Строение металлов 4.33 /5 (86.67%) проголосовало 3

Строение металлов

Металлы под микроскопом

Все металлы состоят из огромного количества кристаллических зерен, которые соединяются между собой. Такое зернистое кристаллическое строение вещества можно увидеть, применяя специальные микроскопы, получившие название металлографических. Они отличаются от обычных тем, что здесь применяется боковое освещение металла, потому что металлы непрозрачны и их невозможно освещать снизу. В таких микроскопах источник света располагается так, чтобы часть лучей отражалась от поверхности металлов и попадала в объектив.

Рис. 1. Металломикроскоп.

Справа сверху — лучи света, отраженные от поверхности шлифа, идут в объектив микроскопа. Справа внизу — поверхность чистого железа, видимая с помощью металломикроскопа.

На рисунке 1 представлен один из таких микроскопов. Прежде чем рассматривать в нем образец, поверхность металла тщательно очищают наждачной бумагой, шлифуют и полируют до зеркального блеска. Такой образец называют шлифом. Затем поверхность шлифа подвергают так называемому травлению, для чего он смачивается в течение 2-3 мин раствором, чаще всего содержащим азотную кислоту и этиловый спирт. Применяют и другие растворы для травления шлифов. Делают это вот для чего: различные зерна сплава неодинаково растворяются кислотой, вследствие чего на поверхности металла выступают отдельные грани кристаллов, и когда протравленную часть шлифа освещают, то часть зерен отражает падающий на них свет прямо на объектив. Эти места под микроскопом кажутся светлыми. Другие зерна отражают свет в сторону, поэтому кажутся темными. Другой оттенок и даже окраску приобретают под микроскопом места сцепления отдельных кристаллических зерен, так называемые межкристаллитные участки (рис. 2).

Рис. 2. Шлифованная пластинка под микроскопом (травление стали 2-процентным спиртовым раствором азотной кислоты).

Применение металломикроскопа дало возможность установить, какое строение имеют металлы, как расположены в сплаве отдельные зерна, какие неметаллические включения содержат сплавы, отражение трещин на поверхности сплавов и т. д. На рисунке 3 приведена микрофотография чугуна, где ясно видны отдельные включения графита.

/>

Рис. 3. Графит в чугуне (темные включения):

а-крупнопластинчатый графит в обычном сером чугуне; б-мелкопластинчатый графит в модифицированном сером чугуне (модификация 0.15%); в-шаровидные графитовые включения в чугуне, модифицированном магнием (×100).

Металломикроскоп в настоящее время является одним из приборов любой лаборатории, где изучают свойства различных металлов и сплавов.

Кристаллическая решетка металлов

С кристаллами вы уже знакомы. Так, например, изучая поваренную соль, вы знаете, что она состоит из 8 отдельных кристаллов кубической формы. Само слово «кристалл» происходит от греческого слова «кристаллос», означающее «лед». В будущем так стали называть все твердые тела, которые имеют определенную геометрическую форму. В природе подавляющее большинство твердых тел находится в кристаллическом состоянии. Железо как одно из твердых тел при застывании также образует кристаллы. Кристалл железа имеет кубическую решетку. Однако, рассматривая под микроскопом поверхность металла, мы не увидим этой правильной кубической формы кристаллов. Неправильная форма кристаллов возникает потому, что в расплаве при его затвердевании возникает много мельчайших зародышей, которые образуют более крупные кристаллы. Эти крупные кристаллы, сталкиваясь, начинают теснить, сдавливать друг друга. Следовательно, в затвердевающем слитке металла одновременно находится огромное количество кристаллов. Нарушению их формы способствует не только то, что они теснят друг друга, но также неодинаковая температура в различных местах остывания. Отдельные кристаллические зерна в застывшем металле имеют различную форму и величину. Они отделены друг от друга прослойкой, которая состоит из различных неметаллических включений. Эти неметаллические включения всегда присутствуют в том или другом количестве в металле.

Строение металлов

На рисунке 4 представлена схема образования зернистой структуры металла при его застывании.

Рис. 4. Схема роста кристаллов в застывающем расплаве:

а-образуются зародыши; б-растут кристаллы; в-кристаллы начинают теснить друг друга; г-отдельные зерна сращиваются.

