Estructura cristalina de los metales.
Según la disposición de los átomos dentro de la sustancia, las sustancias sólidas se pueden dividir en dos categorías principales: cristales y sustancias en las que los átomos internos están dispuestos regularmente. Como el metal sólido; amorfo: una sustancia en la que los átomos internos están dispuestos de forma irregular. Como colofonia, vidrio, etc.
La estructura cristalina del metal: se refiere a la disposición de los átomos en el interior del material metálico. Determina las características microestructurales del material y las propiedades macroscópicas del material. Enlace metálico: El enlace entre átomos metálicos se llama enlace metálico. (La atracción electrostática se genera entre los electrones libres cargados negativamente y los iones metálicos cargados positivamente, lo que une los átomos metálicos. Esta es la esencia del enlace metálico. Propiedades del metal: buena conductividad eléctrica y térmica; alta resistencia; Tiene plasticidad;
tiene un punto de fusión fijo;
Diagrama del modelo de enlace metálico, como se muestra en la figura:
1. >
(1) Conceptos básicos
1. Celda unitaria: la unidad geométrica más pequeña de la red que puede representar las características de la red.
2. Los parámetros utilizados para describir el tamaño y la forma de la celda unitaria incluyen las longitudes de los tres bordes a, b y c de la celda unitaria y los ángulos α, β y γ entre los tres bordes.
3. , Constante de red: las tres longitudes de aristas a, b, c que determinan el tamaño de la celda unitaria
(2) Red común en metales
1 Cúbica centrada en el cuerpo. red.: Parámetro de red a=b=c; α=β=γ
=90°; hay un átomo en cada una de las ocho esquinas del cubo y un átomo en el centro del cubo. El número de átomos en cada celda unitaria es 2=1/8×8 1.
Metales comunes que pertenecen a la red cúbica centrada en el cuerpo: α-cromo, tungsteno, molibdeno, vanadio, α-hierro. , β-titanio, niobio, etc.
El diagrama de estructura se muestra en la figura:
2. Red cúbica centrada en las caras: parámetros de la red: a=b=c; =β=γ=90°; en las ocho esquinas de la celda unitaria hay un átomo en cada una y hay un átomo en el centro de cada una de las seis caras del cubo. El número de átomos en cada celda unitaria es 4. =1/8×8 1/2×6
Pertenece a la red cúbica centrada en las caras. Metales de uso común: γ hierro, aluminio, cobre, níquel, etc. El diagrama de estructura se muestra en la figura. figura:
3. Red hexagonal compacta: parámetros de la red: a=b≠c; α=β=. =1/6×12 1/2×2 3
Metales comunes que pertenecen a la red hexagonal compacta: magnesio. El diagrama de estructura del zinc, berilio, alfa titanio, cadmio, etc. se muestra como se muestra. en la figura:
(3) Densidad de la red cristalina
Densidad = volumen total ocupado por los átomos ÷ el volumen de la celda
La densidad de. la red cúbica centrada en el cuerpo = 0,68, la fórmula de cálculo es:
La densidad de la red cúbica centrada en las caras = 0,74
Densa La densidad de la red hexagonal = 0,74
(4) Índice del plano cristalino e índice de orientación del cristal
Plano cristalino: el plano compuesto de partículas de material en el cristal.
Orientación del cristal: una línea recta determinada por un punto material.
Cada conjunto de planos cristalinos paralelos y orientaciones cristalinas se pueden designar mediante un conjunto de números. Este conjunto de números se denomina plano cristalino e índice cristalográfico. >Determinación del índice del plano cristalino: El recíproco de la intersección entre el plano cristalino y los tres ejes de coordenadas se expresa entre paréntesis, como por ejemplo (111), (112)Determinación del índice de orientación del cristal: El. Las coordenadas de un punto en la línea recta que pasa por el origen de las coordenadas se representan entre corchetes.
Familia de planos cristalinos y familia de orientación de cristales
Familia de planos cristalinos: todas las caras de cristal con la misma. número en el índice de la cara del cristal pero diferentes símbolos u diferentes órdenes de disposición. Los átomos en estos planos cristalinos están dispuestos en el mismo patrón y tienen la misma densidad atómica y propiedades. Por ejemplo, {110} = (110) (101) (011) (101) (110) (011)
Familia de orientación grográfica: La orientación del cristal con exactamente la misma densidad de disposición atómica.
Como lt; 111gt; = [111] [111] [111] [111]
(5) Anisotropía de los cristales
En los cristales, debido a las diversas caras del cristal y al cristal. La densidad de la disposición atómica ascendente es diferente, por lo que la fuerza de interacción entre los átomos también es diferente. Por lo tanto, las propiedades de diferentes planos cristalinos y direcciones cristalinas dentro del mismo monocristal también son diferentes. Este fenómeno se llama anisotropía cristalina.
