A fémek atomkristályos szerkezete
A normál körülmények között megszilárduló fémek kristályos anyagok, vagyis az atomok csomagolását egy bizonyos sorrend-periodicitás jellemzi, mind különböző irányban, mind különböző síkokban. Ezt a sorrendet a kristályrács fogalma határozza meg.
Más szavakkal, a kristályrács egy képzeletbeli térbeli rács, amelynek csomópontjaiban a szilárd testet alkotó részecskék találhatók.
Az elemi cella a legkisebb atomszámú térfogat eleme, amelynek többszörös átvitelét az űrben az egész kristály felépítéséhez lehet kialakítani.
Az elemi sejt jellemzi a kristály szerkezetének jellemzőit. A kristály fő paraméterei a következők:
- az egységcella éleinek méretei. a, b, c a rácspántok, a legközelebbi atomok közötti távolságok. Egy irányba szigorúan meg vannak határozva.
- A tengelyek közötti szögek ().
- A koordinációs szám (K) azt a atomszámot jelöli, amely a legközelebbi azonos távolságra van a rács bármely atomjától.
- a rács alapja az atomok száma a rács egy egysejtjében.
- az atomok tömörítési sűrűsége a kristályrácsban - az atomok által elfoglalt térfogat, amelyet feltételesen merev golyóknak tekintünk. Az atomok által a térfogatnak megfelelő térfogat arányát határozzuk meg (térfogat-központú köbös rács esetében: 0,68, arccentrikus kockás rács esetén 0,74)
2.1 ábra. A kristályrács rendszere
A lehetséges kristályrácsok osztályozását a francia O. Brava tudós végezte el, "Bravais-rácsnak" nevezték. A kristályos testek számára összesen tizennégy típusú rács van, négy típusra osztva;
- primitív - a rács csomópontjai egybeesnek az elemi sejtek csúcsaival;
- a bázisközpontú - atomok a sejtek tetejét és a két szemben lévő arcot foglalják el;
- térfogat-központú - az atomok a sejtek tetejét és annak központját foglalják el;
- arccal központosított - az atomok elfoglalják a cella tetejét és mind a hat arc központját
Ábra. 2.2. A kristályrács fő típusai: a - térfogat-központú köbös; b- arcközpontú köbös; в - hatszögletű, szoros csomagolású
A kristályrács fő típusai:
1. A kötetcentrikus köbös (bcc) (lásd az 1.2a. Ábrát), az atomok a kocka csúcsán helyezkednek el és középen (V, W, Ti, Fe # 945;)
2. Arccentrikus köbös (fcc) (lásd 1.2b ábra), az atomok a kocka tetején helyezkednek el, és a hat arc (Ag, Au, Fe # 947;
3. Hatszögletű, amelynek alapja egy hatszög:
o az egyszerű atomok a cella felső részén és a két bázis közepén helyezkednek el (a grafit formájában lévő szén);
o szorosan lezárt (hcp) - a középső síkban (cink) további 3 atom található.
A test tulajdonságai az atomok természetétől függenek, és az atomok közötti kölcsönhatás erejéig. Az atomok közötti kölcsönhatás erőit nagymértékben meghatározzák a köztük lévő távolságok. Az űrben lévő atomok kaotikus elrendezésével rendelkező amorf testekben az atomok közötti távolságok különbözőek, ezért a tulajdonságok azonosak lesznek, vagyis az amorf szervek izotropikusak
A kristályos szilárd anyagok, az atomok térbeli elhelyezkedésében helyesen, és különböző irányokba nem ugyanaz az atomok közötti távolság, amely előre meghatározza jelentős különbségek a kölcsönhatás közötti erőket, és ennek eredményeként, különböző tulajdonságokkal. A függőség a tulajdonságok az irányt nevezzük anizotrópia
Az anizotrópia jelenségének megértéséhez kristálytiszta síkokat és krisztallográfiai irányokat kell kijelölni a kristályban.
A kristályrács csomópontjain áthaladó síkot kristályos síknak nevezik.
A kristályrács csomópontjain áthaladó egyenes vonalat kristálytani iránynak nevezik.
Krisztallográfiai síkok és irányok jelöléséhez használja a Miller indexeket. A Miller indexek létrehozásához egy elemi cellát írnak be egy térbeli koordinátarendszerbe (az X, Y, Z tengelyek a kristályos tengelyek). A mérési egység a rácsos időszak.
