Практическая работа «Изучение типов кристаллических решеток и их влияние на структуру и свойства металлов и их сплавов»
методическая разработка на тему

Методические указания к практической работе на тему «Изучение типов кристаллических решеток и их влияние на структуру и свойства металлов и их сплавов» для обучающихся второго курса по специальности среднего профессионального образования 22.02.06 "Сварочное производство» по учебной  дисциплине  ОП 08 «Материаловедение»

Автор материала:

Никифорук Татьяна Алексеевна.

преподаватель специальных дисциплин,

ТОГБПОУ «Многоотраслевой колледж»,

г. Моршанск, Тамбовская область

г. Моршанск, 2016 год

СОДЕРЖАНИЕ

Основные теоретические положения                                                        3

1. Атомно-кристаллическое строение металлов                                        3
2. Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм                                6
3. Порядок выполнения практической работы                                                8
4. Содержание отчета         практической работы                                                8

Цель работы: Ознакомиться с видами и характеристикой кристаллических решеток металлов. Изучить влияния кристаллических решеток на структуру и свойства металлов.

Основные теоретические положения

1. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ.

Металлические материалы. 83 из известных 112 химических элементов таблицы Менделеева Д. И. являются металлами. Они обладают рядом характерных свойств:

- высокой тепло- и электропроводностью;

- положительным коэффициентом электросопротивления (с повышением температуры электросопротивление растет);

- термоэлектронной эмиссией (испусканием электронов при нагреве);

- хорошей отражательной способностью (блеском);

- способностью к пластической деформации;

- полиморфизмом.

Наличие перечисленных свойств обусловлено металлическим состоянием вещества, главным из которых является наличие легкоподвижных коллективизированных электронов проводимости.

Металлическое состояние возникает в совокупности атомов, когда при их сближении внешние (валентные) электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими и свободно перемещаются между положительно заряженными, периодически расположенными ионами. Силы притяжения (силы связи) в твердых телах существенно отличаются по своей природе. Обычно рассматривают четыре основных типа связей в твердых телах: ван-дер-ваальсовые, ковалентные, металлические, ионную.

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решётку, называют элементарной ячейкой.

Для характеристики элементарной ячейки используют параметры кристаллической решётки:

• три ребра а, в, с, измеряемых в ангстремах (1Å = 1* 10-8см) или в килоиксах – kX (1kX = 1,00202 Å) и три угла α, β, γ,;

• компактность структуры η - отношение объема, занимаемого атомами, к объёму ячейки ( для решётки ОЦК η = 64 %, для решётки ГЦК η = 74 %);

• координационное число К - число ближайших соседей данного атома: для решётки ОЦК это число равно 8, т.е. атомы, находящиеся в вершине, принадлежат восьми элементарным ячейкам (рис.1.а), для решётки ГЦК это число равно 12, т.е. атомы, находящиеся в вершине, принадлежат двенадцати элементарным ячейкам (рис. 1.б).

Рисунок 1. Схема определения координационного числа кристаллической решётки:

а – ГЦК;

б – ОЦК;

в – ГПУ

Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая решётка. В простой кубической решётке атомы расположены (упакованы) недостаточно плотно.

Стремление атомов металла занять места, наиболее близкие друг к другу, приводит к образованию решеток других типов (рис. 2.):

- объёмноцентрированной кубической решётки (ОЦК) (рис.2.а) с параметром

а = 0,28 – 0,6мм = 2,8 – 6,0 Å

- гранецентрированной кубической решётки (ГЦК) (рис.2.б) с параметром

а = 0,25мм

- гексагональной плотно упакованной решётки (ГПУ) (рис.2.в) с параметром

с / а ≈ 1,633

Рисунок 2. Кристаллические решётки: а – гранецентрированный куб (ОЦК); б – объемноцентрированный куб (ГЦК); в- гексагональная плотно упакованная (ГПУ)

Узлы (положения атомов), направления в плоскости и в пространстве обозначаются с помощью так называемых индексов Миллера (рис.3).

Индексы узла записываются – (mnp),

Индексы направления записываются – [mnp],

Индекс плоскости записываются – (hk1).

Рисунок 3. Символы некоторых важнейших узлов, направлений и плоскостей в кубической решётке.

