Внутреннее строение и свойства металлов и сплавов. Кристаллическое строение металлов

Внутреннее строение металлов и сплавов

Все твердые тела делятся на аморфные и кристаллические. В аморфных телах атомы расположены хаотично, т. е. в беспорядке, без всякой системы (например, стекло, клей, воск, канифоль и др.). Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение, т. е. атомы расположены в строго определенном порядке, с определенной геометрической закономерностью. (К кристаллическим телам относятся также поваренная соль, кварц, сахарный песок и др.)

Если атомы металла мысленно соединить прямыми линиями, то получится правильная геометрическая система, называемая пространственной кристаллической решеткой. Из кристаллической решетки можно выделить элементарную кристаллическую ячейку, представляющую наименьший комплекс атомов, повторением которого в трех измерениях можно построить всю решетку.

Наиболее распространены три типа элементарных кристаллических ячеек металлов (рис. 3): кубическая объемноцентрированная (хром, вольфрам, молибден, железо (до 910° и от 1400 до 1539°С), титан (при температурах свыше 882°С)), кубическая гранецентрированная (алюминий, медь, никель, свинец, золото, серебро, железо (при 910–1400°С)) и гексагональная (цинк, магний, бериллий, титан (до 882°С)).

Атомы металлов образуют кристаллические решетки благодаря наличию особой металлической связи. В узлах кристаллических решеток металлов расположены положительно заряженные ионы, удерживаемые на определенном расстоянии друг от друга свободными электронами. Такое внутреннее строение обусловливает характерные признаки металлов, такие, как электро- и теплопроводность, пластичность. Свойства металлов зависят не только от типа кристаллической решетки, но и от расстояния между атомами.

Геометрическая правильность расположения атомов в кристаллических решетках придает металлам особенности, которых нет у аморфных тел.

Первой особенностью металлов является анизотропия свойств кристаллов, т. е. различие свойств кристаллов в разных направлениях. Анизотропия объясняется неодинаковой плотностью атомов в разных плоскостях кристаллической решетки, так как расстояния между атомами в решетках в разных направлениях неодинаковы. В отличие от кристаллических тел аморфные тела изотропны, т. е. их свойства не зависят от направления.

У металлических тел анизотропия свойств не выражена так резко, как у отдельных кристаллов. Металлы являются поликристаллическими телами, т. е. они состоят не из одного, а из бесчисленного множества кристаллов, по-разному ориентированных. Произвольность ориентировки каждого кристалла приводит к тому, что в любом направлении располагается приблизительно одинаковое количество различно ориентированных кристаллов. В результате получается, что свойства поликристаллических тел будут в среднем одинаковы во всех направлениях. Это явление называется квазиизотропией (ложной изотропией).

Второй особенностью металлов как тел кристаллического строения является наличие у них плоскостей скольжения (спайности). По этим плоскостям происходит сдвиг или отрыв (разрушение) частиц кристаллов под действием внешних усилий. У аморфных тел смещение частиц происходит не по определенным плоскостям, а беспорядочно. Излом аморфного тела всегда имеет неправильную, искривленную форму.

Третьей особенностью металлов как тел кристаллического строения является то, что процесс перехода их из твердого состояния в жидкое и наоборот происходит при определенной температуре, называемой температурой плавления (затвердевания). Аморфные тела переходят в жидкое состояние постепенно и не имеют определенной температуры плавления.

В изготовлении машин и рабочих установок, наиболее применяемыми стали металлы и их сплавы.
Металлы – это вещества, которые обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью, блеском, ковкостью и другими свойствами, которые легко и не очень поддаются металлообработке .

В промышленности все металлы и сплавы делят на две категории: цветные и черные . Так называемые черные металлы – это чистое железо и сплавы на основе его материала. К цветным – относятся остальные виды металлов. Для правильного выбора металла для изготовления конструкций механизмов с дальнейшим анализом ее использования, механических и других свойст, которые влияют на надежность и работоспособность машин – нужно знать внутреннее строение, механические, физико-химические и технологические свойства, а также каким методом проделывать обработку металла и нуждается ли материал в резке металла (если материал нужно обработать резкой, то лучше это сделать при помощи плазменной резки металла).

В твердом состоянии все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. Молекулы металлов (атомы, ионы) в пространстве располагаются в строго определенном порядке и между собой образуют кристаллическую решетку .
Образуется кристаллическая решетка посредством обработки металла , т.е. перехода его состояния из жидкого в твердое. Такой процесс носит название – кристаллизация . Впервые эти процессы были изучены ученым из России - Д.К. Черновым.

Процесс кристаллизации :
Сам процесс состоит из двух частей. У металла, который находится в жидком состоянии, атомы непрерывно двигаются. Если понизить температуру, то скорость передвижения атомов уменьшается, они сближаются и группируются в кристаллы (поэтому для того, чтобы изменить форму и структуру изделия, его подвергают металлообработке при помощи нагревания) – это первая часть, при ней образуются центры кристаллизации.
Затем идет рост вокруг центров кристаллизации – это уже вторая часть процесса. В самом начале рост кристаллов протекает свободно, но потом, рост одних – мешает росту другим, в результате формируется неправильная форма группы кристаллов, которые называются зёрнами. Размер полученных зёрен, значительно влияет на дальнейшую металлообработку изделий. Металл, состоящий из крупных зёрен - имеет низкую сопротивляемость к удару, если производится резка металла , то появляется трудность в получении низкой шероховатости на поверхности такого металла. Размеры зёрен зависят от условий кристаллизации и свойств самого металла.

