Аллотропическими модификациями называют типы кристаллического строения металлов

Применительно к металлографии аллотропия – это существование одного вещества в нескольких кристаллических формах (аллотропия формы). Явление аллотропии обусловлено способом размещения атомов или молекул в кристаллической решётке.

 Различные кристаллические формы одного вещества называются аллотропическими модификациями, которые обозначаются греческими буквами: и т.д. Аллотропическая форма, существующая при самой низкой температуре, обозначается  потом следует модификация и т.д.

Явление аллотропии изучено достаточно хорошо. А вот продемонстрировать его не всегда удается. Причина тому – существование аллотропических форм существенно выше или ниже комнатной температуры, когда наличие той или иной формы можно определить только в лабораторных условиях, а зафиксировать структуру – и того реже.

Наиболее известные примеры аллотропных веществ – это железо, углерод, олово.Об аллотропии железа пишут много. Аллотропические формы железа ( α- , - и -) различаются типом кристаллической решетки (рис. 1): объемноцентрированная у α-модификации и гранецентрированная у -модификации.

-железо — это высокотемпературная модификация, также имеющая объемноцентрированную кубическую решетку. Для практических целей она существенного значения не имеет, поэтому о ней упоминают редко. Она оказывает определенное влияние на строение некоторых марок литых сталей и их последующую термическую обработку. Потом мы напишем немного и об этом.

Строго говоря, выделяют еще  – модификацию. Это немагнитное α – железо, которое существует в интервале 911-768оС.

Рисунок 1. Кривая охлаждения железа

Поскольку температуры перехода одной аллотропической формы в другую лежат в области высоких температур, понятно, что существование - железа при комнатной температуре возможно с помощью некоторых ухищрений.

Фактически, мы видим при комнатной температуре не непосредственно - железо, а твердый раствор легирующих элементов в - железе – аустенит. Почему? Потому что некоторые легирующие элементы снижают температуру существования - железа до комнатной и ниже.

В сущности, уже углерод при содержании 0,8% снижает температуру перехода Fe Fe почти на 200 градусов – с 911оС до 727оС. Ну, а если добавлять еще легирующие….. . Дело удается, и мы имеем структуру аустенита при комнатной температуре. Ну, а α-железо существует при комнатной температуре и чтобы увидеть его, дополнительного легирования не надо.

В металловедении мы чаще всего имеем дело не с чистым α-железом, а с твердым раствором на его основе- ферритом.Существование аллотропии железа позволило создать современные технологии термической обработки стали.

Здесь нас интересует структура, присущая разным аллотропическим формам. Структуры α-железа (феррит) и - железа (аустенит) надежно различаются микроскопически (рис. 2). Зерна феррита имеют округлую или полиэдрическую форму (рис.

2а), аустенита – угловатую, многоугольную. В аустените, как правило, чаще наблюдаются двойники (рис.2б). Из представленных на рис.2 фотографий видно, что феррит не очень устойчив химически – зерна феррита окрасились при травлении. Аустенит более устойчив.

Кстати – нержавеющие стали имеют аустенитную структуру.

а	б

Рисунок 2. Структура феррита (а) и аустенита (б).

Еще большим разнообразием форм обладает углерод. Долгое время считалось, что он обладает двумя аллотропными модификациями, графитом и алмазом, но с середины двадцатого века разнообразие различных модификаций стало стремительно увеличиваться.

В шестидесятых годах ХХ века открыт карбин, в 1985 году были открыты различные фуллерены, а не-сколько позже – нанотрубки, нанопена и др. Примерно в это же время были обнаружены фрагменты графита атомарной толщины, которые предложили назвать графеном. Его можно представить в виде атомарного слоя графита.

С начала 2000-годов графен стал одним из самых интенсивно ис-следуемых физических объектов. Аллотропия углерода – это также аллотропия формы. В справочной литературе выделяют много аллотропных форм углерода, но здесь приведены только две из них – графит и алмаз.

Тем более, что для целей материаловедения это как-то ближе. В особенности графит, который доступен в свободном виде по банальным карандашам, а также алмаз, прекрасный и не всегда доступный… Когда-то предполагали, что углерод в виде алмаза может присутствовать в сталях и чугунах, но не нашли. Придется удовольствоваться графитом.

Кристаллические решетки графита и алмаза различаются существенно. У графита – гексагональная, у алмаза – гранецентрированная кубическая.

Микроскопически графит прекрасно наблюдается в чугуне, особенно без травления на фоне блестящей металлической матрицы, и может принимать различные формы – глобулярную, пластинчатую, хлопьевидную, вермикулярную. Форма графита зависит от состава и способа получения чугуна.

Если повезет, то можно увидеть сферокристалл графита (рис. 3, а). Ну, а если не повезет, то «куском» (рис.3, б). В принципе, структура у такого куска будет принципиально такая же, как и у компактного графита различных марок (рис. 4,5) – кристаллы, хаотично ориентированные.

Для рассмотрения такого графита в микроскопе также желательно сделать шлиф. В данном случае образцы были пришлифованы на шкурке и стекловолокне.

а	б

Рисунок 3. Графит в высокопрочном чугуне

Рисунок 4. Структура электродного графита.

Рисунок 5. Образцы и структура графита  МПГ-6

Современные технологии позволяют получать графит в различных «ипостасях», например графитовая бумага. (Бумага – потому что состоит из тонких слоев. Но не для письма!)

а
б	в

Рисунок 6. Образец графитовой бумаги (а) и его поверхность при различных увеличениях (б,в).