Вещества, входящие в состав стали, имеют различную температуру плавления, а, следовательно, и затвердевания. Например, чистое железо становится твердым уже при температуре 1539° С, а в соединении с серой или другими элементами температура затвердевания более низкая. Поэтому слой металла, затвердевающий в первую очередь, состоит из наиболее тугоплавких элементов, например, железа и углерода. Такие примеси, как сера и фосфор, дают более легкоплавкие сплавы и затвердевают в последнюю очередь. Сера и фосфор - вредные примеси потому что их присутствие значительно уменьшает прочность сплава, делает его хрупким и малопригодным для изделий.

При затвердевании сплава более легкоплавкие соединения железа с серой и фосфором концентрируются в верхней части слитка и застывают в последнюю очередь, поэтому сплав железа с фосфором и серой собирается в верхней части слитка.

В кристаллах атомы каждого металла распределяются в строго определенном порядке. Они образуют так называемую пространственную решетку, которую нельзя увидеть ни в один из существующих микроскопов. Однако с помощью рентгеновских установок и других современных приборов можно изучить расположение атомов в кристаллической решетке.

Типы кристаллических решеток металлов

Среди металлов чаще всего встречаются три типа решеток, к первым из них относятся кубические объемноцентрированные. Они характерны тем, что атомы в них находятся в вершинах и центре куба например у лития, хрома, ванадия и других металлов (рис. 5,а).

Рис.5. Типы кристаллических решеток металла:

а-кубическая объемноцентрированная;

б-кубическая гранецентрированная;

в-гексагональная (плотная упаковка).

Ко второму типу относят решетку кубическую гранецентрированную (рис. 5,6), атомы в (которой расположены в вершинах куба и его гранях (например, у алюминия, меди, свинца, никеля, золота, серебра и платины).

Третий тип - это гексагональные, или шестиугольные, плотно упакованные решетки (рис.5,в). Они встречаются у магния, цинка, кадмия и бериллия.

Как видно из схемы, приведенной на рисунке 6, наиболее плотные упаковки атомов имеют гранецентрированные и гексагональные решетки.

Рис.6. Схема строения металла.

В узлах решетки положительно заряженные ионы. В промежутка находятся свободные электроны.

Интересно отметить, что некоторые металлы, в частности железо, цинк и никель, могут существовать в нескольких кристаллических формах, переходя из одной в другую. Этот переход совершается при различных температурах. Такие видоизменения, когда одно и то вещество может находиться в различных кристаллических формах, называются аллотропическими, а сами вещества аллотропными. Название «аллотропия» происходит от греческих слов «аллос»-другой, «тропос»-свойство.

Углерод может встречаться в природе в виде графита и алмаза, причем, как вы помните, графит является мягким веществом, оставляющим след на бумаге, в то время как алмаз один из наиболее твердых природных веществ. Температуры плавления алмаза и графита различны.

Известно аллотропическое видоизменение серы (ромбическая и призматическая). Ромбическая сера образуется при температуре ниже 96° С, выше этой температуры она переходит в призматическую. В зависимости от изменения кристаллического строения изменяются и свойства вещества.

Такие же аллотропические изменения наблюдают и у железа. Оно имеет решетку центрированного куба то температуры 910° С, а в интервале температур 910-1390° С совершается переход в гранецентрированную.

Аллотропические превращения металла легко наблюдать на примере олова. Обычное серебристо-белое олово имеет сложную кристаллическую решетку, которая устойчива при температуре выше 18° С, при более низкой температуре атомы олова в кристаллах начинают перестраиваться. Упаковка их (атомов) становится менее прочной, блестящее олово теряет блеск, ковкость и превращается в хрупкое серое олово, имеющее другую кристаллическую решетку.

Это явление было давно замечено и получило название «оловянной чумы», так как оловянные изделия - тарелки из олова, кубки, органы в церкви - иногда вдруг начинали разрушаться. «Оловянная чума» была большим бедствием. Как бороться с ней, не знали, потому что не знали причины ее происхождения. Сейчас нам ясно, что если нагревать изделие из олова, «заболевшее оловянной чумой», то кристаллы серого олова будут перестраиваться в кристаллы белого олова, и оно вновь приобретает ковкость и белый цвет.

