Как влияет скорость охлаждения на строение кристаллизующегося металла


Вопрос. Влияние скорости охлаждения на процесс кристаллизации


⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 4Следующая ⇒

Кристаллизация - это образование новой твердой фазы, выделяющейся из раствора, расплава или пара. Кристаллизация из раствора служит средством выделения из них целевых продуктов или загрязняющих примесей, то есть является методом разделения и очистки веществ. В технологии неорганических веществ преимущественно используется кристаллизация из растворов. Образование твердой фазы может происходить только в растворах, в которых концентрация кристаллизующегося вещества превышает концентрацию насыщения, то есть из пересыщенных растворов

при соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики – центры кристаллизации или зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется. Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером, а зародыш – устойчивым.

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает и процесс

кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации. Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов зависят от степени переохлаждения., число зародышей скорость роста их при равновесной температуре кристаллизации Тs равны нулю. При увеличении степени переохлаждения они возрастают и достигают максимума. При больших степенях переохлаждения число центров кристаллизации и скорость роста равны нулю, так как при низких температурах диффузионная подвижность атомов мала, а тем самым уменьшена способность системы к превращению. Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость их роста, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.

Вопрос 8. Полиморфные превращения металлов

Некоторые металлы (железо, титан, кобальт, цирконий и др.) при разных температурах имеют различные кристаллические решетки. Такое явление называется полиморфизмом или аллотропией. Процесс перехода из одного кристаллического строения в другое называется полиморфным (аллотропическим) превращением.

Строение, получающееся в результате полиморфного превращения, называется аллотропической формой. Аллотропическая форма, устойчивая при более низкой температуре, обозначается индексом , при более высокой – ,  и т. д.

Температура, при которой происходит переход решетки из одного вида в другой, называется температурой полиморфного превращения или температурой перекристаллизации. При этом изменяются свойства металла (плотность, теплопроводность, теплоемкость и др.).

Аллотропические превращения при нагревании происходят с поглощением тепла, а при охлаждении – с его выделением. Как при нагревании, так и при охлаждении аллотропические превращения происходят с некоторым запаздыванием. Так, температура превращения -модификации в -модификацию, происходящего при нагревании, будет всегда выше температуры превращения  в , происходящего при охлаждении. Такое явление называется гистерезисом.

До температуры 1539 °С происходит охлаждение жидкого железа. При 1539 °С на кривой охлаждения появляется площадка. При этой температуре железо затвердевает, и выделяется скрытая теплота кристаллизации. По окончании кристаллизации и до температуры 1392 °С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (Fe ).

При 1392 С на кривой появляется вторая площадка, связанная с аллотропическим превращением -железа (Fe) в -железо (Fe), имеющее гранецентрированную кубическую решетку.

При аллотропическом превращении исчезают старые зерна и появляются новые. Такое превращение аналогично процессу кристаллизации: вначале образуются зародыши, а затем идет рост зерен новой модификации. Такое превращение является перекристаллизацией.

Следующая площадка наблюдается на кривой охлаждения при температуре 911 С по причине превращения Fe в Fe. Кристаллическая решетка превращается из гранецентрированной опять в объемно-центри­ро­ван­ную кубическую, которая сохраняется до самых низких температур.

Площадка на кривой охлаждения, соответствующая температуре
768 С, связана не с перестройкой кристаллической решетки, а с перестройкой электронных оболочек атомов и изменением магнитных свойств. Ниже 768 С железо магнитно, а выше – немагнитно.

Иногда немагнитное железо Fe называют Feβ, а высокотемпературную модификацию Fe (в интервале 1392…1539 С) – Fe.

Полиморфные превращения протекают как в чистых металлах, так и в сплавах.

Металлы, имеющие только один тип кристаллической решетки, называются изоморфными (никель, медь, хром, вольфрам и другие).

Вопрос 9. Упругая и пластическая деформация.

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием внешних сил. Различают упругую и пластическую деформации. Упругой называют деформацию, влияние которой на форму, размеры, структуру и свойства тела исчезают после прекращения действия внешних сил. При упругой деформации под действием нагрузки происходит незначительное относительное и обратимое смещение атомов. При растяжении монокристалла расстояние между атомами увеличивается, а при сжатии – уменьшается. В результате смещения атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и отталкивания. Поэтому после снятия нагрузки смещённые атомы под действием сил притяжения или отталкивания возвращаются в равновесное положение. Кристалл вновь приобретает первоначальную форму и размеры.

В случае возрастания касательных напряжений сверх определённой величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки исчезает только упругая составляющая деформации, оставшаяся часть деформации называется пластической. При пластической деформации изменяется структура металла, а, значит, и его свойства.

Вопрос 10 Хрупкое разрушение

РАЗРУШЕНИЯ МЕХАНИЗМЫ.Выход из строя металлических конструктивных элементов может быть связан с неправильным выбором металла или сплава для данного вида применения, дефектами металла, ошибками в расчете конструкции или отклонениями рабочих условий от заданных при проектировании.

хрупкое разрушение – отрыв одних слоев атомов от других под действием нормальных растягивающих напряжений. Отрыв не сопровождается предварительной деформацией. Механизм зарождения трещины одинаков — благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границы субзерен, фазовые границы), что приводит к концентрации напряжений, достаточной для образования трещины. Когда напряжения достигают определенного значения, размер трещины становится критическим и дальнейший рост осуществляется произвольно.

Для хрупкого разрушения характерна острая, часто ветвящаяся трещина. Величина зоны пластической деформации в устье трещины мала. Скорость распространения хрупкой трещины велика — близка к скорости звука (внезапное, катастрофическое разрушение). Энергоемкость хрупкого разрушения мала, а работа распространения трещины близка к нулю.

Вопрос 11 Вязкое разрушение

РАЗРУШЕНИЯ МЕХАНИЗМЫ.Выход из строя металлических конструктивных элементов может быть связан с неправильным выбором металла или сплава для данного вида применения, дефектами металла, ошибками в расчете конструкции или отклонениями рабочих условий от заданных при проектировании.Вязкое разрушение – путем среза под действием касательных напряжений. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация.

Трещина тупая раскрывающаяся. Величина пластической зоны впереди трещины велика. Малая скорость распространения трещины. Энергоемкость значительная, энергия расходуется на образование поверхностей раздела и на пластическую деформацию. Большая работа затрачивается на распространение трещины. Поверхность излома негладкая, рассеивает световые лучи, матовая (волокнистый) излом. Плоскость излома располагается под углом.


Рекомендуемые страницы:

Влияние скорости охлаждения на микроструктуру и механические свойства объемных металлических стекол на основе Zr

Цель настоящего исследования состоит в том, чтобы получить некоторое представление о влиянии скорости охлаждения на микроструктуру и механические свойства стеклообразующих сплавов. Наблюдался кристаллический градиент в микроструктуре образца сплава Zr 51 Al 9,96 Ni 14,34 Cu 24,9 (Zr51) диаметром 12 мм от края к центру из-за неравномерной скорости охлаждения.Результаты микротвердости показывают, что чем ниже скорость охлаждения, тем выше твердость исследуемого сплава.

1. Введение

Объемное металлическое стекло (BMG) как новый материал разрабатывалось в течение нескольких десятилетий, и десятки систем аморфных сплавов были задействованы, например, в BMG на основе Mg, La, Pd, Zr, Ti, Cu, Ni, Al, Fe, Co, Nd, Ce, Y и т. Д. [1–5]. Из-за своей неупорядоченной атомной структуры металлическое стекло обладает множеством превосходных физических, химических и механических свойств, таких как высокие пределы упругости, высокая прочность на разрыв и твердость, хорошая вязкость и высокая износостойкость, отличные магнитные свойства и высокая коррозионная стойкость [1 , 2, 6, 7], что обещает отличный кандидат для применения в современной промышленности.Однако плохая стеклообразующая способность (GFA) препятствует этому.

Как известно многим ученым, скорость охлаждения играет важную роль при изготовлении БМГ, хотя зависимость от нее не так велика, как раньше. Согласно трем известным эмпирическим правилам, предложенным Иноуэ [8], GFA металлических стекол можно улучшить путем выбора подходящего состава. Однако эксперименты показывают, что многие физические и механические свойства очень чувствительны к скорости охлаждения во время изготовления [9–14].Очевидно, что скорость охлаждения ограничивает атомную перегруппировку в процессе формирования стекла и дополнительно влияет на свойства BMG. Проще говоря, медленная скорость охлаждения оставит больше времени для этой перестройки, которая может даже внести в образец некоторые кристаллиты.