Существует графитовое (углеродное) волокно (рис. 7,а), которое является армирующим компонентом композиционных материалов (рис.7,б). Металлография позволяет рассмотреть углеродное волокно – армирующий компонент алюминиевого сплава (рис. 8).

а

б

Рисунок 7. Углеродное волокно (а) и разрушенный образец углеалюминия (б).

а

б

Рисунок 8. Углеродное волокно в составе алюминиевого сплава

Другой популярной в описаниях аллотропной формой углерода является алмаз. Под микроскопом грани ювелирного алмаза можно рассмотреть в темном поле (рис. 9). Цвет здесь определяется настройками видеокамеры.

а

б

Рисунок 9. Грани алмаза

Кристаллики алмазного порошка технического назначения можно целиком рассмотреть под микроскопом (рис.10). Поскольку это технические алмазы, красотой они не блещут, но можно рассмотреть грани.

а

б

Рисунок 10. Алмазный порошок: а – светлое поле, б – темное поле; х200.

(этот материал будет продолжен)

Билет № 5. Реальное строение кристаллических решеток. Аллотропия

Билет № 1. История развития материаловедения в России.

Материаловедение – наука, изучающая состав, строение и свойства основных конструкционных материалов.

Русские ученые Чернов, Обухов, Севрюгин успешно развивали науку о металлах. Основу науки заложил Ломоносов.

• Конструкционные материалы делятся:
• 1)Черные (сталь, чугун)
• 2)Цветные (алюминий, медь, бром, латунь)
• 3)Неметаллические материалы (пластмасса, резина)
• Чистые металлы обладают низкими механическими свойствами по сравнению со сплавами, поэтому их применение ограничено.

Наибольшее применение в технике получили черные металлы. На основе железа изготавливают более 90% всей металлопродукции.

1. Способы улучшения свойств материалов:
2. 1)Термообработка
3. 2)Химико-термическая обработка
4. 3)Пластическая деформация (ковка)

Билет № 2. Методы исследования строения металлов.

Все свойства металлов зависят от внутреннего строения.

Все вещества в твердом состоянии могут иметь кристаллическое или аморфное строение.

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение.

Виды кристаллических решеток:

1)Объемно – цилиндро — кубическая решетка(ОЦК). Состоит из 9 атомов, которые расположены в узлах решетки и один атом в центре. Такую решетку имеют хром, ванадий, вольфрам и др.

2)Гранецентрированная кубическая решетка(ГЦК) состоит из 14 атомов, которые расположены в узлах решетки и на пересечении диагоналей каждой грани. Такую решетку имеют цветные металлы.

3)Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) состоит из 17 атомов, представляет собой шестигранную призму. Такую решетку имеют магний, цинк, кадмий, бирилий.

Билет № 3. Основные свойства металлов.

1.Физические свойства:	2.Химические свойства:	3.Механические свойства:	4.Технологические свойства:	5.Эксплуатационные свойства:
Цвет Плотность Температура плавления Электропроводность Теплопроводность	Окисляемость Растворимость Коррозионная стойкость	Твердость Прочность Пластичность Упругость Вязкость	Ковкость Текучесть Свариваемость Обрабатываемость резанием	Надежность Износостойкость Вибростойкость

Билет № 4. Кристаллизация металлов. Кривые охлаждения кристаллических и аморфных тел.

• При переходе металла из жидкого состояния в твёрдое происходит процесс кристаллизации.
• Кристаллизация проходит в два тапа:
• 1. Зарождение мягчайших частиц кристаллов- центров
• 2. Рост кристаллов из этих центров
• Для изучения процесса кристаллизации строят кривые охлаждения:

1.аморфное вещество 2.кристаллическое вещество

Билет № 5. Реальное строение кристаллических решеток. Аллотропия.

Аллотропия металлов( полиморфизм)

Некоторые металлы в зависимости от температуры могут существовать в различных кристаллических формах. Это явление называется аллотропией.

Полиморфные модификации обозначаются греческими буквами α, β, γ. Аллотропия характерна для железа, олова, кобальта, титана.

Важное значение имеет аллотропия железа:

ПОИСК

Полиморфизм (аллотропия) металлов — это их способность к образованию различных кристаллических типов структур при изменении температуры.
 [c.11]

Что такое аллотропия металлов  [c.24]

Аллотропия металлов.

Аллотропией называется способность одного и того же элемента при различной температуре иметь разную
 [c.17]

Полупроводниковые материалы 462 Поликристаллическое состояние 19 Полиморфизм — см. Аллотропия металлов Полосы скольжения 357 Полуспокойная сталь 131 Пороки
 [c.498]

Аллотропия металлов. Аллотропией называется способность одного и того же элемента при различной температуре обладать разной кристаллической структурой. Уральский металловед П. Н. Васильев, показал, что все элементы, имеющие переменную валентность, меняющуюся при изменении температуры, обнаруживают аллотропию. Размещение ионов в узлах решетки определяется их взаимодействием с электронным газом. Изменение температуры, вызывающее изменение состояния электронов, может вызвать перемещения ионов в узлы новой решетки. Аллотропические превращения сопровождаются выделением или поглощением тепла. Различные аллотропические видоизменения элементов принято обозначать греческими буквами а, t5, f, и т. д., причем букву а присваивают той аллотропической форме, которая существует при самой низкой температуре. Многие металлы при разных температурах обладают различной кристаллической решеткой, т. е. встречаются в различных аллотропических формах (модификациях) см. таб.тт. 1.
 [c.27]

