Metallerin yapısı 4,33 /5 (%86,67) 3 oy
Metallerin yapısı
Mikroskop altında metaller
Tüm metaller birbirine bağlı çok sayıda kristal tanecikten oluşur. Maddenin bu granüler kristal yapısı, metalografik adı verilen özel mikroskoplar kullanılarak görülebilir. Metallerin opak olması ve alttan aydınlatılamaması nedeniyle metalin yan aydınlatmasını kullanmaları bakımından sıradan olanlardan farklıdırlar. Bu tür mikroskoplarda ışık kaynağı, ışınların bir kısmı metallerin yüzeyinden yansıyarak merceğe girecek şekilde konumlandırılır.
Pirinç. 1. Metal mikroskobu.
Sağ üstte - cilalı bölümün yüzeyinden yansıyan ışık ışınları mikroskop merceğine giriyor. Sağ altta metal mikroskobuyla görülebilen saf demirin yüzeyi yer alıyor.
Şekil 1 bu mikroskoplardan birini göstermektedir. İçinde bir numuneyi incelemeden önce metal yüzey zımpara kağıdı ile iyice temizlenir, taşlanır ve ayna görünümüne kadar parlatılır. Böyle bir numuneye ince kesit denir. Daha sonra bölümün yüzeyi, çoğunlukla nitrik asit ve etil alkol içeren bir çözelti ile 2-3 dakika ıslatıldığı aşındırma işlemine tabi tutulur. İnce kesitlerin aşındırılması için başka çözümler de kullanılır. Bunu yapmalarının nedeni budur: alaşımın farklı taneleri asit tarafından farklı şekilde çözülür, bunun sonucunda bireysel kristal yüzleri metalin yüzeyinde çıkıntı yapar ve kesitin kazınmış kısmı aydınlatıldığında bazı taneler yansıtır. üzerlerine düşen ışık doğrudan merceğe düşer. Bu alanlar mikroskop altında parlak görünür. Diğer taneler ışığı yanlara yansıttıkları için karanlık görünürler. Mikroskop altında, kristaller arası alanlar olarak adlandırılan tek tek kristal taneciklerin yapışma yerleri, mikroskop altında farklı bir renk ve hatta renk kazanır (Şekil 2).
Pirinç. 2. Mikroskop altında cilalanmış bir plaka (çeliğin %2 alkol nitrik asit çözeltisi ile aşındırılması).
Metal mikroskobunun kullanılması, metallerin hangi yapıya sahip olduğunu, alaşımda tek tek taneciklerin nasıl bulunduğunu, alaşımların hangi metalik olmayan kalıntıları içerdiğini, çatlakların alaşımların yüzeyine yansımasını vb. belirlemeyi mümkün kılmıştır. Şekil 3 ayrı ayrı grafit kalıntılarının açıkça görülebildiği bir dökme demir mikrografını gösterir.
/>
Pirinç. 3. Dökme demirdeki grafit (koyu kalıntılar):
sıradan gri dökme demirden a-büyük katmanlı grafit; modifiye gri dökme demirden b-ince plaka grafit (modifikasyon %0,15); Magnezyumla modifiye edilmiş dökme demirdeki β-küresel grafit kalıntıları (x100).
Metal mikroskobu şu anda çeşitli metallerin ve alaşımların özelliklerinin incelendiği herhangi bir laboratuvardaki araçlardan biridir.
Metallerin kristal kafesi
Kristallere zaten aşinasınız. Örneğin sofra tuzunu incelerken onun 8 ayrı kübik kristalden oluştuğunu bilirsiniz. "Kristal" kelimesi Yunanca "buz" anlamına gelen "krystallos" kelimesinden gelir. Gelecekte belli bir geometrik şekle sahip olan tüm katı cisimlere bu denilmeye başlandı. Doğada katıların büyük çoğunluğu kristal halindedir. Katılardan biri olan demir de katılaştığında kristaller oluşturur. Demir kristalinin kübik bir kafesi vardır. Ancak metal yüzeyini mikroskop altında incelediğimizde kristallerin bu düzenli kübik şeklini göremeyeceğiz. Kristallerin düzensiz şekli, eriyik katılaştığında daha büyük kristaller oluşturan çok sayıda küçük çekirdeğin ortaya çıkması nedeniyle oluşur. Bu büyük kristaller çarpışarak kalabalıklaşmaya ve birbirlerini sıkıştırmaya başlar. Sonuç olarak, katılaşan bir metal külçesinde aynı anda çok sayıda kristal bulunur. Şekillerinin bozulması, yalnızca birbirlerine kalabalık olmaları nedeniyle değil, aynı zamanda farklı soğutma alanlarındaki eşit olmayan sıcaklık nedeniyle de kolaylaştırılmaktadır. Katılaşmış metaldeki bireysel kristal taneler farklı şekil ve boyutlara sahiptir. Çeşitli metalik olmayan kalıntılardan oluşan bir katmanla birbirlerinden ayrılırlar. Bu metalik olmayan kalıntılar metalde her zaman şu veya bu miktarda mevcuttur.
Metallerin yapısı
Şekil 4, katılaşması sırasında metalin granüler yapısının oluşumunun bir diyagramını göstermektedir.
Pirinç. 4. Katılaşan bir eriyikte kristal büyüme şeması:
a-embriyolar oluşur; b-kristalleri büyür; β-kristalleri birbirini doldurmaya başlar; d-bireysel taneler birlikte büyür.
Çeliği oluşturan maddelerin erime noktaları ve dolayısıyla katılaşma noktaları farklıdır. Örneğin, saf demir zaten 1539 ° C sıcaklıkta katılaşır ve kükürt veya diğer elementlerle kombinasyon halinde katılaşma sıcaklığı daha düşüktür. Bu nedenle ilk katılaşan metal tabakası demir ve karbon gibi en refrakter elementlerden oluşur. Kükürt ve fosfor gibi yabancı maddeler daha kolay eriyen alaşımlar üretir ve en son katılaşanlardır. Kükürt ve fosfor zararlı yabancı maddelerdir çünkü bunların varlığı alaşımın gücünü önemli ölçüde azaltır, bu da onu kırılgan ve ürünler için uygunsuz hale getirir.
