Кристаллическое строение металлов

Основы строения и свойств металлов

III. Конструкционные материалы

ЛЕКЦИЯ №14

Конструкционные материалы – это твердые материалы, предназначенные для изготовления изделий, подвергаемых механическому нагружению.

Конструкционные материалы можно разбить на следующие типы:

1. Металлы и сплавы (стали, чугуны, цветные металлы и т.д.)

2. Неметаллические материалы (полимеры, пластмассы, древесные материалы, резины и т.д.)

3. Композиционные материалы. Это материалы, объединенные разными способами в монолит и сохраняющие при этом индивидуальные особенности.

Прообразом современных композиционных материалов считается железобетон.

Несмотря на достигнутые успехи в создании и использовании неметаллических материалов (пластмассы, полимеры и др.) основными конструкционными материалами еще долгое время будут оставаться металлы и сплавы.

Металлы являются телами кристаллическими. Кристаллическая решетка – регулярное расположение в кристаллах частиц (атомов, ионов), характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях.

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 геометрическое тело, например куб или шестигранную призму.

Ещё в 1890 – 1891 гг. русский минералог Е. С. Федоров систематизировал все известные кристаллы и выделил 230 пространственных групп.

Металлы имеют кристаллические решетки различных типов, наиболее типичными из которых являются:

– объемно-центрированная кубическая (ОЦК);

– гранецентрированная кубическая (ГЦК);

– гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

В объемно-центрированной кубической решетке восемь атомов располагаются в вершине куба и один – в центре куба (на пересечении диагоналей). 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 (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. 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.

Способность металла изменять тип своей кристаллической решетки в зависимости от температуры называется аллотропией или полиморфизмом, а переходы от одного кристаллического строения к другому называется аллотропическими или полиморфными.

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

1 392 °С. После чего решетка вновь перестраивается и приобретает ОЦК строение, сохраняя его плоть до температуры плавления 1 539 °С.

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.