И переход из одного вида кристаллической решетки в другой-. Такое явление носит название аллотропии металлов. Различные кристаллические формы, в которые кристаллизуется один и тот же твердый металл при определенных температурах, называются
 [c.31]

С возрастанием температуры, по мере все большего увеличения расстояния между положительными ионами или атомами, существовавшая в металле элементарная ячейка кристаллического вещества может стать настолько неустойчивой, что при некоторой температуре положительные ионы или атомы часто перестраиваются в новую, более устойчивую в данных температурных условиях решетку с совершенно другими элементарными ячейками. Так, например, чистый кальций при нагреве свыше температуры 464° С изменяет свою элементарную ячейку с кубической гранецентрированной на кубическую объемноцентрированную. Это явление существования одного и того же кристаллического вещества в различных состояниях при разных температурах называется полиморфизмом или аллотропией металлов. Оно весьма важно для техники и проявляется у многих цветных и черных металлов.
 [c.16]

Аллотропия металлов.

Аллотропия металлов (или полиморфизм) — свойство перестраивать решетку при определенных температурах в процессе нагрева и охлаждения — присуща многим металлам (железу, марганцу, никелю, олову, титану, ванадию и др.).

Каждое аллотропическое превращение происходит при определенной температуре (например, одно из превращений железа происходит при температуре 911 °С, ниже которой атомы составляют ре-
 [c.20]

Существование одного металла (вещества) в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма, или аллотропии. Различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными, или аллотропическими модификациями.
 [c.55]

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 обозначаются греческими буквами а, (3, v и другими, которые в виде индекса добавляют к символу элемента. Полиморфную модификацию при самой низкой температуре обозначают буквой а, при более высокой р и т. д.

 [c.5]

Способность металла изменять тип своей кристаллической решетки в зависимости от температуры называется аллотропией полиморфизмом). Полиморфные превращения свойственны также титану, цирконию, олову и другим металлам.
 [c.9]

Углеродистая сталь ввиду аллотропии железа при охлаждении стального слитка претерпевает вторичную кристаллизацию. Существовавшее при высокой температуре Y-железо превращается в а-железо.

В процессе этого превращения все первичные кристаллы дробятся на более мелкие вторичные кристаллы.

Однако первичная структура в слитке может определять многие свойства металла после вторичной кристаллизации и даже после последующей ковки, прокатки и других операций обработки.
 [c.25]

Основной причиной аллотропии является стремление любого вещества обладать минимальным запасом свободной энергии Р, которая изменяется в зависимости от абсолютной температуры Г по формуле Р = и-Т8, где и — внутренняя энергия вещества, 8 — энтропия (термодинамическая функция). Если у металла по достижении какой-то определенной температуры изменение типа кристаллической решетки обеспечивает уменьшение запаса свободной энергии, то такой металл претерпевает аллотропическое превращение.
 [c.11]

Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом а (a-Fe), при более высокой индексом р, затем у и т.д.
 [c.9]

Во многих случаях в разных температурных интервалах один и тот же металл обладает различными кристаллическими решетками. Такое явление носит название полиморфизм или аллотропия.
 [c.19]

Существование различных кристаллических модификаций вещества носит название полиморфизма. Частным случаем полиморфизма является аллотропия — явление существования чистых элементов в различных кристаллических модификациях.

Аллотропия — распространенное явление. При нормальном давлении аллотропия проявляется у многих химических, элементов щелочных металлов, ряда редкоземельных элементов, титана, циркония, гафния, марганца, кобальта, железа, урана.
 [c.

162]

Некоторые металлы (железо, кобальт, олово и др.) имеют в твердом состоянии два и более типа кристаллических реШеток при неодинаковых температурах.

Существование одного и того же металла в различных кристаллических формах называют аллотропией, а процесс перестройки атомов одного типа кристаллической решетки в другой — аллотропным превращением.

Аллотропные формы, в которые кристаллизуется металл, обозначают буквами , р, V, б и т. д.
 [c.5]

Многие металлы обладают температурной аллотропией, т. е. при изменении температуры меняют свою кристаллическую решетку.

При этом установлено [12], что высокотемпературные (по сравнению с низкотемпературными) модификации обладают, как правило, более высокой симметрией и, таким образом, высокотемпературная модификация является обычно наиболее благоприятной для пластической деформации.

Отсюда вытекает целесообразность стабилизации — сохранения при комнатных температурах в сплавах высокотемпературных фаз для повышения пластичности сплава (например, переход от ферритных к аустенитным сталям) и, при прочих равных условиях,— целесообразность проведения обработки давлением при температурах высокотемпературной модификации.
 [c.250]

Такое явление называется аллотропией. Оно повторяется каждый раз при медленном нагреве и охлаждении металла при определенной температуре, называемой критической точкой.
 [c.136]

Эта способность металлов названа вторичной кристаллизацией, или аллотропией (по-гречески — иной вид ), а изменения, происходящие в расположении атомов в кристаллах, — аллотропическими превращениями. Одновременно с изменением кристаллической решетки изменяются. свойства мета-лла.
 [c.17]

Аллотропия (полиморфизм) металлов. Некоторые металлы, как железо, марганец, кобальт, олово и др.

, в зависимости от температуры нагрева могут иметь кристаллические решетки различного строения и, следовательно, обладать различными свойствами. Это явление называется аллотропией, или полиморфизмом.

