Co je to mřížka FCC?

Kovy a slitiny mají krystalická těla – atomy v nich jsou umístěny v určitém pořadí v prostoru. Pořadí v uspořádání atomů v prostoru se nazývá krystalová mřížka.

V čistých kovech, tzn. Když jsou atomy jednoho prvku, je možných 14 možných uspořádání atomů. To je způsobeno skutečností, že v krystalu musí mít každý atom stejný počet sousedních atomů umístěných ve stejné vzdálenosti od něj.

V chemických sloučeninách, tzn. v přítomnosti atomů různých prvků se počet možných kombinací v uspořádání atomů (typy mřížky) nekonečně zvětšuje. Naprostá většina kovů a slitin má relativně jednoduché krystalové mřížky (viz obr. 1)

Největší zájem je o strukturu železa a jeho slitin (ocel a litina).

Železo pod teplotou 911 0 C má na tělo centrovanou kubickou krystalovou mřížku (bcc) a nazývá se Fe. Některé další kovy (Ti, V, W, Mo, Cr, Mn) mohou mít stejnou strukturu.

Při teplotách 911-1390 0 C má železo plošně centrovanou kubickou krystalovou mřížku (fcc) a nazývá se g Fe. Stejná mřížka se nachází v některých dalších kovech (Cu, Al, Pb).

Nejkratší vzdálenost mezi středy atomů v krystalové mřížce se nazývá mřížkový parametr (a). Parametry se měří v angetremech (A) nebo kiloixech (KX)

Parametry mřížky jsou úměrné poloměru atomů. Například pro Fe a = 2,8608 A, Rat = 1,26 A, pro g Fe a = 3,649 A, Rat = 1,29 A

1.2. Alotropie kovů

Alotropie je schopnost některých kovů měnit typ krystalové mřížky při změně vnějších podmínek (teplota a tlak). Typicky je každý typ mřížky stabilní v určitém teplotním rozsahu, ale v některých případech, například při rychlém ochlazení, může existovat několik typů mřížek současně. Různé modifikace (typy mřížek) stejného kovu se označují řeckými písmeny: a, b, g, d atd. Písmeno označuje nejnižší teplotní modifikaci.

Například při zahřívání železa dochází k následujícím transformacím:

a Fe ® b Fe ® g Fe ® d Fe ® Ж

Příznaky alotropní transformace jsou následující:

1. Mění se typ krystalové mřížky;

2. Je pozorován tepelný efekt;

3. Vlastnosti se náhle změní

V železe jsou tedy pozorovány dvě alotropní přeměny (při teplotách 911 a 1390 0).

Se změnou typu krystalové mřížky železa se v ní prudce mění rozpustnost uhlíku. Maximální rozpustnost uhlíku v a Fe je tedy 0,02 % (při t = 723 0) a v g Fe 2,14 % (při t = 1130 0). To je nesmírně důležité pro pochopení procesů probíhajících během tepelného zpracování oceli.

Alotropie je pozorována u řady kovů (Sn, Ti, Ni, Mn, Cr atd.).

1.3. Struktura kovových slitin

Chemické prvky, které tvoří slitinu, se nazývají komponenty. Při interakci složek ve slitinách se tvoří fáze. Fáze je homogenní část slitiny oddělená od ostatních rozhraním. Při studiu procesů probíhajících při ohřevu a chlazení slitin se používají fázové diagramy, které jsou konstruovány experimentálně. Fázový diagram je graf, který ukazuje fázový stav slitiny v závislosti na teplotě a chemickém složení. Vezměte prosím na vědomí, že fázové diagramy jsou konstruovány pro podmínky pomalého ohřevu nebo chlazení.

Slitiny mohou obsahovat následující typy pevných fází: krystaly čistých složek, krystaly pevných roztoků, krystaly chemických sloučenin.

Krystaly čistých složek se skládají z identických atomů uspořádaných do krystalové mřížky.

Krystaly pevných roztoků se skládají z nepodobných atomů, které tvoří společnou krystalovou mřížku, jejíž typ je stejný jako u jedné ze základních složek. Při pozorování mikroskopem vypadají tuhé roztoky jako čisté kovy, tzn. jsou jednofázové. Na rozdíl od chemických sloučenin pevné roztoky neexistují v určitém poměru složek, ale v koncentračním rozmezí. Na stavových diagramech proto vždy zabírají určité oblasti. Pevné roztoky mají zpravidla nízkou tvrdost.

V průmyslových slitinách se nejčastěji vyskytují dva typy pevných roztoků: substituční a intersticiální.

V pevných roztocích substituce atomy rozpustného prvku zaujímají místa atomů rozpouštědla v krystalové mřížce. Takové pevné roztoky mohou mít omezenou nebo neomezenou rozpustnost. S neomezenou rozpustností může být libovolný počet atomů jedné složky nahrazen atomy jiné složky. To je možné při splnění následujících podmínek: obě složky mají stejný typ krystalové mřížky, podobnou strukturu valenčního elektronového obalu atomů a malý rozdíl ve velikosti atomů.