Строение металлов

На схемах кристаллов (рис. 5) условно в кристаллической решетке проведены линии, соединяющие один атом металла с другим. В действительности никаких линий, соединяющих атомы, в узлах решетки нет. Они уложены плотно, соприкасаясь друг с другом. В узлах решетки находятся положительно заряженные ионы, окруженные электронами. Валентные электроны атомов металлов так же, как и сами атомы, находятся в беспрерывном колебании. Но внешне электроны (валентные) могут легче покинуть свой атом и перейти к соседнему. Следовательно, в кристаллической решетке имеются так называемые свободные электроны, или свободный электронный «газ», присущий всему комплексу атомов. Таким образом, возникает взаимодействие электронов внешних оболочек атомов металла. Благодаря этому внешнему взаимодействию электронов создается связь между атомами металла, возникают силы сцепления, прочно удерживающие атомы металла в кристаллической решетке (рис. 6). Ионы атомов металлов в кристаллической решетке, окруженные подвижными (незакрепленными) электронами, получили название ион-атомов, в отличие от обычных ионов.

То, что мы говорили о кристаллической решетке металлов, относится к чистым металлам, но мы знаем, что в практике применяют преимущественно сплавы.

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.

У веществ в твердом состоянии строение кристаллическое или аморфное. В кристаллическом веществе атомы расположены по геометрически правильной схеме и на определенном расстоянии друг от друга, в аморфном же (стекле, канифоли) атомы расположены беспорядочно.

У всех металлов и их сплавов строение кристаллическое. На рис.12 показана структура чистого железа. Кристаллические зерна неопределенной формы не похожи на типичные кристаллы - многогранники, поэтому их называюткристаллитами, зернами или гранулами . Однако строение кристаллитов столь же закономерно, как и у развитых кристаллов.

Рис.12 . Микроструктура чистого железа (х - 150)

Виды кристаллических решеток . При затвердевании атомы металлов образуют геометрически правильные системы, называемыекристаллическими решетками . Порядок расположения атомов в решетке может быть различным. Многие важнейшие металлы образуют решетки, простейшие (элементарные) ячейки которых представляют форму центрированного куба ( - и - железо, хром, молибден, вольфрам, ванадий, марганец), куба с центрированными гранями ( - железо, алюминий, медь, никель, свинец) или гексагональную, как у шестигранной призмы, ячейку (магний, цинк, - титан, - кобальт).

Элементарная ячейка повторяется непрерывно в трех измерениях, образуя кристаллическую решетку, поэтому положение атомов в элементарной ячейке определяет структуру всего кристалла.

Элементарная ячейка центрированного куба (рис.13 ) состоит из девяти атомов, из которых восемь расположены по вершинам куба, а девятый - в его центре.

Рис.13. Элементарная ячейкаРис.14. Часть пространственной решет-

центрированного куба ки центрированного куба

Для характеристики кристаллической решетки (атомной структуры кристалла) применяют пространственную решетку , которая является геометрической схемой кристаллической решетки и состоит из точек (узлов), закономерно расположенных в пространств.

Рис.15. Элементарная ячейка кубаРис.16. Часть пространственной ре-

с центрированными гранями шетки куба с центрированными

На рис. 14 приведена часть пространственной решетки центрированного куба. Здесь взяты восемь смежных элементарных ячеек; узлы, расположенные по вершинам и в центре каждой ячейки, отмечены кружками. Элементарная ячейка куба с центрированными гранями (рис.15 ) состоит из 14 атомов, из них 8 атомов расположены по вершинам - куба и 6 атомов - по граням.

На рис.16 приведена часть пространственной решетки куба с центрированными гранями (гранецентрированного куба). На схеме имеется восемь элементарных ячеек; узлы расположены по вершинам и по центрам граней каждой ячейки. Гексагональная ячейка (рис.17 ) состоит из 17 атомов, из них 12 атомов расположены по вершинам шестигранной призмы, 2 атома - в центре оснований и 3 атома - внутри призмы. Для измерения расстояния между атомами кристаллических решеток пользуются специальной единицей, называемойангстремом см.

Рис.17. Гексагональная ячейка

Параметр решеток (сторона или шестигранника) у меди 3,6 А, а у алюминия 4,05 А, у цинка 2,67 А и т. д.

Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и нескольких слоев (оболочек) отрицательно заряженных и движущихся вокруг ядра электронов. Электроны внешних оболочек атомов металлов, называемые валентными , легко отщепляются, быстро движутся между ядрами и называютсясвободными . Вследствие наличия свободных электронов атомы металлов являются положительно заряженными ионами.