Способы изучения металлической структуры :
Исследование структуры металлов и сплавов производится посредством макро и микро – анализов, а также и другими способами. При помощи макро-анализа изучается строение металла, которое можно увидеть невооруженным глазом или при помощи лупы. Эта структура определяется по макрошлифам или изломам. Макрошлиф – это образец металла, одна из сторон которого травлена кислотой и отшлифована.
При микро-анализе изучается размеры и формы зёрен, их структурные составляющие, выявляют микродефекты и качество термической обработки металла . Этот анализ производится по микрошлифам при помощи микроскопа. Микрошлиф – это некий образец металла, который имеет плоскую отполированную поверхность, травленую слабым раствором кислоты.

Свойства металлов :
Металлические свойства подразделяются на физико-химические, технологические и механические. Под механическими свойствами понимается сопротивляемость металла к воздействию на него внешней силы. К механическим свойствам относятся вязкость , прочность , стойкость и другие.
Прочность – это свойства металла в определенных условия не разрушаться, но воспринимать воздействие внешних сил. Это свойство является важным показателем при выборе метода обработки металла .
Вязкость – это сопротивление материала при ударной нагрузке.
Твердость – свойства материала к сопротивлению внедрения в него другого материала.

К основными технологическими свойствами относятся - ковкость , свариваемость , свойства плавления , обрабатываемость резанием и другие.
Ковкость – это свойства материала подвергаться металлообработке ковкой и другим методам обработки давлением.
Свариваемость – свойства материала создавать прочные сварные соединения.
Свойства плавления – свойства материала в расплавленном виде заполнять литейные формы и создавать плотные отливки с нужной конфигурацией.
Обрабатываемость резанием – свойства материала подвергаться резке металла для того, чтобы придать детали нужную форму, размер и шероховатость поверхности. Лучшим методом резки металлов является плазменная резка металла . После этого процесса металла практически не нуждается в дальнейшей металлообработке .
Для того, чтобы получать качественное изделие с хорошим внешним и внутренним строением, нужно хорошо разбираться в строении металлов, ведь только так можно получить отличный результат.

К машиностроительным материалам относятся металлы и их сплавы, древесина, пластмассы, резина, картон, бумага, стекло и др. Наибольшее применение при изготовлении машин получили металлы и их сплавы.

Металлами называются вещества, обладающие высокой теплопроводностью и электрической проводимостью; ковкостью, блеском и другими характерными свойствами.

В технике все металлы и сплавы принято делить на черные и цветные. К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе. К цветным - все остальные металлы и сплавы. Для того чтобы правильно выбрать материал для изготовления деталей машин с учетом условий их эксплуатации, механических нагрузок и других факторов, влияющих на работоспособность и надежность машин, необходимо знать внутреннее строение, физико-химические, механические и технологические свойства металлов.

Металлы и их сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Их атомы (ионы, молекулы) располагаются в пространстве в строго определенном порядке и образуют пространственную кристаллическую решетку.

Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве воспроизводит решетку, называется элементарной кристаллической ячейкой.

Форма элементарной кристаллической ячейки определяет совокупность свойств металлов: блеск, плавкость, теплопроводность, электропроводность, обрабатываемость и анизотропность (различие свойств в различных плоскостях кристаллической решетки) .

Пространственные кристаллические решетки образуются при переходе металла из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией. Процессы кристаллизации впервые были изучены русским ученым Д. К- Черновым.

Кристаллизация состоит из двух стадий. В жидком состоянии металла его атомы находятся в непрерывном движении. При понижении температуры движение атомов замедляется, они сближаются и группируются в кристаллы. Образуются так называемые центры кристаллизации (первая стадия). Затем идет роет кристаллов вокруг этих центров (вторая стадия). Вначале кристаллы растут свободно. При дальнейшем росте кристаллы отталкиваются, рост одних кристаллов мешает росту соседних, в результате чего образуются неправильной формы группы кристаллов, которые называют зернами.

Размер зерен существенно влияет на эксплуатационные и технологические, свойства металлов. Крупнозернистый металл имеет низкую сопротивляемость удару, при его обработке резанием возникает трудность в получении малой шероховатости поверхности деталей. Размеры зерен зависят от природы самого металла и условий кристаллизации.

Методы изучения структуры металла. Исследование структур металлов и сплавов производится с помощью макро- и микроанализа, а также другими способами.

Методом макроанализа изучается макроструктура, т. е. строение металла, видимое невооруженным глазом или с помощью лупы. Макроструктуру определяют по изломам металла или по макрошлифам.

Макрошлиф представляет собой образец металла или сплава, одна из сторон которого отшлифована и протравлена кислотой или другим реактивом. Этим методом выявляются крупные дефекты: трещины, усадочные раковины, газовые пузыри, неравномерность распределения примесей в металле и т. д.

Микроанализ позволяет определить размеры и форму зерен, структурные составляющие, качество термической обработки, выявить микродефекты.