Alaşım katılaştığında, demirin kükürt ve fosfor ile daha eriyebilir bileşikleri külçenin üst kısmında yoğunlaşır ve en son katılaşır, böylece demirin fosfor ve kükürt ile alaşımı külçenin üst kısmında toplanır.
Kristallerde her metalin atomları kesin olarak tanımlanmış bir sıraya göre dağıtılır. Mevcut mikroskopların hiçbirinde görülemeyen, uzaysal kafes adı verilen bir yapı oluştururlar. Ancak X-ışını makineleri ve diğer modern aletlerin yardımıyla kristal kafesteki atomların dizilişini incelemek mümkündür.
Metal kristal kafes çeşitleri
Metaller arasında en sık üç tip kafes bulunur; Birinci Bunlardan bazıları kübik gövde merkezlidir. İçlerindeki atomların küpün köşelerinde ve merkezinde, örneğin lityum, krom, vanadyum ve diğer metallerde bulunmasıyla karakterize edilirler (Şekil 5a).
Şekil 5. Metal kristal kafes çeşitleri:
a-kübik gövde merkezli;
b-kübik yüzey merkezli;
b-altıgen (yoğun paketleme).
Şti. ikinci tip yüz merkezli kübik kafese aittir (Şekil 5.6), içindeki atomlar (küpün ve yüzlerinin köşelerinde bulunurlar (örneğin, alüminyum, bakır, kurşun, nikel, altın, gümüş ve platinde).
Üçüncü tip- bunlar altıgen veya altıgen, yoğun şekilde paketlenmiş kafeslerdir (Şekil 5, c). Magnezyum, çinko, kadmiyum ve berilyumda bulunurlar.
Şekil 6'da gösterilen şemadan görülebileceği gibi, en yoğun atom kümeleri yüzey merkezli ve altıgen kafeslere sahiptir.
Şekil 6. Metal yapı diyagramı.
Kafes bölgelerinde pozitif yüklü iyonlar vardır. Boşlukta serbest elektronlar var.
Bazı metallerin, özellikle demir, çinko ve nikelin, birinden diğerine değişen çeşitli kristal formlarda bulunabileceğini belirtmek ilginçtir. Bu geçiş farklı sıcaklıklarda meydana gelir. Aynı maddenin farklı kristal formlarda olabildiği bu tür değişikliklere allotropik denir ve maddelerin kendileri de allotropiktir. "Allotropi" adı, Yunanca "allos" - başka bir "tropos" - özelliği kelimesinden gelir.
Karbon doğada grafit ve elmas şeklinde bulunabiliyor ve hatırlayacağınız gibi grafit kağıt üzerinde iz bırakan yumuşak bir madde iken elmas en sert doğal maddelerden biridir. Elmas ve grafitin erime noktaları farklıdır.
Sülfürün allotropik modifikasyonu bilinmektedir (ortorombik ve prizmatik). Ortorombik kükürt 96°C'nin altındaki sıcaklıklarda oluşur; bu sıcaklığın üzerinde prizmatik hale gelir. Kristal yapıdaki değişime bağlı olarak maddenin özellikleri de değişir.
Aynı allotropik değişiklikler demirde de gözlenir. 910°C sıcaklıkta ortalanmış bir küp şeklinde bir kafese sahiptir ve 910-1390°C sıcaklık aralığında yüz merkezliye geçiş meydana gelir.
Bir metalin allotropik dönüşümleri kalay örneği kullanılarak kolaylıkla gözlemlenebilir. Sıradan gümüş-beyaz kalay, 18 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda stabil olan karmaşık bir kristal kafeye sahiptir; daha düşük sıcaklıklarda, kristallerdeki kalay atomları yeniden düzenlenmeye başlar. (Atomlarının) paketlenmesi daha az güçlü hale gelir, parlak kalay parlaklığını, işlenebilirliğini kaybeder ve farklı bir kristal kafese sahip kırılgan gri kalay haline gelir.
Bu fenomen uzun zaman önce fark edildi ve "kalay vebası" olarak adlandırıldı, çünkü teneke ürünler - teneke tabaklar, kadehler, kiliselerdeki organlar - bazen aniden çökmeye başladı. "Teneke Veba" büyük bir felaketti. Bununla nasıl başa çıkacaklarını bilmiyorlardı çünkü kökeninin sebebini bilmiyorlardı. Artık bizim için açık ki, "kalay vebasından hasta" bir kalay ürününü ısıtırsak, o zaman gri kalay kristalleri beyaz kalay kristallerine dönüşecek ve yeniden işlenebilirlik ve beyaz renk kazanacaktır.
Metallerin yapısı
Kristal diyagramlarında (Şekil 5), bir metal atomunu diğerine bağlayan kristal kafeste geleneksel olarak çizgiler çizilir. Gerçekte kafes bölgelerinde atomları birbirine bağlayan çizgiler yoktur. Sıkıca paketlenirler, birbirlerine dokunurlar. Kafes bölgeleri elektronlarla çevrili pozitif yüklü iyonlar içerir. Metal atomlarının değerlik elektronları, atomların kendileri gibi sürekli titreşim halindedir. Ancak dışarıdan bakıldığında elektronlar (değerlik) atomlarını daha kolay terk edip komşu atoma geçebilirler. Sonuç olarak, kristal kafeste, tüm atom kompleksinin doğasında bulunan serbest elektronlar veya serbest elektron "gazı" adı verilen şey vardır. Böylece metal atomlarının dış kabuklarındaki elektronların etkileşimi meydana gelir. Elektronların bu dış etkileşimi sayesinde metal atomları arasında bir bağ oluşturulur, metal atomlarını kristal kafes içinde sıkıca tutan yapışma kuvvetleri ortaya çıkar (Şekil 6). Hareketli (gevşek) elektronlarla çevrelenmiş bir kristal kafes içindeki metal atomlarının iyonlarına, sıradan iyonların aksine atom iyonları denir.
