Способность металлов изменять кристаллическую решетку
Все тела в зависимости от расположения атомов делятся на аморфные и кристаллические. В отличие от аморфных тел, атомы в которых расположены хаотично, металлы в твердом состоянии являются телами кристаллическими. Кристаллическое строение характеризуется закономерным расположением атомов.
Атомы металлов образуют кристаллическую решетку или ячейку. Каждый металл имеет определенный тип кристаллической решетки, чаще всего встречаются три типа решеток: кубическая объемноцентрированная – ОЦК (рис. 16, а), кубическая гранецентрированная – ГЦК (рис. 16, б) и гексагональная – ГПУ (рис. 16, в).
В кубической объемноцентрированной решетке атомы расположены в узлах ячейки и один атом в центре куба. Такие решетки имеют металлы: Feα, Сг, W, Mo, Tiβ, Nb, Та, Li n др.
В кубической гранецентрированной решетке атомы расположены в узлах ячейки и в центре каждой грани. Этот тип решетки имеют металлы: Feγ, Ni, Ag, Au, Pb, Сu, Соβ и др.
Рис. 16. Типы кристаллических решеток:
а – кубическая объемноцентрированная;
б – кубическая гранецентрированная;
В гексагональной решетке атомы расположены в узлах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы. Такую решетку имеют металлы: Zn, Cd, Be, Re, Coα, Tiα и др. Индексы α, β, γ обозначают, что у соответствующих металлов различные кристаллические решетки при различных температурах.
Типы кристаллических ячеек определяются при помощи рентгеноструктурного анализа.
Расстояния между центрами соседних атомов в кристаллической решетке называется периодом (а, b, с). Расстояния между атомами измеряются в ангстремах - , 1 = 1•10 -8 см.
Базис кристаллической решетки - это число атомов, принадлежащих одной элементарной кристаллической ячейке; для ОЦК базис равен 2, для ГЦК – 4, ГПУ – 6.
Плотность упаковки – это отношение объема занимаемого атомами к объему всей ячейки. Плотность упаковки для ОЦК составляет 68%, для ГЦК и ГПУ – 74%. Плотность упаковки характеризуется координационным числом, т. е. числом атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. Координационное число для ОЦК – 8, для ГЦК и ГПУ – 12.
2.1. Полиморфизм металлов.
Полиморфизмом или аллотропией называют способность металла в твердом состоянии при изменении температуры перестраивать свою кристаллическую решетку. Полиморфные превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты, а также изменением свойств металла. Различные аллотропические состояния называют модификациями. Каждой модификации свойственно оставаться устойчивой лишь в пределах определенного для данного металла интервала температур. Аллотропические формы обозначаются греческими буквами α, β, γ и т. д. На кривых охлаждения и нагрева переход из одного состояния в другое характеризуется остановкой (для чистых металлов) или изменением характера кривой (для сплавов). При аллотропических превращениях кроме изменения свойств (теплопроводности, электропроводности, механических, магнитных и др.) наблюдают изменения объема металла и растворимости (например, углерода в железе). Аллотропические превращения свойственны многим металлам (железу, олову, титану и др.).
Железо известно в двух полиморфных модификациях — α и γ. На рис. 17 приведена кривая охлаждения, характеризующая его аллотропические превращения. Как видно, в интервале температур 911. 1392 °С железо имеет кубическую гранецентрированную решетку γ-железа (γFe), а в интервале от 0 до 911 °С и от 1392 до 1539 °С— объемноцентрированную решетку α-железа (αFe). Железо меняет свои магнитные свойства: выше 768 °С железо немагнитно, а ниже — магнитно.
Кристаллическое строение металлов
Все металлы и металлические сплавы за редким исключением в твердом состоянии – тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металлах упорядоченно друг относительно друга на определенных расстояниях в зависимости от природы металла. Эти расстояния называются параметрами кристаллической решетки.
В аморфных телах атомы расположены не упорядоченно, а хаотично.
Металлы если их кристаллизуют обычным способом – поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких, различимых только в микроскоп зерен (10 -1 –10 -6 см), различно ориентированных по отношению друг к другу.