Микроанализ проводится по микрошлифам с помощью микроскопа (современные металлографические микроскопы дают увеличение до 2000, а электронные - до 25 000).

Ми крошлиф- это образец металла, имеющий плоскую полированную поверхность, подвергнутую травлению слабым раствором кислоты или щелочи для выявления микроструктуры. Свойства металлов. Свойства металлов обычно подразделяют на физико-химические, механические и технологические. Физико-химические и механические свойства твёрдых тел, в том числе и металлов, вам знакомы из курсов физики и химии. Остановимся на рассмотрении некоторых механических и технологических свойств, важных с точки зрения обработки металлов.

Под механическими свойствами, как известно, понимают способность металла или сплава сопротивляться воздействию внешних сил. К механическим свойствам относят прочность, вязкость, твердость и др.

Прочность характеризует свойство металла или сплава в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия внешних сил.

Важным свойством металла является ударная вязкость - сопротивление материала разрушению при ударной нагрузке.

Под твердостью понимают свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела.

Механические свойства материалов выражаются через ряд показателей (например, пределы прочности при растяжении, относительное удлинение и сужение и т.д.)

Пределом прочности при растяжении, или временным сопротивлением разрыву, называется условное напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец в процессе испытания до разрушения

Твердость металлов и сплавов определяют в основном с помощью трех методов, названных по именам их изобретателей: метод Бринелля, метод Роквелла и метод Виккерса. I Измерение твердости по методу Бринелля заключается в том, что с помощью твердомера ТШ в поверхность испытуемого металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 2,5 5 или 10 мм под действием статической -нагрузки Р. Отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка (лунки) дает значение твердости, обозначаемое НВ.

Измерение твердости по Роквеллу осуществляется с помощью прибора ТК вдавливанием в испытуемый металл шарика диаметром 1,59 мм (1/16 дюйма) или алмазного конуса с углом при вершине 120° (для особо твердых сталей и сплавов) .Показания твердости определяются по индикатору прибора.

Измерение твердости по Виккерсу производится с помощью прибора ТП вдавливанием в металл алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине а= 136°. По длине диагонали полученного отпечатка с помощью таблицы находят число твердости HV.

Применение того или иного метода зависит от твердости испытуемого образца, его толщины или толщины испытуемого слоя. Например, методом Виккерса пользуются для измерения твердости закаленных сталей, материалов деталей толщиной до 0,3 мм и тонких наружных цементированных, азотированных и других поверхностей деталей.

К основным технологическим свойствам металлов и сплавов

относятся следующие:

ковкость-свойство металла подвергаться ковке и другим видам обработки давлением;

ж и д к о т е к у ч е с т ь - свойство расплавленного металла заполнять литейную форму во всех ее частях и давать плотные отливки точной конфигурации;

свариваемость - свойство металла давать прочные сварные соединения;

обрабатываемость реза нием- свойство металлов подвергаться обработке режущими инструментами для придания деталям определенной формы, размеров и шероховатости поверхности.

Введение

Металлы -- простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: высокой электро - и теплопроводностью, отрицательным температурным коэффициентом электропроводности, способностью хорошо отражать электромагнитные волны (блеск и непрозрачность), высокой прочностью и пластичностью.

Свойства металлов могут значительно измениться при очень высоких давлениях. Многие металлы в зависимости от температуры и давления могут существовать в виде нескольких кристаллических модификаций.

Подобными металлическими свойствами обладают более 80 химических элементов и множество металлических сплавов. Число металлических сплавов, применяемых в технике, исчисляется тысячами и постоянно возрастает в соответствии с возникающими новыми и разнообразными требованиями, предъявляемыми многими отраслями промышленности.

Свойства металлов обусловлены их кристаллическим строением и наличием в их кристаллической решетке многочисленных не связанных с атомными ядрами подвижных электронов проводимости.

Металлические сплавы по свойствам имеют много общего с металлами, поэтому их нередко относят к металлам.

Металлы (сплавы) в промышленности разделяют на две основные группы: черные и цветные металлы.

Черные металлы -- сплав железа с углеродом, в котором могут содержаться в большем или меньшем количестве и другие химические элементы. Кобальт, никель, а также близкий к ним по свойствам марганец нередко относят к черным металлам. Черные металлы получили наибольшее распространение, что обусловлено относительно высоким содержанием железа в земной коре, его низкой стоимостью, высокими механическими и технологическими свойствами.

Цветные металлы по свойствам подразделяют на следующие группы:

легкие (Be, Mg, Al, Ti), обладающие сравнительно малой плотностью -- до 5000 кг/м 3 ;

тугоплавкие (Ti, Сг, Zr, Nb, Mo, W, V и др.) с температурой плавления выше, чем у железа (1539°С);

благородные (Ph, Pd, Ag, Os, Pt, Аи и др.), обладающие химическойинертностью:

урановые (U, Th, Pa) -- актиноиды, используемые в атомной технике;

редкоземельные металлы (РЗМ), лантаноиды (Се, Рг, Nd, Sm и др.) и сходные с ними иттрий и скандий, применяемые как присадки к различным сплавам;

щелочноземельные металлы (Li, Na, К), используемые в качестве теплоносителей в ядерных реакторах.

