Атомно-кристаллическое строение металла

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Атомы в кристалле расположены в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки. Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узле которой располагаются атомы (ионы), образующие металл. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки (решетки).

Для характеристики элементарной ячейки задают шесть величин: три ребра ячейки a, b, c и три угла между ними б, в, г. Эти величины называют параметрами кристаллической решетки.

Кристаллические решетки бывают простыми (атомы только в вершинах решетки) и сложными.

Металлы образуют одну из следующих высокосимметричных сложных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемноцентрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную (ГПУ)

Кристаллографическое обозначение атомных плоскостей и направлений

Под кристаллографическими плоскостями понимается 3 целых взаимно простых числа обратно пропорциональных числу осевых единиц, отсекаемых данной плоскостью по координатным осям x,y,z. ABCD (100), AFKB (001), BKLD (010)
По различным направлениям в кристалле располагаются различные количества атомов: физические, химические, механические при прочих равных условиях и определяются числом атомов, расположенным в данном направлении; чем больше количество атомов расположено в данном направлении, тем выше уровень свойств.

 

Анизотропия металлов

Анизотропи́я — неодинаковость свойств среды по различным направлениям внутри этой среды.

В кристаллических материалах плотность атомов в различных кристаллографических направлениях различно, в следствии чего наблюдается различие свойств в разных направлениях плоскостей металла.

 

Строение реальных кристаллов

Многие свойства реального кристаллического вещества зависят от степени совершенства строения его кристаллической решетки. Известно, что реакционная способность реальных кристаллов тем выше, чем больше энергия их решетки отличается от энергии решетки идеального кристалла. В связи с этим целесообразно остановиться на причинах, характере и наиболее важных следствиях этого отличия.

 

Идеальный кристалл состоит из правильно расположенных во всех направлениях атомов, ионов или молекул. В каждом таком кристалле существует определенная, характерная для него структурная единица или элементарная ячейка, точное повторение которой в трех измерениях образует его решетку.

 

Кристаллизация металлов

Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической решетки называется кристаллизацией.

Кристаллизация состоит в следующем:
В жидком металле атомы непрерывно движутся. По мере понижения температуры движение замедляется, атомы сближаются и группируются в кристаллы. Эта первичная группа кристаллов получила название центров кристаллизации. Далее к этим центрам присоединяются вновь образующиеся кристаллы. Одновременно продолжается образование новых центров. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров.

 

Строение слитка

Слитки металла можно различить три зоны с различной структурой (рис. 1). Кристаллизация жидкого металла начинается у поверхности более холодной формы и происходит в тонком сильно переохлажденном слое, примыкающем к поверхности. Вследствие большой скорости охлаждения произойдет образование на поверхности слитка очень узкой зоны 1 сравнительно мелких равноосных кристаллов. За зоной 1 в глубь слитка расположена зона 2 удлиненных дендритных кристаллов (зона транскристаллизации). Рост этих кристалликов происходит в направлении противоположном отводу теплоты (то есть нормально к стенкам изложницы).В случае сильного перегрева металла, быстрого охлаждения, высокой температуры литья и спокойного заполнения формы зона удлиненных дендритных кристаллов может полностью заполнить весь объем слитка (рис. 1) (транскристаллизация).При низкой температуре литья, очень медленном охлаждении, например, крупных отливок создаются условия для возникновения зародышей в средней части слитка. Это приводит к образованию во внутренней части отливки структурной зоны 3, состоящей из равноосных различно ориентированных дендритных кристаллов (рис. 1), размеры которых зависят от степени перегрева жидкого металла, скорости охлаждения, наличия примесей и др.