Лекция 2 Кристаллическое строение металлов Основные методы изучения

Лекция 2 Кристаллическое строение металлов. Основные методы изучения состава и строения металлов и сплавов План лекции 2. 1. Атомно -кристаллическое строение металлов 2. 2. Кристаллизация металлов и сплавов 2. 3. Основные понятия и определения металлов и сплавов

Атомно-кристаллическое строение металлов • • Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. Кристаллическая решетка металлов представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл (твердое кристаллическое тело). Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.

2. 1. Атомно-кристаллическое строение металлов • • • Для описания атомнокристаллической структуры металлов пользуются понятием пространственной (кристаллической ) решетки. Размеры кристаллической решетки характеризуются величинами периодов, под которыми понимают расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями. Период измеряется в ангстремах (1 А = 10 8־ см). Идеальный кристалл – частицы располагаются строго периодически в трех измерениях.

2. 1. Атомно-кристаллическое строение металлов Параметры решетки в нанометрах (1 нм = 10 – 9 м): в кубической а = 0, 28 – 0, 6 нм; a в гексагональной с/а = 1, 633 Коэф. компактности(КК)=V / V Координационное число (К) –число атомов, находящихся на наиболее близком равном расстоянии от любого выбранного атома решетки (плотность решетки) a V =68% К=8 КК=0, 68 Va =74% К= 12 (КОЦ) КК=0, 74 (КГЦ) К= 12 Тетрагональная объемоцентрированная (ТОЦ) индий. олово (ГПУ)

2. 1. Атомно-кристаллическое строение металлов Физико-механические и химические характеристики кристаллов определяются плотностью и характером взаимного расположения атомов, поэтому и свойства веществ будут различными в разных направлениях. Эта особенность кристаллов называется анизотропией. Кристалл – тело анизотропное в отличие от аморфных тел, свойства которых не зависят от направления. Технические металлы- поликристаллы, состоящие большого числа анизотропных кристаллитов. В реальных кристаллах всегда имеются дефекты строения.

2. 1. 1 ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ По геометрическим признакам дефекты строения подразделяют на Точечные – малы во всех трех измерениях, и размеры не превышают нескольких атомных диаметров. К ним относятся: вакансии или «дырки» (дефекты Шотки), межузельные атомы (дефекты Френкеля), образующиеся в результате перехода атома из узла решетки в междоузелье; также точечные несовершенства в результате действия атомов примесей. Оказывают влияние на некоторые физические свойства металла (электропроводность, магнитные свойства и др. ) и предопределяют процессы диффузии в металлах и сплавах, вызывают местное искажение кристаллической решетки.

2. 1. 1 ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ Линейные дефекты – имеют малые размеры в двух направлениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершенства называются дислокациями. краевые, вызванные наличием в кристаллической решетке «лишней» атомной полуплоскости , перпендикулярной к плоскости чертежа; винтовые дислокации, которые располагаются параллельно направлению сдвига. Поверхностные дефекты – малы только в одном направлении и представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами. Примеси По границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, нарушая правильный порядок расположения атомов.

2. 1. 1. Линейные дефекты - дислокации Винтовая дислокация направление дислокации Линия дислокации межатомное расстояние

Зависимость прочности кристалла от числа дислокаций

2. 2. Кристаллизация металлов и сплавов .

2. 2. Кристаллизация металлов Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Кристаллизация наступает в следствии перехода к более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией. Разность между температурами То и Т 1 , при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения.

2. 2. Кристаллизация металлов и размеры зерна Термические кривые характеризуют процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые 1 и 2) и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации. Степень переохлаждения зависит от природы и чистоты металла. Чем чище жидкий металл, тем более он склонен к переохлаждению.

2. 2. Кристаллизация металлов и сплавов • Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста кристаллов, их числа и размеров.