Влияние скорости охлаждения на плотность исследовалось в металлических стеклах на основе Pb [9]. Это указывает на то, что при уменьшении скорости охлаждения с 500 К / с до 1,98 К / с плотности увеличились с 9,270 г / см 3 до 9.285 г / см 3 , сопровождающееся увеличением твердости с 525 Hv до 537 Hv. Chen et al. [11] также провели аналогичные исследования бинарного сплава Pb-Si; Показано, что твердость увеличивается с уменьшением скорости охлаждения. Аналогичным образом Ян и др. [13] исследовали этот эффект на микроструктуру и механические свойства в BMG на основе Zr с использованием клиновых образцов. Однако систематические исследования в этом аспекте пока ограничены. В этой статье мы выбираем систему сплава Zr-Al-Ni-Cu. И диаметром 12 мм Zr 51 Al 9.96 Ni 14,34 Cu 24,9 (обозначается аббревиатурой Zr51) был изготовлен частично кристаллизованный образец стержня. Затем в соответствии с различной скоростью охлаждения изучается эволюция микроструктуры, термических и механических свойств в различных местах от края к центру в поперечном сечении.

2. Методики экспериментов

Слиток сплава Zr-Al-Ni-Cu был получен дуговой плавкой чистых элементарных металлов Zr (> 99,5 мас.%), Al (> 99,9 мас.%), Ni (> 99.9 мас.%) И Cu (> 99,9 мас.%) Вместе в атмосфере высокоочищенного аргона. Каждый слиток переплавляли четыре раза для получения однородного состава. Затем был изготовлен стержень диаметром 12 мм путем переплавки слитков пуговиц и литья под давлением расплавленного сплава в медную изложницу. Стекловидная структура отлитого образца была обнаружена с помощью стандартной дифракции рентгеновских лучей (XRD, Rigaku, D / Max-IIIA) с излучением Cu-K α . Тепловые свойства BMG исследовали с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC, Perkin-Elmer DSC-7) при скорости нагрева 20 К / мин в постоянном потоке аргона.Наблюдения с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) проводили на Philips CM200, работающем при 200 кВ. Окончательно утонение образцов для ПЭМ проводили двухструйной полировкой в ​​ванне с жидким азотом. Измерения твердости по Виккерсу проводились при нагрузке 500 г и времени выдержки 20 с. Каждое значение твердости по Виккерсу представляло собой среднее значение восьми отдельных измерений. Морфологию индентирования проверяли с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, Hitachi, S-570).

3. Результаты и обсуждение
3.1. Развитие микроструктуры при различных скоростях охлаждения

Как мы все знаем, в образце стержня реальная скорость охлаждения уменьшается от края к центру. Поэтому в этой части мы обсудим эволюцию микроструктуры от края к центру. Диаграмма XRD для сплава Zr 51 Al 9,96 Ni 14,34 Cu 24,9 (Zr51) диаметром 12 мм показана на рисунке 1 (а). Можно видеть, что на основе диффузного ореола есть несколько острых пиков, которые указывают на кристаллические фазы, выделяющиеся во время затвердевания.Чтобы изучить детальную природу микроструктуры, было исследовано поперечное сечение образца. Как показано на рисунке 1 (b), шесть точек были назначены в направлении диаметра. Ясно, что они располагались симметрично центру круга и обозначались как №1 ~ №6. Из-за симметричного распределения шести точек мы выбираем только точки №1, №2 и №3 для изучения тепловых свойств и микроструктуры.


Результаты термического анализа; Кривые DSC для местоположений №1, №2 и №3; и 40 образцов ленты размером мкм и м показаны на рисунке 2 (а).Очевидно, что по сравнению с ленточным образцом кривая ДСК, соответствующая краевой части в позиции № 1, указывает на заметный пик стеклования и экзотермической кристаллизации, что доказывает аморфную природу этой части по краю образца. В средней области, обозначенной позицией № 2, теплота кристаллизации уменьшается, хотя все еще наблюдается стеклование. В центре образца стеклование не наблюдается, и теплота кристаллизации также значительно уменьшается.Согласно методике, предложенной в [14], объемная доля кристалла оценивается как где - объемная доля кристаллического вещества, - теплота кристаллизации, когда он полностью аморфен, и - теплота кристаллизации, когда в аморфном образце присутствуют некоторые кристаллические фазы. Принимая во внимание полностью аморфную природу ленточного образца, объемная доля кристаллических фаз, соответствующих точкам №1, №2 и №3, вычисляется и отображается на рисунке 2 (b).Как видно, объемная доля кристаллических фаз в центре больше, чем в краю. Это результат уменьшения скорости охлаждения от края к центру, что затем приводит к увеличению объемной доли кристаллических фаз.

Анализируя микроструктуру локации № 1, обнаруживается почти полностью аморфная матрица. Широкий дифракционный ореол на рентгенограмме указывает на образование аморфной фазы в литом образце (как показано на рисунке 3 (а)). Кроме того, изображение в светлом поле ПЭМ с соответствующей дифракцией электронов в выбранной области (SAED) на рисунке 3 (b) показывает, что за исключением дифракционных гало, резких дифракционных колец или пятен не наблюдается.Это также подтверждает, что литой образец имеет только структуру стекла.

На рис. 4 показана микроструктура участка № 2 переходной части среды в поперечном сечении. Как показано на Рисунке 4 (а), на основе диффузного ореола существуют некоторые слабые пики, что означает, что в этой части при уменьшении скорости охлаждения в сплаве Zr51 происходит определенная кристаллизация in situ. Светлопольное изображение ПЭМ на рис. 4 (b) показывает, что микроструктура этой части состоит из аморфной матрицы и некоторых дисперсных кристаллических фаз, что согласуется с результатом XRD.Кроме того, мы проанализировали картину дифракции электронов этой кристаллической фазы. Было обнаружено, что все эти первично кристаллизованные фазы имеют одинаковую структуру. Рисунок 4 (b) дает изображение в светлом поле и картину дифракции электронов этой кристаллической фазы. Дальнейший анализ показывает, что эта кристаллическая фаза представляет собой гексагональную фазу Zr 5 Al 4 (с параметром решетки и). Таким образом, можно сделать вывод, что, когда пониженная скорость охлаждения не может предотвратить зарождение и рост кристаллической фазы, тогда возникают кристаллиты.

Микроструктура, соответствующая центральной части образца, позиция № 3, показана на рисунке 5. Из рентгенограммы на рисунке 5 (а) ясно видно, что над основанием диффузного ореола имеется множество острых пиков, которые указывают на что при дальнейшем уменьшении скорости охлаждения происходит все больше и больше кристаллизации in situ. При исследовании с помощью просвечивающей электронной микроскопии в местоположении № 3 на светлопольном изображении можно увидеть менее аморфную структуру, но сложную кристаллическую микроструктуру in situ. Всего существует четыре кристаллические фазы: (1) кубический AlZr 3 () с морфологией снежинки на изображении в светлом поле, как показано на рисунке 5 (b); (2) орторомбический Al 3 Zr 2 (,, и) с фрактальной морфологией, как показано на Рисунке 5 (c); (3) гексагональный Al 3 Zr 5 (и) с перитектической морфологией, как показано на рисунке 5 (d); (4) орторомбический Ni 10 Zr 7 (,, и) с морфологией полосы, как показано на рисунке 5 (e).

Что удивительно, так это то, что в центре этого образца стержня не было обнаружено гексагональной фазы Zr 5 Al 4 . Следовательно, можно сделать вывод, что этот гексагональный Zr 5 Al 4 представляет собой среднюю метастабильную фазу, которая может кристаллизоваться только в первую очередь во время охлаждения расплава, но в конце концов исчезает. Однако появление фазы Zr 5 Al 4 облегчает зарождение и рост последующих кристаллических фаз. В связи с уменьшением скорости охлаждения трудно подавить возникновение зародышеобразования и роста кристаллитов, что затем ухудшает способность к стеклообразованию (GFA).Конечно, все эти кристаллические фазы являются конкурирующими фазами с металлическим стеклом. В результате, чтобы улучшить GFA BMG, ограничения между этими конкурирующими фазами должны быть улучшены за счет увеличения скорости охлаждения, и в сочетании с надлежащими составами зарождение и рост кристаллической фазы будут более трудными.