Metallerin kristal kafesi hakkında söylediklerimiz saf metaller için de geçerlidir ancak pratikte ağırlıklı olarak alaşımların kullanıldığını biliyoruz.
Çevremizdeki tüm cisimler gibi etaller de atom adı verilen, en güçlü mikroskoplarda bile görülemeyen ayrı parçacıklardan oluşur. Ancak atomlar da daha küçük parçacıklardan oluşur: protonlar, elektronlar ve nötronlar. Protonların ve elektronların elektrik yükleri vardır: Protonun pozitif yükü vardır ve elektronun negatif yükü vardır, nötronun ise elektrik yükü yoktur.
İki proton birbirine yakınsa aynı elektrikle yüklendiklerinden birbirlerini iterler. İki elektron aynı şekilde davranır. Aksine, bir proton ve bir elektron birbirine çekilir ve proton ve elektronun karşılıklı çekim kuvvetleri birbirine eşittir, yani proton, elektronun yüküne eşit bir temel elektrik yüküne sahiptir.
Normal durumunda, yani aynı sayıda proton ve elektron içerdiğinde bir atomun elektrik yükü yoktur. Ancak bir atomun elektron kazandığı veya kaybettiği durumlar vardır. Atom daha sonra elektrik yüklü hale gelir. Elektron fazlalığı olduğunda atom negatif elektrikle, elektron eksikliği olduğunda ise pozitif elektrikle yüklenir. Elektron fazlalığı veya eksikliği olan bu atomlara iyon denir.
Temel parçacıklar atomda nasıl bulunur?
Şu anda atomun aşağıdaki gibi yapılandırıldığına inanılıyor. Protonlar ve nötronlar atomun merkezinde bulunan çekirdeği oluşturur. Elektronlar çekirdeğin etrafında dolaşarak atomun elektron kabuğunu oluşturur. Her atomda elektron sayısı proton sayısına eşittir.
Elektron kabuğundaki elektronlar katmanlar halinde düzenlenmiştir. Her katman yalnızca belirli sayıda elektronu tutabilir. Çekirdeğin kendisini çevreleyen ilk katman yalnızca iki elektronu barındırabilir, ikinci katman - 8 ve üçüncüsü - 8 ila 18 elektron. Bir atomdan diğerine geçiş sırasında her yeni elektron katmanı, genellikle çekirdeğe en yakın iç katmanın doldurulmasından sonra oluşur.
Örneğin, sodyum atomunun çekirdeğinin 11 protona sahip olduğu ve 11 elektronunun üç kabukta dağıldığı bulunmuştur: ilkinde - 2, ikincisinde - 8 ve üçüncüsünde -
1 elektron. Rubidyum atomunun çekirdeği 37 proton içerir ve beş kabukta bulunan 37 elektronla çevrilidir: ilkinde - 2, ikincisinde - 8, üçüncüsünde - 18, dördüncüsünde - 8, beşincisinde - 1 elektron. Uranyum atomu daha da karmaşık bir yapıya sahiptir. Çekirdeği 92 proton içerir ve elektron kabuğunda 92 elektron bulunur.
Proton ve nötronun ağırlığı neredeyse aynıdır ve elektron, protondan neredeyse 1840 kat daha hafiftir. Bu, atomun büyük kısmının çekirdeğinde bulunduğu anlamına gelir. Bir çekirdek ne kadar çok nötron ve proton içeriyorsa atomun ağırlığı da o kadar fazla olur.
Bir atomun ağırlığını örneğin gram cinsinden ifade etmek çok sakıncalıdır: virgülden sonra onlarca sıfır yazmak gerekir. Bu nedenle atomların bağıl ağırlığı, atom ağırlığı kavramı tanıtıldı. İlk başta hidrojenin atom ağırlığı bir olarak alındı; Diğer tüm elementlerin atom ağırlıkları onunla karşılaştırıldı.
Büyük Rus kimyager D.I. Mendeleev tarafından, keşfettiği periyodik yasaya dayanarak 1869'da uyumlu bir kimyasal element sistemi oluşturuldu.
Mendeleev yasasının özü, artan atom ağırlıklarına göre birbiri ardına düzenlenen tüm kimyasal elementlerin, elementlerin kimyasal özelliklerinin belirli sayıda element aracılığıyla periyodik olarak tekrarlandığı bir dizi oluşturmasıdır.
D.I. Mendeleev, tablosundaki kimyasal elementleri, aynı dikey sütunlara yerleştirilen elementlerin benzer kimyasal özelliklere sahip olacağı şekilde düzenledi. Bir elementin tablodaki yerini bilerek, elementin ve bileşiklerinin kimyasal özelliklerinin çoğu belirlenebilir. Periyodik tablodaki her kimyasal elementin bir seri numarası vardır. Artık buna Mendeleev sayısı deniyor. Bu sayı çekirdekteki proton sayısını gösterir. Tablonun aynı dikey sütunları, dış kabukta aynı sayıda elektrona sahip atomları içerir.
Dış kabuktaki elektron sayısına bağlı olarak elementin kimyasal ve fiziksel özellikleri değişir.
Aynı elementin yalnızca çekirdekteki nötron sayısı bakımından farklılık gösteren atomlarına izotoplar denir. "İzotop" Yunanca bir kelimedir. "Aynı yeri işgal etmek" anlamına gelir. Her elementin izotopları periyodik tablonun aynı hücresinde bulunur, çünkü nükleer yük (çalışma sayısı) aynı elementin izotopları için aynıdır. Metaller, sıvı ve gaz halindeki cisimlerin aksine normal koşullar altında kristal cisimlerdir. Bir kristal, düz yüzeylerle sınırlanmış düzenli bir figürdür.
Kristallerin iç yapısı artık X-ışınları kullanılarak oldukça iyi bir şekilde incelenmiştir. Kristalleri bunlarla aydınlatarak, bir x-ışını kırınım modeli, yani kristal kafes içindeki atomların konumunun ve aralarındaki mesafelerin belirlendiği bir fotoğraf plakası üzerindeki bir resim elde ederler. X-ışını kırınım desenleri, metal iyonlarının kristal içinde, katı topların bir kutuda istiflenmesiyle hemen hemen aynı şekilde "paketlendiğini" gösterdi.