Таким образом, в узлах решеток, обозначенных кружками рис.14 и16 , находятся положительно заряженные ионы. Ионы, однако, не находятся в покое, а непрерывно колеблются положения равновесия. С повышением температуры амплитуда колебаний увеличивается, что вызывает расширение кристаллов, а при температуре плавления колебания частиц усиливаются настолько, что кристаллическая решетка разрушается.

Во всех кристаллах наблюдаются небольшие отклонения от идеальной решетки - незанятые узлы и различного рода смещения атомов.

Анизотропность и спайность кристаллов . В отдельных кристаллах свойства различны в разных направлениях. Если взять большой кристалл (существуют лабораторные и даже производственные методы выращивания крупных кристаллов) вырезать из него несколько одинаковых по размеру, но различно ориентированных образцов, и испытать их свойства, то иногда наблюдается весьма значительная разница в свойствах между отдельными образцами. Например, при испытании образцов, вырезанных из кристалла меди, относительное удлинение изменялось в пределах от 10 - 50 %, а предел прочности-от 14 до 35 кГ/мм 2 для различных образцов. Это свойство кристаллов называютанизотропностью . Анизотропность кристаллов объясняется особенностями расположения атомов в пространстве.

Следствием анизотропности кристаллов является спайность , которая выявляется при разрушении. В местах излома кристаллов можно наблюдать правильные плоскости, указывающие на смещение частиц под влиянием внешних сил не беспорядочное, а правильными рядами, в определенном направлении, соответственно расположению частиц в кристалле. Эти плоскости называютсяплоскостями спайности .

Аморфные тела изотропны, т. е. все их свойства одинаковы во всех направлениях. Излом аморфного тела всегда имеет неправильную искривленную, так называемую, раковистую поверхность.

Металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят не из одного кристалла, а из множества отдельных кристаллитов, различно ориентированных друг к другу, поэтому свойства литого металла приблизительно одинаковы во всех направлениях; это явление называют квазиизотропностью (кажущейся изотропностью).

Аллотропия металлов (или полиморфизм) - их свойство перестраивать решетку при определенных температурах в процессе нагревания или охлаждения. Аллотропию обнаруживают все элементы, меняющие валентность при изменении температуры: например, железо, марганец, никель, олово и др. Каждое аллотропическое превращение происходит при определенной температуре. Например, одно из превращений железа происходит при температуре 910°С, ниже которой атомы составляют решетку центрированного куба (см.рис.14 ), а выше - решетку гранецентрированного куба (см.рис.16 ).

Та или иная структура называется аллотропической формой или модификацией. Различные модификации обозначают греческими буквами  ,  ,  и т. д., причем буквой обозначают модификацию, существующую при температурах ниже первого аллотропического превращения. Аллотропические превращения сопровождаются отдачей (уменьшением) или поглощением (увеличением) энергии.

Кристаллизация металлов . Кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах (и сплавах) при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация ). Перекристаллизацию из одной модификации в другую при остывании эатвердевшего металла называют (вторичной кристаллизацией ). Процесс кристаллизации металла легче всего проследить с помощью счетчика времени и термоэлектрического пирометра, который представляет собой милливольтметр, подключенный к термопаре. Термопару (две разнородные проволоки спаянные концами) погружают в расплавленный металл. Возникающий при этом термоток пропорционален температуре металла и стрелка милливольтметра отклоняется, указывая эту температуру по градуированной шкале.

Показания пирометра автоматически записываются во времени и по полученным данным строят кривые охлаждения в координатах «температура - время» (такие кривые вычерчивает самописец).

Температура, соответствующая какому-либо превращению в металле, называется критической точкой .

На рис.18, а приведена кривая нагрева металла. Здесь точка а - начало плавления, точкаb - окончание плавления.

Рис.18. Кривые нагревания (а ) и охлаждения (б - без петли,

в - с петлей) металла

Участок а b указывает на неизменность температуры во времени при продолжающемся нагревании. Это показывает, что тепловая энергия затрачивается на внутреннее превращение в металле, в данном случае. на превращение твердого металла в жидкий (скрытая теплота плавления).

Переход из жидкого состояния в твердое при охлаждении сопровождается образованием кристаллической решетки, т. е. кристаллизацией. Чтобы вызвать кристаллизацию, жидкий металл нужно переохладить несколько ниже температуры плавления. Поэтому площадка на кривой охлаждения (рис.19,6 ) находится несколько нижеt пл при температуре переохлажденияt пр .