3.2. Развитие механических свойств при различных скоростях охлаждения

Механические свойства, обсуждаемые здесь, сосредоточены на микротвердости, которая очень чувствительна к микроструктуре.На рис. 6 показана тенденция изменения микротвердости от края к центру, испытанного в местах №1 ~ №6. Видно, что от края, от среднего к центру, твердость по Виккерсу постепенно увеличивается. По краю микротвердость относительно низкая, но в центре она имеет наибольшее значение. Это различие в основном связано с эволюцией микроструктуры в результате изменения скорости охлаждения [11]. Как обсуждалось в разделе 3.1, микроструктура образца развивается с уменьшением скорости охлаждения следующим образом: полностью аморфный характер по краю, аморфная матрица с диспергированными гексагональными кристаллитами Zr 5 Al 4 кристаллитов в средней части и аморфная матрица с кристаллическими фазы кубического AlZr 3 , орторомбического Al 3 Zr 2 , гексагонального Al 3 Zr 5 и ромбического Ni 10 Zr 7 в центральной части.Поэтому, как и в [13], уменьшение скорости охлаждения приводит к выделению сложных кристаллических фаз, что затем приводит к увеличению микротвердости.


На рис. 7 представлены СЭМ-изображения отпечатков Виккерса в сплаве Zr51 (здесь мы учитываем только случаи в местах №1, №2 и №3 из-за симметричного расположения), где на рис. 7 (a), 7 (b) и 7 (c) соответствуют морфологии вдавливания в местоположениях № 1, № 2 и № 3.Можно обнаружить, что по краю имеется несколько полос сдвига (нагромождения), окружающих область с выемками, что тесно коррелирует со способностью пластической деформации BMG [15]. В результате накопление такого большого количества полос сдвига указывает на хорошую пластичность при измерениях твердости. Однако при движении к центру пластичность уменьшается, о чем свидетельствуют исчезающие полосы сдвига, обнаруженные в точках №2 и №3.

.

Кристаллизация и механические свойства полипропилена в необходимых для обработки условиях охлаждения в отношении времени изотермической выдержки

Для полукристаллических термопластов, помимо давления и сдвига, температурно-временное поведение при охлаждении расплава значительно влияет на геометрию и степень упорядоченности структур ( например, размер сферолита, степень кристаллизации и модификация кристаллов) и, как следствие, результирующие общие свойства компонентов. Предыдущие исследования показали, что более высокая температура изотермической выдержки (например,g., температура пресс-формы и температура охлаждающих валков) приводит к образованию более отчетливых упорядоченных структур и, следовательно, может привести к большей жесткости и прочности. Тем не менее время изотермической выдержки во время производства обычно не учитывается. В этой статье были проведены измерения быстрой сканирующей калориметрии (FSC) с использованием полипропилена для анализа кристаллизации во время идеализированных температурно-временных профилей на основе динамического температурного процесса и для аналитического исследования поведения кристаллизации при различных температурах и изотермических временах выдержки.Кроме того, пленки iPP были экструдированы и испытаны механически для изучения знаний, полученных экспериментально. Аналитические и механические результаты показывают, что фольга, полученная при одинаковой температуре изотермической выдержки, может иметь существенно разные упорядоченные структуры и механические свойства в зависимости, прежде всего, от времени изотермической выдержки.

1. Введение

Для полукристаллических термопластов известно, что кристаллические и аморфные области обычно образуют сферические сверхструктуры во время процесса кристаллизации, особенно в условиях покоя [1].Помимо давления и сдвига, температурно-временное поведение при охлаждении полимера в основном влияет на формирование геометрии и степени упорядоченных структур (например, модификацию кристаллов, размер сферолита и степень кристаллизации), поскольку процесс кристаллизации с его зарождением и кристаллизацией В это время происходит фаза роста [2, 3]. Из-за низкой скорости зародышеобразования и относительно высокой скорости роста кристаллов морфология грубо и отчетливо развивается при более высоких температурах изотермической выдержки (например,g., температура пресс-формы для литья под давлением и температура охлаждающих валков для экструзии). С увеличением скорости охлаждения сферолиты становятся меньше в диаметре, а морфология становится более отчетливой, вплоть до оптически аморфной, так как рост кристаллов затруднен из-за большого количества зародышей, вызванных высокой термической нуклеацией [2–4]. Различные формы предыдущих исследований исследовали влияние скорости охлаждения на конечную степень кристаллизации (количество кристаллической фракции) полукристаллических термопластов.Увеличение скорости охлаждения может привести к уменьшению степени кристаллизации, а при превышении критической скорости охлаждения расплав может затвердеть аморфно [4–7]. Помимо влияния на степень кристаллизации, подавляющее большинство полукристаллических термопластов может кристаллизоваться в различных кристаллических модификациях [7–12] в зависимости, например, от скорости охлаждения. Что касается первичного изотактического полипропилена, в литературе обсуждаются четыре различных полиморфа: α -фаза, β -фаза, γ -фаза и мезоморфная фаза [13].Здесь β - и γ -кристаллы в основном образуются при определенных условиях, таких как специфические зародышеобразователи или напряжение сдвига во время производства [14, 15] (для формы β ) и повышенного давления (для γ - форма) [16]. Наиболее стабильной формой считается моноклинная α -форма, которая развивается при охлаждении расплава в условиях охлаждения от слабых до умеренных в диапазоне температур от 50 ° C до [17]. При температурах ниже или равных 50 ° C возникает мезоморфная фаза.Brucato et al. [18, 19] утверждают, что с увеличением скорости охлаждения количество мезоморфной фазы увеличивается, а плотность уменьшается. Уделяя особое внимание кристаллической структуре и морфологии в зависимости от скорости охлаждения, Piccarolo et al. [20, 21] описали образование мезоморфной фазы с изолированными сферолитами с отрицательным двулучепреломлением при скоростях охлаждения более 80 К / с. При скоростях охлаждения от 20 до 80 К / с мезоморфная и α -моноклинная фазы сосуществуют со сферолитами с отрицательным двулучепреломлением, окруженными средой со слабым двулучепреломлением.При скоростях охлаждения ниже 20 К / с наблюдается в основном α -форма с падающими сферолитами. Более подробная информация о полиморфизме и морфологиях с особым вниманием к мезоморфной фазе изотактического полипропилена (iPP) обобщена в Androsch et al. [22].

Для оценки результирующих свойств компонента (например, механических свойств и трибологических свойств) необходимо учитывать влияние различных скоростей охлаждения на формирование кристаллических и структурных свойств, поскольку они в основном отвечают за конечные свойства компонентов.Здесь эффекты трудно объяснить одним структурным эффектом, поскольку изменение одного внутреннего структурного свойства обычно приводит к изменению и других свойств (например, изменение сферолитной структуры часто сопровождает изменение степени кристаллизации). Имея это в виду, в различных работах было показано, что увеличение степени кристаллизации может увеличить жесткость, а также прочность и уменьшить удлинение при разрыве [23]. Более того, отчетливо тонкая сферолитовая морфология может показывать более высокую прочность и удлинение при разрыве, чем четко выраженная сферолитовая морфология [2, 24].Что касается различных кристаллических модификаций, например, для ПА 6, Колесов и др. [11] оценили различия в модуле накопления в направлении цепочки от 300–310 до 50–140 ГПа для α и γ соответственно.

В целом, что касается температурно-временного поведения термопластичного компонента во время производственного процесса, для множества традиционных производственных технологий (например, литье под давлением и экструзия) состояние охлаждения материала является результатом предварительно выбранных параметров обработки (например, .g., температура охлаждающих валков, температура формы, температура плавления материала и толщина стенки компонента). Принимая во внимание обычное литье под давлением и, следовательно, большую толщину стенок, текущие исследования описывают скорости охлаждения около 1000 К / с в отношении обшивки вблизи области компонентов, в то время как в области сердцевины оцениваются значения около 1 К / с [25, 26]. В литературе влияние температуры пресс-формы на формирование геометрии и степени упорядоченности структур, а также получаемые в результате свойства компонентов часто обсуждается с точки зрения приложения.Например, использование более высокой температуры пресс-формы может привести к меньшему износу и большей жесткости [24]. Тем не менее, при динамическом отпуске важность времени изотермической выдержки во время производства обычно не принимается во внимание. Таким образом, цель данной статьи - показать влияние различных температур пресс-формы, в частности, температуры охлаждающих валков (рис. 1), аналитически и экспериментально с помощью быстрой сканирующей калориметрии и экструзии плоской пленки.