Farklı metallerin atomları farklı kristal kafesler oluşturur. Çoğu zaman üç tip ızgara vardır.
İlk tip kübik gövde merkezli bir kafestir (Şekil 1). Böyle bir kafesteki metal atomları küpün köşelerinde ve merkezinde bulunur. Her atom kuşatılmıştır
Sekiz atom. Vanadyum, tungsten, molibden, lityum, krom ve diğerleri metalleri böyle bir kafese sahiptir.
İkinci tip kafes yüz merkezli kübiktir (Şekil 2). İçindeki metal atomları küp yüzlerinin köşelerinde bulunur. Örneğin alüminyum, kurşun, altın, gümüş, nikel ve toryumda böyle bir kafes bulunur.
Üçüncü tip, altıgen (altıgen) yoğun şekilde paketlenmiş bir kafestir (Şekil 3). Çinko, magnezyum, kadmiyum ve berilyumda bulunur.
Şek. 1-3 atom geleneksel olarak toplar halinde gösterilir. Kafesin türüne bağlı olarak atomlar kafeste daha fazla veya daha az yer kaplar. Örneğin kübik cisim merkezli kafeste atomlar alanın %68'ini, kübik yüz merkezli kafeste ise %74'ünü kaplar.
Kristal kafesteki atomların düzeni metalin özellikleri üzerinde büyük etkiye sahiptir.
Bazı metaller için kristal kafes bir türden diğerine yeniden düzenlenebilir. Örneğin, 910°'nin altındaki sıcaklıklardaki saf demirin kübik özelliği vardır.
vücut merkezli kafes ve 910°'nin üzerinde kafes yüz merkezli hale gelir. Kalay, uranyum, titanyum, talyum, zirkonyum, lantan ve seryum gibi metaller de kristal kafesi değiştirme özelliğine sahiptir.
Maddelerin farklı şekillerde kafesler oluşturma özelliğine allotropi denir; Yunancadan tercüme edildi
Bu kelime dilde “başka bir bükülme”, “başka bir özellik” anlamına gelir. Kristalin karbonun allotropisi iyi bilinmektedir. Grafit şeklinde olabileceği gibi elmas şeklinde de olabilir. Grafit ve elmas karbon atomlarından oluşur; Aralarındaki tek fark kristal kafesin yapısındadır. Ve özelliklerde ne kadar büyük bir fark var! Grafit yumuşaktır,
Siyah renkte opak bir mineral olan elmas ise tam tersine şeffaf, renksiz ve serttir.
Metallerin kristal kafesindeki atomlar birbirine o kadar yakın yerleştirilmiştir ki, dış elektronları yalnızca bir atomun etrafında değil, birçok atomun etrafında hareket edebilir. Sonuç olarak, metal içinde eşit olarak dağılmış olan dış elektronlar, tüm metal parçası boyunca serbestçe hareket ederek bir tür elektron gazı oluşturur.
Dolayısıyla herhangi bir metal, elektron gazıyla dolu, düzenli olarak yerleştirilmiş pozitif iyonlardan oluşan bir kafestir. Metallerin yüksek mukavemeti, tüm iyonları saran ve metal kristalini bir bütün haline getiren elektron gazının varlığıyla açıklanmaktadır.
Bununla birlikte, kristal kafesin belirli yerlerinde (düğümlerinde) bulunan iyonlar hareket edebilir - salınabilir. Isıtılmamış bir metalde iyonların titreşimleri yavaşlar; ısıtılmış bir metalde iyonlar güçlü titreşimlere maruz kalır. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa iyonlar da o kadar fazla salınır. Sonunda, etkileşim kuvvetlerinin iyonları kristal kafesin düğüm noktalarında artık tutamadığı ve çöktüğü bir an gelir; metalin katı durumdan sıvı duruma geçmesi. Bu erime noktasıdır.
İki erimiş metal iyice karıştırılırsa, katılaşmadan sonra bu metallerin bir alaşımı elde edilecektir. Alaşımlar aynı zamanda bir metalin metal olmayan bir maddeyle, örneğin demirin karbonla, alüminyumun silikonla vb. alaşımlanmasıyla da elde edilir. Ortaya çıkan alaşımın özellikleri yalnızca alaşıma hangi elementlerin dahil edildiğine değil, aynı zamanda iç yapıya da bağlıdır. yapı veya dedikleri gibi alaşımın yapısı . Bir alaşım aynı zamanda kristal bir gövdedir.
Alaşımların yapısı farklı olabilir. Alaşımı oluşturan parçalar mekanik bir karışım, katı bir çözelti veya kimyasal bir bileşik oluşturabilir. Ancak hem mekanik karışımları, hem katı çözeltileri hem de kimyasal bileşikleri içeren alaşımlar vardır.
Bileşen parçaları kimyasal olarak etkileşime girmediğinde, ancak alaşımda bağımsız küçük kristaller formunda mevcut olduğunda mekanik bir karışım elde edilir.
Likov. Cilalı bir yüzeye mikroskopla bakıldığında gözlemlenebilirler. Mekanik karışımlar, örneğin kurşunun antimonla, bizmutun kadmiyumla vb. alaşımlanmasıyla oluşturulur.
Herkes iyot içinde şeker veya sofra tuzu çözeltisini bilir. Şekeri veya sofra tuzunu suda çözerek homojen bir madde - sıvı bir çözelti elde edebilirsiniz. Farklı miktarlarda şekeri bir bardak suda çözebilirsiniz.
Katılarda da değişken bileşime sahip benzer homojen sistemlerin oluştuğu ortaya çıktı. Bunlara katı çözümler denir. İçlerinde çözünen maddenin ve çözücünün atomları “dağılmış” ve birbirine karışmıştır. Çözücü olan bir maddenin kristal kafesinde, bazı atomlarının yerini çözünen maddenin atomları alır (Şekil 4). Bu tür çözümlere ikame katı çözümler denir. Bunlar, örneğin bakır ve nikel, demir ve krom, altın ve bakır, gümüş ve altın, bakır ve platin vb. metallerin füzyonu ile oluşturulurlar.
