Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

прочностью и не обеспечивают вй многих

случаях

требуемых

свойств, по-

этому они применяются сравнительно редко. Наиболее широко исполь-

зуются сплавы. Сплавы

получают

сплавлением или спеканием порошков

двух

или более металлов или металлов с неметаллами. Они

обладают

ха-

рактерными свойствами, присущими металлическому состоянию. Химиче-

ские элементы, образующие сплав, называют

компонентами.

Сплав может

состоять из

двух

или большего числа компонентов.

В металловедении широко используются понятия система, фаза, струк-

тура.

Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют

системой.

Фазой

называют однородные (гомогенные) составные части си-

стемы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства,

одно и то же агрегатное состояние, и отделенные от остальных частей по-

верхностями раздела. Под структурой понимают форму, размеры и ха-

рактер взаимного расположения соответствующих фаз в

металлах

или

сплавах.

Структурными' составляющими сплава называют обособленные части

сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными

особенностями.

Различают макроструктуру (строение металла или сплава, видимое не-

вооружённым глазом или при небольшом увеличении в

30—40

раз) и ми-

кроструктуру

(строение металла или сплава, наблюдаемое с помощью ми-

кроскопа

при больших увеличениях).

Макроструктуру можно исследовать по излому и на специальных ма-

крошлифах. Изучение излома — наиболее простой метод выявления кри-

сталлического строения металлов (рис. 2,а). По излому можно

судить

размере зерна, особенностях выплавки и литья (температуре литья, ско-

рости и равномерности охлаждения сплава и т. д.), термической обработке,

а следовательно, и о некоторых свойствах металла. Вид излома исполь-

зуют

в качестве критерия при определении склонности стали к

хрупкому

разрушению.

При

изучении макроструктуры на специальных макрошлифах (темпле-

тах) образцы вырезают из крупных заготовок (слитков, поковок и т. д.) или

изделий, поверхность которых шлифуют, полируют, а затем подвергают

травлению специальными реактивами.

При

исследовании макрошлифа можно определить форму и расположе-

ние

зерен в литом металле (рис. 2, б); волокна (деформированные кристал-

литы) в поковках и штамповках (рис. 2, в), дефекты, нарушающие сплош-

ность металла

(усадочную

рыхлость, газовые пузыри, раковины, трещины

т. д.); химическую неоднородность сплава, вызванную процессом кри-

сталлизации или созданную термической или химико-термической (цемен-

тация,

азотирование и. т. д.) обработкой.

Микроструктура показывает (рис. 3, а, б) взаимное расположение фаз, их

форму и размеры.

Для определения микроструктуры из исследуемого металла изготовляют

микрошлиф,

т. е. небольшой, образец, одну из плоскостей которого

тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными

реактивами.

Микроструктуру металлов наблюдают в микроскопе — оптическом или

электронном.

Рис.

2. Макроструктура излома

слитка цинка (а), слитка меди (б)

деформированной стали (в)

Разрешающая способность оптического микроскопа,

т. е.

минимальная

величина объекта (детали структуры), которая различима

с его

помощью,

не превышает

0,2 мкм

(2000

А).

Полезное увеличение

оптическом микро-

скопе достигает

2000

раз.

Применение больших увеличений бесполезно,

так

Рис.

3. Микроструктура

а - железо (х 250); 6 - сталь с 0,8%С (х 300); в - сталь с 0,8%С (электронная микро-

фотография, х

5000)

как

при этом не становятся видными новые более мелкие детали струк-

туры,

а меняется только масштаб изображения, так как разрешающая спо-

собность, определяемая волновой природой света, не меняется.

Для изучения микроструктуры широко применяют электронные микро-

скопы,

разрешающая способность которых значительно выше. Использо-

вание электронных лучей, обладающих очень малой длиной волны

[(0,04

—0,12)10"

см],

дает

возможность различать детали изучаемого

объекта размерами до 2-5 А, т. е. по своим размерам соответствующие

межатомным расстояниям.

Наибольшее распространение нашли просвечивающие электромаг-

нитные микроскопы, в которых поток электронов проходит через изу-

чаемый объект. Получаемое изображение является

результатом

неодинако-

вого рассеивания электронов на объекте.

Электронный микроскоп позволяет подробно изучать тонкую

структу-

ру

(субструктуру)

металла. Одно из наиболее важных достижений элек-

тронной

микроскопии—возможность прямого наблюдения дефектов кри-

сталлической структуры. В электронном микроскопе (для предупреждения

вторичного излучения, искажающего наблюдаемую картину) часто изу-

чают

не металл, а лаковый, кварцевый или, более часто, угольный слепок

(или

реплику), полученный с поверхности протравленного шлифа (или из-

лома) и воспроизводящий детали его рельефа, обусловленные действитель-

ной

структурой металла (рис. 3, в).