2.Материалы и методы
2.1. Материал и образцы для испытаний

Для этого исследования использовался iPP (Sabic 505P), поставляемый SABIC. Согласно паспорту этот полипропилен представляет собой гомополимер со средней изотактичностью и скоростью течения расплава 2 дг / мин. Для испытаний на растяжение из экструдированной фольги в направлении экструзии готовили стержни на растяжение. Геометрия была получена из натяжного стержня Campus в соответствии с DIN EN ISO 527-2B с масштабом 1: 4. Что касается динамико-механического анализа, прямоугольные образцы шириной 1 мм и длиной 8 мм были приготовлены из экструдированная фольга по направлению экструзии.

2.2. Быстрая сканирующая калориметрия (FSC)

Измерения FSC проводились с использованием Flash DSC 1 фирмы Mettler-Toledo. Для этой цели с помощью скальпеля был приготовлен образец для испытаний из тонкого среза 10 µ м и помещен в область измерительного датчика FSC. Для всех тестов использовался один тестовый образец, поэтому во всех тестах использовалась одна и та же масса образца. Для отображения результатов измеренная скорость теплового потока была проиллюстрирована в зависимости от температуры. Чтобы убедиться в отсутствии эффектов старения, сравнительные измерения были повторены в конце всех измерений, которые показали точно такие же эффекты кристаллизации.

Для лучшего понимания процесса кристаллизации с акцентом на оценке сначала исследуется кристаллизация при различных скоростях охлаждения. Здесь были проанализированы различные скорости охлаждения в диапазоне от 1 до 2000 К / с. Поэтому образец сначала нагревали до 250 ° C, а затем охлаждали до -20 ° C с соответствующей скоростью охлаждения. Второй нагрев был выбран со скоростью 500 К / с. Эта скорость нагрева была определена в предварительных исследованиях и рекомендована для оценки плавления iPP, поскольку здесь можно было измерить эффекты холодной кристаллизации и реорганизации с хорошим разрешением.

Кроме того, был исследован теоретически обоснованный температурно-временной профиль во время охлаждения, полученный на этапе традиционного производственного охлаждения; сравните Рисунок 2. Здесь образец сначала нагревали до 250 ° C, а затем охлаждали до скорости охлаждения ≥ 1000 К / с, таблица 1. Эта температура представляет собой температуру пресс-формы для процесса литья под давлением с динамическим отпуском во время литья под давлением, а также температуру охлаждающих валков для экструзии. После этого температура поддерживалась изотермически в диапазоне от 0 до 0.0 и 180,7 секунды, а затем охлаждают со скоростью 30 К / с до 10 ° C (в соответствии с максимально достижимыми скоростями охлаждения современных форм для литья под давлением с динамическим отпуском [27, 28]). И снова был выбран второй нагрев со скоростью 500 К / с.


Температура плавления

° C
Скорость охлаждения

К / с
Температура изотермической выдержки

° C
Время изотермической выдержки

с
Скорость охлаждения

К / с
Конечная температура

° C

250 > 1000 60 0.0 0,7 1,7 5,7 10,7 20,7 40,7 70,7 180,7 30 10
80
100
120


2.3. Обработка

В дополнение к анализу характеристик материала с использованием FSC, пленки iPP были экструдированы путем экструзии плоских пленок с использованием литья с кокильными валками.Для этого использовали одношнековый экструдер Collin E30M с диаметром шнека 30 мм и соотношением длины / толщины 25 и фильерой вешалки шириной 250 мм в сочетании с охлаждающим валком Collin CR136 / 350. Температура фильеры была установлена ​​на 250 ° C. Фольги были изготовлены при температуре охлаждающих валков 55, 80, 100 и 120 ° C, чтобы исследовать влияние при различных термодинамических условиях. Здесь минимальная температура охлаждающих валков, то есть была выбрана выше 50 ° C, чтобы гарантировать образование первичной α -фазы.Температура отклоняющего ролика, которая представляет собой конечную температуру, была выбрана с минимально возможным значением 30 ° C. было выбрано 3 и 20 с, что представляет собой минимальное и максимальное возможное время для получения высококачественной пленки путем регулировки скорости вращения шнека, а также скорости вытягивания. Здесь в течение 3 с скорость вращения шнека и скорость вытягивания были установлены на 50 мин -1 и 3,6 м / мин соответственно. В течение 20 с скорость вращения шнека и скорость тяги были установлены на 12 мин -1 и 0.59 м / мин соответственно. Толщина фольги составляла приблизительно 100 µ мкм. Во время производственного процесса температура фольги измерялась во всех соответствующих точках производственной линии с помощью ИК-камеры с учетом соответствующих коэффициентов излучения. Полученные температурно-временные профили показаны на рисунке 3.

2.4. Методы исследования полученных фольг

Морфология . Морфология поперечного сечения экструдированной фольги была исследована с помощью микроскопии в линейно поляризованном свете с помощью Axio Imager.M2 от Zeiss на 10 тонких пропилах µ м под углом менее 45 °. Разрезы делали от середины фольги по направлению экструзии.

Степень кристаллизации . Для расчета степени кристаллизации энтальпию плавления определяли с помощью измерений ДСК с использованием Q 1000 TMDSC от TA Instruments в соответствии с DIN EN ISO 11357 и коррелировали с (энтальпией плавления 100% кристаллического материала), которая, согласно описанию, составляет 205 Дж / г [ 29].

Механические параметры .Для определения механических параметров были проведены испытания на растяжение, а также динамико-механический анализ (DMA) с образцами, изготовленными из фольги вдоль направления экструзии. Здесь испытания на растяжение были выполнены в соответствии с DIN EN ISO 527-1 и -3 с использованием 5948 MicroTester от Instron. В качестве параметров были определены секущий модуль (в диапазоне от 2 до 10 Н / мм 2 ) и предел текучести на 5 испытательных образцах. Для определения модуля упругости был проведен динамико-механический анализ в соответствии с ISO 6721-4 с использованием RSA-G2 от TA Instruments.Для обоих методов исследования (испытания на растяжение и прямой доступ к памяти) образцы кондиционировали при температуре 23 ° C и влажности 50%.

3. Результаты и обсуждение
3.1. FSC

Кристаллизация относительно скорости охлаждения . На рисунках 4 и 5 показаны измеренные тепловые потоки во время охлаждения и второго нагрева для исследованных скоростей охлаждения от 2000 до 500 К / с и от 500 до 100 К / с соответственно. Результаты хорошо коррелируют с результатами Шаве [12]. Следовательно, во время охлаждения со скоростью более 300 К / с не удалось измерить никаких значительных экзотермических эффектов, что приводит к предположению, что большинство полимерных цепей затвердевают аморфно в стеклообразном состоянии.Затем это подтверждается при втором нагревании. Здесь при более низких температурах аморфные структуры плавятся, поскольку (между -10 и 10 ° C) температура стеклования была превышена. При более высоких температурах был измерен значительный экзотермический пик в диапазоне от 10 до 40 ° C, что указывает на холодную кристаллизацию во время стадии нагревания. Предполагается, что на этом этапе формировалась мезоморфная фаза. При дальнейшем повышении температуры предположительно происходит плавление мезоморфной фазы (от 40 до 80 ° C) и реорганизация в моноклинную α -фазу (между 80 и 100 ° C).Наконец, от 100 до 135 ° C происходит плавление α -фазы. Что касается различных скоростей охлаждения от 2000 до 500 К / с, никаких существенных различий во время охлаждения и второго нагрева не удалось измерить. При дальнейшем уменьшении скорости охлаждения в диапазоне от 200 до 300 К / с были измерены увеличение амплитуды экзотермического пика во время охлаждения и сдвиг в сторону более высоких температур, что может указывать на то, что имеет место кристаллизация. В дополнение к экзотермическому пику в диапазоне от 0 до 30 ° C для 150 K / s и 100 K / s было очевидным начало образования экзотермического пика при более высоких температурах (между 40 и 60 ° C).Здесь предполагалось появление α -фазы. Что касается второго нагрева при предыдущих скоростях охлаждения при 300 К / с, пик холодной кристаллизации уменьшается с уменьшением скорости охлаждения, что также может быть коррелировано с более высоким количеством мезоморфной фазы. При уменьшении скорости охлаждения при значениях, меньших или равных 150 К / с, большинство полимерных цепей было способно кристаллизоваться, так как не наблюдается заметного пика холодной кристаллизации. Кроме того, уменьшение экзотермического плеча в диапазоне от 80 до 100 ° C с предыдущими скоростями охлаждения, меньшими или равными 150 K / s, подтверждает предположение о том, что часть материала могла кристаллизоваться в α -фазе. во время охлаждения.