Аллотропические формы принято обозначать буквами греческого алфавита а Р )[ 8 и т. Д.
 [c.40]

У некоторых металлов превращения происходят и в твердом состоянии. При таком превращении атомы в кристаллической решётке из одного вида элементарной ячейки перестраиваются в другой. Это явление называют полиморфизмом, или аллотропией, а процесс — полиморфным, или аллотропическим, превращением.
 [c.76]

Аллотропия металлов заключается в том, что при еизменном химическом составе металл в зависимости от температуры изменяет свою структуру, т. е. вза Имиое расположение атомов.
 [c.18]

Предлагаемая вниманию читателей книга Атомное строение металлов и сплавов является первым из этих выпусков ). Она состоит из пяти глав, в которых рассматриваются основы теории металлического состояния.

В первой главе изложены электронная структура атомов, типы межатомной связи, классификация кристаллических структур металлов, аллотропия металлов и их физические свойства, связанные с природой межатомного взаимодействия. Изложение ведется на уровне современных представлений электронной теории металлов.

Надо, однако, отметить, что не со всеми положениями автора можно согласиться. В частности, современным представлениям не соответствует утверждение о том, что ковалентные кристаллы являются изоляторами как в твердом, так и в жидком состоянии. Как установлено к настоящему времени, такие ковалентные кристаллы, как кремний и германий, становятся после плавления проводниками, т.

е. переходят в металлическое состояние. Некритично излагается также гипотеза Л. Полинга о резонансном характере межатомной связи в металлах переходных групп, в соответствии с которой пять d-орбиталей атомов этих элементов разделяются на две группы — связывающие и атомные. Известно, что указанную гипотезу в настоящее время большинство металлофизиков не разделяет.

Желающим детальнее ознакомиться с рассматриваемыми в этой главе вопросами можно рекомендовать помимо уже упоминавшихся трудов книгу В. К. Григоровича Периодический закон Менделеева и электронное строение металлов (изд-во Наука , 1965).
 [c.7]

Аллотропия металлов.

Аллотропией, или полиморфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные кристаллические формы. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называют аллотропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превращение сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки. Аллотропические превращения имеют многие металлы железо, олово, титан и др.

Например, железо в интервале температур 911-1392 С имеет гране цен-трированную кубическую решетку (ГКЦ) у-Ре рис.7). В интервалах до 91 Г С и от 1392 до 1539″С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) — а-Ре. Аллотропические формы металла обозначаются буквами а, (3, у и т. д.

Существующая при самой низкой температуре аллотропическая форма металла обозначается через букву а, которая в виде индекса добавляется к символу химического элемента металла и т. д.
 [c.12]

В табл. 9 П01казан интервал температур существования различных аллотропических форм некоторых, имеющих практическое значение металлов, у которых обнаружена температурная аллотропия.<  [c.55]

Физические свойства плутония делают его очень интересным и весьма опасным материалом. Для специалистов, занимающихся физикой твердого тела, этот металл в чистом виде интересен тем, что имеет шесть различных кристаллических форм, называемых аллотропами, каждая из которых имеет собственные явно выраженные физические характеристики.
 [c.40]

Многие металлы при изменении температуры меняют тип кристаллической решетки. К таким металлам относятся железо, кобальт, титан, марганец, олово и некоторые другие. Способность металла менять тип кристаллической решетки с изменением температуры называется аллотропией. ОдноВ(ременно с изменением кристаллической решетки изменяются и свойства металла.
 [c.14]

Полиморфное превращение (перекристаллизация). Некоторые металлы в зависимости от темпер1атуры могут существовать в различных кристаллических формах.

Это явление называется полиморфизмом или аллотропией, а различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными модификациями. Процесс перехода от одной кристаллической формы к другой называется полиморфным превращением.

Полиморфные превращения протекают при определенной температуре.
 [c.20]

Diiatometer — Дилатометр. Прибор для измерения линейного расщирения или сужения в металле, в результате аллотропии и изменения температуры.
 [c.938]

У многих элементов при нагреве или охлаждении можно наблюдать переход от одной структуры к другой. В табл. 3 присущие элементам аллотропические формы перечисляются сверху вниз, начиная с высокотемпературной модификации. При рассмотрении табл.

3 в отношении структуры металлов можно отметить две закономерности во-первых, при наличии двух аллотропических модификаций при высоких температурах структура ОЦК является более устойчивой, чем структуры ГЦК и ГПУ, и, во-вторых, явление аллотропии наиболее характерно для тех металлов, которые имеют незначительную разницу в энергиях электронных состояний ns, пр, п — 1) Z и п — 2) /, т. е.

для металлов подгруппы ПА, переходных металлов, а также для элементов, располагающихся в начале лантанидного и актинидного рядов.
 [c.36]

Полиморфные (аллотропические) превращения

Атомы металла — исходя из геометрических соображений, могут образовать любую кристаллическую решетку.

Однако устойчивым, а, следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах (т.н. полиморфных (аллотропических) модификациях). В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющего решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа.

Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой б, при более высокой температуре в, затем г и т.д.

• Полиморфное превращение протекает при постоянной температуре (например, при нагреве идет поглощение теплоты).
• Известные полиморфные превращения: Feб — Feв; Coб — Coв; Tiб — Tiв; Mnб — Mnв — Mnг — Mnд; Snб — Snв, а также для Ca, Li, N, Cs, Sr, Te, Zr, V и др.
• Металл с данной кристаллической решеткой должен обладать меньшим запасом свободной энергии.
• Рисунок 3. Полиморфизм железа и его связь со свободной энергией системы

Полиморфизм железа. Из рис. 3, видно, что в интервале температур 911 — 1392°С устойчивым является г-железо (К 12) (имеет min свободную энергию), а при температурах ниже 911°С и выше 1392°С устойчиво б-железо (К 8).