Kristal kafeste bazı atomların diğerleriyle değiştirilmesi, çözünmüş metalin atomlarının boyutunun çözücünün atomlarına yakın olması durumunda meydana gelir. Atom boyutlarındaki fark %15'i aşarsa ikame katı çözelti oluşamaz.
Atom boyutlarındaki fark çok büyük olduğunda arayer katı çözeltileri oluşur. Çoğu zaman, bir metal, atomları metal atomlarından çok daha küçük olan metalik olmayan elementleri çözdüğünde elde edilirler. Ara katı çözeltilerin türüne göre yapılan en yaygın alaşım, demir ve karbon alaşımıdır; bu alaşıma çelik denir. Bir arayer katı çözeltisinin oluşumu sırasında, arayer elemanının atomları bulunur
çözücü atomları arasındaki kristal kafesin boşluklarında. Arayer katı çözeltisinin kristal kafesi Şekil 2'de gösterilmektedir. 5.
Bir metalin çoğunu diğerinde çözmek mümkün mü? Sınırsız çözünürlük tüm metallerin doğasında yoktur. Örneğin bakırda herhangi bir miktarda nikel çözülebilir; aynı şekilde herhangi bir miktarda bakır da nikel içinde çözülebilir. Çözücünün, alaşımda ağırlıkça daha fazla bulunan metal olduğu kabul edilir.
Birçok metalin çözünürlüğü sınırlıdır. Örneğin alüminyumda ağırlıkça %5,5'ten fazla bakır çözünemez. Daha büyük miktarda bakır, alaşımda çözünmemiş ayrı parçacıklar halinde bulunur. Katı çözeltinin sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, alüminyumda o kadar fazla bakır çözülebilir (ancak %5,5'ten fazla olmamalıdır). Bu alaşım soğutulduğunda bakır küçük, çok sert ve kırılgan parçacıklar halinde açığa çıkar.
Bu parçacıkların doğası nedir? Bunun saf bakır olmadığı, alüminyumla kimyasal bileşiği olduğu ortaya çıktı. Alaşımdaki fazla bakır alüminyumla kimyasal olarak reaksiyona girer. Bir alaşımdaki herhangi bir kimyasal bileşiğin kristalleri çok özel bir bileşime sahiptir. Yani, örneğin, kimyasal bileşiklerin oluşumunda: demir karbür adı verilen karbonlu demir, üç demir atomu kimyasal olarak bir karbon atomuna bağlanır; bakırlı alüminyum - iki alüminyum atomu bir bakır atomuna bağlanır. Tungsten veya vanadyum karbürlerin oluşturulması için bu metallerin atomlarının ve karbon atomlarının oranı 1: 1 olmalıdır ve krom karbürde 23 krom atomu altı karbon atomu ile etkileşime girer.
Kimyasal bileşiklerin kristal kafesleri çok karmaşıktır. Alaşım güçlü bir şekilde ısıtıldığında, kimyasal bileşiklerin kristalleri katı içinde çözülebilir.
Ev alaşımın bir çözeltisidir ve ısıtma sıcaklığı düştüğünde tekrar oluşur.
Teknolojide kullanılan alaşımlar karmaşık bir kimyasal bileşime sahiptir. Örneğin yüksek mukavemetli çelikler bir düzineye kadar farklı kimyasal element içerir. Alaşımın bileşimi ve yapısı ne kadar karmaşık olursa özellikleri de o kadar çeşitli olur.
Çeliklerin ve alaşımların bileşimine katılan nadir metaller, genellikle katı çözeltiyi güçlendiren kimyasal bileşik kristalleri oluşturdukları için kalitelerini artırır ve alaşımların başlangıç özelliklerini kökten değiştirir.
Metalurji uzmanları, eritilmiş çeliklerin ve alaşımların daha güçlü, daha sert olması, gerekli sünekliğe, esnekliğe, ısı direncine, kimyasal dirence vb. sahip olması için nadir metaller kullanır. Bu özelliklerin neler olduğu ve nadir metaller eklenirken nasıl değiştikleri aşağıda tartışılacaktır.
Katı haldeki maddeler kristal veya amorf bir yapıya sahiptir. Kristalin bir maddede atomlar geometrik olarak düzenli bir düzende ve birbirlerinden belirli bir mesafede düzenlenirken, amorf bir maddede (cam, reçine) atomlar rastgele düzenlenir.
Tüm metaller ve bunların alaşımları kristal yapıya sahiptir. Açık Şekil 12 Saf demirin yapısı gösterilmiştir. Belirsiz şekle sahip kristal taneleri tipik kristallere benzemez - çokyüzlüler, bu yüzden onlara denir kristalitler, taneler veya granüller. Ancak kristalitlerin yapısı gelişmiş kristaller kadar düzenlidir.
Şekil 12. Saf demirin mikro yapısı (x - 150)
Kristal kafes türleri . Katılaşırken metal atomları geometrik olarak düzenli sistemler oluşturur. kristal kafesler. Kafesteki atomların düzenlenme sırası farklı olabilir. En önemli metallerin çoğu, en basit (temel) hücreleri ortalanmış bir küp şeklinde olan kafesler oluşturur ( - Ve - demir, krom, molibden, tungsten, vanadyum, manganez), kenarları ortalanmış küp ( - demir, alüminyum, bakır, nikel, kurşun) veya altıgen prizma gibi altıgen bir hücre (magnezyum, çinko, - titanyum, - kobalt).
Birim hücre Bir kristal kafes oluşturmak için üç boyutta sürekli olarak tekrarlanır, böylece birim hücredeki atomların konumu tüm kristalin yapısını belirler.
Merkezi bir küpün birim hücresi ( Şekil 13) sekizi küpün köşelerinde ve dokuzuncusu merkezinde olmak üzere dokuz atomdan oluşur.
Şekil 13. Birim hücre Şekil 14. Uzaysal kafesin bir parçası
merkezli küp ki merkezli küp
Kristal kafesi karakterize etmek (bir kristalin atomik yapısı) uzaysal kafes Bir kristal kafesin geometrik diyagramı olan ve uzaylarda düzenli olarak bulunan noktalardan (düğümlerden) oluşan.