Ближайшие друг к другу атомы образуют контур какой-нибудь геометрической фигуры, например куба (рис. 1.1).
Следовательно, каждое зерно металла состоит из множества таких геометрических тел, называемых элементарными ячейками. В соседних зернах металла эти ячейки ориентированы по-другому.
| Рис. 1.1. Схема кристаллической решетки. |
Что же удерживает атомы в узлах кристаллической решетки, сохраняя природу твердого состояния материала и его прочность.
Известно, что атом любого металла состоит из окружающих его несколько электронных оболочек, несущих отрицательный заряд. Каждая оболочка заполнена строго определенным количеством сильно связанных с атомом электронов и только на последней оболочке, находятся несколько слабосвязанных электронов с атомом. Их число равно валентности металла. С помощью этих электронов атомы в металле устанавливают связи друг с другом. Связь атомов между собой с помощью валентных электронов называется металлической.
Но не все электроны внешней оболочки участвуют в образовании металлической межатомной связи. Часть электронов, покидая ядра своих атомов, уходит в межузельное пространство, образуя электронный «газ», т.е. становятся коллективизированными.
Благодаря коллективизированным электронам металлы обладают электро- и теплопроводностью, металлическим блеском, сверхпроводимостью, термоэлектронной эмиссией, пластической деформацией и другими металлическими свойствами.
Сила связи в металлах определяется силами отталкивания и притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии один от другого, при котором энергия взаимодействия минимальна.
Как видно из рис. 1.2 этому положению соответствует равновесное расстояние a0. Сближение атомов или удаление их на расстояния меньше или больше a0,осуществимо лишь при осуществлении определенной работы против силы отталкивания или притяжения. Поэтому атомы в металле располагаются равномерно, образуя правильную кристаллическую решетку.
Большинство металлов образуют одну из следующих высокосимметричных решеток с
| Рис. 1.2. Схема энергии взаимодействия двух атомов в зависимости от межатомного расстояния. |
а, б) кубическую объемную центрированную (ОЦК) – решетку имеют железо при обычных температурных условиях, хром, вольфрам, ванадий, молибден, калий, натрий;
в) кубическую гранецентрированную (ГЦК) – решетку имеют никель, медь, алюминий, свинец, серебро, железо при температурах 911-1392°С и др. металлы;
г) гексагональную плотно упакованную (ГПУ) – решетку имеют магний, цинк, кобальт, цирконий и титан при комнатной температуре.
Для однозначной характеристики элементарной кристаллической решетки, т.е. её параметров, необходимо знать: три ребра (a, b и c) и
Рис. 1.3. Кристаллические решетки металлов: а и б – кубическая объемноцентрированная (ОЦК); в – кубическая гранецентрированная (ГЦК); г – гексагональная плотноупакованная.
три угла между осями (α, β и γ) (см. рис.1.1). Параметры – расстояния между центрами соседних атомов по избранному направлению и измеряются в нанометрах или Ангстремах А°, причем 1нм=10А°=10 -9 м.
Как видно, что некоторые металлы в зависимости от температурных условий существуют с различными кристаллическими решетками. Например, железо при температурах до 911°С имеет ОЦК-решетку, выше 911°С и до 1392°С имеет ГЦК-решетку и далее свыше 1392°С вплоть до температуры плавления 1539°С принимает форму ОЦК-решетки.
Способность металла изменять тип кристаллической решетки в зависимости от температуры называется аллотропией или полиморфизмом.
Полиморфные превращения имеют важные значения в технике, благодаря им, оказывается возможным производить термическую обработку сталей и других металлов.
Нетрудно видеть, что плотность атомов в кристаллической решетке по различным плоскостям неодинакова (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Индексы кристаллографических плоскостей (а-в) и направлений (г) в ОЦК-решетке.
Так плоскость(100) в ОЦК-решетке принадлежит один атом (1/4х4=1), плоскости (110) – 2 атома (1/4х4+1=2), то вследствие неодинаковой плотности в различных плоскостях и направлениях решетки, свойства (химические, физические, механические) каждого монокристалла будут неодинаковы и это называется анизотропией. Следовательно кристалл – тело анизотропное.