В твердом металле полиморфные превращения происходят в результате зарождения и роста кристаллов аналогично кристаллизации из жидкого состояния. Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зерна исходных кристаллов.

В результате полиморфного превращения образуется новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому превращение также называют перекристаллизацией.

Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов и сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств, механических и химических свойств и т.д.

Высокотемпературная модификация имеет высокую пластичность.

В таблице № 1 показан интервал температур существования различных аллотропических форм некоторых, имеющих практическое значение металлов, у которых обнаружена температурная аллотропия.

Из атомно-кристаллического строения металлов видно, что плотность расположения атомов по различным плоскостям в кристаллических решетках неодинакова (рис. 4).

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки многие свойства (химические, физические, механические) каждого кристалла зависят от направления решетки. Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией.

Рисунок 4. Расположение атомов в различных плоскостях и направлениях в кубической решетке (ОЦК)

Кристалл — тело анизотропное в отличие от аморфных тел (стекло, пластмассы и т.д.), свойства которых не зависят от направления.

Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллов. В большинстве случаев, как уже указывалось выше, кристаллы статистически неупорядоченно ориентированы один по отношению к другому, поэтому во всех направлениях свойства более или менее одинаковы, т.е.

поликристаллическое тело является изотропным (вернее — квазиизотропным (ложная изотропия)). Такая мнимая изотропность не будет наблюдаться, если кристаллы имеют одинаковую преимущественную ориентировку в каких-то направлениях.

Эта ориентированность, или текстура, создается в известной степени, но не полностью в результате значительной холодной деформации; в этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств.

1.Кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решёток

Все
тела состоят из атомов. Тела, в кото­рых
атомы расположены беспорядочно, называютаморф­ными(стекло, канифоль, воск,
смола и др.).

Кристалли­ческие тела(все металлы и метал­лические сплавы),
характеризуются упорядоченным
рас­положением атомов. В металлах и
металлических спла­вах атомы находятся
в узлах пространственных кристал­лических
решеток.

В процессе кристаллизации металлов и
сплавов могут образовываться
кристаллические решетки разного типа.
Наиболее распространенными являются
объемно-центрированная кубическая (рис.

1, а) (К,V, Сr,Fеа, Мо,W), гранецентрированная кубическая (рис.1,
б)(Аl,Fe, Ni, Сu,
Аg, Аu, Рb)
и гексагональная решетки(рис.1, а)
(Ве, Мg, Со,Zn,Тi).

Гранецентрированная
кубическая и гексагональная решетки характеризуются наиболее плотной
упаковкой атомов и их компактным
размещением.

Расстояния между соседними атомами
в кристаллической решетке (параметр решётки) Рис.1

исключительно малы. Для их измерения пользуются особой единицей — ангстремом
(А°), который ра­вен 1А°=10-8см,
или наномет­ром (1 нм=10-9см).

2. Аллотропические превращения в металлах

Некоторые металлы в твердом состоянии
(железо, марганец, кобальт и др.) в
зависимости от температуры нагрева
могут иметь кристаллические решетки
различ­ного строения и, следовательно,
обладать различными свойствами.

Это
явление называется аллотропией,
илиполиморфизмом.Кроме того,
известен полиморфизм под влиянием
температуры и давления.

При нагреве до
2000 °С и давлении ~ 1010Па углерод в
форме графита перекристаллизовывается
в алмаз.

Аллотропические формы принято обо­значать
буквами греческого алфавита: альфа,
бета, гамма и т. д.

К металлам, не претерпевающим
аллотропических превращений в твердом
состоянии при нагревании и охлаждении,
относятся алюминий, магний, медь и др.
Большое число технически важных металлов
(олово, цинк, никель, кобальт и др.)
подвержено аллотропиче­ским изменениям.

3. Процесс кристаллизации. Дефекты кристаллического строения

Кристаллизациейназывается
образование кристаллов в металлах и
сплавах при переходе из жидкого состояния
в твёрдое (первичная кристаллизация),
а также перекристаллизация в твёрдом
состоянии (вторичная кристаллизация).

Про­цесс кристаллизации металла
складывается из двух эле­ментарных
процессов: образования центров
кристалли­зации (зародышей) и роста
кристаллов из этих центров. При температуре
кристаллизации в жидком металле сначала
образуются центры кристаллизации,
причем их роль играют разные примеси,
мельчайшие шлаковые и неметаллические
включения.

После образования заро­дышей
атомы жидкого металла, расположенные
беспо­рядочно, начинают располагаться
вокруг этих зароды­шей и образуют
кристаллы правильной геометрической
формы. Так как кристаллизация начинается
одновремен­но во многих местах и рост
кристаллов идет по всем направлениям,
то смежные кристаллы, сталкиваясь меж­ду
собой, мешают свободному росту каждого.

Это при­водит к тому, что кристаллы
приобретают неправильную внешнюю форму,
несмотря на их упорядоченное внутрен­нее
строение. Кристаллы неправильной формы
принято называть кристаллитами,
полиэдрами, или зернами.

Образовавшиеся
реальные кристаллы имеют те или иные
несовершенства (дефекты) кристал­лического
строения, которые принято классифицировать
по характеру их измерения в пространстве на точечные (нульмерные), линейные (одномерные),

Рис. 2. Точечные дефекты в кристаллической
решетке:

а — вакансия; б — межузельный
атом; в — примесный атом внедрения

поверхностные (двухмерные), объемные
(трехмерные).