Pokud se atomové průměry dvou kovů se stejným typem krystalové mřížky výrazně liší, pak rozpouštění druhé složky vede k vážným deformacím krystalové mřížky. Když tyto deformace dosáhnou určité hodnoty, mřížka se stane nestabilní, což vede k hranici rozpustnosti.

Mezi kovy se vždy tvoří substituční pevné roztoky, například železo s Cr, Mn, Ni, W, Co.

V intersticiálních pevných roztocích jsou atomy rozpustného prvku umístěny v intersticiálních prostorech krystalové mřížky prvku rozpouštědla. Takové pevné roztoky se tvoří, když je průměr atomů rozpustného prvku mnohem menší než průměr atomů prvku rozpouštědla. Proto takové pevné roztoky vznikají mezi kovy a nekovy (C, H, O, N), které mají malé velikosti atomů. Tvorba takových pevných roztoků vede k určité deformaci krystalové mřížky a ke zvýšení parametru mřížky. Příkladem takových pevných roztoků v oceli je ferit (pevný roztok intersticiálního uhlíku v a Fe) a austenit (tuhý roztok intersticiálního uhlíku v g Fe).Schémata substituce a intersticiální tuhé roztoky jsou na Obr. 2.

Je však třeba mít na paměti, že v průmyslových slitinách, například v ocelích, neexistují žádné substituční a intersticiální tuhé roztoky v jejich čisté formě. I jednoduché uhlíkové oceli jsou složité vícesložkové slitiny, ve kterých se tvoří intersticiální tuhé roztoky na bázi substitučních tuhých roztoků.

Chemické sloučeniny jsou fáze, kterým lze přiřadit jednoduché stechiometrické vzorce. Obvykle mají složitou krystalovou mřížku s uspořádaným uspořádáním atomů, jejíž typ se liší od mřížek jejich složek. Složení chemických sloučenin je na rozdíl od pevných roztoků konstantní a nemění se s teplotou. Proto jsou ve fázových diagramech chemické sloučeniny znázorněny jako svislá přímka.

Vlastnosti chemických sloučenin jsou vždy velmi odlišné od vlastností jejich složek.

U ocelí je největší zájem o chemickou sloučeninu Fe 3 C, která má vysokou tvrdost a křehkost.

Při zkoumání slitin pod mikroskopem jsou viditelné konstrukční složky. Konstrukční komponenty jsou oblasti slitiny, které vypadají stejně (světlé, tmavé, pestré). Strukturální komponenty jsou odhaleny leptáním leštěných částí kyselinami nebo jinými činidly. Konstrukční prvky se mohou skládat z jedné nebo více fází.

Všechny slitiny v pevném stavu se mohou skládat z následujících konstrukčních složek:

1. Krystaly pevných roztoků,

2. Krystaly chemických sloučenin,

3. Mechanická směs krystalů různých typů (krystaly čistých složek, pevných roztoků a chemických sloučenin).

Při formování mechanických směsí se rozlišují zejména homogenní mechanické směsi, které jsou samostatnými strukturními složkami a při pohledu mikroskopem vypadají jako homogenní plochy.

Vznikne-li při krystalizaci z kapalného skupenství homogenní mechanická směs, pak se nazývá eutektická. Například při krystalizaci bílé litiny obsahující 4,3 % C vzniká eutektikum (homogenní mechanická směs skládající se z austenitu a cementitu), která má zvláštní název ledeburit.

Pokud vznikne homogenní mechanická směs krystalů v pevném stavu, pak se nazývá eutektoid. Například v uhlíkové oceli obsahující 0,83 % C se při ochlazení pod 723 0 austenit rozkládá na ferit a cementit. Taková homogenní mechanická směs v ocelích má zvláštní název – perlit.

1.4. Přeměna na ocel při zahřátí

Tepelné zpracování oceli spočívá v zahřátí na určitou teplotu, udržení a chlazení při určité rychlosti.

Přes zdánlivou jednoduchost těchto operací probíhají v oceli při jejich provádění složité procesy, které určují vlastnosti po tepelném zpracování.

Na Obr. 3. Je znázorněn fragment Fe-C diagramu, kde jsou umístěny uhlíkové oceli. Čáry na diagramu mají speciální symboly. Řádek A 1 (723 0) znázorňuje začátek tvorby austenitu při ohřevu, čára A 3 – konec vzniku austenitu, čára A st – konec rozpouštění cementitu v austenitu.

Po pomalém ochlazování a diagram byl zkonstruován s pomalým ochlazováním se struktura oceli bude lišit v závislosti na obsahu uhlíku.