Şekil 15. Bir küpün birim hücresi Şekil 16. Mekansal yeniden düzenlemenin bir parçası
ortalanmış küp ızgara yüzleri ve ortalanmış
Açık pirinç.14 Ortalanmış bir küpün uzaysal kafesinin bir kısmı gösterilmektedir. Burada sekiz bitişik birim hücre alınmıştır; köşelerde ve her hücrenin merkezinde bulunan düğümler dairelerle işaretlenmiştir. Yüzleri ortalanmış bir küpün birim hücresi ( Şekil 15) 8 atomu küpün köşelerinde ve 6 atomu yüzleri boyunca olmak üzere 14 atomdan oluşur.
Açık Şekil 16 Ortalanmış yüzleri olan (yüz merkezli küp) bir küpün uzamsal kafesinin bir kısmı gösterilmektedir. Diyagramda sekiz birim hücre vardır; düğümler köşelerde ve her hücrenin yüzlerinin merkezlerinde bulunur. Altıgen hücre ( Şekil 17) 12 atomu altıgen prizmanın köşelerinde, 2 atomu bazların merkezinde ve 3 atomu prizmanın içinde olmak üzere 17 atomdan oluşur. Kristal kafeslerin atomları arasındaki mesafeyi ölçmek için özel bir birim kullanılır. kızgınlık
santimetre.
Şekil 17. Altıgen hücre
Bakır için ızgaraların (yan veya altıgen) parametresi 3,6 A, alüminyum için 4,05 A, çinko için 2,67 A vb.'dir.
Her atom, pozitif yüklü bir çekirdekten ve çekirdeğin etrafında hareket eden negatif yüklü elektronların birkaç katmanından (kabuklarından) oluşur. Metal atomlarının dış kabuklarındaki elektronlara denir. değerlik kolayca bölünürler, çekirdekler arasında hızla hareket ederler ve özgür. Serbest elektronların varlığından dolayı metal atomları pozitif yüklü iyonlardır.
Böylece dairelerle gösterilen kafes düğümlerinde Şekil 14 Ve 16 pozitif yüklü iyonlar vardır. Ancak iyonlar hareketsiz değildir, denge konumları sürekli olarak dalgalanır. Artan sıcaklıkla birlikte titreşimlerin genliği artar, bu da kristallerin genişlemesine neden olur ve erime sıcaklığında parçacıkların titreşimleri kristal kafesi tahrip edecek kadar yoğunlaşır.
Tüm kristallerde ideal kafesten küçük sapmalar gözlenir - boş alanlar ve çeşitli atomik yer değiştirme türleri.
Anizotropi ve kristallerin bölünmesi . Bireysel kristallerde özellikler farklı yönlerde farklıdır. Büyük bir kristal alırsanız (büyük kristalleri büyütmek için laboratuvar ve hatta endüstriyel yöntemler vardır), aynı boyutta ancak farklı yönlendirilmiş birkaç numuneyi keserseniz ve özelliklerini test ederseniz, bazen bireyler arasında özelliklerde çok önemli bir fark gözlenir. örnekler. Örneğin, bir bakır kristalinden kesilen numuneleri test ederken, farklı numuneler için bağıl uzama %10 ila %50 arasında değişiyordu ve gerilme mukavemeti 14 ila 35 kg/mm2 arasında değişiyordu. Kristallerin bu özelliğine denir anizotropi. Kristallerin anizotropisi, atomların uzaydaki düzeninin özellikleriyle açıklanmaktadır.
Kristallerin anizotropisinin bir sonucu bölünme yıkım üzerine ortaya çıkan. Kristallerin kırıldığı yerlerde, parçacıkların dış kuvvetlerin etkisi altında rastgele değil, düzenli sıralar halinde, parçacıkların kristal içindeki konumuna karşılık gelen belirli bir yönde yer değiştirdiğini gösteren düzenli düzlemler gözlemlenebilir. Bu uçaklara denir bölünme düzlemleri.
Amorf cisimler izotropiktir, yani tüm özellikleri her yönde aynıdır. Amorf bir cismin kırılması her zaman düzensiz kavisli, konkoidal yüzey olarak adlandırılan bir yüzeye sahiptir.
Sıradan koşullar altında katılaşan metaller tek bir kristalden değil, birbirine farklı şekilde yönlendirilmiş birçok ayrı kristalitten oluşur, bu nedenle dökme metalin özellikleri tüm yönlerde yaklaşık olarak aynıdır; bu fenomene denir yarı izotropi(görünür izotropi).
Metallerin allotropisi (veya polimorfizm) - ısıtma veya soğutma sırasında kafesi belirli sıcaklıklarda yeniden düzenleme özellikleri. Allotropi, sıcaklıktaki değişikliklerle değerliği değişen tüm elementlerde bulunur: örneğin demir, manganez, nikel, kalay vb. Her allotropik dönüşüm belirli bir sıcaklıkta gerçekleşir. Örneğin, demirin dönüşümlerinden biri 910°C sıcaklıkta meydana gelir; bu sıcaklığın altında atomlar ortalanmış bir küpün kafesini oluşturur (bkz. Şekil 14) ve üstü - yüz merkezli bir küpün kafesi (bkz. Şekil 16).
Şu veya bu yapıya allotropik form veya modifikasyon denir. Çeşitli değişiklikler Yunan harfleriyle belirtilmiştir , , vb. mektupla birinci allotropik dönüşümün altındaki sıcaklıklarda var olan bir modifikasyonu belirtir. Allotropik dönüşümlere enerjinin serbest bırakılması (azalması) veya emilmesi (artması) eşlik eder.
