Тема 2. Строение и свойства металлов
2.1. Основные сведения о кристаллическом строении металлических тел.
Изучением строения и свойств металлов и их сплавов занимается наука металловедение, основоположником которой, как упоминалось выше, является русский ученый Д.К. Чернов.
Учеными установлено, что все применяемые в технике металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, в частности, Д.К. Чернов в 1878г. впервые представил схему образования кристаллической структуры стали. Он установил, что процесс кристаллизации металла происходит в два этапа:
1. Формирование центров (зародышей) кристаллизации.
2. Рост кристаллов из этих центров.
Сначала растут первичные или главные оси кристаллов, а потом перпендикулярно к ним растут оси верхних порядков (второго, третьего и т.д.) (рис. 2.1).
Такие кристаллы напоминают по внешнему виду дерево и называются дендриты (от греческого «дерево»). В процессе роста кристаллы двигаются навстречу друг другу и в определенный момент стыкуются между собой, в результате чего приобретают соответствующую форму. Такие кристаллы называются зернами (рис. 2.2). Величина и количество зерен в конце кристаллизации зависят от скорости зарождения и роста кристаллов.
Характерной особенностью кристаллического строения металлических тел является правильное расположение их атомов в пространстве, составляющих своеобразную пространственную атомно-кристаллическую решетку, что и обуславливает их особые свойства. Простейшей элементарной кристаллической ячейкой принято считать кубическую, величина которой определяется расстоянием между атомами (а – длина ребра куба), равным 1А0 (ангстрем); 1А0=1·10-8 см=1·10-10 м.
|
|
Рис. 2.1. Схема роста кристалла 1 – первичная ось; 2 – ось второго порядка; 3 – ось третьего порядка |
|
|
Рис. 2.2. Кристалл Чернова |
2.2. Типы кристаллической решетки.
В зависимости от расположения атомов металлов в пространстве различают следующие типы наиболее распространенных кристаллических решеток:
– кубическую объемно-центрированную (ОЦК) (атомы расположены в углах и центре куба) (рис. 2.3, а);
– кубическую гранецентрированную (ГЦК) (атомы расположены в углах куба и в центрах граней) (рис. 2.3, б);
– гексагональную плотноупакованную (атомы расположены в углах и в центрах шестигранных оснований призмы и три атома – в средней плоскости призмы) (рис. 2.3, в).
а) |
б) |
в) |
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.3. Основные виды кристаллической решетки а – кубическая объемно-центрированная; б – кубическая гранецентрированная; в – гексагональная плотноупакованная |
||
Кубическую объемно-центрированную решетку из 9-ти атомов имеют α-железо, Cr, V и др. Кубическую гранецентрированную из 14-ти атомов – γ-железо, Al, Cu, Ni, Pb, и др. Гексагональную плотноупакованную из 17-ти атомов – Zn, Mg, Ti и др.