Ábra 2.3. Példák a kristályos síkok (a) és a kristályos irányok kijelölésére (b)
A kristályos kristályos sík indexeinek meghatározásához szükséges:
- állítsa be a sík metszéspontjának koordinátáit a koordináta-tengelyekhez a rács periódusában;
- vegye figyelembe e mennyiségek kölcsönös értékét;
- a legapróbb egész számok, a kapott számok mindegyikéhez.
Az elsődleges egész számok, amelyeknek nincs közös tényezője, Miller indexek a síkra, zárójelben vannak feltüntetve. Példák a 2. ábrán látható kristályos síkok kijelölésére. 1.3 a.
Más szavakkal, az index a tengely mentén jelzi, hogy hány rész van a sík az adott tengely mentén osztja az axiális egységet. A tengellyel párhuzamos síkok 0 (110)
A vonal tájolását a két pont koordinátái határozzák meg. A kristálytani irány mutatóinak meghatározásához szükséges:
# 61623; egy iránypont kapcsolódik a származáshoz;
# 61623; Egyenes vonal mentén elhelyezkedő bármely pont koordinátáinak megállapítása a rács periódusában
# 61623; hogy ezeknek a koordinátáknak az aránya a három legkisebb egész számhoz viszonyítva.
A kristálytani irányok indexei szögletes zárójelben vannak feltüntetve [111]
A köbös rácshálóban a (hkl) síkra merőleges irány mutatói ugyanazok az indexek [hkl].
A valódi kristályok szerkezete. A kristályszerkezet hibái és azok hatása a fémek fizikai és mechanikai tulajdonságaira.
Egyetlen kristályt folyékony ömledékből lehet termeszteni. Általában laboratóriumokban használják fel egy anyag tulajdonságainak tanulmányozására.
A szokásos körülmények között előállított fémek és ötvözetek nagyszámú kristályból állnak, azaz polikristályos szerkezetűek. Ezeket a kristályokat gabonának nevezik. Szabálytalan alakjuk van, és a térben másképp orientálódnak. Minden egyes szemcse saját iránya a kristályrácsnak, amely különbözik a szomszédos gabonákéktól, így a valós fémek tulajdonságait átlagolják, és nincsenek anizotrópiai jelenségek
A valódi fémek kristályrácsjában különböző hibák (tökéletlenségek) vannak, amelyek megszakítják az atomok közötti kötéseket és befolyásolják a fémek tulajdonságait. A következő szerkezeti hiányosságokat különböztetjük meg:
· Pont - kicsi mindhárom dimenzióban;
· Lineáris - kicsi két dimenzióban és önkényesen meghosszabbítva a harmadikban;
· Felszíni - kis méretben.
A kristályszerkezet egyik leggyakoribb hiányossága ponthibák jelenléte: üresedések, diszlokált atomok és szennyezések (2.4. Ábra).
Fig.2.4. Ponthibák
Állás - hiánya atomok a kristályrácsban, „lyukak”, amelyek eredményeként kialakult különböző okok. Van kialakítva az átmenet az atomok a felületen a környezetbe, vagy a rácspontok a felületen (a szemcsehatárok, üregek, repedések, és így tovább. D.), ami a képlékeny alakváltozás a test bombázása atomok vagy részecskék nagy energiájú (besugárzás ciklotron vagy neutron besugárzás atomreaktor). Az üresedések koncentrációját nagymértékben meghatározza a testhőmérséklet. A kristály mentén mozoghat, egy üres álláshely alakulhat ki. És csatlakozzanak az őrültekhez. A felhalmozódás sok megüresedett vezethet pórusokat és üregeket.
A diszlokált atom egy atom, amely egy rácspontból jött létre, és helyét egy interstice helyére helyezte. A dislocált atomok koncentrációja jóval kevesebb, mint a betöltetlen helyek, mivel kialakulásukhoz jelentős energiaigény szükséges. Ugyanakkor a helyváltoztatható atom helyén üres álláshely alakul ki.
A szennyező atomok mindig jelen vannak a fémben, mivel gyakorlatilag lehetetlen egy kémiailag tiszta fém szagát érzékelni. Ezek nagyobbak vagy kisebbek lehetnek, mint a fő atomok, és rácsos helyeken vagy internodákon helyezkednek el.