Наиболее распространены точечные. К
ним относят вакансии(узлы в
кри­сталлической решетке, свободные
от атомов),межузельные атомы (атомы,
находящиеся вне узлов кристалличе­ской
решетки), а такжепримесные атомы(рис.2).

Кристаллическое строение металлов

Общее свойство металлов и сплавов — их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристал­лической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространст­венной сеткой с ионами (атомами) в узлах.

Атомно-кристаллическая структура может быть представлена не ря­дом периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях.

В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками.

В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки.

Величина их в металлах порядка 0,1–0,7 нм, размеры элементарных ячеек — 0,2–0,3 нм.

Для однозначного описания элементарной ячейки кристаллической решетки необходимо знание величин параметров a, b, c и углов между ними.

В 1848 г. Французский ученый Бравэ показал, что изученные трансляционные структуры и элементы симметрии позволяют выделить 14 типов кристаллических решеток.

Для характеристики кристаллических решеток вводят понятия координационного числа и коэффициента компактности. Координационным числом I называется число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от данного атома.

Для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решеток ГЦК и ГП оно составляет 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чем решетки ГЦК и ГП.

В решетке ОЦК каждый атом имеет всего 8 ближайших соседей, а в решетках ГЦК и ГП их 12.

Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары, то нетрудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. Е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности.

Коэффициент компактности Q равен отношению суммарного объема атомов, входящих в решетку, к объему решетки: где R — радиус атома (иона); n — базис, или число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку; V — объем элементарной ячейки.

Для простой кубической решетки n = (1/8) ? 8 = 1; V = a3 = (2R)3, коэффициент компактности Q = 52 %.

На решетку ОЦК приходится два атома: один центральный и один как сумма от вершин куба, так как ячейке принадлежит 1/8 атома от каждого угла.

Для ОЦК решетки n = (1/8) ? 8 + 1 = 2. Учитывая, что атомы соприкасаются по диагонали куба, длина которой равна 4 атомным радиусам, параметр решетки а коэффициент компактности QОЦК = 68 %.

Проведя аналогичные вычисления, найдем QГЦК = 74 %, QГП = 74 %.

Таким образом, решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК.

Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом a (a-Fe), при более высокой индексом b, затем y и т.д (где а – альфа, b – бетта и y – гамма).

• Известны полиморфные превращения железа:
• Fea

Кристаллическое строение металлов – кратко о типах

• 4.5
• Средняя оценка: 4.5
• Всего получено оценок: 171.
• 4.5
• Средняя оценка: 4.5
• Всего получено оценок: 171.

Металлы – особая группа элементов в периодической таблице Менделеева.

В отличие от неметаллов элементы этой группы являются исключительно восстановителями с положительной степенью окисления, а также обладают пластичностью, твёрдостью, упругостью, что обусловлено кристаллическим строением металлов.

Общее строение

Металлы – твёрдые вещества, имеющие кристаллическое строение. Исключение составляет ртуть – жидкий металл. Кристаллические решётки представляют собой упорядоченные определённым образом атомы металла. Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и нескольких отрицательно заряженных электронов. В атомах металлов недостаточно электронов, поэтому они являются ионами.

Единица кристаллической решётки – элементарная кристаллическая ячейка, в условных узлах и на гранях которой находятся положительно заряженные ионы. Их удерживают вместе металлические связи, возникающие за счёт беспорядочного движения отделившихся от атомов электронов (благодаря чему атомы превратились в ионы).

Отрицательно заряженные электроны держат на равном расстоянии положительно заряженные электроны, предавая кристаллической решётке правильную геометрическую форму.

Рис. 1. Схема металлической связи.

Свободное движение электронов обусловливает электро- и теплопроводность металлов.

Примеры материалов

Все металлы характеризуются кристаллическим строением. Они отличаются наличием малоподвижных ионов с положительным зарядом и движущимися между ними электронами. Данные структуры именуют металлическими связями.

Объемно-центрированная кубическая решетка свойственна для Fe при комнатной температуре, W, V, Cr, Mo и прочих металлов.

Гранецентрированная кубическая решетка встречается на Mg, Ti, Zn, Zr и прочих металлах.

Виды решёток

Элементарные кристаллические ячейки могут иметь различную конфигурацию. В связи с этим выделяют три типа кристаллических решёток:

• объемно-центрированная (ОЦК) кубическая – состоит из 9 ионов;
• гранецентрированная (ГЦК) кубическая – включает 14 ионов;
• гексагональная плотноупакованная (ГПУ) – состоит из 17 ионов.

ОЦК представляет собой куб, в узлах которого находится по атому. В центре куба, на пересечении диагоналей располагается девятый ион. Этот тип характерен для железа, молибдена, хрома, вольфрама, ванадия.

Элементарной кристаллической ячейкой типа ГЦК является куб с ионами в узлах и в середине каждой грани – на пересечении диагоналей. Такое строение имеют медь, серебро, алюминий, свинец, никель.

  Улучшение эксплуатационных характеристик стали цианированием

Третий тип имеет вид гексагональной призмы, в узлах которой находится по шесть ионов с каждой стороны. Посередине между шестью узлами располагается по одному иону. В середине призмы между шестиугольными гранями находится равносторонний треугольник, который составляют три иона.

Рис. 2. Типы решёток.

Металл может содержать большое количество дефектов атомного строения. Дефекты влияют на свойства металла.

Структура и геометрия

Кристаллические решетки представляют совокупность кристаллитов. В ближних зернах они взаимно расположены под некоторым углом.

Атомы, представляющие собой микроскопические частицы вещества и наименьшие части химических элементов, в кристаллитах размещены в соответствии с ближним и дальним порядком.

