Кристаллическое строение металла: Глава 2.2. Атомно-кристаллическое строение металлов — Купити в Харкові, Києві, Україні. Безкоштовне тестування

alexxlab | 10.05.2023 | 0 | Разное

Кристаллическое строение металлов

 

У металлов электроны на внешних оболочках имеют слабую связь с ядром, легко отрываются и могут свободно перемещаться между положительно заряженными ядрами. Следовательно, в металле положительно заряженные ионы окружены коллективизированными электронами. Так как эти электроны подвижны аналогично частицам газа, то используется термин «электронный газ».

 

Металлургический тип связи характерен тем, что нет непосредственного соединения атомов друг с другом, нет между ними прямой связи. Атомы в металлах размещаются закономерно, образуя кристаллическую решетку.

 

Кристаллическая решетка — это мысленно проведенные в пространстве прямые линии, соединяющие ближайшие атомы и проходящие через их центры, относительно которых они совершают колебательные движения. В итоге образуются фигуры правильной геометрической формы — кристаллическая решетка (рис. 1.1).

 

 

Расстояния (а,b,с) между атомами, т.е. параметры кристаллической решетки, находятся в пределах 2… 6 A°  (1 A°=10

-8 см). Каждый атом принадлежит 8 кристаллическим решеткам. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве, свойства в различных направлениях одинаковы, а в кристаллических телах расстояния между атомами в различных направлениях неодинаковы, поэтому различны и свойства. Тип кристаллической решетки (рис. 1.2) зависит от металла, температуры и давления. Это используется при термообработке металлов для  упрочнения их.

 

Реальные металлы состоят из большого количества кристаллов, различно ориентированных в пространстве относительно друг друга. На границах зерен атомы кристаллов не имеют правильного расположения, здесь скапливаются примеси, дефекты и включения. Экспериментально установлено, что внутреннее кристаллическое строение зерен не является правильным. В решетках имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связь между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.

 

Имеются следующие несовершенства в кристаллических решетках:

1. 1.  Точечные (рис. 1.3):

а) Наличие вакансий, т. е. мест в решетке, не занятых атомами. Это происходит из-за смещения атомов от равновесного состояния. Число вакансий увеличивается с ростом температуры.

б) Дислоцированные атомы, т. е. атомы вышедшие из узла решетки и занявшие место в междоузлии.

в) Примесные атомы, т.е. в основном металле имеются чужеродные примеси. Например, в чугуне основными атомами являются атомы железа, а примесными- атомы углерода, которые или занимают место основного атома, или внедряются внутрь ячейки.

1. 2. Поверхностные несовершенства, имеющие небольшую толщину при значительных размерах в двух других направлениях.

3. Линейные несовершенства (цепочки вакансий, дислокаций и т. д.). Линейные дефекты малы в двух направлениях и значительно большего размера в третьем.

 

Количество дефектов в металле оказывает существенное влияние на его прочность. На первом участке кривой (рис. 1.4) при минимуме дислокаций меньше возможностей для сдвига атомов по кристаллической решетке, поэтому будет максимум прочности металла (теоретическая, недостижимая прочность). Путем восстановления из хлористого или бромистого железа в лабораторных условиях выращивают «усы» кристаллов железа длиной до 10 см и диаметром 0,5 … 1 мкм, имеющие относительно высокую прочность на растяжение (бb = 1200 …1300 кгс / мм²). Для сравнения, высокопрочная сталь имеет прочность всего 150 …200 кгс / мм², т.е. на порядок ниже, а прочность железных «усов» примерно в 100 раз выше, чем у обычного железа (минимум на кривой).

 

Повышение прочности с увеличением плотности дислокаций выше их критического значения объясняется тем, что имеются не только параллельные, но и взаимопересекающиеся  (объемные) дислокации. Они препятствуют взаимному перемещению металла и, как результат, приводят к увеличению прочности металла.  

 

Все современные способы упрочнения металлов (легирование, закалка, прокатка, ковка, штамповка, волочение и т.д.) – это увеличение количества дефектов в металле. Наивысшая прочность, которую можно получить путем увеличения количества дефектов в металле, составляет около 1/3 от теоретически возможной (идеальной) прочности.