Metallerin kristalizasyonu . Kristalleşme, sıvıdan katı duruma geçiş sırasında metallerde (ve alaşımlarda) kristallerin oluşmasıdır ( birincil kristalizasyon). Sertleşmiş bir metalin soğutulması sırasında bir modifikasyondan diğerine yeniden kristalleşmesine ( ikincil kristalleşme). Metal kristalizasyon süreci, bir zaman sayacı ve bir termokupl'a bağlı bir milivoltmetre olan bir termoelektrik pirometre kullanılarak en kolay şekilde izlenir. Bir termokupl (uçlarında lehimlenmiş iki farklı tel) erimiş metale daldırılır. Ortaya çıkan termal akım, metalin sıcaklığıyla orantılıdır ve milivoltmetre iğnesi saparak bu sıcaklığı dereceli bir ölçekte gösterir.
Pirometre okumaları zaman içinde otomatik olarak kaydedilir ve elde edilen verilere göre "sıcaklık - zaman" koordinatlarında soğuma eğrileri çizilir (bu tür eğriler bir kayıt cihazı tarafından çizilir).
Metaldeki herhangi bir dönüşüme karşılık gelen sıcaklığa denir. kritik nokta.
Açık Şekil 18, a Metal ısıtma eğrisi gösterilmiştir. İşte asıl nokta A- erimenin başlangıcı, nokta B- erimenin sonu.
Şekil 18. Isıtma eğrileri ( A) ve soğutma ( B- döngü olmadan,
V- bir halka ile) metalden
Komplo ABısıtmaya devam edildiğinde sıcaklığın zaman içinde sabit kaldığını gösterir. Bu durum, bu durumda metalin iç dönüşümünde termal enerjinin harcandığını göstermektedir. katı bir metalin sıvıya dönüştürülmesi (gizli füzyon ısısı).
Soğuduktan sonra sıvıdan katı duruma geçişe bir kristal kafesin oluşumu, yani kristalleşme eşlik eder. Kristalleşmenin gerçekleşmesi için sıvı metalin aşırı soğutma erime noktasının biraz altındadır. Bu nedenle soğuma eğrisi üzerindeki alan ( Şekil 19.6) biraz daha aşağıda bulunur T lütfen aşırı soğutma sıcaklığında T halkla ilişkiler .
Bazı metaller aşırı soğumaya sahiptir ( T lütfen - T halkla ilişkiler), aşırı soğutma sıcaklıklarında bile oldukça önemli olabilir (örneğin, 40°C'ye kadar antimon için) T halkla ilişkiler (pirinç.18 , V) kristalleşme hemen hızlı bir şekilde başlar, bunun sonucunda sıcaklık aniden neredeyse T lütfen. Bu durumda grafik üzerinde bir termal histerezis döngüsü çizilir.
Metaldeki katılaşma ve allotropik dönüşüm sırasında, ilk önce atomların gruplandırıldığı kristal çekirdekler (kristalleşme merkezleri) ortaya çıkar ve karşılık gelen kristal kafesi oluşturur.
Böylece kristalizasyon süreci iki aşamadan oluşur: kristalizasyon merkezlerinin oluşumu ve kristal büyümesi.
Ortaya çıkan kristallerin her biri için kristalografik düzlemler rastgele yönlendirilmiştir; ayrıca birincil kristalizasyon sırasında kristaller sıvıyla çevrelendikleri için dönebilirler. Bitişik kristaller birbirine doğru büyür ve temas noktaları kristalitlerin (taneciklerin) sınırlarını belirler.
Demirin kristalleşmesi. Örnek olarak demirin kristalleşmesini ve kritik noktalarını ele alalım.
Şekil 19. Demir soğutma ve ısıtma eğrileri
Açık Şekil 19 1539 0 C sıcaklıkta eriyen saf demirin soğuma ve ısınma eğrileri gösterilmiştir. Daha düşük sıcaklıklarda kritik noktaların varlığı, katı demirde allotropik dönüşümleri gösterir.
Kritik noktalar harfle gösterilir A, ısıtıldıklarında şunu belirtirler: AC ve soğutma sırasında Ar 2, 3, 4 indeksleri allotropik dönüşümleri ayırt etmeye yarar (indeks 1, faz diyagramındaki bir dönüşümü gösterir) Fe-Fe 3 C.
768 0 C'nin altındaki sıcaklıklarda demir manyetiktir ve ortalanmış bir küp kristal kafesine sahiptir. Bu değişiklik denir -ütü; ısıtıldığında bir noktadadır As 2 manyetik olmayan bir değişikliğe gider -ütü. Kristal yapısı değişmez.
bu noktada As 3 910 0 C sıcaklıkta -ütü içeri girer -ütü yüz merkezli bir küpün kristal kafesi ile.
bu noktada As 4 1401 0 C sıcaklıkta -ütü içeri girer -ütü ve kristal kafes yine yüz merkezli bir küpten merkezli bir küp olarak yeniden düzenlenir.
Soğuma sırasında aynı geçişler yalnızca ters sırada meydana gelir.
Listelenen dönüşümlerden dönüşümler en büyük pratik öneme sahiptir A 3 ısıtıldığında olduğu gibi ( As 3 ) ve soğutma sırasında ( AR 3 ).
Gelinen noktada dönüşüm A 3 kristal kafesin yoğunluğu nedeniyle hacimde bir değişiklik eşlik eder -bez daha fazla kafes yoğunluğu -bez, noktada As 3 ses o noktada azalır Ar 3 - artar.
Çoğu alaşım, bileşenlerin sıvı halde eritilmesiyle üretilir. Katı haldeki alaşımları oluşturan bileşenler birbirleriyle farklı şekillerde etkileşime girerek mekanik karışımlar, katı çözeltiler ve kimyasal bileşikler oluşturabilir.
İki bileşenin mekanik bir karışımı, katı halde birbirleri içinde çözünmedikleri ve kimyasal etkileşime girmedikleri zaman oluşur. Alaşımlar, yapı olarak heterojen olan ve bu bileşenlerin kristallerinin bir karışımını temsil eden mekanik karışımlardır (örneğin kurşun-antimon, kalay-çinko). Bu durumda alaşımdaki her bileşenin kristalleri kendi bireysel özelliklerini tamamen korur. Bu nedenle bu tür alaşımların özellikleri (örneğin elektrik direnci, sertlik vb.) her iki bileşenin özelliklerinin aritmetik ortalaması olarak belirlenir.