Первый подразумевает определенный порядок размещения и стабильности ближайших друг к другу микрочастиц, второй – самых отдаленных. Возможно покидание отдельными атомами мест расположения вследствие диффузии, однако это не приводит к нарушению упорядоченности строения.

Тип решетки определяют формой простейшего геометрического тела, образующего ее. Кубические решетки дифференцируют на четыре вида:

• кубическая с микрочастицами в углах;
• объемно-центрированный вариант имеет восемь атомов, расположенных по углам, и один в центре;
• гранецентрированная кубическая решетка отличается размещением атомов в центрах граней и вершинах;
• гексагональная плотноупакованная с нахождением микрочастиц в углах шестигранной призмы, в центре оснований и трех в центральной плоскости.

К основным параметрам решеток относят компактность, под которой понимают степень заполнения объема атомами. Ее определяют тремя прочими показателями:

• параметр решетки – значение межатомного расстояния в нм по ребру простейшей ячейки (характеризуется для кубических вариантов длиной ребра);
• координационное число, под которым понимают количество ближайших соседних микрочастиц;
• плотность упаковки, представленная отношением общего атомного объема решетки и ее общего объема.

Для измерения параметра решеток применяют рентгеноструктурный метод анализа. При подсчете количества атомов учитывают, что каждый из них принадлежит к нескольким ячейкам сразу. Для кубических решеток исключение представляет размещенная в центре куба микрочастица.

Для объемно-центрированного типа координационное число составляет 8 по числу ближайших атомов к центральному. Для гранецентрированного варианта микрочастица на кубической грани размещена на одинаковом расстоянии от четырех в углах, четырех на гранях, четырех ближайшей кристаллической ячейки. То есть, координационное число составляет 12.

Различные варианты кристаллических решеток характеризуются разной плотностью упаковки. Для простой кубической решетки координационное число равно 6, для ОЦК — 8, ГЦК и ГП (гексагональной плотноупакованной) — 12.

Для объемно-центрированного варианта объемы микрочастиц и межатомных промежутков соотносятся в пропорции 68/32%, для ГЦК значения соответствующих параметров равны 74 и 26% соответственно. Компактность решетки определяется особенностями металлической электронной структуры и характером атомной связи.

Ввиду упорядоченности решетки возможно выделение кристаллографических плоскостей и направлений.

Под направлениями понимают прямые, вдоль которых находятся атомы. То есть они представлены ребрами, диагоналями и гранями.

Плоскости подразделяют на диагональные и плоскости кубических граней.

  Основы физики: Как рассчитать массу, вес и объем

Для обозначения данных категорий применяют трехзначные индексы. Для направлений их определяют путем нахождения ближайшего атома и использования его координат относительно точки O. Для плоскостей находят координаты точек их пересечения с осями координат и меняют на обратные.

Следует отметить, что в кристаллических телах наблюдается изменение механических свойств вдоль направлений. Данная особенность, называемая анизотропией, объясняется различной атомной плотностью.

Так, для кубических решеток вдоль диагоналей и на диагональных плоскостях данный показатель больше, чем вдоль ребер и на проходящих сквозь грани плоскостях. При этом анизотропия наблюдается в пределах кристаллита либо монокристалла.

Для поликристаллических тел она нехарактерна ввиду усреднения параметров по всем направлениям для большого числа произвольно взаимно ориентированных зерен. Ввиду этого металлы относят к псевдо- или квазиизотропным телам.

Кроме того, для некоторых металлов (Ti, Fe, Sn) характерна аллотропия, под которой понимают изменение кристаллического строения путем изменения типа простейшей ячейки. Также данное свойство называют полиморфизмом.

Так, у железа в температурном интервале 911-1392 °C кубическая решетка гранецентрированного типа, а при температурах за пределами приведенного диапазона – отдельно-центрированная (до плавления при 1539 °C). Для дифференциации аллотропических форм применяют греческие буквы.

Возможно наличие дефектов решетки. Их классифицируют на несколько типов.

• Точечные, по размеру близкие к атомам, представлены вакансиями (пустые узлы, межузельные микрочастицы), примесными атомами замещения (того же размера, что и исходные) и внедрения (маленькие микрочастицы в междоузлиях).
• Линейные (протяженные) представлены дислокациями (плоскостные смещения). Их классифицируют на наиболее распространенные краевые (экстраплоскость или полуплоскость) и винтовые (закручивание плоскостей).
• Поверхностные – искажения на границах зерен ввиду передвигающихся зерен дислокации.
• Объемные – поры и трещины.

Названные дефекты по-разному сказываются на прочности. Для точечных степень влияния на данный показатель определяется их характером и числом в конкретном объеме. Линейные дефекты ввиду большой подвижности значительно сказываются на прочности, упрощая сдвиги кристаллитов под влиянием напряжений.

Воздействие линейных дефектов на прочность оценивают по их плотности (отношение их общей длины к объему материала). Ее предельное значение – 1013 см-2 (при большем происходит разрушение). На основе того, что мелкозернистые материалы более прочны в сравнении с крупнозернистыми при большей общей протяженности границ, поверхностные дефекты наоборот повышают прочность.

Объемные, помимо непосредственного снижения прочности, значительно повышают напряжения от рабочих нагрузок, концентрируя их.

Характеристика решётки

Кристаллические решётки характеризуются компактностью или степенью наполненности. Компактность определяют показатели:

• параметр решётки – расстояние между атомами;
• число атомов;
• координационное число – количество соседних ячеек;
• плотность упаковки – отношение объёма, занимаемого атомами, к полному объёму решётки.

