Вопросы для самопроверки

1. Почему вещества с ковалентным и ионным типами связи имеют высокие температуры плавления?

2. Почему металлы являются проводниками, а оксиды – диэлектриками и полупроводниками?

3. Каким образом коэффициент теплового расширения материалов связан с типом химической связи?

4. Материалы с каким типом связи являются наименее трудоемкими в производстве деталей и конструкций?

5. Материалы с каким типом связи являются наиболее трудоемкими в производстве деталей?

6. В чем преимущество металлов и сплавов перед другими материалами?

7. Вещества с какими типами связи являются матрицей и наполнителями большинства композиционных материалов?

Часть 2. Металлические материалы

Глава 2. Строение и свойства металлов и сплавов

2.1. Кристаллическое строение металлов и сплавов

Металлы и их сплавы относятся к поликристаллическим телам, которые характеризуются закономерным периодическим расположением атомов или ионов в пространстве. Если соединить атомы воображаемыми линиями в трех взаимно перпендикулярных направлениях, то получится пространственная кристаллическая решетка. Ее наименьшим структурным образованием является элементарная ячейка, контур которой представляет собой составленное из атомов геометрическое тело, например, куб или шестигранную призму.

	а		б		в

α-Fe, β-Ti Mo, W, V

γ- Fe, Al, Cu,

Ni, Ag, Au

Рис. 2.1. Типы кубических решеток: простая (а), объемноцентрированная (б), гранецентрированная (в) и примеры металлов, имеющих такие решетки

Кубическая решетка может быть простой, т.е. такой, в вершинах которой находятся атомы (ионы); объемноцентрированной (ОЦК), у которой один атом расположен в центре куба; гранецентрированной, у которой атомы расположены в центрах граней (ГЦК) (рис. 2.1). Кристаллические решетки характеризуются параметром (межатомное расстояние, измеряемое между двумя соседними плоскостями), координационным числом (количеством атомов – соседей, находящихся на ближайшем расстоянии от данного атома) и плотностью упаковки.

а

б

Рис. 2.2. Типичные плотно упакованные структуры в металлах:

а – гексагональная (ГП) и б – гранецентрированная (ГЦК)

Плотно упакованной называется кристаллическая решетка, в которой при данном параметре достигается максимальная концентрация узлов в единице объема. Плотноупакованной является гранецентрированная решетка, а также гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ) (рис. 2.2). Типы кристаллических решеток определяются при помощи рентгеноструктурного анализа.

Существуют кристаллы, которые могут иметь различные кристаллические решетки в зависимости от температуры (две или несколько). Такое явление называется полиморфизмом или аллотропией. Наибольшее значение полиморфизм имеет в переходных металлах, применяемых в технике. К ним относятся: железо, кобальт, скандий, титан (по две модификации), марганец (четыре модификации). Модификации металлов обозначаются малыми греческими буквами; при этом низкотемпературная модификация обычно обозначается α. Например, для железа – α и γ; для титана – α и β (табл. 2.1).

Объемноцентрированные кристаллические решетки имеют: α - железо, β - титан, ванадий, хром, молибден, вольфрам; гранецентрированные решетки имеют: γ – железо, никель, алюминий, медь; гексагональные плотно упакованные имеют: магний, α - титан, цинк. Кристаллические решетки представляют собой идеальную, совершенную структуру кристалла.

Таблица 2.1