 

 

При нагреве и охлаждении (рис. 1.5) аморфных тел (смола, стекло, пластмассы,…) при переходе из жидкого в твердое состояние качественных изменений не происходит. В твердом состоянии атомы в аморфном теле расположены так же хаотично, как и в жидком, имеют только меньшую степень перемещения. Из рис 1. 5 видим, что температура плавления Тпл равняется температуре кристаллизации Ткр, а переход из одного состояния в другое (из твердого в жидкое- точка Тпл, и из жидкого в твердое- точка Ткр ) происходит скачкообразно.

 

По другому ведут себя металлы (рис. 1.6). На участке 1 — 2  происходит  нагрев металла ; кристаллическая решетка сохраняется, но атомы увеличивают амплитуду колебаний за счет поглощенной тепловой энергии. На горизонтальном участке 2 — 3 также подводится тепло, но температура Тпл не повышается, т.к. подводимое тепло целиком расходуется на разрушение кристаллической решетки. Атомы переходят в неупорядоченное (жидкое) состояние. После разрушения последнего участка кристаллов, после точки 3 начинается повышение температуры жидкого металла по линии 3 — 4.

 

 

При охлаждении (4- 5) на горизонтальном участке 5 — 6 происходит кристаллизация, при которой выделяется тепло, поэтому процесс проходит при постоянной температуре Ткр. Кристаллизация металла происходит не при температуре плавления Тпл, а при некотором переохлаждении Dt, величина которая зависит от природы металла, наличия примесей и от скорости охлаждения.

 

Кристаллизация начинается с того, что при понижении температуры до значения Ткр начинают образовываться мелкие кристаллики, называемые центрами кристаллизации (зародышами). При дальнейшем уменьшении энергии металла происходит рост кристаллов и в то же время в жидкости возникают новые центры кристаллизации, т.е. процесс кристаллизации состоит из двух одновременно происходящих процессов :зарождение новых центров кристаллов и роста кристаллов из ранее образованных центров.

 

Скорости кристаллизации и числа центров в зависимости от Dt изменяются по закону нормального распределения (рис.

1.7).

 

При переохлаждении (б) образуется мелкое зерно, т. к кристаллы быстро образуются, но медленно растут, а при меньших (а) значениях Dt возникает крупное зерно. Мелкокристаллический металл более твердый и прочный, чем крупнокристаллический. Следовательно, подбором температуры переохлаждения  Dt можно регулировать механические характеристики металла. Многое зависит от количества нерастворимых примесей, которые являются центрами кристаллизации. Чем больше этих частиц, тем меньше зерна металла.

 

Влияние степени переохлаждения Dt на процесс кристаллизации хорошо видно в структуре слитка (рис. 1.8). Полученная в конверторе или в мартене, сталь (0,5…3 тн) заливается в изложницу. Большой перепад температур (свыше 1500 °С) будет между расплавленным металлом и атмосферой по высоте и ширине слитка. В результате на поверхности слитка, т. е. там, где имеется наибольший перепад температур, будет мелкозернистая структура, а в центре слитка при минимальном перепаде температур возникнут при кристаллизации крупные, а между ними –столбчатые кристаллы.

 

Российские ученые и практики сделали много открытий   в металловедении и технологии обработки металлов. Так, основы научной металлургии и геологии заложил еще Михаил Васильевич Ломоносов, об этом свидетельствует написанный им в 1763 году   труд  «Первые основания металлургии или рудных дел».

 

Дмитрий Иванович Менделеев систематизировал в периодической таблице химические элементы, что способствовало развитию многих вопросов металловедения (из известных в то время 63 химических элемента 50 были металлами). Родоначальником металлургии является и русский горный инженер Павел Петрович Аносов (1797…1851 г.), работающий в городе Златоусте на Урале. Он впервые применил световой микроскоп для изучения микроструктур металлов и нашел секрет булатной стали, заложил основы легирования стали  (исследовал добавки золота, платины, хрома, марганца и других элементов к стали).

 

Дмитрий Константинович Чернов (1839…1921 г.) — основоположник теории и строения стального слитка. Работал на Обуховском заводе г. Санкт-Петербурга.

1. Кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток металлов

Лекция. Строение и свойство металлов

Вопросы

1. Кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток металлов

2. Анизотропия. Аллотропия (полиморфизм)

3. Аллотропические видоизменения железа

4. Кристаллизация металлов

5. Реальное строение металлических кристаллов

6. Методы исследования строения металлов

Твердые вещества по взаимному расположению атомов делят на аморфные и кристаллические

. Аморфными называют твердые веще­ства, атомы которых располагаются в пространстве хао­тично. При нагревании они размягчаются и переходят в жидкое состояние в широком интервале температур и на кривой нагрева (на штриховой на рис. 1) не выражен этот переход. К таким веществам относят стекло, смолу, ка­нифоль, клей и др.

Кристаллическими называют твердые вещества, в ко­торых атомы расположены в пространстве в строго опре­деленном порядке. Эти вещества при нагреве остаются в твердом состоянии и переходят в жидкое при определенной температуре (рис.1, сплошная линия).

Рис.1

Все металлы являются кристалличес­кими веществами. Для описания кристаллической струк­туры металлов пользуются понятием

кристаллической решетки. Кристаллическая решетка – это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой расположены атомы. Наименьшая часть кристаллической решетки, определяющая структуру металла, называется элемен­тарной кристаллической ячейкой. Элементарная ячейка повторяется во всех трех измерениях и полностью харак­теризует структуру кристалла. На рис. 2 изображены элементарные ячейки для наиболее распространенных кристаллических решеток, которые имеют металлы:

Рис. 2.Пространственные кристаллические решетки:

а) кубическая объемно-центрированная; б) кубическая гранецентрированная: в) гексагональная плотноупакованная.

На рис.2,а приведена схема элементарной ячейки кубической объемно-центрированной решетки; она ограничивается девятью атомами, восемь из которых расположены по вершинам куба, а девятый – в его центре. Повторением этой ячейки путем переносов образуется вся структура кристалла.

Элементарная ячейка кубической гранецентрированной решетки (рис. 2, б) ограничивается 14 атомами: восемь из них расположены по вершинам куба, шесть – по его граням..

На рис. 2,в приведена схема элементарной ячейки гексагональной решетки. Она ограничена 17 атомами, из которых 12 расположены по вершинам шестигранной призмы, два атома – в центре основа­ний и три -внутри призмы.

В отдельно взятом кристалле свойства различны в разных направлениях.

Если взять большой кристалл ( существуют методы выращивания крупных кристаллов), вырезать из него несколько одинаковых по размеру, но различно ориентированных образцов и испытать их свойства, можно иногда наблюдать значительную разницу в свойствах отдельных образцов. Например, при испытании различных образцов из кри­сталла меди относительное удлинение изменяется от 10 до 55 %, а предел прочности -от 140 до 350 МПа. Это свойство кристаллов называют анизотропностью.

Анизотропность кристаллов определяется характером расположения атомов в кристаллической ре­шетке.

Аморфные тела изотропны, т. е. все их свойства одинаковы во всех направлениях; излом аморфного тела всегда имеет неправиль­ную, искривленную, так называемую раковистую форму.

Металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят из множе­ства кристаллов, кристаллическая решетка которых по-разному ориентирована, поэтому свойства литого металла приблизительно одинаковы по всем направлениям; это называют квазиизотропностью.

Аллотропия металлов. Аллотропия металлов (или полиморфизм)-свойство перестраивать решетку при определенных температурах в процессе нагрева и охлаждения – присуща многим металлам (железу, марганцу, никелю, олову, титану, ванадию и др. ). Каждое аллотропическое превращение происходит при определенной тем­пературе (например, одно из превращений железа происходит при температуре 911^о С, ниже которой! атомы составляют решетку цен­трированного куба, а выше — решетку гранецентрированного куба).

Структура, имеющая ту или иную решетку, называется алло­тропической формой или модификацией. Различные модификации обозначают греческими буквами α, β, γ и т. д., причем буквой α обозначают модификацию, существующую при температурах ниже первого аллотропического превращения. Аллотропические превра­щения сопровождаются отдачей (уменьшением) или поглощением (увеличением) энергии.

Единая картина кристаллических структур металлов

• Опубликовано: 6 апреля 1995 г.