На рисунках 6 и 7 показаны измеренные тепловые потоки во время охлаждения и второго нагрева для исследованных скоростей охлаждения от 100 до 50 К / с и от 50 до 1 К / с соответственно. Что касается охлаждения, то пик мезоморфной кристаллизации уменьшается, а пик α увеличивается. При скоростях охлаждения, меньших или равных 20 К / с, мезоморфная кристаллизация не могла быть обнаружена. При втором нагревании уменьшение экзотермического плеча измеряется при уменьшении предшествующих условий охлаждения, что также показывает уменьшение количества мезоморфной фазы.Кроме того, с предварительным образованием α -фазы (предыдущая скорость охлаждения ≤ 20 К / с) температура пика плавления начинает сдвигаться в сторону более высоких температур, поскольку α -структуры могут формироваться более идеально.

Кристаллизация в теоретически обоснованных профилях температуры и времени . На рисунках 8 и 9 показан второй нагрев измерений FSC для проанализированных условий охлаждения, полученных в результате обычного производственного процесса. Что касается влияния температуры 60, 80 и 100 ° C на увеличение температуры пика плавления, было обнаружено, что образовалось либо большее количество, либо более стабильные кристаллы, что можно объяснить изотермической кристаллизацией. .Здесь пик плавления 180 с показывает другое поведение плавления по сравнению с

.

Кристаллическая структура металлов может изменяться при линейных дефектах, что должно влиять на свойства материалов

Структурные изменения в стали: ученые из Max-Planck-Institut für Eisenforschung используют изображения просвечивающего электронного микроскопа (серый), чтобы сделать видимыми линейные дефекты в сплаве железа (Fe) и марганца (Mn). Атомно-зондовая томография показывает распределение атомов железа (синий) и марганца (зеленый). Они поместили на изображение зеленые изоповерхности, где концентрация атомов марганца равна 12.5 процентов. На наложенных изображениях исследователи могут видеть, что атомы марганца накапливаются вдоль линейных дефектов; кристаллическая структура, которая образуется там, отличается от окружающего материала. Фото: М. Кузьмина / MPI für Eisenforschung Сталь

существует уже около 3000 лет, и сегодня она представлена ​​в нескольких тысячах вариаций, но всегда хороша для сюрпризов. Ученые из Max-Planck-Institut für Eisenforschung в Дюссельдорфе сделали открытие в области марганцевой стали, которая, как считается, влияет на свойства материала во благо и во вред.Они обнаружили, что сплав образует кристаллическую структуру на линейных дефектах, отличную от типичной для материала. Отдельные кристаллические зерна, из которых состоит любой металл, можно рассматривать как стопку отдельных атомных слоев. Линейные дефекты, точнее краевые дислокации, возникают, когда слой остается незавершенным, так что слои выше и ниже него должны сделать ступеньку. Поскольку длина линейных дефектов в кубическом метре стали может составлять в сумме один световой год, это открытие должно иметь большое практическое значение, поскольку структура стали зависит, среди прочего, от того, насколько она ковкая, жесткая и пластичная. - свойства, которые материаловеды хотят постоянно оптимизировать.

Вывихи могут спасти жизни. Это связано с тем, что одномерные дефекты в металле играют важную роль при деформации материала: например, когда панель кузова автомобиля сминается в результате аварии, таким образом поглощая большую часть энергии удара и, надеюсь, защищая пассажиров. от травмы. В этом случае дислокации действуют как нано-шарниры, по которым изгибается металл.Тот факт, что кристаллическая структура отличается от структуры непосредственно вокруг линейного дефекта, поэтому также должен влиять на то, как деформируется металл. В худшем случае он скорее рвется, чем деформируется. «Мы еще не знаем, какое влияние на его свойства оказывают пространственно ограниченные химические и структурные состояния в материале», - говорит Дирк Раабе, директор Института Макса Планка и руководитель исследования, в котором сторонники девиации микроструктура только что обнаружилась.

«Мы случайно попали в штаты», - говорит Дирк Раабе.Он и его команда исследовали микро- и наноструктуру особо жесткой и пластичной марганцевой стали, которая упрочняется с помощью наночастиц и используется, например, в шасси больших самолетов. Они проанализировали этот материал с помощью атомно-зондовой томографии. В ходе анализа образец испаряется атом за атомом короткими импульсами электрического напряжения. По времени пролета до детектора можно определить, к какому элементу принадлежит испарившийся оторванный атом; его положение в образце можно определить по тому месту, где атом падает на детектор.

Исследователи обнаружили цепочки богатых марганцем наночастиц в стали.
«Мы заметили, что концентрация марганца увеличивалась по определенным направлениям после того, как мы нагрели материал», - объясняет Дирк Понге, внесший важный вклад в исследование. Тонкие трубки, в которых собирается марганец, имеют ширину всего два нанометра. Причем происходит это не по всей длине, а скорее в виде цепочки из богатых марганцем наночастиц.

Чтобы разместить большее количество атомов марганца в этих мельчайших областях, кристаллическая структура материала должна измениться.Атомы железа и марганца обычно находятся в углах и центрах кубической элементарной ячейки, самой маленькой структурной единицы. Исследователи называют это объемно-центрированной кубической или мартенситной структурой. Концентрация марганца в цепочке наночастиц соответствует расположению атомов на каждой грани и углу элементарной ячейки, с технической точки зрения, гранецентрированной кубической или аустенитной структуре.

Ранее материаловедам были известны только такие отклонения от обычной кристаллической структуры металла в двумерной форме, т.е.е. от границ отдельных кристаллических зерен, образующих материал. Но почему они обнаружили внутри отдельных кристаллических зерен мартенсита филигранные структуры аустенита? «Когда мы увидели, что марганец накапливается в тонких трубках, у нас возникла идея, что вдоль линейных дефектов могут быть пространственно ограниченные химические и структурные состояния», - говорит Дирк Понге.

Другая кристаллическая структура дефекта помогает экономить энергию
Чтобы быть уверенным, он и его коллеги сначала отсканировали образец железо-марганец в просвечивающем электронном микроскопе, который делает четко видимыми линейные дефекты.Затем они снова нанесли на карту распределение атомов в образце с помощью атомно-зондовой томографии. И на наложенных изображениях обоих методов они действительно обнаружили, как богатые марганцем наночастицы располагаются точно вдоль линейных дефектов.

Тот факт, что атомы располагаются иначе, чем в остающемся кристалле, именно вдоль дислокаций, также подтверждается объяснением наблюдения: «Напряжение особенно велико на дислокациях», - говорит Дирк Понге.«Материал, по-видимому, может уменьшить напряжение и, таким образом, принять более выгодное с энергетической точки зрения состояние, образуя кристаллическую структуру, которая в противном случае была бы энергетически менее благоприятной». Основываясь на этом открытии, исследователи из Дюссельдорфа расширили ключевую формулу, которую материаловеды используют для расчета, какой структуре материал благоприятствует при каких условиях при таких структурных дефектах.