A ponthibák a rács kis torzulását okozzák, ami megváltoztathatja a test tulajdonságait (elektromos vezetőképesség, mágneses tulajdonságok), jelenlétük hozzájárul a diffúziós folyamatokhoz és a szilárd állapotú fázisátalakítások folyamatához. Amikor egy anyagon mozog, a hibák kölcsönhatásba léphetnek.
A legfontosabb lineáris hibák a diszlokációk. Priori megértése ficamok használta először 1934-ben godu Orovanom és Theiler amikor képlékeny kristályos anyag, hogy ismertesse a nagy különbség a gyakorlati és elméleti szilárdságú fém.
Diszlokáció - ezek a kristályos szerkezetben mutatkozó hibák, amelyek olyan vonalakat képviselnek, amelyek mentén és a közelben sérülnek a kristályt jellemző atomtervek megfelelő elrendezése.
A perem diszlokáció olyan vonal, amely mentén az "extra" félsík éle beszivárgódik a kristályon belül (2.5. Ábra)
Ábra. 2.5. A perem diszlokációja (a) és kialakulásának mechanizmusa (b)
Egy nem teljes síkot extra síknak neveznek.
A legtöbb diszlokációt egy nyíró mechanizmus alkotja. Formációját a következő művelet jellemzi. Vágjuk a kristályt az ABCD sík mentén, mozgassuk az alsó részt a felső részhez képest egy rácsidőt az AB-re merőleges irányban, majd állítsuk az atomokat a vágás éleihez.
A legnagyobb torzítást az elrendezésben atomokat egy kristály közelében történik az alsó széle az extra. Bal és jobb szélétől a plusz ilyen torzulások kicsi (néhány rács időszakokra) és széle mentén az extra torzítás kiterjeszti az egész kristály, és lehet nagyon nagy (több ezer rácsosztások) (ábra. 2.6).
Ha az extra sík a kristály felső részén van, akkor a perem diszlokáció pozitív (), ha az alsó részen, akkor negatív (). Ugyanezen jelek diszlokációi taszítják, az ellenkező pedig vonzódik.
Ábra. 2.6. A kristályrács torzulása a perem diszlokációjának jelenlétében
A burger egy másik típusú diszlokációját írta le, és csigás diszlokációnak nevezték
A spirál diszlokáció kapunk részleges nyíró Q síkban az EF egyenes (ábra. 2.7) felületén a kristály képződik egy lépés, halad az E pontban, hogy a kristály élek. Az ilyen részleges párhuzamos eltolás ad atomi réteg, a kristály válik egyetlen atomi síkot a csavart egy csavart formájú üreges hélix körül egy EF egyenes, amely a határ elválasztó része, a csúszó síkban, ahol elmozdulás történt a rész, ahol a sebességváltó elindul. Az EF vonal mentén megfigyelhető a tökéletlenségi régió makroszkópos jellege, más irányokban pedig több szakasz is van.
Ha a felső látószögről az alsó részre való átmenet az óramutató járásával megegyező irányban történik, akkor a diszlokáció helyes, és az óramutató járásával ellentétes irányú elforgatás bal.
Ábra. 2.7. A csavarodás kialakulásának mechanizmusa
A csavaros diszlokáció semmilyen csúszósíkhoz nem kapcsolódik, és a síkvonalon áthaladó sík mentén mozoghat. A szabad helyek és a diszlokált atomok nem csöpögnek össze egy csavaros diszlokációban.
A kristályosodás folyamatában a gőzből vagy oldatból kijövő anyag atomjai könnyen csatlakoznak a lépcsőhöz, ami a kristálynövekedés spirális mechanizmusához vezet.
diszlokáció vonalak nem mondhatja a kristály, akkor vagy ki kell zárt hurkot alkosson vagy fióktelep több ficamok, vagy menjen a kristály felületén.
Az anyag diszlokációs szerkezetét a diszlokációk sűrűsége jellemzi.
A diszlokációsűrűség a kristály meghatározott átlagos számaként zavar vonalak keresztezési a négyzet területe 1 m 2 a test belsejében, vagy a teljes hossza a diszlokáció vonalak térfogatban 1 m 3
A diszlokációk sűrűsége széles tartományonként változik, és függ az anyag állapotától. Alapos lágyítás után a diszlokáció sűrűsége 10 5 ... 10 7 m -2. erősen deformált kristályrácsokkal rendelkező kristályoknál a diszlokációs sűrűség eléri a 10 15 ... 10 16 m -2 értéket.