Kovy a slitiny mají krystalickou strukturu. To znamená, že atomy a prostor, který zabírají, jsou umístěny přísně uspořádaným způsobem a jsou na určitých místech ve velmi určitých vzdálenostech od sebe. Uvnitř jednoho krystalu je pozorován opakující se vzor atomového uspořádání. Spojíte-li atomy pomyslnými čarami ve třech vzájemně kolmých směrech, získáte prostorovou krystalovou mřížku. Jeho nejmenší strukturní útvar je elementární buňka, jejíž obrys představuje nějaké geometrické těleso složené z atomů, například krychle nebo šestiboký hranol. Jednotkové buňky, vzájemně sousedící a mnohokrát se opakující, tvoří větší pevné látky pravidelného geometrického tvaru – krystaly. Krystaly, které vznikají během růstu vlivem okolních krystalů a mají proto nepravidelný geometrický tvar, se nazývají krystality. Krystality v polykrystalickém tělese, oddělené od ostatních krystalitů vysokoúhlovými hranicemi (viz pododstavec 1.5.3) a mající určitou krystalografickou orientaci, se nazývají zrna.
Orientace buněk v sousedních zrnech je různá, ale uvnitř každého zrna je stejná. Krystalová mřížka zrn má proto řády krátkého a dlouhého dosahu. Řád krátkého dosahu znamená stálost nejbližších sousedních atomů každého atomu a řád dlouhého dosahu – stálost vzdálených atomů.
Nejjednodušší geometrický tvar kovové krystalové mřížky je krychlový. Tento tvar mřížky se dodává ve dvou variantách: krychlový centrovaný na tělo (BCC) a krychlový centrovaný na obličej (FCC). Na Obr. 1.3, a, 6 ukazují schémata těchto mříží. Pro oba typy uvažovaných mřížek jsou buňky založeny na osmi atomech, které tvoří krychli a jsou umístěny v jejích vrcholech. Zbývající atomy jsou umístěny buď ve středu krychle (jeden atom na průsečíku úhlopříček v mřížce bcc). nebo ve středu každé z jejích ploch (šest atomů v mřížce fcc).
Krystalické mřížky bcc obsahují mimo jiné kovy chrom, vanad a molybden. A mřížky fcc mají hliník, měď, nikl a další kovy. Charakteristickými rysy krystalové mřížky jsou mřížkový parametr, koordinační číslo a atomová hustota. Za parametr (neboli periodu) krystalové mřížky a je považována meziatomová vzdálenost v buňce (viz obr. 1.3). Koordinační číslo (CN) určuje počet nejbližších sousedů každého atomu. Hustota balení (p.s.) se vztahuje k počtu atomů na jednotkovou buňku. Pro skrytou mřížku p.u. = 2 (jeden atom v horní části krychle a druhý ve středu krychle), srov. = 8 (například pro atom umístěný ve středu krychle). Pro fcc mřížku p.u. = 4, k.h. = 12. Parametr mřížky a pro mřížky bcc a mřížky fcc je stejný ve všech třech směrech v prostoru.
Mříž fcc je tedy hustší než mřížka bcc. Pevnost kovů závisí na hustotě balení krystalové mřížky.
Nejhustší z uvažovaných krystalových mřížek je však hexagonální uzavřená mřížka (hcp). Schéma této mřížky je na Obr. 1.3, c. Buňkou této mřížky je šestiboký hranol se centrovanými základnami, mezi nimiž jsou v určité vzdálenosti od středů tří ploch umístěny další tři atomy. Charakteristika mřížky HCP: mřížkové parametry a a c (c > a); pokud c/a = 1,633, pak c.h. = 12, p.u. = 6. Mřížka GPU má hořčík, zinek, berylium a další kovy.
Parametry krystalové mřížky kovů se pohybují od 0,2 do 0,7 nm (1 nm = 10 -9 m).
V buňkách krystalových mřížek se atomy navzájem dotýkají vnějšími vrstvami elektronových obalů. Meziatomové adhezivní síly, které zajišťují integritu krystalové mřížky, vznikají elektromagnetickou interakcí v důsledku přítomnosti valenčních elektronů v atomech. V kovech, které jsou v pevném stavu, se valenční elektrony, zbavené svých atomů, pohybují mezi atomy, které se stávají kladně nabitými ionty. Vysvětluje se to tím, že vnější elektrony kovů jsou na rozdíl od vnějších elektronů nekovů s jádrem vázány slabě. Proto atomy kovů snadno ztrácejí vnější elektrony a mění se na ionty. Uvolněné elektrony tvoří tzv. elektronový plyn. Volné elektrony patřící celému zrnu, interagující s kladnými ionty, zajišťují integritu krystalové mřížky. Taková meziatomová vazba v krystalové mřížce se nazývá kovová. Kovová vazba může existovat jak mezi podobnými atomy v čistých kovech, tak mezi odlišnými atomy ve slitinách. Kovové meziatomové vazby nejsou směrové. Elektrony elektronového plynu nejsou spojeny s jednotlivými ionty, ale patří stejně ke všem iontům kovů.
Díky přítomnosti elektronového plynu mají kovy vysokou elektrickou a tepelnou vodivost a také kovový lesk. Pod vlivem elektrického pole získávají volné elektrony směrový pohyb, zajišťující tok proudu. Vysoká tepelná vodivost kovu je dána také účastí volných elektronů (spolu s ionty) na přenosu tepla. A charakteristický kovový lesk kovů je způsoben interakcí volných elektronů s elektromagnetickými světelnými vlnami.