Может ли дамасская сталь ковать себя?
Исследователи сначала должны были мобилизовать атомы с помощью тепла, чтобы атомы могли принять энергетически более выгодную структуру там, непосредственно у дислокации и только там.«Однако это не означает, что пространственно ограниченные химические и структурные состояния образуются только при приложении тепла», - говорит Дирк Раабе. Следовательно, эти состояния, вероятно, могут быть обнаружены не только в цилиндрах двигателя, лопатках турбины или других материалах, которые постоянно подвергаются сильному нагреву. «Маленькие атомы, такие как атомы углерода, гораздо более подвижны, чем атомы марганца», - объясняет Дирк Раабе. «Следовательно, мы должны предположить, что мы обнаружим пространственно ограниченные состояния и в углеродсодержащих стальных панелях кузова автомобиля.«

Теперь исследователи хотят исследовать, какое влияние локальные структурные изменения оказывают на свойства материала. «Наши результаты могут помочь объяснить уже известное поведение металлов - например, тот факт, что металлы становятся хрупкими, когда они корродируют и поглощают водород», - говорит Дирк Раабе.

Однако не всегда плохие новости, когда кристаллическая структура на линейных дефектах выходит за рамки. «Возможно, нам удастся создать эти пространственно ограниченные состояния намеренно, чтобы разработать нанодамасковую сталь, которая сама себя кует», - говорит директор Max Planck.Дамасская сталь получила свое название потому, что попала в Европу через Дамаск. Мастера Востока выковали твердую, но хрупкую, пластичную, но мягкую сталь в композитный материал, твердый, но нелегкий. В будущем можно будет найти простой способ комбинировать эти фактически несовместимые свойства, если можно будет использовать дислокации для создания структуры. Это откроет перед сталелитейной промышленностью совершенно новые возможности по оптимизации материала для специального применения еще более целенаправленно.


Тонкая пленка создает новую химию в «нанореакторе»
Дополнительная информация: «Линейные комплексы: ограниченные химические и структурные состояния на дислокациях», Science , 4 сентября 2015 г. DOI: 10.1126 / science.aab2633 Предоставлено Общество Макса Планка

Ссылка : Кристаллическая структура металлов может изменяться на линейных дефектах, что должно влиять на свойства материалов (2015, 11 сентября) получено 27 октября 2020 с https: // физ.org / новости / 2015-09-кристалл-металлы-линейные-дефекты-аффект.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

.

Структура металлов

Структура металлов


Структура Металлы и другие одноатомные твердые вещества

Структуры чистых металлов легко описать, поскольку атомы, образующие эти металлы, можно рассматривать как идентичные идеальные сферы. То же можно сказать и о структуре инертные газы (He, Ne, Ar и др.) при очень низких температурах. Все эти вещества кристаллизуются в одну из четырех основных структур: простая кубическая ( SC ), объемно-центрированная кубическая ( BCC ), гексагональная плотнейшая упаковка ( HCP ) и кубическая плотнейшая упаковка ( CCP ).


Простая кубическая упаковка

Когда твердое вещество кристаллизуется, частицы, образующие твердое тело упаковать как можно плотнее. Чтобы проиллюстрировать этот принцип, давайте попробуйте представить, как лучше всего укладывать шары, например, пинг-понг шары в пустую коробку.

Один из подходов включает в себя осторожную упаковку мячей для пинг-понга в образуют квадратную упакованную плоскость сфер, как показано на рисунке ниже.

Наклонив коробку в одну сторону, мы можем сложить вторую плоскость из сферы прямо поверх первой. Результат - регулярный структура, в которой простейшим повторяющимся элементом является куб из восьми сферы, как показано на рисунке ниже.

Эта структура называется простой кубической упаковкой . Каждый сфера в этой структуре касается четырех одинаковых сфер в тот же самолет. Он также касается одной сферы в плоскости выше и одной в самолете внизу.Каждый атом в этой структуре может образовывать связи с его шесть ближайших соседей. Поэтому говорят, что каждая сфера имеет координационный номер из 6.

Простая кубическая структура - неэффективный способ использования пространство. Только 52% доступного пространства фактически занято сферы в простой кубической структуре. Остальное пустое место. Поскольку такая структура неэффективна, кристаллизуется только один элемент - полоний. в простой кубической структуре.


Телоцентрированный кубический Упаковка

Другой подход начинается с разделения сфер для образования плоскость квадратной формы, в которой они не совсем касаются друг друга, как показано на рисунке ниже.

Сферы во второй плоскости упаковываются над отверстиями в первой плоскости, как показано на рисунке ниже.

Сферы в третьей плоскости упаковываются над отверстиями во второй самолет. Сферы в четвертой плоскости упаковываются над отверстиями в третьей. самолет и так далее. В результате получается структура, в которой Плоскости атомов с нечетными номерами идентичны, а плоскости атомов с четными номерами самолеты идентичны.Это ABABABAB . . . повторение структура известна как объемно-центрированная кубическая упаковка .

Эта структура называется объемно-центрированной кубической , потому что каждая сфера касается четырех сфер в плоскости выше и еще четырех в плоскости ниже, расположенной по углам куба. Таким образом, повторяющееся звено в этой структуре - куб из восьми сфер с девятой одинаковой сферой в центре тела в другими словами, куб с центром тела, как показано на рисунке ниже.Координационный номер в данной структуре - 8.

Изучите кубический кристалл с центром тела ниже:

Нажмите левую кнопку мыши и перетащить конструкцию. Нажми вправо кнопку мыши, чтобы просмотреть параметры.

Для этой страницы требуется MDL Chime плагин. Скачайте здесь.

Объемно-центрированная кубическая набивка - более эффективная способ использования пространства по сравнению с простой кубической упаковкой68% пространства в этой конструкции заполнено.Все металлы в Группа IA (Li, Na, K и т. Д.), Более тяжелые металлы в группе IIA (Ca, Sr и Ba) и ряд ранних переходных металлов (например, Ti, V, Cr, Mo, W и Fe) упаковываются в объемноцентрированный кубический структура.


Ближайшая упаковка Конструкции

Две структуры упаковывают сферы настолько эффективно, что называются плотноупакованными структурами .

Оба начинают с упаковки сфер в плоскости в каждая сфера касается шести других, ориентированных по углам шестиугольника, как показано на рисунке ниже.

Затем вторая плоскость образована упаковочными сферами. над треугольными отверстиями в первой плоскости, как показано на рисунок ниже.

Сферы в третьем самолете могли упаковываться непосредственно над сферами в первой плоскости, чтобы сформировать ABABABAB . . . повторяющаяся структура. Поскольку эта структура состоит из чередующиеся плоскости гексагональных плотноупакованных сфер, это называется гексагональной плотноупакованной структурой .Каждая сфера касается трех сфер в плоскости выше, трех сфер в плоскости ниже, и шесть сфер в той же плоскости, как показано на рисунок ниже. Таким образом, координационное число в гексагональной структура с плотной упаковкой - 12.

74% пространства в гексагональном плотно упакованном структура заполнена. Более эффективного способа упаковки сфер не существует. известно, и важна гексагональная структура с плотнейшей упаковкой. для металлов, таких как Be, Co, Mg и Zn, а также инертного газа He при низких температурах.

Есть еще один способ укладки гексагональной плотнейшие плоскости сфер. Атомы в третьей плоскости могут быть упакованы над отверстиями в первой плоскости, которые были не используется для формирования второй плоскости. Четвертый шестиугольник плотно упакованная плоскость атомов затем упаковывается непосредственно над первый. В результате получается ABCABCABC . . . структура, который называется кубической плотностью . Каждая сфера в этом структура касается шести других в той же плоскости, трех в плоскости вверху, и три в плоскости внизу, как показано на рисунке ниже.Таким образом, координационный номер по-прежнему 12.

Разница между гексагональной и кубической структуры с плотной упаковкой можно понять, отметив, что атомы в первой и третьей плоскостях лежат непосредственно друг над другом в гексагональной плотноупакованной структуре. В кубической плотноупакованной структуры, атомы в этих плоскостях ориентированы в разные стороны.

Кубическая структура плотнейшей упаковки такая же эффективен как гексагональная плотноупакованная структура.(Оба используют 74% доступного пространства.) Многие металлы, включая Ag, Al, Au, Ca, Co, Cu, Ni, Pb и Pt кристаллизуются в кубических плотноупакованных структура. Так поступают все инертные газы, кроме гелия, когда они газы охлаждаются до достаточно низких температур, чтобы они затвердевали.

Гранецентрированная кубическая элементарная ячейка является наиболее простой повторяющееся звено в кубической плотноупакованной структуре. Фактически, наличие гранецентрированных кубических элементарных ячеек в этой структуре объясняет, почему структура известна как кубическая наиболее плотно упакованный.