A diszlokáció sűrűsége nagymértékben meghatározza az anyag duktilitását és szilárdságát (2.8. Ábra)
Ábra. 2.8. A diszlokáció sűrűségének hatása a szilárdságra
A legkisebb szilárdságot a diszlokációk kritikus sűrűsége határozza meg
Ha a sűrűség kisebb, mint egy, a deformációval szembeni ellenállás élesen nő, és az erő közeledik az elméletihez. Az erő növelését olyan fém létrehozásával érik el, amelynek meghibásodást nem okozó szerkezete, valamint a mozgásukat gátló diszlokációk sűrűsége nő. Jelenleg, kristályok hibamentes létrehozott - darukar hossza 2 mm, vastagsága 0,5 ... 20 m - „whisker” egy erőt közel van az elméleti: vas = 13000 MPa, réz = 30000 MPa. Ha a fémek megerõsödnek a diszlokáció sûrûségének növelésével, akkor nem haladhatja meg a 10 15 ... 10 16 m -2 értéket. Ellenkező esetben repedések képződnek.
A diszlokációk nem csak az erőt és a duktilitást, hanem a kristály egyéb tulajdonságait is érintik. A növekvő diszlokációs sűrűséggel a belső sűrűség növekszik, az optikai tulajdonságok megváltoznak, és nő a fém elektromos ellenállása. Ficamok növeli az átlagos diffúziós sebessége a kristály, felgyorsítja az öregedés és egyéb folyamatok, amelyek csökkentik a kémiai ellenállás, azonban ennek eredményeként a felületkezelés a kristály a speciális anyagokkal olyan helyeken, ahol a diszlokációk alakulnak gödrök.
A diszlokációk akkor keletkeznek, amikor a kristályok olvadékból vagy gázfázisból képzõdnek, kis mezõorientációs szögû blokkok bõvítésével. Amikor üres álláshelyeket helyeznek el a kristály belsejében, akkor koncentrálnak, és üregeket képeznek lemezek formájában. Ha ezek a lemezek nagyok, akkor energikusan kedvező a "szétcsúszni" a lemez pereménél lévő perem-diszlokációban. A diszlokációk deformáció során keletkeznek, a kristályosodás során, a hőkezelés során.
A felszíni hibák a szemek, töredékek és blokkok határai (2.9. Ábra).
Ábra. 2.9. A szemcsék és blokkok zavarása a fémben
A szemcseméret legfeljebb 1000 μm. A tájékozódás szöge több tíz fokig (# 920;).
A szemek közötti határ 5-10 atomos átmérőjű vékony felület, az atomok sorrendjében a legnagyobb megszakítással.
Az átmeneti réteg szerkezete elősegíti a diszlokációk felhalmozódását. A szemcsehatároknál a szennyeződések koncentrációja nő, ami csökkenti a felszíni energiát. Azonban még a gabonán belül sem a kristályrács ideális szerkezete sohasem figyelhető meg. Vannak olyan területek, amelyek több fokkal (# 920; 1) egymáshoz viszonyítva torzulnak egymáshoz képest. Ezeket a területeket töredéknek nevezzük. A szemek töredékké történő elosztásának folyamatát széttöredezésnek vagy poligonizációnak nevezzük.
Mindegyik fragmens 10 mikronnál kisebb méretű blokkokból áll, amelyek egy fok alatti szögben torzulnak (# 920; 2). Az ilyen struktúrát blokknak vagy mozaiknak nevezik.
Ezek közé tartoznak a makroszkopikus dimenziókkal járó pórusok, repedések, ellentétben a korábban vizsgált mikroszkópos módszerekkel.
3 A fém anyagok szerkezete.
A fázis, mikro- és makrostruktúra fogalma. A modern szerkezet tanulmányozása. Fractography. A kristályosítás termodinamikai alapja, mechanizmusa és kinetikája. Folyékony fém módosítása. A fém öntvény szerkezete. Polimorf transzformációk fémekben. Ötvözet, komponens, fázis, rendszer. Fázisszabályok. Fémötvözetekben képződött fázisok (szilárd oldatok, kémiai vegyületek, mechanikai keverékek).