Классификация металлических сплавов по химическому составу, основанная на указании главного компонента сплава (железо, медь, алюминий и др.), имеет традиционный характер, и получила наибольшее распространение.

Макро-, микро- и атомную структуру металлов и сплавов изучает металлография.

Макроструктура - это строение металла, видимое невооруженным глазом или с помощью лупы в изломе или на протравленном шлифе. Микроструктура строения металла, наблюдаемое под оптическим или электронным микроскопами, позволяющими увеличить рассматриваемый участок от десяти раз до сотен тысяч раз.

Атомная структура металлов - это пространственное расположение атомов в кристаллической решетке. Этот вид структуры исследуется с помощью рентгено- графического структурного анализа.

Строение металла

Все металлы имеют кристаллическое строение. Располагаясь тем или иным способом, атомы образуют элементарную ячейку пространственной кристаллической решетки. Тип ячейки зависит от химической природы и состояния металла. Кристаллическое состояние, прежде всего, характеризуется определенным, закономерным расположением атомов в пространстве. Это обусловливает то, что в кристалле каждый атом имеет одно и то же количество ближайших атомов -- соседей, расположенных на одинаковом от него расстоянии. В процессе кристаллизации положительно заряженные ионы, располагаясь последовательно в виде элементарных кристаллических решеток, образуют кристаллы в виде зерен или дендритов. Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. Образующиеся кристаллы растут, кристаллизуются из жидкого расплава сначала свободно, не мешают один другому, потом они сталкиваются и рост кристаллов продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. В результате первоначальная геометрически правильная форма кристаллов нарушается. После затвердевания зерна и дендриты имеют неправильную, геометрически искаженную форму.

Рисунок 1. Схема кристаллизации: а - в виде зерен; б - в виде дендритов.

Стремление атомов (ионов) металла расположиться, возможно, ближе друг к другу, плотнее, приводит к тому, что число встречающихся комбинаций взаимного расположения атомов металла в кристаллах невелико.

Существует ряд схем и способов описания вариантов взаимного расположения атомов в кристалле. Взаимное расположение атомов в одной из плоскостей показано на схеме размещения атомов (рисунок 2) .

Рисунок 2. Элементарная кристаллическая ячейка (простая кубическая).

Воображаемые линии, проведенные через центры атомов, образуют решетку, в узлах которой располагаются атомы (положительно заряженные ионы); это так называемая кристаллографическая плоскость. Многократное повторение кристаллографических плоскостей, расположенных параллельно, воспроизводит пространственную кристаллическую решетку, узлы которой являются местом расположения атомов (ионов). Расстояния между центрами соседних атомов измеряются ангстремами (1 А= 1 * 10 -8 см) или в килоисках -- kX (1kX = 1,00202 А). Взаимное расположение атомов в пространстве и величину между атомных расстояний определяют рентгеноструктурным анализом. Расположение атомов в кристалле весьма удобно изображать в виде пространственных схем, в виде так называемых элементарных кристаллических ячеек. Под элементарной кристаллической ячейкой подразумевается наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решетку. Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая решетка. В простой кубической решетке атомы расположены (упакованы) недостаточно плотно. Стремление атомов металла занять места, наиболее близкие друг к другу, приводит к образованию решеток других типов: кубической объемноцентрированной (рисунок 3, а), кубической гранецентрированной (рисунок 3, б) и гексагональной плотноупакованной (рисунок 3, в).

Рисунок 3. Элементарные кристаллические ячейки: а - кубическая объемноцентрированная; б - кубическая гранецентрированная; в - гексагональная плотноупакованная.

металл теплопроводность электромагнитный температурный

Кружки, отображающие атомы, располагаются в центре куба и по его вершинам (куб объемноцентрированный), или в центрах граней и по вершинам куба (куб гранецентрированный), или в виде шестигранника, внутрь которого наполовину вставлен также шестигранник, три атома верхней плоскости которого находятся внутри шестигранной призмы (гексагональная решетка).

Метод изображения кристаллической решетки, приведенный на рисунке 3, является условным (как в любой другой). Может быть, более правильно изображение атомов в кристаллической решетке в виде соприкасающихся шаров (левые схемы на рисунке 3). Однако такое изображение кристаллической решетки не всегда удобно, чем принятое (правые схемы на рисунке 3).

Размеры кристаллической решетки характеризуются параметрами, или периодами решетки. Кубическую решетку определяет один параметр -- длина ребра куба а (рисунок 3, а, б). Параметры имеют величины порядка атомных размеров и измеряются в ангстремах.

Так например, параметр решетки хрома, имеющего структуру объемноцентрированного куба, равен 2,878 А, а параметр решетки алюминия, имеющего структуру гранецентрированного куба, 4,041 А.

Параметр решетки -- чрезвычайно важная характеристика. Современные методы рентгеновского исследования позволяют измерить параметр с точностью до четвертого или даже пятого знака после запятой, т. е. одной десятитысячной -- одной стотысячной доли ангстрема.

Из рассмотрения схем кристаллических решеток (рисунок 3), если считать, что атомы являются как бы упругими, касающимися друг друга шарами, вытекает, что параметр решетки а и атомный диаметр d связаны простыми геометрическими соотношениями.