Технические металлы – поликристаллические тела, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллов, которые в большинстве случаев неупорядоченно ориентированы друг к другу. Поэтому свойства во всех направлениях более или менее одинаковы, т.е. поликристаллическое тело псевдоизотропно. Такая мнимая изотропность металла не будет наблюдаться при направленной кристаллизации и значительной холодной деформации.
Рис. 2.1.1. Основные типы кристаллических решеток металлов:
а) ОЦК; б) ГЦК; в) ГПУ.
В объемно-центрированной кубической решетке восемь атомов располагаются в вершине куба и один в центре куба (на пересечении диагоналей) (рис. 2.1.1,а). Характерным линейным размером этой решетки является расстояние амежду двумя атомами, расположенными вдоль одного ребра. Этот линейный размер называется параметром решетки. Значение параметра решетки адля различных металлов от 0,2 до 0,7 нм (1 нм = 10 -9 м). ОЦК решетку имеют железо (при низких температурах), ванадий, вольфрам, молибден, хром и другие металлы.
В гранецентрированной кубической решетке атомы расположены в вершинах куба и в центрах шести граней (рис. 2.1.1,б) (в центре куба атома нет). ГЦК решетку имеют алюминий, медь, никель, свинец, серебро и другие металлы.
Гексагональная плотноупакованная решетка представляет собой шестигранную призму, в основании которой расположены правильные шестиугольники (рис. 2.1.1,в). Атомы расположены в вершинах и центрах этих шестиугольников. Еще три атома расположены в вершинах правильного треугольника, находящегося посредине между основаниями. Для ГПУ решетки характерны параметры а и с. ГПУ решетку имеют магний, цинк, титан, цирконий и другие металлы.
Кроме перечисленных металлы могут иметь и другие типы кристаллических решеток.
Способность металла изменять тип своей кристаллической решетки в зависимости от температуры называется аллотропиейили полиморфизмом, а переходы от одного кристаллического строения к другому называется аллотропическими или полиморфными. Основной причиной аллотропии является стремление любого вещества обладать минимальным запасом свободной энергии (F), которая является функцией абсолютной температуры F = f(T).
Некоторые металлы, например железо, титан, олово и другие, способны изменять свое кристаллическое строение, перестраивая тип элементарной ячейки. Так железо до температуры 911°С имеет ОЦК решетку, а при превышении этой температуры перестраивается в ГЦК решетку, которая сохраняется до температуры 1392°С. После чего решетка вновь перестраивается и приобретает ОЦК строение, сохраняя его плоть до температуры плавления 1539°С.
Именно благодаря полиморфизму сплавы на основе железа, титана и других металлов можно подвергать термической обработке для целенаправленного изменения их свойств.
В кристаллической решетке по различным направлениям находится разное число атомов. Из-за различной плотности расположения атомов в разных плоскостях некоторые свойства кристалла зависят от направления. Зависимость свойств от направления в кристалле называется анизотропией. Если свойства тела не зависят от направления, то такие тела называют изотропными.
Однако анизотропия может проявляться в пределах одного кристалла или монокристалла. Реальные металлы являются телами поликристаллическими. Так, в 1 см³ стального проката содержатся десятки тысяч кристаллов, которые произвольно ориентированы друг к другу своими кристаллографическими направлениями. Поэтому реальные металлы имеют примерно одинаковые свойства по всем направлениям.
Способность металлов изменять кристаллическую решетку
Уральский государственный лесотехнический университет
Кафедра технологии металлов
Блюм Э.Э., Потехин Б.А., Резников В.Г.
Основы термической обработки сталей
(конспект лекций)
для самостоятельной работы студентов очного и заочного факультетов
1. Превращения при нагреве и охлаждении стали
1.1. Кристаллическое строение металлов
Металлы и сплавы тела кристаллические - атомы в них расположены в определенном порядке в пространстве. Порядок в расположении атомов в пространстве называют кристаллической решеткой .
В чистых металлах, т.е. при наличии атомов одного элемента, возможно 14 вариантов расположения атомов. Это обусловлено тем, что в кристалле каждый атом должен иметь одинаковое количество атомов-соседей, расположенных от него на одинаковом расстоянии.
