріванні феромагнітні властивості металу зменшуються поступово: спочатку слабко, потім різко, і при певній температурі (крапка Кюрі) зникають (крапка Кюрі для заліза). Вище цієї температури метали стають парамагнетиками. Магнітні перетворення не пов'язані зі зміною кристалічної решітки або мікроструктури, вони обумовлені змінами в характері між електронної взаємодії.

Будова реальних металів. Дефекти кристалічної будови

 

З рідкого розплаву можна виростити монокристал. Їх звичайно використовують у лабораторіях для вивчення властивостей тієї або іншої речовини.

Метали й сплави, отримані у звичайних умовах, складаються з великої кількості кристалів, тобто, мають полікристалічну будову. Ці кристали називаються зернами. Вони мають неправильну форму й по-різному орієнтовані в просторі. Кожне зерно має своє орієнтування кристалічної решітки, відмінну від орієнтування сусідніх зерен, внаслідок чого властивості реальних металів усереднюються, і явища анізотропії не спостерігається

У кристалічній решітці реальних металів є різні дефекти (недосконалості), які порушують зв'язку між атомами й впливають на властивості металів. Розрізняють наступні структурні недосконалості:

·  крапкові - малі у всіх трьох вимірах;

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

·  поверхневі - малі в одному вимірі.

Нагострені дефекти

Одним з розповсюджених недосконалостей кристалічної будови є наявність крапкових дефектів: вакансій, дислокованих атомів і домішок.

Крапкові дефекти

Вакансія - відсутність атомів у вузлах кристалічної решітки, «дірки», які утворилися в результаті різних причин. Утвориться при переході атомів з поверхні в навколишнє середовище або з вузлів решітки на поверхню (границі зерен, порожнечі, тріщини й т. д. ), у результаті пластичної деформації, при бомбардуванні тіла атомами або частками високих енергій (опромінення в циклотроні або нейтронної опромінення в ядерному реакторі). Концентрація вакансій у значній мірі визначається температурою тіла. Переміщаючись по кристалі, одиночні вакансії можуть зустрічатися. І поєднуватися в дивакансії. Скупчення багатьох вакансій може привести до утворення пор і порожнеч.

Дислокований атом - це атом, що вийшов з вузла решітки й зайняв місце в міжвузлі. Концентрація дислокованих атомів значно менше, ніж вакансій, тому що для їхнього утворення потрібні істотні витрати енергії. При цьому на місці атома, що перемістився, утвориться вакансія.

Домішкові атоми завжди присутні в металі, тому що практично неможливо виплавити хімічно чистий метал. Вони можуть мати розміри більше або менше розмірів основних атомів і розташовуються у вузлах решітки або міжвузлі.

Крапкові дефекти викликають незначні перекручування решітки, що може привести до зміни властивостей тіла (електропровідність, магнітні властивості), їхня наявність сприяє процесам дифузії й протіканню фазових перетворень у твердому стані. При переміщенні по матеріалі дефекти можуть взаємодіяти.

Лінійні дефекти:

Основними лінійними дефектами є дислокації. Апріорне подання про дислокації вперше використано в 1934 році Орованом і Тейлером при дослідженні пластичної деформації кристалічних матеріалів, для пояснення великої різниці між практичною й теоретичною міцністю металу.

Дислокація – це дефекти кристалічної будови, що представляють собою лінії, уздовж і поблизу яких порушене характерне для кристала правильне розташування атомних площин.

Найпростіші види дислокації - крайові й гвинтові.

Крайова дислокація являє собою лінію, уздовж якого обривається усередині кристала край «зайвої» напівплощини

Крайова дислокація (а) і механізм її утворення (б)

Неповна площина називається екстраплоскістю.

Більшість дислокацій утворяться шляхом зсувочного механізму. Її утворення можна описати за допомогою наступної операції. Надрізати кристал по площині АВС, зрушити нижню частину щодо верхньої на один період решітки в напрямку, перпендикулярному АВ, а потім знову зблизити атоми на краях розрізу внизу.

Найбільші перекручування в розташуванні атомів у кристалі мають місце поблизу нижнього краю екстраплоскості. Вправо й уліво від краю екстраплоскості ці перекручування малі (кілька періодів решітки), а уздовж краю екстраплоскості перекручування простираються через весь кристал і можуть бути дуже великі (тисячі періодів решітки).