Широко

применяют и прямой метод исследования на

просвет.

В этом

случае

исследуют

прозрачные для электронов тонкие пленки толщиной

~ 10

А, приготовленные из массивных образцов.

В последние годы все шире применяют растровые электронные микро-

скопы,

в которых изображение создается за

счет

вторичной эмиссии элек-

тронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно переме-

щающийся по этой поверхности поток первичных электронов.

Растровый микроскоп позволяет изучать непосредственно поверхность

(излом) металла, однако разрешающая способность его меньше

(250—300

А), чем просвечивающего электронного микроскопа.

2. АТОМНО-КРНСТЛЛЛНЧЕСКАЯ СТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ

Под

атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположе-

ние

атомов,

существующее

в кристалле.. Кристалл состоит из атомов (ио-

нов),

расположенных в определенном порядке, который периодически пов-

торяется в

трех

измерениях.

Для описания атомно-кристаллической

структуры

пользуются

поня-

тием пространственной или кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую простран-

ственную

сетку,

узлах

которой располагаются атомы

(ионы),

образую-

щие металл (твердое кристаллическое тело). Пример такой кристалличе-

ской

решетки приведен на рис. 4. Жирными линиями выделен наименьший

параллелепипед, последовательным перемещением в пространстве которого

вдоль

трех

осей может быть построена вся решетка или кристалл.

Наименьший

объем кристалла, дающий представление об атомной

Рис.

4. Кристаллическая решетка

структуре

металла во всем объеме,

получил название элементарной кри-

сталлической ячейки 1.

Пространственные решетки под-

разделяют на семь систем — сингоний,

исходя из соотношения

между

осе-

выми единицами и углами.

Обозначим ребра ячейки (парал-

лелепипеда) через a, b и с,

углы

между

ребрами а, (3 и у (рис. 4). Тогда семь

кристаллографических систем соот-

ветствуют

следующим формам ячеек:

1) триклинная:

афЬФс

аф$ф

ф у ф 90°; 2) моноклинная:

афЪФ

а = у = 90°; р ф 90°; 3) ромбическая:

афЪфс;

а= р =у = 90°; 4) гексагональная: а =

Ь^с;а=Р

90°;у

= 120°;

5) ромбоэдрическая: а = Ь =

с;а=Р

у^90°;6)

тетрагональная: а = Ьфс;

а = р = у = 90°; 7) кубическая: а = Ь = с;.а=р = у = 90°.

Кристаллические решетки, в которых на

долю

одной элементарной

ячейки

приходится один атом, называют простыми. Решетки, в которых на

долю

одной элементарной ячейки приходится несколько атомов, называют

сложными.

Металлы

образуют

одну из

следующих

высокосимметричных сложных

решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно-центрирован-

ную, кубическую гранецентрированную и гексагональную.

В кубической объемно-центрированной решетке атомы (рис. 5, а) распо-

ложены в

узлах

ячейки и один атом — в центре объема куба. Кубическую

объемно-центрированную решетку имеют следующие металлы: Rb, К, Na,

Li, Tif, Tip, Zr

, Та, W, V, Fe

, Cr, Nb, Ba и др. (см. табл. 1).

В кубической гранецентрированной решетке атомы расположены

углах

куба и в центре каждой грани (рис. 5, б). Этот тип решетки имеют

металлы Са„ Се, Sr

Th, Pb, Sc, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Ir, Fe

, Си, Co

и др.

(см.

табл. 1).

В гексагональной решетке (рис. 5, в) атомы расположены в

углах

и цен-

тре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости

призмы.

Эту упаковку атомов имеют металлы Hf,, Mg, Ti

, Cd, Re, Os,

Ru,

Zn, Co

, Be, Ca

La,, Tl

, Zr

и др. Наконец, некоторые металлы (Sn

In)

имеют тетрагональную решетку (см. табл. 1).

Размеры кристаллической решетки характеризуются величинами перио-

дов, под которыми понимают расстояние

между

ближайшими парал-

лельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку

(см рис. 5). Период решетки измеряется в ангстремах (lA = 10-s см), или

Для изучения атомно-кристалличеекого строения применяют ренгеност'руктурный^ ана-

лиз. Он основан на дифракции рентгеновских лучей с очень малой длиной волны (0,2

—2,0А)

ря-

дами

атомов в кристаллическом теле. В последнее время для этой цели кроме рентгеновских

лучей используют электроны и нейтроны, которые также

дают

дифракционный спектр при

взаимодействии с нонами (атомами) кристалла.