Для объемноцентрированного куба

Для гранецентрированного куба

Принимая для атома форму шара, можно подсчитать, что в кубической объемноцентрированной решетке атомы занимают 68% объема, а в кубической гранецентрированной (как и в гексагональной плотноупакованной) 74%, т.е. во втором случае атомы располагаются более плотно, более компактно.

Для металлов распространена гексагональная решетка (рисунок 3, в).

Если слои атомов касаются друг друга, т. е. три атома, изображенные внутри решетки (рисунок 3, в), касаются атомов, расположенных на верхней и нижней плоскостях, то имеем так называемую гексагональную плотноупакованную решетку.

Размеры гексагональной плотноупакованной решетки характеризуются постоянным значением с/а=1,633. При иных значениях с/а получается неплотлоупакованная гексагональная решетка.

Кубическая гранецентрированная и гексагональная решетки представляют самый плотный способ укладки шаров одного диаметра.

Некоторые металлы имеют тетрагональную решетку (рисунок 4); она характеризуется тем, что ребро с не равно ребру а. Отношение этих параметров характеризует так называемую степень тетрагональности. При с/а = 1 получается кубическая решетка. В зависимости от пространственного расположения атомов тетрагональная решетка (как и кубическая) может быть простой, объемноцентрированной и гранецентрированной.

Рисунок 4. Тетрагональная решетка

Существенное значение для свойств данного металла или сплава имеет число атомов, находящихся во взаимном контакте. Это определяется числом атомов, равноотстоящих на ближайшем расстоянии от любого атома.

Число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от данного атома, называется координационным числом. Так, например, атом в простой кубической решетке имеет шесть ближайших равноотстоящих соседей, т. е. координационное число этой решетки равно 6.

Центральный атом в объемноцентрированной решетке имеет восемь ближайших равноотстоящих соседей, т. е. координационное число этой решетки равно 8. Координационное число для гранецентрированной решетки равно 12. В случае гексагональной плотноупакованной решетки координационное число равно 12, а в случае с/а? 1,633 каждый атом имеет шесть атомов на одном расстоянии и шесть на другом (координационное число 6).

Для краткого обозначения кристаллической решетки с указанием в этом обозначении типа кристаллической решетки и координационного числа была принята одна из следующих систем (таблица 1).

Таблица 1

Каждый металл обладает определенной кристаллической решеткой.

Существенной характеристикой кристаллической структуры является число атомов, приходящихся на элементарную ячейку.

В о. ц. к. решетке атомы, находящиеся в вершине, принадлежат восьми элементарным ячейкам. Следовательно, каждый атом вносит в данную элементарную ячейку только одну восьмую часть своего объема. Центральный атом полностью принадлежит данной элементарной ячейке. Следовательно, на одну элементарную ячейку приходятся 1/8 * 8+1=2 атома.

В гранецентрированном кубе на одну элементарную ячейку приходятся четыре атома (1/8 ? 8 атом от числа расположенных в вершинах куба + 1/2 ? 6=3 атома из числа центрирующих грани).

Типично металлические элементы, расположенные в левой части таблицы Д. И. Менделеева, кристаллизуются в плотной упаковке, т. е. в простые кристаллические ячейки с большим координационным числом. Типично металлическими решетками являются, как указывалось, решетки о. ц. к., г. ц. к. и г. п. у. Действительно, почти все металлы, начиная от цинка, кадмия и ртути и левее имеют в большинстве случаев простые решетки.

Для неметаллических элементов характерно малое значение координационного числа (К4 и меньше). Неметаллы обладают меньшей плотностью и меньшим удельным весом, чем металлы.

Заключение

Металлы -- простые вещества, обладающие свободными, не связанными с определенными атомами электронами, которые способны перемещаться по всему объему тела. Эта особенность состояния металлического вещества определяет собой свойства металлов.

Атомы металлов легко отдают внешние (валентные) электроны, превращаясь при этом в положительно заряженные ноны. Отданные атомами свободные электроны непрерывно хаотически, т. е. беспорядочно, перемещаются по всему объему металла. Такие свободные электроны часто называют электронным газом. Положительно заряженные ионы при столкновении со свободными электронами на некоторое время могут превращаться в нейтральные атомы.

Таким образом, металлы состоят из упорядоченно расположенных в пространстве положительно заряженных ионов, перемещающихся среди них электронов и небольшого количества нейтральных атомов. Металлами являются алюминий, железо, медь, никель, хром и т.д.

Сплавы представляют собой системы, состоящие из двух или нескольких металлов или металлов и неметаллов. Сплавы обладают всеми характерными свойствами металлов. Например, сталь и чугун - сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой; бронза - сплав меди с оловом или другими элементами; латунь - сплав меди с цинком и другими элементами.

В промышленности широко применяют сплавы, получаемые сплавлением составляющих с последующей кристаллизацией из жидкого состояния, значительно меньше - сплавы, получаемые спеканием.

