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.

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.

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.

§ 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).

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.

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.