Кристаллизация металлов и размеры зерна

Строение металлического слитка Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут и меть различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще всего в процессе кристаллизации образуются разветвленные или древовидные кристаллы, получившие название дендритов.

2. 2. 2. Полиморфные превращения Существование металлов в разных кристаллических формах в зависимости от температуры называют полиморфными модификациями (ПМ). ПМ, устойчивую при более низкой температуре для большинства металлов принято обозначать буквой ά, при более высокой β, затем γ и т. д. В результате полиморфного превращения образуются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, так называемая перекристаллизация. (ПК) ПК сопровождаются скачкообразным изменением всех свойств металлов и сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных, механических и химических и т. д.

Аллотропические превращения в металлах Fe: до 768 о; 768 – 910 о - КОЦ ; 910 … 1400 о – КГЦ ; свыше 1400 о - КОЦ. Mn: до 742 о; 742 – 1192 о – К сложная многоатомная ; свыше 1192 о гранецентрированая. Ti : до 885 о - ГГ; свыше 885 о – КОЦ. Co: до 470 о - ГГ ; свыше 470 о – КГЦ. Sn: до 18 о – КА; свыше 18 о – ТОЦ.

Построение кривых охлаждения сплава ~ V Тo С Вода Зависимость свободной энергии вещества (W) от его температуры (Т) W Т 3 Т 2 Т 1 Тп Wж WЖ WТВ Т 1 Т 2 Т 0 t Т 3 Тр Тпл Т

2. 3. Основные понятия и определения Заполнить дома самостоятельно

2. 2. 3. Построение кривых охлаждения сплава

2. 4. Основные методы изучения состава и строения металлов и сплавов Химический состав сплава Анализ химического состава- дает точное содержание составляющих элементов сплава(+). , занимает много времени (-). Спектральный метод применяют для быстрого определения хим. состава (+), не обеспечивает большой точности (-). Рентгено- и микрорентгеностпектральный анализ - используют для изучения точного состава отдельных структурных составляющих. Структура металлов и сплавов Макроструктура изучается с помощью макроанализа; Микроструктура изучается с помощью микроанализа; Тонкая структура изучается с помощью рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализа.

Металлографические микроскопы МИМ - 6 ЕС МЕТАМ РВ-22 (87400)

LEO 912 – A new era in electron microscopy

Микроструктуры

Аустенит х 500 6500 С 7000 С х 7 5 0 0 А+П х 800 Ледебурит х 500 Ф+П- 0, 15%С Э М Ф П СЧ. Перл. + плсст. Г Ф+П- 0, 62%С Латунь Бронза х 500 -22%Sn Зерна металлов Бейнит х 1000

Цемент Лишайник

ЧИП

2. 4. Основные методы изучения состава и строения металлов и сплавов Метод термического анализа фиксирует температуры фазовых превращений. Дилатометрический метод основан на изменении объема или длины образца при его нагреве или охлаждении. Метод электросопротивлений основан на изменении сопротивления образца с изменением структуры сплава при воздействии температуры. Метод радиоактивных изотопов (меченых атомов) применяют для изучения однородного сплава , процессов диффузии химических элементов Магнитный метод основан на изменении магнитных свойств сплава с изм енением его внутреннего строения при тепловом воздействии в результате перехода из парамагнитного состояния в ферромагнитное Ультразвуковая дефектоскопия применяется для выявления дефектов структуры на значи тельной глубине.

Электронный микроскоп

Электронный микроскоп

Задание на дом 1. 2. 3. 4. 5. Составьте и запишите в тетради тезаурус основных понятий и определений п. 2. 3. лекции. Попытайтесь ответить на следующие вопросы: Всегда ли древесина неэлектропроводна? Металлическую или керамическую кружку с горячим чаем легче держать в руке? Намагничиваются ли золото и серебро? Имеется ли в природе сталь? Подготовьтесь к тесту № 1 «Строение, структура свойства, области применения и основные методы исследования конструкционных материалов»