Кристаллическое строение металлов. Характерные свойства металлов. Виды кристаллических решеток, дефекты их строения.

Основные сведения о металлах и сплавах

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.

Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.

Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

Железный век продолжается. Примерно ⁹/₁₀ всех используемых человечеством металлов и сплавов – это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о прочих металлах.

Было время, когда железо на земле ценилось значительно дороже золота. Советский историк Г. Арешян изучал влияние железа на древнюю культуру стран Средиземноморья. Он приводит такую пропорцию: 1 : 160 : 1280 : 6400. Это соотношение стоимостей меди, серебра, золота и железа у древних хеттов.

До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20…40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3 раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.

Кристаллическое строение металлов. Характерные свойства металлов. Виды кристаллических решеток, дефекты их строения.

Металлы – простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свой­ствами:

• специфический «металлический» блеск (хорошая отражательная способность и непрозрачность);
• высокая электропроводность;
• высокая теплопроводность;
• пластичность;
• отрицательный температурный коэффициент электропроводности (возрастание электросопротивления с повышением температуры).

Самыми распространенными в природе металлами являются алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний и титан.

Характерные свойства металлов обусловлены строением их атомов.

Из курса физики известно, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заря­женных частичек - электронов. В ядре атома находятся положи­тельно заряженные частицы - протоны. Количество протонов рав­но количеству окружающих ядро электронов, т. е. атом в целом является электрически нейтральным.

Атом может терять или приобретать электроны. Тогда он пре­вращается в электрически заряженный атом — ион. При избытке электронов ион заряжен отрицательно, при недостатке электро­нов — положительно.

Принадлежащие атому электроны разделяют на валентные (внешние), движущиеся по внешним орбитам, и внутренние, дви­жущиеся по более близким к ядру орбитам.

Благодаря слабой связи внешних электронов с ядром в метал­лах всегда имеются электроны, подвергающиеся воздействию по­ложительно заряженных ядер близлежащих атомов. Такие электроны называются свободными. Свободные электроны принадлежат не одному какому-либо ядру, а блуждают по всему металлу, вра­щаясь вокруг ядра то одного, то другого иона.

Наличием большого количества свободных электронов (называемых также коллективными или «электронный газ») и объясняются указанные вы­ше характерные признаки металлов.

В отличие от металлов неметаллы, как правило, хрупки, ли­шены металлического блеска, имеют низкую тепло- и электропро­водность. Электросопротивление неметаллов с повышением тем­пературы понижается.

Все металлы в нормальных условиях являются твёрдыми телами (за исключением ртути) и представляют собой вещества, состоящие из большого числа мелких зёрен – кристаллов, упорядоченно расположенных друг относительно друга в пространстве. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.

Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Основными типами кристаллических решёток являются:

1) Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1 а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Fe_α)

2) Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1 б), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Cu, Al, Ag, Au, Fe_γ)

3) Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).

Рисунок 1 - Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая;

б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропиейили полиморфизмом.

Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe): t<911°С – ОЦК - Fe_α; 911< t< 1392°С – ГЦК - Fe_β; 1392< t> 1539°С – ОЦК - Fe_σ.

Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.

В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают точечные, линейные и поверхностные дефекты.

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей (рис. 2).

Рисунок 2 - Точечные дефекты

Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки.

Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие.

Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.

Основными линейными дефектами являются дислокации.

Д ислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.

Рисунок 3 - Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее механическое напряжение, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.