Координационные номера и Конструкции из металлов

Координационные числа четырех структур металлов приведены в таблице ниже. Это легко понять, почему металлы упаковываются в гексагональную или кубическую упаковку максимально плотно конструкции. Мало того, что эти конструкции используют пространство так же эффективно по возможности, они также имеют максимально возможную координацию числа, что позволяет каждому атому металла образовывать связи с наибольшее количество соседних атомов металла.

Координационные числа для общего кристалла Конструкции

Структура Координация
Номер
Укладка
Шаблон
простая кубическая 6 АААААААА .. .
объемно-центрированная кубическая 8 АБАБАБАБ . . .
Гексагональный плотноупакованный 12 АБАБАБАБ . . .
куб. Плотнейшей упаковки 12 ABCABCABC .. .

Менее очевидно, почему треть металлов упаковать в объемно-центрированную кубическую структуру, в которой координационный номер всего 8. Популярность данной конструкции можно понять, обратившись к рисунку ниже.

Координационное число для объемно-центрированной кубической структуры, приведенные в таблице выше, учитывают только атомы, которые фактически касаться данного атома в этой структуре.Рисунок выше показывает, что каждый атом также почти касается четырех соседей в тот же самолет, пятый сосед двумя самолетами выше, а шестой два самолета внизу. Расстояние от каждого атома до ядер эти соседние атомы всего на 15% больше, чем расстояние до ядра атомов, которых он действительно касается. Каждый атом в объемно-центрированная кубическая структура, таким образом, может образовывать в общей сложности 14 облигации восемь сильных связей с атомами, которых он касается, и шесть более слабых связывается с атомами, которых почти касается.

Это помогает понять, почему металл может предпочесть объемно-центрированную кубическую структуру гексагональной или кубическая плотнейшая структура. Каждый атом металла в плотноупакованные структуры могут образовывать прочные связи с 12 соседними атомы. В объемно-центрированной кубической структуре каждый атом образует всего 14 связей с соседними атомами, хотя шесть из них облигации несколько слабее остальных восьми.


Физические свойства что результат из структуры металлов

Структуры металлов могут быть использованы для объяснения многие из характерных физических свойств металлов.

На вопрос, почему металлы имеют характерный металлический блеск или блеск, многие скажут что металлы отражают (буквально отбрасывают) свет, который сияет на их поверхности. По сути, они могут возразить, что свет отражается от поверхности металла, как ракетка отскакивает от стен площадки для ракетбола. С этим что-то не так аналогия, однако. Металлы фактически поглощают значительную долю света, падающего на их поверхность.

Часть энергии, улавливаемой, когда металл поглощает свет, превращается в тепловую энергию. (Вы можете легко Продемонстрируйте это, положив руку на поверхность автомобиля который провел несколько часов на солнце.) Остальная энергия переизлучается металлом как «отраженный» свет. Серебряный лучше любого другого металла в отражении света, и все же только 88% света, попадающего на поверхность серебряного зеркала, составляет переизлучен. Это поднимает важный вопрос: почему металлы поглощают свет, когда другие вещества, такие как стекло в окна машины, не так ли? Свет поглощается, когда энергия этого излучение равно энергии, необходимой для возбуждения электрона до возбужденное состояние с более высокой энергией или когда энергия может быть использована для перемещать электрон через твердое тело.Поскольку электроны делокализован в металлах и поэтому свободно перемещаться через твердые металлы легко впитывают свет. Другие твердые тела, например стекло, не имеют электроны, которые могут двигаться через твердое тело, поэтому они не могут поглощать свет, как металлы. Эти твердые вещества бесцветны и могут только быть окрашенным путем добавления примеси, в которой энергия, связанная при возбуждении электрона с одной орбитали на другую попадает в видимая часть спектра. Стекло обычно окрашивается добавление небольшого количества одного из переходных металлов.Кобальт дает синий цвет, хром делает стекло зеленым, а следы золота придают темно-красный цвет.

Почему металлы твердые? Неметаллы, такие как водород и кислород являются газами при комнатной температуре, потому что эти элементы может получить заполненную оболочку валентных электронов, разделив пары электронов с образованием относительно небольших молекул, таких как H 2 и O 2 , которые движутся достаточно быстро в комнате температура перехода из жидкости в газовую фазу.Металлы этого не могут. На металле недостаточно электронов атом, чтобы позволить ему заполнить свою валентную оболочку, разделяя пары электроны с одним или двумя ближайшими соседями. Единственный способ металл может получить эквивалент заполненной оболочки валентных электронов заключается в том, что эти электроны могут быть разделены между несколькими соседние атомы металла. Это возможно только при большом количестве атомы металлов находятся близко друг к другу, поэтому металлы твердые вещества при комнатной температуре.

Почему металлы податливы и пластичны? Большинство металлов упаковывать в объемно-центрированные кубические, гексагональные плотноупакованные или кубические структуры с плотнейшей упаковкой. Теоретически изменение формы металл - это просто вопрос приложения силы, которая заставляет атомы в одной из плоскостей скользят мимо атомов в соседней плоскости, как показано на рисунке ниже. На практике легче сделайте это, когда металл горячий.

Почему металлы являются хорошими проводниками тепла и электричество? Как мы уже видели, делокализация валентные электроны в металле позволяют твердому телу проводить электрический ток.Чтобы понять, почему металлы проводят тепло, вспомните эта температура является макроскопическим свойством, которое отражает кинетическая энергия отдельных атомов или молекул. Плотный упаковка атомов в металле означает, что кинетическая энергия может быть переносится от одного атома к другому быстро и эффективно.


Твердые решения и Интерметаллические соединения

Большинство растворов, с которыми работают химики, включают газ (например, HCl) или твердое вещество (например, NaCl), растворенное в жидкость (например, вода).Также возможно приготовление растворов в котором газ, жидкость или твердое вещество растворяются в твердом теле. В наиболее важным классом твердых растворов являются те, в которых один твердое вещество растворяется в другом. Два примера твердых растворов медь, растворенная в алюминии, и углерод, растворенный в железе.

Растворимость одного твердого вещества в другом обычно зависит от температуры. При комнатной температуре, например, медь не растворяется в алюминии. Однако при 550C алюминий может формируют решения, содержащие до 5.6% меди по весу. Алюминий металл, который был пропитан медью при 550C, будет пытаться отвергать атомы меди, когда она остывает до комнатной температуры. В теории, раствор может отклонять атомы меди, образуя поликристаллическая структура, состоящая из мелких кристаллов более или менее чистый алюминий с вкраплениями мелких кристаллов меди металл. Вместо этого атомы меди соединяются с алюминием. атомов по мере охлаждения раствора с образованием интерметаллида с формулой CuAl 2 .

CuAl 2 - прекрасный пример разница между смесью (например, раствор меди растворенный в алюминии) и соединение. Решение может содержать различное количество меди и алюминия. Например, при 550 ° C раствор может содержать от 0 до 5,6% металлической меди по вес. Интерметаллид имеет фиксированный состав CuAl 2 всегда 49,5% алюминия по весу.

Интерметаллические соединения, такие как CuAl 2 являются ключом к процессу, известному как дисперсионное твердение .Алюминиевые металлические пакеты в кубической структуре плотнейшей упаковки, в которой одна плоскость атомов может проскользнуть мимо другой. В результате чистый металлический алюминий слишком слаб, чтобы его можно было использовать в качестве конструкционного металла в автомобили или самолеты. Дисперсионное упрочнение дает сплавы, которые в пять-шесть раз прочнее алюминия, и отличный конструкционный металл.

Первый этап дисперсионного твердения алюминий предполагает нагрев металла до 550С. Медь тогда добавляется до образования раствора, который гасят холодной водой.В раствор так быстро остывает, что атомы меди не могут соединиться для образования микрокристаллов металлической меди.

Сравнение монолитной стены с кирпичной имеет одно важное недостаток. Это наводит на мысль, что атомы не могут двигаться через металл. Это не совсем так. Распространение через металл может появиться, хотя и медленно. За период со временем атомы меди могут перемещаться через закаленный раствор с образованием микрокристаллы интерметаллида CuAl 2 , которые настолько малы, что их трудно увидеть в микроскоп.