В процессе кристаллизации из расплавленного (жидкого) состояния металла или сплава положительно заряженные ионы и нейтральные атомы группируются в строго определенной последовательности, образуя кристаллические решетки - правильное упорядоченное расположение атомов в элементарной ячейке. Кристаллические решетки у металлов и сплавов могут быть различных типов: объемно-концентрированные кубические (о. ц. к.), гранецентрированные кубические (г. ц. к.), гексагональные плотноупакованные (г. п. у.). Объемно-концентрированную кубическую решетку образуют железо, медь, алюминий, свинец и др.; гексагональную плотноупакованную- цинк, магний, кобальт и др.

Для характеристики кристаллической решетки необходимо знать периоды решетки - расстояние а и с между центрами атомов или ионов, находящихся в узлах решетки. Период решетки измеряется в ангстремах (1А=10 -8 см).

В процессе кристаллизации положительно заряженные ионы, располагаясь последовательно в виде элементарных кристаллических решеток, образуют кристаллы в виде зерен или дендритов. Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. Образующиеся кристаллы растут, кристаллизуются из жидкого расплава сначала свободно, не мешают один другому, потом они сталкиваются и рост кристаллов продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. В результате первоначальная геометрически правильная форма кристаллов нарушается. После затвердевания зерна и дендриты имеют неправильную, геометрически искаженную форму.

При нагревании поглощаемое металлами тепло расходуется на колебательные движения атомов и вследствие этого на тепловое расширение металла. При плавлении объем металлов увеличивается на 3-4%. С повышением температуры колебательные движения атомов или ионов возрастают, кристаллические зерна распадаются и сплав, проходя через твердо-жидкое состояние, превращается в расплав.

Переход в жидкое состояние не приводит к полному уничтожению кристаллической структуры. В расплаве металлов и сплавов всегда находятся мельчайшие участки, в которых сохраняется первоначальное, наследственное строение металла, близкое к кристаллическому. Кроме того, всегда присутствуют тугоплавкие частицы (остатки футеровки печи, примеси других элементов), которые могут образовывать дополнительные центры кристаллизации и вызывать начало кристаллизации. На искусственном создании центров кристаллизации в расплаве с одновременным изменением его скорости охлаждения основано управление кристаллизации сплава с целью получения заданной структуры сплава в твердом состоянии.

Литература

1. Гуляев А.П. Металловедение.- 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство "металлургия", 1977.

2. Материаловедение для слесарей-сантехников, слесарей-монтажников, машинистов строительных машин: Учебник для сред. проф.-тех. училищ /Ю.Г.Виноградов, К.С.Орлов, Л.А.Попова. - М.: Высш. школа, 2-е изд., 1989.

3. Материаловедение. Лекция 5. З.О.

4. Мойзберг Р.К. Материаловедение, 1991.

5. Ханапетов М.В. Сварка и резка металлов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1988.

Еталлы, как и все окружающие нас тела, состоят из отдельных невидимых даже в самый сильный микро­скоп частиц, называемых атомами. Но атомы в свою очередь построены из ещё более мелких частиц: протонов, электронов и нейтронов. Протоны и электроны имеют электрические заряды: протон - положительный заряд, а электрон - отрицательный, нейтрон же не имеет никакого электрического заряда.

Если два протона «находятся близко, они отталкива­ются друг от друга, так как они заряжены одноимённым электричеством. Так же ведут себя и два электрона. На­против, протон и электрон притягиваются друг к другу, причём силы взаимного притяжения протона и электрона равны между собой, т. е. протон обладает элементарным электрическим зарядом, равным заряду электрона.

Атом в нормальном состоянии, т. е. когда он содержит одинаковое количество протонов и электронов, не обла­дает электрическим зарядом. Но бывают такие состояния атома, когда он приобретает или теряет электроны. Тогда атом становится электрически заряженным. При избытке электронов атом заряжен отрицательным электричеством, а при нехватке электронов он заряжен положительным электричеством. Вот такие атомы, в которых имеется из­быток или недостаток электронов, называются ионами.

Как же располагаются элементарные частицы в атоме?

В настоящее время считают, что атом построен следую­щим образом. Протоны и нейтроны составляют ядро, на­ходящееся в центре атома. Вокруг ядра обращаются электроны, которые образуют электронную обо­лочку атома. В каждом атоме количество электронов равно количеству протонов.

Электроны в электронной оболочке расположены слоями. В каждом слое может поместиться лишь опреде* лённое количество электронов. Первый слой, окружающий непосредственно ядро, может вместить лишь два элект­рона, второй слой - 8, третий - от 8 до 18 электронов. Каждый новый слой электронов при переходе от одного атома к другому образуется обычно после заполнения близлежащего к ядру внутреннего слоя.

Например, ядро атома натрия, как установлено, имеет 11 протонов, а его 11 электронов распределены в трёх оболочках: в первой - 2, во второй - 8 и в третьей -

1 электрон. Ядро атома рубидия содержит 37 протонов и окружено 37 электронами, котс^рые расположены в пяти оболочках: в первой - 2, во второй - 8, в третьей-18, в четвёртой - 8, в пятой - 1 электрон. Ещё более слож­ное строение имеет атом урана. Его ядро содержит 92 про­тона, а в электронной оболочке имеется 92 электрона.

Протон и нейтрон почти одинаковы по весу, а электрон почти в 1840 раз легче протона. Значит, основная масса атома содержится в его ядре. Чем большее количество нейтронов и протонов содержится в ядре, тем больший вес имеет атом.