Alaşımlar - katı çözeltiler, baz metal çözücünün atomları ve çözünür elementin atomları tarafından ortak bir uzaysal kristal kafesin oluşturulmasıyla karakterize edilir. Bu tür alaşımların yapısı saf metal gibi homojen kristal tanelerden oluşur. İkame katı çözeltiler (bakır-nikel, demir-krom ve diğer alaşımlar) ve ara katı çözeltiler (örneğin bir demir ve karbon çözeltisi) vardır (Şekil 5).
Alaşımlar - katı çözümler en yaygın olanlardır. Özellikleri, kurucu bileşenlerin özelliklerinden farklıdır. Örneğin katı çözeltilerin sertliği ve elektriksel direnci saf bileşenlere göre çok daha yüksektir. Yüksek sünekliklerinden dolayı dövme ve diğer şekillendirme türlerine uygundurlar. Katı çözeltilerin işlenebilirliği düşüktür.
Katı çözeltiler gibi kimyasal bileşikler de homojen alaşımlardır. Bunların önemli bir özelliği, katılaşmanın ardından alaşımı oluşturan bileşenlerin kafeslerinden farklı olarak tamamen yeni bir kristal kafesin oluşmasıdır. Bu nedenle kimyasal bir bileşiğin özellikleri bağımsızdır ve bileşenlerin özelliklerine bağlı değildir. Kimyasal bileşikler, kaynaşmış bileşenlerin kesin olarak tanımlanmış niceliksel oranında oluşturulur. Bir kimyasal bileşiğin alaşım bileşimi kimyasal formülüyle ifade edilir. Bu alaşımlar genellikle yüksek elektrik direncine, yüksek sertliğe ve düşük sünekliğe sahiptir. Böylece demir ve karbon sementitin (Fe 3 C) kimyasal bileşiği saf demirden 10 kat daha serttir.
Alaşımların kristalizasyonu
Alaşımlar basit metallere göre daha karmaşık bir yapıya sahiptir. Bu bakımdan alaşımların kristalleşme süreçleri metallere göre çok daha karmaşıktır.
Alaşımlar, saf metallerden farklı olarak, katılaşırken veya erirken bir değil iki kritik noktaya sahiptir; sıcaklıklar, 
metallerde veya alaşımlarda herhangi bir dönüşümün meydana geldiği (Şekil 6).
Alaşımların incelenmesini kolaylaştırmak için sistemler halinde birleştirilirler.
Sistemler, aynı bileşenlerden oluşan ve yalnızca bu bileşenlerin niceliksel oranında, yani konsantrasyonda birbirinden farklı olan tüm alaşımları içerir. Örneğin kurşun-antimon alaşımı sistemi, kurşun ve antimondan oluşan ve yalnızca bu bileşenlerin niceliksel bileşimi bakımından birbirinden farklı olan tüm alaşımları içerir.
Aynı sistemin, ancak farklı konsantrasyonlardaki alaşımlarının sayısı o kadar fazladır ki, her birinde meydana gelen tüm dönüşümleri soğutma veya ısıtma eğrilerini kullanarak incelemek pratik olarak imkansızdır ve hatta mantıksızdır. Seçilen sistemin alaşımlarının durumunu incelemek için sıcaklığa ve konsantrasyona bağlı olarak bir durum diyagramı oluşturulur.
Kitabın içindekiler tablosu Sonraki sayfa>>§ 2. Metallerin ve alaşımların yapısı ve onu inceleme yöntemleri
Metallerin kristal yapısı. Metallerin ve alaşımların iç yapısı ve özelliklerinin incelenmesi metalurji adı verilen bir bilimdir.
Tüm metaller ve alaşımlar, dış elektronları çekirdeğe zayıf bir şekilde bağlanan atomlardan oluşur. Elektronlar negatif yüklüdür ve hafif bir potansiyel farkı yaratırsanız elektronlar pozitif kutba doğru akarak bir elektrik akımı oluşturur. Bu metalik maddelerin elektriksel iletkenliğini açıklar.
Katı haldeki tüm metaller ve alaşımlar kristal yapıya sahiptir.
Kristal birim hücreler
a - kübik gövde merkezli; b - kübik yüz merkezli; c - altıgen
Bir kristaldeki atomların düzeninin görsel bir temsili için, temel kristal hücreler biçimindeki uzaysal diyagramlar kullanılır. En yaygın kristal kafes türleri vücut merkezli kübik, yüz merkezli kübik ve altıgendir.
Kübik yüz merkezli kafeste 14 atom vardır. Böyle bir kafes şunları içerir: 910-1400 ° C sıcaklıkta bakır, kurşun, alüminyum, altın, nikel ve demir.
Altıgen sıkı paket kafeste 17 atom vardır. Magnezyum, çinko, kadmiyum ve diğer metallerin böyle bir kafesi vardır.
Atomların uzaydaki göreceli düzeni, kafesteki ve atomlar arası boşluklardaki atom sayısı, metalin özelliklerini (elektriksel iletkenlik, termal iletkenlik, eriyebilirlik, plastiklik vb.) karakterize eder.
Bir kristal kafesteki atomlar arasındaki mesafe farklı yönlerde farklı olabilir. Bu nedenle kristalin farklı yönlerdeki özellikleri aynı değildir. Bu olaya anizotropi denir. Tüm metaller kristal cisimlerdir, dolayısıyla anizotropik cisimlerdir. Özellikleri her yönde aynı olan cisimlere izotropik denir.
Birçok kristalden oluşan bir metal parçası ortalama olarak tüm yönlerde aynı özelliklere sahiptir, bu yüzden ona yarı izotropik (hayali izotropi) denir.
Anizotropinin pratik önemi büyüktür. Örneğin dövme, damgalama ve haddeleme yoluyla parçalar halinde kristallerin doğru yönelimi elde edilir, bunun sonucunda parça boyunca ve boyunca farklı mekanik özellikler elde edilir. Soğuk haddeleme yardımıyla parçanın belirli bir yönünde yüksek manyetik ve elektriksel özellikler elde edilir.