• Пер Седерлинд ¹ ,
• Олле Эрикссон ¹ ,
• Берье Йоханссон ¹ ,
• Дж. М. Уиллс 1 9001
• …
• А. М. Сверлильный ²  

Природа том 374 , страницы 524–525 (1995 г.)Процитировать эту статью

• 1125 доступов

• 184 Цитаты

• Сведения о показателях

Abstract

Кристаллические структуры легких актинидов интригуют физиков и химиков уже несколько десятилетий ¹ . Простые металлы и переходные металлы имеют плотноупакованные высокосимметричные структуры, такие как объемно-центрированная кубическая, гранецентрированная кубическая и гексагональная плотная упаковка. Напротив, структуры легких актинидов очень рыхло упакованы и имеют низкую симметрию — тетрагональную, орторомбическую и моноклинную. Чтобы понять эти различия, мы выполнили расчеты полной энергии в зависимости от объема как для структур с высокой, так и с низкой симметрией простого металла (алюминия), немагнитного переходного металла (ниобия), ферромагнитного переходного металла. (железо) и легкий актинид (уран). Мы обнаружили, что кристаллическая структура всех этих металлов определяется балансом между электростатическими (маделунговскими) взаимодействиями, которые способствуют высокой симметрии, и пайерлсовским искажением кристаллической решетки, которое способствует низкой симметрии. Мы показываем, что простые металлы и переходные металлы могут принимать структуры с низкой симметрией при расширении решетки; и мы предсказываем, что, наоборот, легкие актиниды будут претерпевать переходы в структуры более высокой симметрии при сжатии.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Соответствующие статьи

Статьи открытого доступа со ссылками на эту статью.

• Ускоренное предсказание кристаллической структуры случайного сплава из нескольких элементов с использованием расширяемых функций

  • Тэвон Джин
  • , Ина Пак
  •  … Джи Хун Шим

  Научные отчеты Открытый доступ 04 марта 2021 г.

Варианты доступа

Подписаться на этот журнал

Получите 51 печатный выпуск и доступ в Интернете

199,00 € в год

всего 3,90 € за выпуск

Узнайте больше

Арендуйте или купите эту статью

Получите только эту статью, пока она вам нужна

39,95 $

Подробнее

Цены могут облагаться местными налогами, которые рассчитываются при оформлении заказа

Ссылки

1. Katz, J. J., Seaborg, G. T. & Morss, L. R. (eds) The Actinistry of the Elements0034 Vols 1 и 2 (Chapman & Hall, Нью-Йорк, 1986).

2. Harrison, WA Псевдопотенциалы в теории металлов (Benjamin/Cummings, Menlo Park, California, 1966).

   Google Scholar

3. Friedel, J. in The Physics of Metals (ред. Ziman, JM) Ch. 8 (Cambridge Univ. Press, Нью-Йорк, 1969).

   Google Scholar

4. Skriver, H. L. Phys. Ред. B 31 , 1909–1923 (1985).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

5. Duthie, J.C. & Pettifor, D.G. Phys. Преподобный Летт. 38 , 564–567 (1977).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

6. Pettifor, D. G. J. chem. физ. 69 , 2930–2931 (1978).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

7. Johansson, B. & Rosengren, A. Phys. Ред. B 11 , 2836–2857 (1975).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

8. Skriver, H.L., Johansson, B. & Andersen, O.K. Phys. Преподобный Летт. 41 , 42–45 (1978).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

9. Skriver, H.L., Johansson, B. & Andersen, O.K. Phys. Преподобный Летт. 44 ​​ , 1230–1233 (1980).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

10. Моруцци, В. Л. и Маркус, П. М. Phys. Ред. B 38 , 1613–1620 (1988).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

11. Brooks, M. S.S. & Johansson, B. J. Phys. F 13 , L197–202 (1983).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

12. Wills, J. M. & Cooper, B. R. Phys. B 36 , 3809–3823 (1987).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

13. Harrison, W. A. ​​ Электронная структура и свойства твердых тел (Фриман, Сан-Франциско, 1980 г.).

    Google Scholar

Ссылки для скачивания

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Группа теории конденсированного состояния, Факультет физики, Университет Упсалы, PO Box 530, S-7051 9040 Perpsala3,

   Perpsala, Sweden , Олле Eriksson & Börje Johansson

2. Центр материаловедения и теоретического отдела, Лос-Аламосская национальная лаборатория, Лос-Аламос, Нью-Мексико, 87545, США

   J. M. Wills & A.M. Boring

Авторы

1. Per Söderlind

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

2. Olle Eriksson

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

3. Börje Johansson

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

4. J. M. Wills

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

5. A. M. Boring

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Права и разрешения

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Эта статья цитируется

• Исследование методом функционала плотности адсорбции h3O на поверхности γ-U(110)