Эти частицы CuAl 2 обе твердые и сильный. Так сильно они препятствуют течению металлического алюминия что их окружает. Эти микрокристаллы CuAl 2 укрепить алюминиевый металл, мешая плоскости пути атомы скользят мимо друг друга. В результате получается металл, который одновременно тверже и прочнее чистого алюминия.

Медь растворяется в алюминии при высокой температуре является примером раствора замещения , в котором медь атомы упаковываются в позиции, обычно занимаемые атомами алюминия.Есть еще один способ приготовления твердого раствора. Атомы одного элемента можно упаковать в отверстия, или пустот, , между атомами основного элемента, потому что даже самые эффективные кристаллические структуры используют только 74% доступного пространства в кристалл. В результате получилось межстраничное решение .

Сталь при высоких температурах является хорошим примером межстраничный раствор. Сталь образуется путем растворения углерода в железо. При очень высоких температурах железо упаковывается в кубический плотно упакованная структура, которая оставляет достаточно места для атомы углерода помещаются в отверстия между атомами железа.Ниже 910C, железо-металлические пакеты в объемно-центрированной кубической структуре, в отверстия слишком малы, чтобы удерживать атомы углерода.

Это имеет важные последствия для свойства стали. При температуре выше 910 ° С углерод легко растворяется в железе с образованием твердого раствора, содержащего столько же как 1% углерода по весу. Этот материал одновременно податлив и пластичный, и его можно раскатывать в тонкие листы или забивать различные формы. Когда этот раствор остынет ниже 910 ° C, утюг превращается в объемно-центрированную кубическую структуру, а атомы углерода отбраковываются из металла.Если раствору дать остыть постепенно атомы углерода мигрируют через металл, образуя соединение с формулой Fe 3 C, которое осаждает из раствора. Эти кристаллы Fe 3 C служат тому же роль в стали, которую кристаллы CuAl 2 играют в алюминии, они препятствуют потоку плоскостей атомов металла и тем самым делают металл прочнее.


Отверстия в наиболее плотно упакованных и простые кубические структуры

Металлы - не единственные твердые частицы, которые упаковываются в простые кубический, объемно-центрированный кубический, гексагональный плотнейшей упаковки и кубический плотноупакованные структуры.Использование большого количества ионных твердых веществ эти структуры тоже.

Хлорид натрия (NaCl) и сульфид цинка (ZnS), например, формировать кристаллы, которые можно представить себе как кубические плотно упакованные массивы отрицательных ионов (Cl - или S 2-), с положительными ионами (Na + или Zn 2+ ), упакованные в дырки между наиболее плотноупакованными плоскостями отрицательных ионов. Там это тонкое различие между этими структурами, однако, потому что ионы Na + в NaCl упаковываются в разные отверстия от тех, которые используются ионами Zn 2+ в ZnS.

Есть два вида отверстий в плотно упакованном структура. Так называемые тетраэдрические отверстия показаны на рисунок ниже. Сплошные линии на этом рисунке представляют одну плоскость. наиболее плотно упакованных атомов. Пунктирные линии обозначают второй плоскость атомов, которые упаковываются над отверстиями в первой плоскости. Каждое из отверстий, отмеченных цифрой t , касается трех атомов в первая плоскость и один атом во второй плоскости. Они называются тетраэдрические отверстия, потому что положительные ионы, которые упаковываются в эти отверстия окружены четырьмя отрицательными ионами, расположенными по углам тетраэдра.

октаэдрических отверстий в плотно упакованном структура показана на рисунке ниже. Еще раз твердый линии представляют одну плоскость наиболее плотно упакованных атомов, а штриховые линии соответствуют второй плоскости, которая набивается над отверстиями. в первом самолете. Каждое отверстие отмечено знаком o касается трех атомов в первой плоскости и трех атомов в второй самолет. Их называют октаэдрическими отверстиями, потому что положительные ионы, которые занимают эти дырки, окружены шестью отрицательными ионами расположены к углам октаэдра.

Тетраэдрические отверстия очень маленькие. Самый большой атом, который может поместиться в тетраэдрическое отверстие, не искажая тетраэдр имеет радиус всего 0,225 радиуса атомов которые образуют отверстие. Октаэдрические отверстия почти вдвое больше, чем четырехгранные отверстия. Самый большой атом, который может поместиться в октаэдрическая дыра имеет радиус 0,414 радиуса атомов которые образуют отверстие. Относительный размер атомов или ионов, которые образуют кристалл, поэтому определяет, будет ли тетраэдрический или используются октаэдрические отверстия.

Иногда положительные ионы слишком велики для упаковки тетраэдрические или октаэдрические отверстия в плотноупакованном структура отрицательных ионов. Когда это происходит, отрицательные ионы упаковывать в простую кубическую структуру, а положительные ионы - в кубических отверстия между плоскостями отрицательных ионов.


Правила соотношения радиусов

Обсуждение тетраэдрических, октаэдрических и кубических отверстий в предыдущем разделе предполагает, что структура ионного твердого тела зависит от относительного размера ионов, которые сформировать твердое тело.Относительный размер этих ионов определяется радиусом отношение , которое представляет собой радиус положительного иона, деленный на радиус отрицательного иона.

Связь между координационным числом положительных ионов в ионных твердых телах и отношение радиусов ионы приведены в таблице ниже. По мере увеличения отношения радиусов количество отрицательных ионов, которые могут упаковываться вокруг каждого положительного ион увеличивается. Когда коэффициент радиуса находится между 0.225 и 0,414, положительные ионы стремятся упаковываться в тетраэдрические отверстия между плоскостями отрицательные ионы в кубической или гексагональной плотноупакованной структуре. Когда отношение радиусов составляет от 0,414 до 0,732, положительное ионы стремятся упаковываться в октаэдрические отверстия между плоскостями отрицательных ионы в плотноупакованной структуре.

Правила соотношения радиусов

Радиус
Передаточное отношение
Координация
Номер
Отверстия, в которых
Пакет положительных ионов
0.225 - 0,414 4 четырехгранные отверстия
0,414 - 0,732 6 восьмигранные отверстия
0,732 - 1 8 кубических отверстий
1 12 Плотноупакованная структура

Из приведенной выше таблицы следует, что четырехгранные отверстия не используются, пока положительный ион не станет достаточно большим, чтобы коснуться всех четыре отрицательных иона, образующих это отверстие.Поскольку радиус увеличивается с 0,225 до 0,414, положительный ион искажает структура отрицательных ионов к структуре, которая пуристы могут описать его как плотно упакованный .

Как только положительный ион станет достаточно большим, чтобы коснуться всех шести отрицательных ионов в октаэдрическом отверстии, положительный ионы начинают упаковываться в октаэдрические дырки. Эти отверстия используются пока положительный ион не станет настолько большим, что он не сможет поместиться даже в искаженное восьмигранное отверстие.

В конце концов точка достигнута при котором положительный ион больше не может вписываться ни в тетраэдрические или октаэдрические дырки в кристалле с плотной упаковкой. когда отношение радиусов составляет от 0,732 до 1, ионные твердые частицы имеют тенденцию кристаллизоваться в простой кубический массив отрицательных ионов с положительные ионы, занимающие некоторые или все кубические дырки между эти самолеты. Когда отношение радиусов составляет около 1, положительные ионы могут быть включены непосредственно в позиции плотноупакованная структура.

Практическая задача 1:

следующие соединения имеют аналогичные эмпирические формулы. Использовать правила отношения радиусов и таблица ионных радиусов в приложение, чтобы объяснить, почему у них разные конструкции.

(а) NaCl

(б) ZnS

(в) CsCl

Нажмите здесь, чтобы проверить свой ответ на практическую задачу 1

На структуру ионных твердых тел также влияют различия в количестве тетраэдрических и октаэдрических дырок в максимально плотно упакованной структуре.Столько же восьмигранных дыр, так как есть сферы, которые образуют наиболее плотно упакованные структура. Таким образом, если NaCl представляет собой соль 1: 1, в которой Na + ионы занимают октаэдрические дырки в плотноупакованном массиве Cl - ионов, все октаэдрические дырки в этой структуре должны быть заполнен.

Тетраэдрических отверстий в два раза больше. плотноупакованная структура. Ионы Zn 2+ в ZnS поэтому занимают только половину тетраэдрических отверстий в плотноупакованный массив ионов S 2-.

.

Смотрите также