У некоторых металлов переохлаждение (t пл - t пр ) может оказаться весьма значительным (например, у сурьмы до 40°С) и при температуре переохлажденияt пр (рис. 18 , в ) сразу бурно начинается кристаллизация, в результате чего температура скачком повышается почти доt пл . В этом случае на графике вычерчивается петля теплового гистерезиса.

При затвердевании и при аллотропическом превращении в металле вначале возникают зародыши кристалла (центры кристаллизации), вокруг которых группируются атомы, образуя соответствующую кристаллическую решетку.

Таким образом, процесс кристаллизации складывается из двух этапов: образования центров кристаллизации и роста кристаллов.

У каждого из возникающих кристаллов кристаллографические плоскости ориентированы случайно, кроме того, при первичной кристаллизации кристаллы могут поворачиваться, так как они окружены жидкостью. Смежные кристаллы растут навстречу друг другу и точки их соприкосновения определяют границы кристаллитов (зерен).

Кристаллизация железа . Рассмотрим в качестве примера кристаллизацию и критические точки железа.

Рис.19 . Кривые охлаждения и нагревания железа

На рис.19 приведены кривые охлаждения и нагревания чистого железа, которое плавится при температуре 1539 0 С. Наличие критических точек при меньших температурах указывает на аллотропические превращения в твердом железе.

Критические точки обозначаются буквой А , при нагревании обозначаютА c и при охлажденииAr индексы 2, 3, 4 служат для отличия аллотропических превращений (индекс 1 обозначает превращение на диаграмме состоянияFe - Fe 3 C .

При температурах ниже 768 0 С железо магнитно и имеет кристаллическую решетку центрированного куба. Эту модификацию называют -железо ; при нагревании она в точкеАс 2 переходит в немагнитную модификацию -железо . Кристаллическая структура при этом не меняется.

В точке Ас 3 при температуре 910 0 С -железо переходит в -железо с кристаллической решеткой гранецентрированного куба.

В точке Ас 4 при температуре 1401 0 С -железо переходит в -железо , причем кристаллическая решетка вновь перестраивается из гранецентрированного куба в центрированный куб.

При охлаждении происходят те же переходы, только в обратной последовательности.

Из перечисленных превращений наибольшее практическое значение имеют превращения А 3 как при нагреве (Ас 3 ), так и при охлаждении (А r 3 ).

Превращение в точке А 3 сопровождается изменением объема, так как плотность кристаллической решетки -железа больше плотности решетки -железа , в точкеАс 3 объем уменьшается, в точкеAr 3 - увеличивается.

Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жидком состоянии. Компоненты, из которых состоят сплавы, в твердом состоянии могут по-разному взаимодействовать друг с другом, образуя механические смеси, твердые растворы и химические соединения.

Механическая смесь двух компонентов образуется тогда, когда они в твердом состоянии не растворяются друг в друге и не вступают в химическое взаимодействие. Сплавы – механические смеси (например, свинец–сурьма, олово–цинк) неоднородны по своей структуре и представляют смесь кристаллов данных компонентов. При этом кристаллы каждого компонента в сплаве полностью сохраняют свои индивидуальные свойства. Вот почему свойства таких сплавов (например, электросопротивление, твердость и др.) определяются как среднее арифметическое от величины свойств обоих компонентов.

Сплавы – твердые растворы характеризуются образованием общей пространственной кристаллической решетки атомами основного металла-растворителя и атомами растворимого элемента. Структура таких сплавов состоит из однородных кристаллических зерен, подобно чистому металлу. Существуют твердые растворы замещения (медноникелевые, железохромистые и др. сплавы) и твердые растворы внедрения (например, раствор железа и углерода) (рис. 5).

Сплавы - твердые растворы являются самыми распространенными. Их свойства отличаются от свойств составляющих компонентов. Так, например, твердость и электросопротивление у твердых растворов значительно выше, чем у чистых компонентов. Благодаря высокой пластичности они хорошо поддаются ковке и другим видам обработки давлением. Обрабатываемость резанием у твердых растворов низкие.