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решётки многие свойства отдельно взятого кристалла (химические, физические, механические) по данному направлению отличаются от свойств в другом направлении и, естественно, зависят от того, сколько атомов встречается в этом направлении.

Различие свойств в зависимости от направления испытания носит название анизотропии.

Все кристаллы анизотропны.

Анизотропия – особенность любого кристалла, характерная для кристаллического строения.

Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из совокупности кристаллитов с различной ориентацией. При этом свойства во всех направлениях усредняются.

2. ПРЕВРАЩЕНИЯ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ. ПОЛИМОРФИЗМ.

Атомы данного элемента могут образовать, если исходить только из геометрических соображений, любую кристаллическую решетку. Однако устойчивым, а следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.

Так, разные металлы образуют разные виды кристаллической решетки:

- Li, Na, K, Mo, W – ОЦК;

- Al, Ca, Cu, Au, Pt – ГЦК;

- Mg, Zr, Hf – ГПУ.

Однако в ряде случаев при изменении температуры или давления может оказаться, что для одного и того же металла более устойчивой будет другая решетка, чем та, которая существует при данной температуре или давлении. Так, например, существует железо с решетками объемно-центрированного и гранецентрированного кубов, обнаружен кобальт с гранецентрированной и с гексагональной решетками (рис.4).

Существование одного и того же металла (вещества) в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии.

Различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными или аллотропическими модификациями (таблица 1).

Аллотропические формы обозначаются греческими буквами α, β, γ и т.д., которые в виде индексов добавляют к символу, обозначающему элемент. Аллотропическая форма при самой низкой температуре, обозначается буквой α, следующая - β и т. д.

Явление полиморфизма основано на едином законе об устойчивости состояния с наименьшим запасом энергии. Запас свободной энергии зависит от температуры. Поэтому в одном интервале температур более устойчивой является одна модификация, а в другом – другая.

Температура, при которой осуществляется переход из одной модификации в другую, носит название температуры полиморфного (аллотропического) превращения.

Механизм роста кристаллов новой фазы может быть нормальным кристаллизационным и мартенситным.

Нормальный механизм роста – это зарождение новой фазы на границах зерен, блоков, фрагментов при малых степенях переохлаждения (Snα ↔ Snβ).

Мартенситный механизм реализуется при низких температурах и большой степени переохлаждения, при малой диффузионной подвижности атомов путем их сдвига (смещения) по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям. Новая фаза имеет форму игл и растет очень быстро (Coα ↔ Coβ).

Аллотропическое превращение сопровождается изменением свойств, объема и появлением внутренних напряжений.

Рисунок 4. Элементарные ячейки кристаллических решеток:

I — кубическая объемно-центрированная ( α-железо),

II — кубическая гранецентрированная (медь),

III - гексагональная плотноупакованная;

а и с — параметры решеток.

Таблица 1. Аллотропические модификации металлов.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ.

Изучить виды кристаллических решеток.

Изучить и зарисовать схему определения координационного числа кристаллической решетки.

Изучить и зарисовать элементарные ячейки кристаллических решеток.

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПРАКТИЧЕСКО РАБОТЫ.

Отчет по практической работе должен содержать следующий материал:

Наименование и цель работы.

Виды кристаллических решеток.

Описание аллотропических модификаций металлов.

ПЕРЕЧЕНЬ КОНТРОЛЬНЫХ ВОПРОСОВ;

1. Виды кристаллических решеток.
2. Анизотропия кристаллов.
3. Характеристика кристаллических структур.
4. Полиморфизм (аллотропия).

ЛИТЕРАТУРА

1. Ю.П.Солнцев, С.А. Вологжанина Материаловедение М. «Академия» 2008.
2. О.С. Моряков М. Материаловедение М. «Академия» 2008.
3. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева Материаловедение Машиностроение 1980.
4. Г.П. Фетисов Ф.А. Гарифуллин  Материаловедение и технология металлов «Академия» 2008.

Перечень рекомендуемых интернет-ресурсов:

1. Федеральный портал "Российское образование" edu.ru
2. Техническая библиотека http://techlibrary.ru/
3. Сайт chem-astu.ru . Электронная библиотека. Читальный зал для студентов.
4. Большая техническая энциклопедия http://www.bte1927.ru/
5. Бесплатная библиотека стандартов и нормативов www.docload.ru
6. Марочник стали и сплавов  http://splav.kharkov.com