КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Материалы, применяемые в современных конструкциях, помимо высоких прочностных характеристик должны обладать комплексом таких свойств, как повышенная коррозионная стойкость, жаропрочность, теплопроводность и электропроводимость, тугоплавкость, а также способностью сохранять эти свойства в условиях длительной работы под нагрузками.

Технически чистые металлы (99,9 % основного металла), как правило, характеризуются низкими прочностными свойствами, поэтому в машиностроении применяют главным образом их сплавы. Сплавы на основе железа в зависимости от содержания в них углерода называют сталями или чугунами; на основе алюминия, магния, титана и бериллия, имеющих малую плотность, - легкими цветными сплавами; на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута и других металлов - легкоплавкими цветными сплавами; на основе меди, свинца, олова и др. - тяжелыми цветными сплавами; на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и др. - тугоплавкими цветными сплавами.

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Большинство металлов в твердом состоянии имеет кристаллическое строение: атомы расположены упорядоченно и образуют кристаллические решетки (рис. 1.1).

Элементарная ячейка кристаллической решетки - это минимальный по объему параллелепипед, перемещением которого вдоль его ребер можно воспроизвести всю кристаллическую решетку.

Для металлов характерны кристаллические решетки трех видов: кубическая объемно-центрированная (ОЦК), в которой атомы расположены по вершинам элементарной ячейки и один в ее центре (W, Mo, V, Nb, Fe-α, Cr, К, Na, Mn-α и др., рис. 1.1, а); кубическая гранецентриро-ванная (ГЦК), в которой атомы расположены по вершинам элементарной ячейки и в центрах ее граней (Си, Ni, Fe-γ, Ag, Al, Pt, Са и др., рис. 1.1, б); гексагональная плотноупакованная (ГПУ), представляющая собой шестигранную призму, в которой атомы расположены в три слоя (Mg, La, Ti, Cd, Os, Ru и др.).

Расстояние между центрами ближайших атомов называется периодом или параметром решетки и измеряется в нанометрах. Параметр кубических типов решеток а находится в пределах 0,286 ... 0,607 нм, гексагональных - а - в пределах 0,228 ... 0,398 нм и с - 0,357 ... 0,652 нм (см. рис. 1.1).

С повышением температуры или давления параметры решеток могут изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии в различных температурных интервалах приобретают разные кристаллические решетки, что всегда приводит к изменению их физико-химических свойств.

Рис. 1.1. Схемы кристаллических решеток: а-объемно-центрированная кубическая; б- гранецентрированная кубическая; в-гексагональная плогноупакованная

Элементарные частицы в кристаллической решетке находятся во взаимодействии, определяемом их электронным строением. От характера этого взаимодействия зависят электрические, магнитные, тепловые и оптические свойства материала, его температура плавления и испарения, модуль упругости и другие свойства.

Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Перестройка кристаллических решеток при критических температурах называется полиморфными превращениями. Полиморфные модификации обозначают греческими буквами α, β, γ и другими, которые в виде индекса добавляют к символу элемента. Полиморфную модификацию при самой низкой температуре обозначают буквой α, при более высокой β и т.д.

Всем кристаллам присуща анизотропия, т.е. неравномерность свойств по направлениям, определяемая различными расстояниями между атомами в кристаллической решетке. Наиболее сильно анизотропия выражена у металлов, имеющих асимметричное кристаллическое строение. В таких кристаллах в зависимости от направления существенно изменяются показатели физических свойств, прочностные характеристики, модуль упругости, термический коэффициент расширения, коэффициенты теплопроводности и электропроводимости, показатель светового преломления и др. Анизотропия характерна и для поверхностных слоев кристаллов. Такие свойства как поверхностное натяжение, электронные потенциалы, адсорбционная способность, химическая активность существенно различны у различных граней кристаллов.