Los cristales se dividen en monocristales y policristales
Monocristal: cristal con la misma orientación reticular en todo el cristal.
Policristal: Cristales con diferentes orientaciones reticulares dentro del cristal.
Los metales reales son policristalinos
2 La estructura cristalina real de los metales puros
(1) Granos y subgranos
Grano - En un cristal metálico, la orientación de la red es básicamente la misma y hay áreas separadas por límites y áreas adyacentes.
Límites de grano: áreas entre granos de cristal donde los átomos están dispuestos de forma irregular.
El tamaño real del grano del metal depende no sólo del tipo de metal, sino también de las condiciones de cristalización y del proceso de tratamiento térmico.
Subgrano: un bloque de cristal más pequeño con una diferencia de orientación de la red interna de menos de 2° o 3°.
Límite de subgrano: la zona de transición entre subgranos.
(2) Defectos cristalinos en cristales
Defectos cristalinos: se refiere a áreas en el cristal donde los átomos están dispuestos de manera irregular.
Según las características geométricas de los defectos cristalinos y el alcance de su influencia en las irregularidades de la disposición atómica, se pueden dividir en tres categorías:
1.
2, Defectos de línea;
3.
1) Defectos puntuales
Con un punto como centro, provoca una disposición atómica irregular a su alrededor, lo que resulta en distorsión de la red y defectos de tensión interna. Hay tres tipos principales de defectos puntuales:
(1) Átomos intersticiales
(2) Vacantes de red
(3) Átomos de reemplazo
Defectos cristalinos de átomos heterogéneos con diferentes diámetros atómicos que aparecen en los nodos de la red. Diagrama esquemático de átomos de sustitución, como se muestra en la figura:
☆Átomos intersticiales: defectos cristalinos donde aparecen átomos en exceso en los huecos de la red cristalina.
☆Vacancias de red: Defectos cristalinos con átomos faltantes que aparecen en los nodos de la red. Como se muestra en la figura:
2) Defectos de línea
Se refieren principalmente a diversas formas de dislocaciones.
Dislocación: se refiere a la desalineación regular de átomos en una determinada columna o columnas de átomos en un cristal.
Densidad de dislocación: la longitud de las líneas de dislocación por unidad de volumen, (cm-2), como se muestra en la figura:
3) Defectos planos
Se refieren principalmente a límites de grano y sub- límite de granos. Es causada por la disposición irregular de los átomos debido a la influencia de granos o subgranos con diferentes orientaciones reticulares a ambos lados del mismo.
Como se muestra en la figura: 1. Conceptos básicos
Sistema de aleación: se refiere a una serie de aleaciones con los mismos componentes pero diferentes relaciones de composición. Como varios aceros al carbono.
Fase: se refiere a un área uniforme en una aleación que tiene la misma composición química, la misma estructura cristalina y está separada de otras partes por una interfaz. Puede haber varios granos en una fase, pero solo la misma fase puede estar en un grano.
Existen dos tipos básicos de estructuras de fases en aleaciones, soluciones sólidas y compuestos metálicos.
Microestructura: se refiere a la forma, tamaño y distribución de fases y granos vistos al microscopio. Se puede considerar que consta de fases individuales.
Se puede considerar que la microestructura de una aleación consta de varias fases, que se denominan componentes de fase de la estructura de la aleación; también se puede considerar que consta de estructuras básicas, y estas estructuras básicas se denominan aleaciones; Los componentes organizacionales de una organización. Las propiedades mecánicas de una aleación dependen no sólo de su composición química, sino también de su microestructura.
2. Estructura de fases de la aleación
Estructura cristalina de la aleación: se refiere a la estructura cristalina de cada fase de la aleación, denominada estructura de fases.
La estructura de fases de las aleaciones suele dividirse en dos categorías:
(1) Solución sólida;
(2) Compuestos metálicos.
(1) Solución sólida
Solución sólida: Cuando la aleación cristaliza en estado sólido, los átomos del soluto se distribuyen en la red del solvente para formar una fase con la misma red que la solvente.
Las soluciones sólidas y los disolventes tienen la misma estructura cristalina.
Tipos de soluciones sólidas: 1. Solución sólida intersticial; 2. Solución sólida de sustitución.