  • С-Л Чжу
  • Y-X Ян
  • Д Ли

  Индийский журнал физики (2023)

• Ускоренное предсказание кристаллической структуры случайного сплава из нескольких элементов с использованием расширяемых функций

  • Тэвон Джин
  • Ина Парк
  • Джи Хун Шим

  Научные отчеты (2021)

• Исследование методом функционала плотности адсорбции молекулы h3O на поверхности α-U(001)

  • Шанцисон Хуан
  • Сю-Линь Цзэн
  • Сюэхай Цзюй

  Журнал молекулярного моделирования (2016)

• Сайт-селективная электронная корреляция в металлическом α-плутонии

  • Цзянь-Синь Чжу
  • Р. К. Альберс
  • Дж. М. Уиллс

  Nature Communications (2013)

Комментарии

Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и Правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.

💎 Основные типы кристаллической структуры в металле

18 сентября 2020 г. 6 июля 2019 г. by EnggStaff

Содержание

Что такое кристаллическая структура?

Мы знаем, что кристаллическая структура связана с расположением атомов в твердой кристаллической структуре, показывающей регулярную трехмерную структуру атомов. С геометрической точки зрения кристаллическая структура известна как пространственная решетка или точечная решетка.

Давайте узнаем о различных типах кристаллической структуры.

Диаграмма различных 4 типов кристаллической структуры

Различные типы кристаллической структуры:

Существует четыре типа кристаллической структуры, как указано ниже:

• Простая кубическая кристаллическая структура (SC)
• Объемно-центрированная кристаллическая структура (ОЦК)
• Гранецентрированная кристаллическая структура (FCC)
• Гексагональная плотно упакованная структура (HCP)

Читать о: 5 лучших справочников по металлургии

1. Простая кубическая кристаллическая структура (SC):

В этом типе кристаллической структуры один атом расположен в каждом углу элементарной ячейки, как показано на рисунке. В простой кубической кристаллической структуре общее число атомов равно восьми.
Простая кубическая кристаллическая структура не имеет атома в центре элементарной ячейки или гранях элементарной ячейки. Теперь можно сказать, что среднее число атомов на единицу в простой кубической кристаллической структуре равно единице. Этот тип кристаллической структуры не существует ни в одном инженерном материале.

2. Объемно-центрированная кристаллическая структура (ОЦК):

В объемно-центрированной кристаллической структуре один атом расположен в каждом углу элементарной ячейки, как в простой кубической кристаллической структуре, но, в дополнение к этому, имеется один атом в центр элементарной ячейки. Объемно-центрированная кристаллическая структура является более сложной по сравнению с простой кубической кристаллической структурой.
Центральный атом в объемно-центрированной кристаллической структуре не контактирует с другим атомом, поэтому он остается неразделенным. Среднее число атомов на элементарную ячейку в объемноцентрированной кристаллической структуре равно двум. Такие металлы, как Li, K, Na, V, Ta и т. д., имеют кристаллическую структуру такого типа.

3. Гранецентрированная кристаллическая структура (FCC):

В гранецентрированной кристаллической структуре атомы располагаются в каждом углу элементарной ячейки, состоящей из восьми угловых атомов. В центр каждой грани помещается один атом, что составляет шесть атомов грани. В гранецентрированной кристаллической структуре нет центрального атома. В этом типе кристаллической структуры среднее число атомов на элементарную ячейку равно четырем. Такие металлы, как Cu, Ag, Al, Ca, Pt и т. д., имеют кристаллическую структуру такого типа.

Подробнее: Координационные числа различных кристаллических структур

4. Гексагональная плотноупакованная структура (HCP):

В гексагональной плотноупакованной структуре кристаллическая структура показывает по одному атому в каждом углу шестиугольника. Следовательно, в гексагональной плотноупакованной структуре имеется 12 угловых атомов. Кроме того, на каждой грани шестиугольника находится по одному атому.
Три внутренних атома в шестиугольнике остаются неразделенными. В гексагональной плотноупакованной структуре среднее число атомов в элементарной ячейке равно шести. Такие металлы, как Zn, Co, Cd, Mg, Be, Ca и т. д., имеют кристаллическую структуру такого типа.