В химических соединениях, т.е. при наличии атомов различных элементов, число возможных комбинаций в расположении атомов (типов решеток) становится бесконечно большим. Подавляющее большинство металлов и сплавов имеют сравнительно простые кристаллические решетки (см. рис. 1)
Наибольший интерес представляет строение железа и его сплавов (стали и чугуны)
Железо ниже температуры 911 0 С имеет кубическую объемно-центрированную кристаллическую решетку (ОЦК) и называется a Fe . Такое же строение могут иметь некоторые другие металлы ( Ti , V , W , Mo , Cr , Mn ).
При температурах 911-1390 0 С железо имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку (ГЦК) и называется g Fe . Такая же решетка имеется у некоторых других металлов ( Cu , Al , Pb ).
Кратчайшее расстояние между центрами атомов в кристаллической решетке называется параметром решетки (а). Параметры измеряют в ангетремах (А) или килоиксах (КХ)
Параметры решетки соизмеримы с радиусом атомов. Например, у a Fe а=2,8608А, R ат =1,26А,у g Fe а=3,649А, R ат =1,29А
1.2. Аллотропия металлов
Аллотропия - способность некоторых металлов изменять тип кристаллической решетки при изменении внешних условий (температуры и давления). Обычно каждый тип решетки устойчив в определенном интервале температур, но в некоторых случаях, например при быстром охлаждении может одновременно существовать несколько типов решеток. Различные модификации (типы решеток) одного и того же металла обозначают греческими буквами: a , b , g , d и т.д. Буквой обозначается самая низкотемпературная модификация.
Например, при нагреве железа происходят следующие превращения:
a Fe ® b Fe ® g Fe ® d Fe ® Ж
магнитно не магнитны
Признаки аллотропического превращения следующие:
1. Изменяется тип кристаллической решетки;
2. Наблюдается тепловой эффект;
3. Свойства изменяются скачком
Таким образом в железе наблюдается два аллотропических превращения (при температурах 911 и 1390 0 ).
С изменением типа кристаллической решетки железа резко изменяется растворимость в нем углерода. Так максимальная растворимость углерода в a Fe 0,02% (при t =723 0 ), а в g Fe 2,14% (при t =1130 0 ). Это черезвычайно важно для понимания процессов происходящих при термической обработке стали.
Аллотропия наблюдается в ряде металлов ( Sn , Ti , Ni , Mn , Cr и др.).
1.3. Строение металлических сплавов
Химические элементы из которых состоит сплав называют компонентами. При взаимодействии компонентов в сплавах образуются фазы. Фаза - однородная часть сплава отделенная от других поверхностью раздела. При изучении процессов, происходящих при нагреве и охлаждении сплавов, используются диаграммы состояния, которые строят опытным путем. Диаграммой состояния называют график, который показывает фазовое состояние сплава в зависимости от температуры и химического состава. Следует иметь в виду, что диаграммы состояния построены для условий медленного нагрева или охлаждения.
В сплавах могут быть следующие типы твердых фаз: кристаллы чистых компонентов, кристаллы твердых растворов, кристаллы химических соединений.
Кристаллы чистых компонентов состоят из одинаковых атомов, расположенных в виде кристаллической решетки.
Кристаллы твердых растворов состоят из разноименных атомов, образующих общую кристаллическую решетку, тип которой такой же, как у одного из входящих компонентов. При рассмотрении в микроскоп твердые растворы выглядят, как чистые металлы, т.е. являются однофазными. В отличие от химических соединений твердые растворы существуют не при определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций. Поэтому они на диаграммах состояния всегда занимают определенные области. Твердые растворы, как правило, имеют невысокую твердость.
В промышленных сплавах наиболее часто встречаются два типа твердых растворов: замещения и внедрения.
В твердых растворах замещения атомы растворимого элемента занимают в кристаллической решетке места атомов растворителя. Такие твердые растворы могут быть ограниченной и неограниченной растворимости. При неограниченной растворимости любое количество атомов одного компонента может быть заменено атомами другого компонента. Это возможно при выполнении следующих условий: у обоих компонентов одинаковый тип кристаллической решетки, сходное строение валентной электронной оболочки атомов, малое различие в размерах атомов.