1. Solución sólida intersticial
Solución sólida intersticial: Solución sólida formada por átomos de soluto distribuidos en los huecos de la red del disolvente. Son tanto soluciones sólidas finitas como soluciones sólidas desordenadas. Como se muestra en la figura:
2. Solución sólida de sustitución
Solución sólida de sustitución: una solución sólida formada por átomos de soluto que reemplazan a los átomos de disolvente que ocupan las posiciones de los nodos de la red cristalina del disolvente. Una solución sólida sustitucional puede ser una solución sólida finita o una solución sólida infinita.
Como se muestra en la figura:
Solución sólida finita: La solubilidad de la solución sólida es limitada.
Solución sólida infinita: La solubilidad de la solución sólida es infinita. (Los dos elementos que componen una solución sólida pueden ser el soluto o el solvente del otro dependiendo de la proporción.)
La condición necesaria para formar una solución sólida infinita: el solvente y el soluto tienen la misma estructura cristalina. .
Solución sólida desordenada: La distribución de los átomos del soluto está desordenada.
Solución sólida ordenada: La distribución de los átomos del soluto está ordenada.
Ordenación de solución sólida: el proceso de transformación de solución sólida desordenada a solución sólida ordenada. La dureza y la fragilidad aumentan y la plasticidad disminuye.
3. Principales factores que afectan la solubilidad
Solubilidad: La concentración límite de soluto en solución sólida se denomina solubilidad del soluto en solución sólida.
Principales factores que afectan la solubilidad:
1) Temperatura
2) Factor de diámetro atómico
3) Factor de estructura cristalina
4. Propiedades de la solución sólida
Fortalecimiento de la solución sólida: fenómeno en el que los elementos solutos se disuelven en una solución sólida para aumentar la resistencia y dureza del metal. El fortalecimiento con solución sólida es una forma importante de fortalecer los materiales metálicos.
Comportamientos de la solución sólida: En general, la solución sólida es una fase con baja dureza y buena plasticidad.
(2) Compuestos metálicos (fase intermedia)
En aleaciones, cuando el contenido de soluto supera la solubilidad de la solución sólida, además de la formación de solución sólida, se forma una nueva fase aparecerá.
Esta nueva fase puede ser una nueva solución sólida o un compuesto. Tales como: Fe3C, FeS.
Compuestos metálicos: compuestos con propiedades metálicas. (La estructura cristalina es diferente a la de cualquier componente)
(1) Propiedades de los compuestos metálicos
Rendimiento de los compuestos metálicos: generalmente tienen estructuras reticulares complejas, altos puntos de fusión, duros y nítidos.
Si el compuesto metálico se distribuye uniformemente en forma de partículas finas en la matriz de la fase de solución sólida, la resistencia y dureza de la aleación mejorarán aún más. Este fenómeno se denomina fortalecimiento por dispersión de segunda fase.
En las aleaciones, la cantidad, forma, tamaño, distribución, etc. de los compuestos metálicos tienen diferentes efectos sobre las propiedades de la aleación.
(2) Tipos de compuestos metálicos
1. Compuestos de valencia normal: estos compuestos se ajustan a las reglas de valencia atómica normal, tienen componentes fijos y tienen fórmulas moleculares estrictas.
2. Compuestos electrónicos: Estos compuestos no obedecen a las leyes de valencia atómica pero sí a las leyes de concentración de electrones. Su estructura cristalina depende principalmente de la concentración de electrones.
3. Compuestos intersticiales: Los compuestos intersticiales son generalmente compuestos compuestos por elementos metálicos del grupo de transición con radios atómicos mayores y elementos no metálicos con radios atómicos más pequeños.
(Los elementos no metálicos están regularmente incrustados en los espacios de la red de elementos metálicos)
a) Cuando la relación entre el diámetro de los átomos no metálicos y el diámetro de los átomos metálicos es inferior a 0,59, un Se forma un compuesto intersticial con una red simple, que se llama fase intersticial.
b) Cuando la relación entre el diámetro de los átomos no metálicos y el diámetro de los átomos metálicos es mayor que 0,59, las fases intersticiales no pueden se generan y se forman compuestos intersticiales con estructuras complejas.
Fases intersticiales, estructuras complejas La diferencia entre compuestos intersticiales y soluciones sólidas intersticiales:
Estructura cristalina: La estructura cristalina de. la solución sólida intersticial es la misma que la del disolvente; mientras que la estructura cristalina de las fases intersticiales y los compuestos intersticiales con estructuras complejas es diferente de cualquier componente, la fase intersticial tiene una estructura cristalina simple.
2. Rendimiento: la solución sólida intersticial tiene baja dureza y buena plasticidad, y generalmente se usa como matriz y los compuestos intersticiales de estructura compleja tienen altos puntos de fusión y alta dureza. (especialmente la fase intersticial) suele actuar como una fase de fortalecimiento de la dispersión.