Химические соединения, подобно твердым растворам, являются однородными сплавами. Важной особенностью их является то, что при затвердевании образуется совершенно новая кристаллическая решетка, отличная от решеток составляющих сплав компонентов. Поэтому свойства химического соединения самостоятельны и не зависят от свойств компонентов. Химические соединения образуются при строго определенном количественном соотношении сплавляемых компонентов. Состав сплава химического соединения выражается химической формулой. Эти сплавы обладают обычно высоким электросопротивлением, большой твердостью, малой пластичностью. Так, химическое соединение железа с углеродом – цементит (Fe 3 C) тверже чистого железа в 10 раз.

Кристаллизация сплавов

Сплавы имеют более сложную структуру, чем простые металлы. В связи с этим процессы кристаллизации сплавов протекают значительно сложнее, чем металлов.

Сплавы в отличие от чистых металлов при затвердевании или плавлении имеют не одну, а две критические точки – температуры, при которых в металлах или сплавах происходят какие-либо превращения (рис. 6).

Для облегчения изучения сплавов их объединяют в системы.

К системам относятся все те сплавы, которые состоят из одних и тех же компонентов и отличающиеся друг от друга лишь количественным соотношением этих компонентов, т. е. концентрацией. Так, например, к системе сплавов свинец–сурьма относятся все сплавы, состоящие из свинца и сурьмы и отличающиеся друг от друга лишь количественным составом этих компонентов.

Количество сплавов одной системы, но разной концентрации настолько велико, что изучать по кривым охлаждения или нагревания все превращения, происходящие в каждом из них, практически невозможно, да и нерационально. Для изучения состояния сплавов выбранной системы в зависимости от температуры и концентрации строят диаграмму состояния.

Оглавление книги Следующая страница>>

§ 2. Строение металлов и сплавов и методы его изучения

Кристаллическое строение металлов . Изучением внутреннего строения и свойств металлов и сплавов занимается наука, называемая металловедением.

Все металлы и сплавы построены из атомов, у которых внешние электроны слабо связаны с ядром. Электроны заряжены отрицательно и если создать незначительную разность потенциалов, то электроны направятся к положительному полюсу, образуя электрический ток. Этим и объясняется электропроводность металлических веществ.

Все металлы и сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. В отличие от некристаллических (аморфных) тел, у металлов атомы (ионы) расположены в строго геометрическом порядке, образуя пространственную кристаллическую решетку. Взаимное расположение атомов в пространстве и расстояния между ними устанавливаются рентгеноструктурным анализом. Расстояние между узлами в кристаллической решетке называется параметром решетки и измеряется в ангстремах Å (10 -8 см). Параметры решетки различных металлов колеблются от 2,8 до 6 Å (рис. 23).

Рис. 23. Элементарные кристаллические ячейки :

а — кубическая объемноцентрированная; б — кубическая гранецентрированная; в —гексагональная

Для наглядного представления о расположении атомов в кристалле используют пространственные схемы в виде элементарных кристаллических ячеек. Наиболее распространенными типами кристаллических решеток являются кубическая объемноцентрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная.

В кубической объемноцентрированной решетке расположено девять атомов. Такую решетку имеют хром, вольфрам, молибден, ванадий и железо при температуре до 910° С.

В кубической гранецентрированной решетке расположено 14 атомов. Такую решетку имеют: медь, свинец, алюминий, золото, никель и железо при температуре 910—1400° С.

В гексагональной плотноупакованной решетке расположено 17 атомов. Такую решетку имеют: магний, цинк, кадмий и другие металлы.

Взаимное расположение атомов в пространстве, количество атомов в решетке и междуатомные пространства характеризуют свойства металла (электропроводность, теплопроводность, плавкость, пластичность и т. д.).

Расстояние между атомами в кристаллической решетке может быть различным по разным направлениям. Поэтому и свойства кристалла по разным направлениям не одинаковы. Такое явление называется анизотропией. Все металлы — тела кристаллические, поэтому они являются телами анизотропными. Тела, у которых свойства во всех направлениях одинаковые, называются изотропными.

Кусок металла, состоящий из множества кристаллов, обладает в среднем свойствами, одинаковыми во всех направлениях, поэтому он называется квазиизотропным (мнимая изотропность).

Анизотропность имеет большое практическое значение. Например, путем ковки, штамповки, прокатки в деталях получают правильную ориентацию кристаллов, в результате чего вдоль и поперек детали достигаются различные механические свойства. С помощью холодной прокатки добиваются высоких магнитных и электрических свойств в определенном направлении детали.