При подсчёте количества атомов следует помнить, что атомы в узлах и на гранях входят в состав соседних ячеек.

Рис. 3. Кристаллические ячейки составляют решётку.

Типы кристаллических решеток

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место. Причина этого — в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

1. Металлы
2. – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:
3. · «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);
4. · пластичность;
5. · высокая теплопроводность;
6. · высокая электропроводность.

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны.

На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определенным порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка.

Элементарная ячейка

– элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.

Все металлы и металлические сплавы – тела кристаллические. Атомы (ионы) расположены в металлах закономерно, в геометрически правильном порядке и образуют пространственную кристаллическую решетку.

Решетка характеризуется наличием каркаса из малоподвижных заряженных ионов, в промежутках которого с огромной скоростью движутся свободные электроны.

Если через атомы в кристаллических решетках провести плоскости, то атомы в них будут располагаться в геометрически правильном порядке, образуя кристаллографические плоскости.

Наименьший объем металла, который характеризует атомно–кристаллическое строение всего объема, называется элементарной кристаллической решеткой.

Пространственные кристаллические решетки полностью определяют строение кристалла.

Различают простые и сложные кристаллические решетки. В простой решетке атомы (ионы) расположены только в вершинах, а в сложных – они могут находиться также внутри многогранника или на его гранях.

  Особенности и маркировка железоуглеродистых сплавов

• Металлы имеют сложные кристаллические решетки. Всего существует четырнадцать типов решеток, но основными являются три — это:
• — Объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК);
• — Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК);
• — Гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ).

1) В элементарной ячейке ОЦК атомы находятся в вершинах куба и в центре на пересечении пространственных диагоналей. Всего 9 атомов (рис.1).

Рисунок 1

2) В гранецентрированной кубической решетке атомы расположены в вершинах куба и в центрах каждой грани куба. Всего 14 атомов (рис.2).

Рисунок 2

3) Гексагональная плотноупакованная решетка. Элементарная ячейка – шестигранная призма, в которой атомы находятся в вершинах и в центре оснований призмы, а также внутри призмы — 3 атома. ГПУ содержит 17 ионов (рис.3).

Рисунок 3

Кристаллические решетки характеризуют следующие основные параметры: период решетки, атомный радиус, координационное число, базис и коэффициент компактности решетки.

1. Периодом решетки называется расстояние между центрами двух соседних частиц (атомов, ионов) в элементарной ячейке решетки (a,b,с). Периоды решетки выражаются в ангстремах – А (1А=10-8 см).
2. Под атомным радиусом понимают половину межатомного расстояния между центрами ближайших атомов в кристаллической решетке элемента при нормальной температуре и атмосферном давлении. Однако атомный радиус не является неизменной величиной, а изменяется в зависимости от ряда факторов, важнейшим из которых являются координационное число и тип химической связи между атомами в кристалле.
3. Координационное число Кпоказывает количество атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке. Чет выше координационное число, тем плотнее пространственная кристаллическая решетка материала.
4. Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.
5. Коэффициент компактности η решетки определяется отношением объема, занимаемого атомами Va, ко всему объему решетки Vp, т.е. η = Va / Vp.

1. Рассмотрим эти параметры для основных типов кристаллических решеток.
2. ОЦК решетка
3. Период решетки – а = 0,286 — 0,607 нм.
4. Координационное число К
5. — 8.
6. Базис — 2 атома.

Каждый угловой атом входит в восемь соединительных ячеек, следовательно, одной ячейке принадлежит от угловых атомов только 1/8 атома; только внутренний атом целиком принадлежит данной ячейки. Таким образом, на одну ячейку объемно-центрированной кристаллической решетки приходится 8 * 1/8 + 1 = 2 атома.

К.К. η = 68 %.

• Объемно-центрированную кубическую решетку имеют металлы: Li, Na, K, V, Cr, Feα, Rb, Nb, Mo, W и др.
• ГЦК решетка
• Период решетки – а.
• Координационное число К
• – 12.
• Базис – 4.

Каждый угловой атом входит в восемь ячеек, а находящийся в центре грани – в две соседние ячейки; в центре атома нет. Следовательно, на одну ячейку приходится 8*1/8+6*1/2 = 4 атома.

К.К. η = 74 %.

1. Гранецентрированную кубическую решетку имеют металлы: AI, Ca, Feγ, Ni, Cu, Pb, Ag, Pt, Au, Pd и др.
2. ГПУ решетка
3. Период решетки а и с (а = 0,228 — 0,398 нм; с = 0,357 — 0,652 нм), причем с/а = 1,633 (если с/а > 1,633, то данная решетка будет гексагональной, но не плотноупакованная, характерная для Mg, Zn).
4. Базис решетки – 6 атомов.
5. Координационное число К
6. – 12 (Г12).
7. На одну ячейку кристаллической решетки приходится 6 атомов: 2 атома, лежащие в центре шестиугольника, входят в две соседние ячейки (2*1/2) = 1атом, а 12 атомов, образующие вершины призмы, — в 6 соседних ячеек (12*16/) = 2 атома, 3 атома, лежащие внутри призмы, целиком принадлежат данной ячейке (3*1 = 3 атома).

К.К. η = 74 %.

В гексагональной системе кристаллизуются Be, Мg, Cd, Ti, Co, Zn и другие металлы.

Многие металлы при разных температурах имеют неодинаковые кристаллические решетки. Это явление называется полиформизмом или аллотропией (например Fe, имеет α и γ решетки).