а, р, у означают, что соответствующие миаллы имеют рачлпчное кристаллическое

строение

при разных температурах.

Рис.

5. Кристаллическая решетка:

а - кубическая объемно-центрированная (о. ц. к.); б - кубическая гранецентрироаанная

(г. ц. к.); в — гексагональная плотноупакованная (г. п. у.)

килоиксах (1кХ =

1,00202-10"

см). Период решетки металлов находится

пределах от 1 до 7 А.

Нетрудно видеть, что на одну элементарную ячейку объемно-центриро-

ванной

решетки в целом приходятся два атома: один атом в центре куба

один атом по массе суммарно вносят атомы, располагающиеся в вер-

шинах куба (каждый атом в вершине куба одновременно принадлежит во-

сьми сопряженным элементарным ячейкам и на данную ячейку приходится

лишь V

массы этого атома, а на всю ячейку

/в х 8 = 1 атом).

На

элементарную ячейку гранецентрированной кубической решетки

приходятся четыре атома; из них один атом (по такому же

расчету,

как

для объемно-центрированной решетки) вносят атомы, находящиеся

вершинах куба (!/

х 8), и три атома вносят атомы, находящиеся на сере-

дине грани, так как каждый из таких атомов принадлежит

двум

решеткам.

На

элементарную ячейку гексагональной плотноупакованной решетки

приходятся шесть атомов (3 + V

6 х

12 +

/г х 2 = 6).

Плотность кристаллической решетки, т. с. объем, занятый атомами, ко-

торые условно можно рассматривать как жесткие шары (см. рис. 5), харак-

теризуется

координационным

числом,

под

которым

понимают

число

ато-

мов,

находящихся

на

равном

наименьшем

расстоянии

от

данного

атома.

Чем выше координационное число, тем больше плотность упаковки

атомов.

В кубической объемно-центрированной элементарной ячейке наимень-

шее расстояние

между

атомами

соответствует

d = (я|/3)/2. На этом расстоя-

Рис.

6. Схема, показывающая число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоя-

нии

от данного атома для различных решеток:

а - кубическая гранецентрированная; б - кубическая объемно-центрированная; в — гек-

сагональная плотноупакованная

нии

от данного атома (А) находятся 8 соседей (рис. 6,6). Следовательно,

координационное

число для этой решетки

соответствует

8 и обозначается

KS. Коэффициент заполнения ячейки, определяемый как отношение объе-

ма, занятого атомами, к

объему

ячейки, составляет 68%.

Для гранецентрированной кристаллической решетки координационное

число равно 12 (К 12); каждый атом имеет 12 ближайших соседей на рас-

стоянии

d .= (а |/2)/2 (рис. 6, а), что

соответствует

наибольшей плотности упа-

ковки

или укладки атомов в виде шаров. Гексагональная плотноупакован-

ная

решетка с с/а = 1,633 имеет координационное число 12 (Г12), что также

соответствует

наибольшей плотности упаковки шаров (рис. 6). У многих

металлов, кристаллизующихся в гексагональной системе, отношение с/а

находится в пределах

1,57—1,64,

т. е. наблюдается отклонение от плотней-

шей упаковки (с/а =

1,633).

Если отношение с/а значительно отличается от

1,633 (например, для цинка и кадмия), то координационное число гексаго-

нальной

решетки

соответствует

Гранецентрированная кубическая и гексагональная плотноупакованная

(с/а=

1,633)

решетки — наиболее компактные, в них коэффициент заполне-

ния

объема атомами равен 74%.

При

уменьшении координационного числа в решетке Г12 до 6

коэффи-

циент заполнения составляет около 50%, а при координационном числе

4—всего

около 25%.

Элементы, располагающиеся в периодической системе на границе ме-

таллов с неметаллами (называемые иногда полуметаллами), а также неме-

таллы имеют более сложные кристаллические решетки с малым координа-

ционным

числом.

Координационное

число кристаллических

структур

полуметаллических

неметаллических элементов групп VII, VI, V и, частично, IV (под-

группы В), может быть определено по правилу: 8 — JV, где N — номер

группы периодической системы, в которой находится данный элемент. Так,

например,

As, Sb, Bi принадлежит к группе V В и по этому правилу

имеют координационное число 3.

Половину наименьшего расстояния

между

центрами атомов называют

атомным радиусом. Атомный

радиус

возрастает при уменьшении коор-

динационного числа, так как при этом увеличивается пространство

между

Рис.

7. Индексы кристаллографических плоскостей и направлений в куби-

ческой решетке (о. и. к.)

атомами.