Вес атома, например, в граммах выражать очень не­удобно: потребовалось бы писать десятки нулей после за­пятой. Поэтому ввели понятие об относительном весе ато­мов, об атомном весе. Вначале за единицу был при­нят атомный вес водорода; с ним сравнивали атомные веса всех других элементов.

Стройную систему химических элементов создал вели­кий русский химик Д. И. Менделеев в 1869 году, на основе открытого им периодического закона.

Сущность закона Менделеева состоит в том, что все химические элементы, расположенные один за другим в порядке возрастания атомных весов, образуют ряд, в ко­тором химические свойства элементов через определённое количество элементов периодически повторяются.

Д. И. Менделеев расположил химические элементы в своей таблице так, что элементы, помещённые в одних и тех же вертикальных столбцах, обладают сходными хими­ческими свойствами. Зная место элемента в таблице, мож­но определить большинство химических свойств элемента и его соединений. Каждый химический элемент в таблице Менделеева имеет порядковый номер. Его теперь называют числом Менделеева. Этот номер указывает число протонов в ядре. В одни и те же вертикаль­ные столбцы таблицы попадают атомы с одинаковым числом электронов во внешней оболочке.

В зависимости от числа электронов во внешней оболоч­ке меняются химические и физические свойства элемента.

Атомы одного и того же элемента, отличающиеся друг от друга лишь числом нейтронов в ядре, называются изо­топами. «Изотоп» - греческое слово. Оно обозначает «занимающий одно и то же место». Изотопы каждого эле­мента располагаются в одной и той же клетке таблицы Менделеева, поскольку заряд ядра (количество прогонов) у изотопов одного и того же элемента одинаков. Металлы в отличие от жидких и газообразных тел в обычных усло­виях являются кристаллическими телами. Кристалл - это правильная фигура, ограниченная пло­скими поверхностями.

Внутреннее строение кристаллов в настоящее время изучено довольно хорошо с помощью рентгеновских лу­чей. Освещая ими кристаллы, получают рентгенограмму, т. е. картину на фотопластинке, по которой определяют расположение атомов в кристаллической решётке и рас­стояния между ними. Рентгенограммы показали, что ионы металлов «укладываются» в кристалле примерно так же, как располагаются в ящике твёрдые шары.

Атомы разных металлов образуют неодинаковые кри­сталлические решётки. Чаще всего встречаются три типа решёток.

Первый тип - кубическая объёмноцентрированная ре­шётка (рис. 1). Атомы металла в такой решётке нахо­дятся в вершинах и центре куба. Каждый атом окружён

Восемью атомами. Такую решётку имеют металлы вана­дий, вольфрам, молибден, литий, хром и другие.

Второй тип решётки - кубическая гранецентрирован - иая (рис. 2). Атомы металла в ней расположены по вер­шинам граней куба. Такой решёткой обладают, напри­мер, алюминий, свинец, золото, серебро, никель, торий.

Третий тип - гексагональная (шестиугольная) плотно упакованная решётка (рис. 3). Она встречается у цинка, магния, кадмия, бериллия.

На рис. 1-3 атомы условно изображены в виде ша­риков. В зависимости от типа решётки атомы занимают в ней больше или меньше места. Например, в кубической объёмноцентрированной решётке атомы занимают 68% пространства, а в кубической гранецентрированной-74%.

Расположение атомов в кристаллической решётке ока­зывает большое влияние на свойства металла.

У некоторых металлов кристаллическая решётка может перестраиваться из одного типа в другой. Например, чис­тое железо при температурах ниже 910° имеет кубическую
объёмноцентрированную решётку, а выше 910° решётка становится гранецентрированной. Свойством изменять кри­сталлическую решётку обладают и такие металлы, как олово, уран, титан, таллий, цирконий, лантан, церий.

Свойство веществ образовывать решётки разной фор­мы называют аллотропией; в переводе с греческого

Языка это слово означает «другой поворот», «другое свой­ство». Общеизвестна аллотропия у кристаллического углерода. Он может находиться в виде графита и в виде алмаза. Графит и алмаз построены из атомов углерода; отличие их только в строении кристаллической решётки. А какая огромная разница в свойствах! Графит - мягкий,

Непрозрачный минерал чёрного цвега, алмаз, напротив, прозрачен, бесцветен и твёрд.

Атомы в кристаллической решётке металлов располо­жены столь близко друг к другу, что их внешние элект­роны имеют возможность двигаться не только вокруг одного атома, а вокруг многих атомов. Следовательно, внешние электроны, распределяющиеся в металле равно­мерно, свободно перемещаются по всему куску металла, образуя своеобразный электронный газ.

Таким образом, любой металл представляет собой решётку из правильно располо­женных положительных ионов, заполнен­ную электронным газом. Высокая прочность ме­таллов и объясняется наличием электронного газа, кото­рый обволакивает все ионы, превращая металлический кристалл как бы в одно целое.

Ионы, находящиеся в определённых местах (узлах) кри­сталлической решётки, могут совершать, однако, движе­ние - колебание. В ненагретом металле колебания ионов замедлены, в нагретом - ионы испытывают сильное коле­бание. Чем выше температура, тем сильнее раскачи­ваются ионы. Наконец, наступает момент, когда силы взаимодействия уже не могут удержать ионы в узлах кристаллической решетки и она разрушается; металл из твёрдого состояния переходит в жидкое. Это и есть тем­пература плавления.

