Свойства металлов и структура кристалической решетки металлов

Мы уже знаем, что при затвердевании металла кристаллизация начинается одновременно в разных местах. Затвердевшие зоны растут во все стороны, каждая из своего центра, и, встречаясь друг с другом, образуют зерна и блоки, кристаллические решетки которых оказываются повернутыми друг к другу под различными углами. Атомы, находящиеся в промежуточных зонах, испытывают в равной мере влияние кристаллических решеток соседних зерен и блоков и располагаются таким образом, что достигается минимум потенциальной энергии их взаимодействия не только между собой, но и с атомами этих зерен и блоков. Данные пограничные зоны в значительной мере определяют свойства всей массы металла.

Механическое сцепление зерен не обеспечивает достаточно прочной связи. Кроме того, на границах зерен обычно скапливаются различные примеси; именно здесь чаще всего образуются газовые пустоты. Все это еще больше ослабляет связь зерен друг с другом. Вот почему плохо очищенный металл под нагрузкой довольно легко разрушается по границам зерен. Прокатка, ковка, штамповка и другие виды обработки давлением сминают зерна металла, сближая их частицы настолько, что между ними начинают действовать мощные силы межатомного взаимодействия. Такая сила куда крепче, чем механическое сцепление зерен. Поэтому после пластической деформации и термической обработки металл оказывается гораздо прочнее литого. Также большое значение имеет то. какие марки стали используются в производстве.

Пластическая деформация возможна только у кристаллических тел, так как лишь у них может быть согласованный переход большой группы атомов из одного положения равновесия в другое. Это смещение происходит только в определенных, наиболее плотно упакованных атомами кристаллографических плоскостях, которые сдвигаются друг относительно друга, как карты в колоде.

Пластическая деформация металла — сложный процесс: он вызывает изменение не только размеров и формы, но и физических свойств обрабатываемого металла, которые кроме того в значительной степени зависят от того какие марки сталей применяются в этом технологическом процессе.

Идеальный кристалл — это лишь модель кристаллической решетки, не имеющая никаких нарушений строения, идеально симметричная. Строение же существующих в действительности реальных кристаллов весьма далеко от совершенства. Почему так происходит, мы постараемся пояснить следующим наглядным примером.

Когда в детстве вы строили башню из кубиков, вас, наверное, немало огорчало, что никак не удается выстроить очень высокую башню. Пока вы кладете на первый кубик второй, на второй третий, на третий четвертый, постройка кажется очень устойчивой. Но вот вы поставили седьмой, десятый, двадцатый кубик, и башня начинает качаться. Как бы осторожно вы ни ставили кубик на кубик, рано или поздно ваша башня станет неустойчивой и развалится. Нечто подобное происходит и при росте кристалла. Пока выстраиваются сотый, тысячный, десятитысячный атом, в кристаллической решетке соблюдается идеальный порядок. Но начиная с какого-то двенадцати- или пятнадцатитысячного атома, появляются сначала незначительные, неуловимые, а затем все более и более ощутимые отклонения. То атом влез не на свое место, то там, где должен быть атом, нет ничего, то одна идеально построенная часть кристалла соединяется с другой идеально построенной частью кристалла чуть-чуть неровно, и в результате получается небольшой перекос. Однако даже небольшие перекосы, складываясь друг с другом, могут привести к очень значительным искажениям кристаллической решетки. Идеальный металл, то есть не только совершенно свободный от примесей, но и не имеющий никаких искажений кристаллического строения, — это такая же абстракция, как например, идеальный шар в геометрии.