связи

этим величины атомных радиусов разных металлов

обычно приводятся

к К12.

Кристаллографические обозначения атомных плоскостей.

Для

определе-

ния

положения атомных плоскостей (проходящих через атомы)

кристал-

лических пространственных решетках пользуются индексами

h, к, I,

пред-

ставляющими собой

три

целых рациональных числа, являющихся величи-

нами,

обратными осевым отрезкам, отсекаемым данной плоскостью

на

осях координат. Единицы длины вдоль этих осей выбирают равными

дли-

нам

ребер элементарной ячейки.

Приведем примеры обозначения плоскостей. Установим первоначально

индексы

для

плоскости куба. Каждая плоскость куба

(рис. 7,

а) пересекает

только одну

ось, при

этом отрезки

будут

равны (1, с\э, счз) (оо,

счз); (с\э,

сч;,

1).

Обратные величины отсекаемых отрезков

будут

соответственно равны

0, 0; 0, 1, 0; 0, 0, 1.

Индексы плоскости

h, к, I

обычно пишут

скобках

обозначают (100), (010), (001).

В кубической решетке кроме плоскостей куба

(рис. 1,а),

различают

пло-

скости

(111)

октаэдра (рис.

7, 6) и

плоскости

(110)

ромбического додекаэдра

(рис.

в).

Следует

иметь

виду,

что

индексы характеризуют

не

одну какую-либо

плоскость,

целую

группу

параллельных плоскостей,

и их

тогда

приводят

фигурных скобках.

Индексы

направлений.

Для

определения индексов направлений располо-

жения

рядов атомов

кристаллической решетке необходимо

из

семейства

параллельных плоскостей выбрать направление плоскостей, проходящих

через начало координат. Далее, приняв за единицу длину ребра элементар-

ной

ячейки (период решетки), определяют координаты любой точки этого

направления.

Полученные значения координат точки приводят к отноше-

нию

трех

наименьших целых чисел. Эти цифры, заключенные в квадратные

скобки

[uuw], являются индексами данного направления и

всех

парал-

лельных направлений. Основные направления в кубической решетке приве-

дены на рис. 7, г. Индексы осей решетки х—[100],

у—[010]

и z—[001].

Индексы

пространственной диагонали [111]. Для кубической решетки ин-

дексы направлений [umv], перпендикулярные плоскости

(hkl),

численно

равны индексам этой плоскости. Например, индексы оси х равны [100],

а индексы плоскости, перпендикулярной оси х, равны (100)*.

Анизотропия свойств металлов. Нетрудно видеть, что плотность распо-

ложения атомов по различным плоскостям неодинакова. Так, например,

плоскости (100) в объемно-центрированной кубической решетке принадле-

жит лишь один атом (7* х 4), плоскости ромбического додекаэдра (ПО)

два атома: один атом вносят атомы, находящиеся в вершинах (

/4 х 4),

один атом в центре куба. В гранецентрированной кубической решетке

плоскостью с наиболее плотным расположением атомов

будет

плоскость

октаэдра (111), а в объемно-центрированной кубической решетке плоскость

(ПО).

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях

направлениях решетки многие свойства (химические, физические, механи-

ческие) каждого кристалла зависят от направления решетки. Подобная не-

одинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических на-

правлениях называется анизотропией.

Кристалл—тело анизотропное в отличие от аморфных тел (стекло,

пластмассы и др.), свойства которых не зависят от направления.

Технические металлы являются поликристаллами, т. е. состоят из боль-

шого числа анизотропных кристаллитов. В большинстве случаев, как уже

указывалось выше, кристаллиты статистически неупорядоченно ориентиро-

ваны один по отношению к

другому,

поэтому во

всех

направлениях свой-

ства более или менее одинаковы, т. е. поликристаллическое тело является

изотропным. Такая мнимая изотропность металла не

будет

наблюдаться,

если кристаллиты имеют одинаковую преимущественную ориентировку

каких-то направлениях. Эта ориентированность, или текстура, создается

известной степени, но не полностью в

результате

значительной холодной

деформации; в этом

случае

поликристаллический металл приобретает ани-

зотропию свойств.

3. ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

В реальном кристалле

всегда

имеются дефекты строения. Дефекты кри-

сталлического строения подразделяют по геометрическим признакам на

точечные

(нуль-мерные),

линейные

(одномерные) и

поверхностные

(двух-

мерные).

Совокупность

шести

кристаллографических

эквивалентных

плоскостей

куба

обозначают

индексами

какой-нибудь плоскоегп, заключенными в фигурные

скобки,

например

индексами

{МО] пли [001]. и т. д. Сопокупносгь восьми кристаллографических эквивалентных плоскостей

октаэдра cooiueiciueimo обозначают [111] и т. д.