Если у двух металлов с одинаковым типом кристаллической решетки диаметры атомов различаются значительно, то растворение второго компонента приводит к сильным искажениям кристаллической решетки. Когда эти искажения достигают определенной величины, решетка становится неустойчивой, что приводит к пределу растворимости.
Твердые растворы замещения всегда образуются между металлами, например, железо с Cr , Mn , Ni , W , Co .
В твердых растворах внедрения атомы растворимого элемента размещаются в междуузельных пространствах кристаллической решетки элемента растворителя. Такие твердые растворы образуются в том случае, когда диаметр атомов растворимого элемента много меньше, чем диаметр атомов элемента растворителя. Поэтому такие твердые растворы образуются между металлами и неметаллами (С,Н,О,N), имеющими малые размеры атомов. Образование таких твердых растворов приводит к некоторому искажению кристаллической решетки и к увеличению параметра решетки. Примером таких твердых растворов в стали служит феррит (твердый раствор внедрения углерода в a Fe ) и аустенит (твердый раствор внедрения углерода в g Fe ).Схемы твердых растворов замещения и внедрения показаны на рис. 2.
Следует, однако, иметь в виду, что в промышленных сплавах, например в сталях, нет в чистом виде твердых растворов замещения и внедрения. Даже простые углеродистые стали представляют собой сложные многокомпонентные сплавы, в которых образуются твердые растворы внедрения на базе твердых растворов замещения.
Химические соединения - такие фазы, которым можно приписать простые стехиометрические формулы. Они имеют обычно сложную кристаллическую решетку с упорядоченным расположением атомов, тип которой отличается от решеток входящих в них компонентов. Состав химических соединений, в отличие от тверды растворов, постоянный и не изменяется с изменением температуры. Поэтому на диаграммах состояния химические соединения показывают вертикальной прямой линией.
Свойства химических соединений всегда сильно отличаются от свойств входящих в них компонентов.
В сталях наибольший интерес представляет химическое соединение Fe 3 C, обладающее высокой твердостью и хрупкостью.
При рассмотрении сплавов в микроскоп видны структурные составляющие . Структурными составляющими называют участки сплава, которые выглядят одинаково (светлыми, темными, пестрыми). Структурные составляющие выявляют путем травления полированных образцов-шлифов кислотами или другими реактивами. Структурные составляющие могут состоять из одной или нескольких фаз.
Все сплавы в твердом состоянии могут состоять из следующих структурных составляющих:
1. Кристаллов твердых растворов,
2. Кристаллов химических соединений,
3. Механической смеси кристаллов различных типов (кристаллов чистых компонентов, твердых растворов и химических соединений).
При образовании механических смесей особо выделяют однородные механические смеси, которые являются самостоятельными структурными составляющими и при рассмотрении в микроскоп выглядят однородными участками.
Если однородная механическая смесь образовалась при кристаллизации из жидкого состояния, то она называется эвтектикой. Например, при кристаллизации белого чугуна содержащего 4,3%С образуется эвтектика (однородная механическая смесь состоящая из аустенита и цементита), которая имеет специальное название ледебурит .
Если однородная механическая смесь кристаллов образовалась в твердом состоянии, то она называется эвтектоидом . Например, в углеродистой стали содержащей 0,83%С при охлаждении ниже 723 0 аустенит распадается на феррит и цементит. Такая однородная механическая смесь в сталях имеет специальное название - перлит .
1.4. Превращения в стали при нагреве
Термическая обработка стали состоит в нагреве до определенной температуры, выдержке и охлаждении с определенной скоростью.
При кажущейся простоте этих операций в процессе их выполнения в стали протекают сложные процессы, которые и определяют свойства после термической обработки.
На рис. 3. Показан фрагмент диаграммы Fe-C, где находятся углеродистые стали. Линии на диаграмме имеют специальные обозначения. Линия А 1 (723 0 ) показывает начало образования аустенита при нагреве, линия А 3 - конец образования аустенита, линия А ст - конец растворения цементита в аустените.
После медленного охлаждения, а диаграмма и построена при медленном охлаждении, структуры стали в зависимости от содержания углерода будут различными.
Читайте также: