1.2. Кристаллическое строение материалов

Кристаллы – твердые тела, обладающие трехмерной периодической атомной (молекулярной) структурой и имеющие форму правильных симметричных многогранников (рис. 1.2).

К ристаллическая структура – периодически повторяющаяся в пространстве элементарная часть кристаллической решетки (элементарная ячейка). Параметры элементарной ячейки: a, b, c – периоды решетки – расстояние между центрами ближайших атомов; углы между кристаллографическими осями – , , ; координационное число – количество атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома; базис решетки – количество атомов в элементарной ячейке (величина базиса и координационное число решетки могут не совпадать); плотность упаковки – отношение объема, занятого атомами к объему ячейки. В зависимости от соотношения между величинами a, b, с и , ,  различают семь кристаллических структур (рис. 1.3).

В металлах отсутствуют направленные связи, т. к. валентные электроны принадлежат всему кристаллу. Это и определяет высокую симметрию и компактность структур большинства металлических кристаллов. Наиболее распространены следующие кристаллические структуры.

Гранецентрированная кубическая решетка. Атомы находятся в вершинах куба и центре каждой грани. Решетку имеют: Fe_, Cu, Al, Ni.

Объемноцентрированная кубическая решетка. Атомы находятся в вершинах и центре куба – на пересечении его главных диагоналей. Такую решетку имеют: Fe_, Cr, W, V, Mo.

Гексагональная плотноупакованная решетка. Атомы находятся в вершинах и центрах шестиугольников; центрах боковых граней, чередуясь через грань. Такую решетку имеют: Zn, Mg, Cd, Be.

Тетрагональная решетка бывает объемно- и гранецентрированной. Такую решетку имеют: In, -Sn, B.

У некоторых металлов (Fe, Ti и др.) кристаллическая структура при изменении температуры может изменяться – явление полиморфизма.

Кристаллографические плоскости и направления.

Плотность упаковки атомов в разных плоскостях и по разным направлениям неодинаковая. Поэтому свойства кристалла в разных направлениях неодинаковы – явление анизотропии. Чтобы понять явление анизотропии, необходимо обозначить плоскости и направления в кристалле. Плоскости или прямые, проведенные в кристаллической решетке через ее узлы (атомы), называются кристаллографическими плоскостями или направлениями.

Для обозначения кристаллографических плоскостей и направлений пользуются индексами Миллера. Чтобы установить индексы Миллера, элементарную ячейку кристалла вписывают в пространственную систему координат (рис. 1.4). Оси координат x, y, z называются кристаллографическими осями. За единицу измерения вдоль каждой оси принимается период решетки, т. е. длина ребер элементарной ячейки.

И ндексы кристаллографических плоскостей. Чтобы найти индексы плоскости простой кубической решетки, нужно: 1) установить координаты точек пересечения плоскости с осями координат, измеренные в постоянных решетки а, в, с; 2) взять обратные значения этих чисел; 3) привести их к общему знаменателю); 4) отбросить общие знаменатели и заключить в скобки числители этих дробей, переписанные по порядку. Это и будут индексы Миллера (hkl).

Пример 1. Плоскость отсекает на осях координат (x, y, z) отрезки 1, 1/2, 1/3 (см. рис. 1.4). Обратные величины: 1, 2, 3. Это целые числа. Символ плоскости – (123). Следует читать: один, два, три.

Пример 2. Плоскость отсекает на осях координат отрезки 4, 3, 2. Обратные величины: . Приведение к общему знаменателю: . Символ плоскости – (346).

Все параллельные плоскости имеют одинаковые индексы. Если плоскость пересекает ось в области отрицательных значений координат, то соответствующий индекс будет отрицательным и знак минус ставится над индексом. Плоскость, параллельная какой-либо координатной оси, имеет по этой оси индекс нуль, так как 1/∞ = 0.

Зная индексы (hkl) плоскости, можно подсчитать межплоскостное расстояние d между плоскостями данного семейства для кубических кристаллов с периодом решетки a по формуле

.

Индексы кристаллографических направлений (рис. 1.4). Индексы направления представляют собой три наименьших целых числа, характеризующих положение ближайшего узла, лежащего на данном направлении. Ориентация прямой определяется координатами двух ее точек. При определении индексов направлений необходимо, чтобы одна точка направления совпадала с началом координат. Затем необходимо установить координаты второй точки, в единицах периода решетки. Далее остается привести отношения этих координат к отношению трех наименьших целых чисел (обратные величины при вычислении не рассматриваются). Заключив полученные числа в квадратные скобки, получим индексы кристаллографического направления.

Дефекты кристаллического строения. В кристаллах всегда имеются дефекты, оказывающие влияние на их свойства.

Точечные дефекты. Вакансии – отсутствие атомов в узлах решетки. Атомы внедрения – внедрение своих или чужих (примесных) атомов в свободное пространство между атомами решетки основы. Атомы замещения – замещение атомов в узлах решетки чужими атомами. Около дефектов всегда возникают локальные искажения решетки (рис. 1.5).

Линейные дефекты. Краевая дислокация – лишняя атомная полуплоскость, вставленная в какой-то части кристалла (рис. 1.6,а). Винтовая дислокация (рис. 1.6,б) может быть получена при помощи сдвигающего напряжения , которое нарушает параллельность атомных слоев. Кристалл превращается в плоскость, закрученную по винту. В отличие о т краевой, точечные дефекты к винтовой дислокации не стекают.

Плотность дислокаций () – суммарная длина дислокаций в 1 см³ –определяет пластичность и прочность материала. Монокристаллы, нитевидные кристаллы или «усы» (длина 2-10 мм, толщина 0,5-2 мкм) не содержат дислокации, их прочность близка к теоретической прочности железа 20000 МПа (рис. 1.7). Прочность нормальных (отожженных) металлов – 300 МПа при  = 10⁶-10⁸ см^-2 после холодной деформации увеличивается до 1500 МПа при плотности дислокаций 10¹² см^-2, что соответствует 10⁶ км дислокаций в 1 см³.

П ути повышения прочности.

Создание материала с идеальной кристаллической решеткой. Реализация этого пути представляет большие трудности.

Упрочнение материала дефектами. Это направление осуществляют пластическим деформированием, термообработкой и т. д.

Поверхностные и объемные дефекты – границы зерен, фрагментов и блоков, неметаллические включения, поры.

Границы между зернами одной фазы. Металл состоит из кристаллов (зерен) размером от 1 до 1000 мкм. Если углы разориентации () между зернами составляют несколько десятков градусов, то говорят, что зерна разделяет большеугловая граница (рис. 1.8,б). Она представляет собой зону шириной 5-15 межатомных р асстояний с нарушением порядка в расположении атомов. Скопление в этой зоне дислокаций и примесей оказывает существенное влияние на механические свойства металла. Зерна состоят из более мелких (0,1-1 мкм) блоков (субзерен), разориентированных относительно друг друга на небольшие углы (менее пяти градусов). Границу между фрагментами, блоками называют малоугловой (рис. 1.8,а). Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией. Структуру называют блочной или мозаичной.

М ежфазные границы – границы между кристаллами, принадлежащим разным фазам. Различают три типа межфазных границ (рис. 1.9). На когерентной границе решетка одной фазы плавно переходит в решетку другой. Несоответствие решеток обусловливает упругую деформацию, изгиб атомных плоскостей на границе. На полукогерентной границе дислокации чередуются с участками сопряжения решеток двух фаз. При большом несоответствии решеток двух фаз, плавное их сопряжение невозможно, межфазную границу называют некогерентной.

Когерентные частицы – выделения в твердом растворе (матрице) с когерентной границей раздела между ними и матрицей.

Строение поверхности металла. Структура, фазовый и химический состав поверхностного слоя детали отличаются от основного материала, из которого она сделана (рис. 1.10). Зона 1 состоит из адсорбированных из окружающей среды атомов и молекул органических и неорганических веществ. Толщина слоя 0 ,001-1 мкм. Зона 2 состоит из продуктов химического взаимодействия металла с окружающей средой (обычно оксидов). Толщина слоя 1-10 мкм. Переходная зона 3 толщиной несколько межатомных расстояний, имеет иную, чем в объеме, кристаллическую структуру. Зона 4, с измененной по сравнению с основным металлом 5 структурой, фазовым и химическим составом, возникает при изготовлении детали и изменяется в процессе эксплуатации. Толщина и состояние поверхностного слоя может изменяться в зависимости от состава материала, метода обработки, условий эксплуатации.

Пути упрочнения материала. Прочностные свойства металла зависят от сил межатомных связей и препятствий – барьеров, которые приходится преодолевать движущимся дислокациям.

Упрочнение за счет торможения дислокаций точечными дефектами решетки (упрочнение твердым раствором). Эффективность механизма определяется количеством точечных дефектов (собственных и примесных). Около дефектов имеются локальные искажения решетки: чем они больше, тем выше сопротивление деформации.

Упрочнение за счет увеличения количества дислокаций. В реальном металле имеется большое количество дислокаций, расположенных в разных плоскостях («лес» дислокаций). Среди них могут быть малоподвижные и неподвижные дислокации, скопления дислокаций. При пластической деформации движущимся дислокациям приходится преодолевать расположенные на их пути «леса» дислокаций. Чем больше дислокаций, тем выше сопротивление деформации.

Упрочнение за счет торможения дислокаций дисперсными частицами. В структуре сплавов могут находиться дисперсные (мелкие) частицы какой-либо фазы: карбиды (Fe₃C, Сr₇С₃, TiC, Fe₃W₃C и др.), интерметаллические соединения (Со₇W₆, СuАl₂ и др.), окислы (SiO₂, Аl₂O₃). Эти частицы являются барьерами для движущихся дислокаций. Механизмы преодоления дислокациями дисперсных частиц: перерезание (прохождение через частицы) и прохождение между ними.

Упрочнение за счет торможения дислокаций границами зерен, фрагментов и блоков. На этих границах скапливаются дефекты решетки. Дислокации не могут переходить через границу и начинают тормозиться. Дополнительное напряжение, необходимое для пластической деформации, с учетом преодоления дислокациями границ, обратно пропорционально диаметру зерна. Мелкозернистый металл обладает более высоким сопротивлением деформации, чем крупнозернистый.