Если два расплавленных металла тщательно переме­шать, то после затвердевания получится сплав этих ме­таллов. Сплавы получаются и при сплавлении металла с неметаллом, например железа с углеродом, алюминия с кремнием и т. д. Свойства полученного сплава зависят не только от того, какие элементы входят в сплав, но и от внутреннего строения, или, как говорят, структуры сплава. Сплав является тоже кристаллическим телом.

Строение сплавов может быть различно. Составные части сплава могут образовать либо механическую смесь, либо твёрдый раствор, либо химиче­ское соединение. Но есть сплавы, в которых име­ются одновременно и механические смеси, и твёрдые рас­творы, и химические соединения.

Механическая смесь получается в том случае, когда составные части не взаимодействуют химически, а нахо­дятся в сплаве в виде самостоятельных мелких кристал­

Ликов. Их можно наблюдать при рассматривании отпо­лированной поверхности в микроскоп. Механические смеси образуются, например, при сплавлении свинца с сурьмой, висмута с кадмием и др.

Каждый знает раствор сахара или поваренной соли в иоде. Растворяя сахар или поваренную соль в воде, можно получить однородное вещество - жидкий раствор. В ста­кане воды можно растворить различное количество сахара

Оказывается, что подобные однородные системы переменного состава образуются и в твёрдых телах. Их называют твёрдыми растворами. В них атомы растворённого вещества и раство­рителя «рассеяны», перемешаны между собой. В кристаллической решётке вещества, являющегося растворителем, некоторые его атомы замещаются атомами растворённого вещества (рис. 4). Такие растворы называются твёр­дыми растворами замеще­ния. Их образуют при сплавле­нии, например, металлы медь и никель, железо и хром, зо­лото и медь, серебро и золото, медь и платина и др.

Замещение одних атомов другими в кристаллической решётке происходит в том случае, если атомы растворяе­мого металла близки по своим размерам атомам раство* рителя. Если разница в размерах атомов превышает 15%, твёрдый раствор замещения образоваться не может.

При очень большой разнице в размерах атомов обра­зуются твёрдые растворы внедрения. Они чаще всего получаются тогда, когда металл растворяет в себе неметаллические элементы, атомы которых значительно меньше атомов металла. Самым распространённым спла­вом, построенным по типу твёрдых растворов внедрения, является сплав железа с углеродом; этот сплав назы­вается сталью. При образовании твёрдого раствора внедрения атомы внедряющегося элемента располагаются
в промежутках кристаллической решётки между атомами растворителя. Кристаллическая решётка твёрдого рас­твора внедрения показана на рис. 5.

А много ли можно растворить одного металла в дру­гом? Неограниченная растворимость присуща далеко не всем металлам. В меди, например, может раствориться сколько угодно никеля, точно так же и в никеле можно растворить любое количество меди. Растворителем счи­тают тот металл, которого больше в сплаве по весу.

Многие металлы обладают ограниченной раст­воримостью. Например, в алюминии можно раство­рить не более 5,5% меди по весу. При большем количе­стве медь находится в спла­ве в виде отдельных нераст - ворённых частиц. Чем выше температура твёрдого раст­вора, тем больше меди мож­но растворить в алюминии (но не более 5,5%).При ох­лаждении этого сплава медь выделяется в виде мельчай­ших, очень твёрдых и хруп­ких частиц.

Какова природа этих ча­стиц? Оказывается - это не чистая медь, а её х и м и ч е - ское соединение с алюминием. Избыток меди в сплаве взаимодействует с алюминием химически. Кристаллики любого химического соединения в сплаве имеют вполне определённый состав. Так, например, при образовании химических соединений: железа с углеродом, называемого карбидом железа, три атома железа химически связаны с одним атомом углерода; алюминия с медью-два атома алюминия сое­динены с одним атомом меди. Для образования карбидов вольфрама или ванадия нужно, чтобы соотношение ато­мов этих металлов и атомов углерода было равно 1: 1, а в карбиде хрома 23 атома хрома взаимодействуют с ше­стью атомами углерода.

Кристаллические решётки химических соединений очень сложны. При сильном разогревании сплава кри­сталлы химических соединений могут растворяться в твёр-

Дом растворе сплава, а при снижении температуры нагре­вания образовываться вновь.

Сплавы, применяемые в технике, имеют сложный хи­мический состав. Высокопрочные стали, например, имеют в своем составе до десятка различных химических эле­ментов. Чем сложнее состав и строение сплава, тем раз­нообразнее его свойства.

Редкие металлы, вводимые в состав сталей и сплавов, улучшают их качество, коренным образом изменяют пер­воначальные свойства сплавов, так как они часто обра­зуют кристаллы химических соединений, упрочняющих твёрдый раствор.

Металлурги пользуются редкими металлами для того, чтобы выплавленные стали и сплавы были более прочны, более твёрды, обладали нужной пластичностью, упруго­стью, жароупорностью, химической" стойкостью и т. д. О том, какие это свойства и как они изменяются при до­бавке редких металлов, будет рассказано ниже.

← Вернуться