Вакансия

Вакансий

:*»»»VAW

Дасмоцирс

•

'&7A

—<

M M

(

атом

Вакансия

—i

H H •

г)

Рис.

Точечные дефекты

кристаллической решетке

Точечные дефекты. Эти дефекты (рис. 8) малы во всех

трех

измерениях,

размеры их не превышают нескольких атомных диаметров. К точечным

дефектам относятся вакансии, или

«дырки»

(дефекты

Шотки),

т. е. узлы ре-

шетки,

в которых атомы

отсутствуют

(рис. 8, а—в). Вакансии чаще обра-

зуются в

результате

перехода атомов из узлов решетки на поверхность (гра-

ницу

зерна, пустоты, трещины и т.. д.) или их полного испарения

поверхности кристалла и реже в

результате

перехода в междоузлие.

В кристалле всегда имеются атомы, кинетическая энергия которых значи-

тельно выше средней, свойственной данной температуре нагрева. Такие

атомы, особенно расположенные вблизи поверхности,

могут

выйти на по-

верхность кристалла, а их место займут атомы, находящиеся дальше от

поверхности, а принадлежавшие им узлы окажутся свободными, т. е. воз-

никнут

тепловые вакансии.

повышением температуры концентрация вакансий возрастает.

Коли-

чество вакансий при температуре, близкой к плавлению, может достигать

1% по отношению к числу атомов в кристалле. Быстрым охлаждением от

данной

температуры можно зафиксировать эти вакансии при нормальной

температуре (закалка вакансий).

При

данной температуре в кристалле создаются не только одиночные

вакансии

(рис. 8,6) но и двойные, тройные н более крупные.

Вакансии образуются и в процессе пластической деформации, а также

при

бомбардировке металла атомами или частицами высоких энергий

(облучение в циклотроне или нейтронное облучение в ядерном реакторе).

Межузслыше

атомы

(дефекты Френкеля). Эти дефекты образуются

результате перехода атома из

узла

решетки в междоузлие (рис. 8,

а).

На

месте атома, вышедшего из

узла

решетки в междоузлие, образуется

вакансия.

В плотноупакованных решетках, характерных для большинства метал-

лов, энергия образования межузельпых атомов в несколько раз больше

энергии

образования тепловых вакансий. Вследствие этого в металлах

очень трудно возникают межузельные атомы, и тепловые вакансии в таких

кристаллах являются основными точечными дефектами. Например, в меди

при

1000°С

концентрация межузельных атомов на 35 порядков меньше

концентрации

вакансий.

Точечные несовершенства кристаллической решетки появляются и в ре-

зультате

действия атомов примесей, которые, как правило, присутствуют

даже в самом чистом металле.

Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической ре-

шетки (рис. 8, в, г). Смещения (релаксация) вокруг вакансий возникают

только в первых

двух

слоях соседних атомов и составляют доли межатом-

ного расстояния. Вокруг межузельного атома в плотноупакованных решет-

ках смещение соседей значительно больше, чем вокруг вакансий.

Точечные дефекты Шоттки и Френкеля оказывают влияние на

неко-

торые физические свойства металла (электропроводность, магнитные свой-

ства и др.) и предопределяют процессы диффузии в металлах и сплавах.

Линейные дефекты. Линейные несовершенства имеют малые размеры

двух

измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти

несовершенства называются дислокациями. Кристаллическая решетка

с краевыми дислокациями показана на рис. 9.

Краевая дислокация (рис. 9, б и е) представляет собой локализованное

искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней «лишней»

атомной полуплоскости или экстраплоскости, перпендикулярной к плоско-

сти чертежа.

Наиболее простой и наглядный способ образования дислокаций в кри-

сталле— сдвиг (рис. 9,

а).

Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относи-

тельно нижней на одно межатомное расстояние, причем зафиксировать по-

ложение, при котором сдвиг охватывает не всю плоскость скольжения,

а только часть ее

ABCD,

то граница АВ

между

участком, где скольжение

уже произошло, и не нарушенным участком в плоскости скольжения и бу-

дет дислокацией (рис.

9>-й).

Как видно из рис. 9, линия краевой дислокации

перпендикулярна вектору сдвига.

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислока-

цию называют

положительной

и обозначают 1 (рис. 9, е), а если в ниж-

ней

— то

отрицательной

и обозначают у (рис. 9,г). Различие

между

поло-

жительной и отрицательной дислокацией чисто условное. Переворачивая

кристалл, мы превращаем отрицательную дислокацию в положительную.

Знак

дислокации важен при анализе их взаимодействия.