Простые металлы – диамагнетики. Переходные металлы – либо парамагнетики, либо ферромагнетики за счет наличия некомпенсированных электронов.

Типы связи атомов в веществе. Существуют 4 типа связи атомов в веществе:

1 – ионная (галоидно-водородные соединения типа НСl, галоидные соединения щелочных металлов NaCl, окислы и т.п.), взаимодействие двух противоположно заряженных составных частей сводится к электростатическому их притяжению, силы взаимодействия между ними являются в основном электростатическими (кулоновскими), такая связь называется гетерополярной;

2 – ковалентная (СН₄, алмаз, графит, кремний, германий), характеризуется направленностью и жесткостью, наблюдается в кристаллах неметаллических элементов, валентные электроны одновременно принадлежат к двум соседним атомам, причем каждый атом стремится иметь максимальное число соседей, отдавая для связи с ним один из неспаренных электронов, связь гомеополярная;

3 - металлическая, в узлах кристаллической решетки расположены положительные ионя металла, между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов, связь ненаправленная и нежесткая, т.к. свободные электроны не принадлежат определенному атому и распределены равномерно, отсюда и высокая пластичность металлов;

4 – Ван-дер-Ваальсова, когда в узлах кристаллической решетки помещаются определенным образом ориентированные молекулы, силы связи между молекулами описываются законом Ван-дер-Ваальса (Ar, Н₂, О₂, СО₂, Н₂0).

Для переходных металлов характерна смешанная связь – металлическая и ковалентная. Чем больше ковалентная связь, тем хуже металлические свойства, пластичность металлов и электропроводность уменьшаются.

Таблица 3 – Типы связи атомов в веществе

Вид связи	Представитель связи	Энергия связи ккал/моль
Ионная Ковалентная Металлическая   Ван-дер-Ваальсова	NaCl алмаз Na (простой) Fe (переходный) Ar	1,8

В газах атомы (молекулы) расположены хаотически, беспорядочно, вследствие чего газы не имеют определенной формы и принимают форму сосуда, в котором они находятся. Частицы в газах хаотически двигаются, отталкиваются друг от друга и газ стремится занять возможно больший объем. Молекулы газа взаимодействуют друг с другом с силами, быстро убывающими с увеличением расстояния между молекулами. Все направления движения молекул газа равновероятны, о чем свидетельствует то обстоятельство, что давление газа на стенки сосуда всюду одинаково. Молекулы газа движутся с самыми различными скоростями, причем как величина, так и направление скорости каждой отдельно взятой молекулы непрерывно меняются из-за соударений (каждая молекула претерпевает в секунду примерно 10⁹ соударений).

Жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами, сочетая в себе черты этих обоих состояний. Например, для жидкости, как и для кристаллических тел, характерно наличие определенного объема, и вместе с тем жидкость, подобно газу, принимает форму того сосуда, в котором она находится. Как и в кристаллических телах, в жидкости частицы (атомы, молекулы) сохраняют так называемый ближний порядок, т.е. в пространстве закономерно расположено небольшое количество атомов, а не атомы всего объема, как в твердом теле. Ближний порядок не устойчив: он то возникает, то исчезает под действием тепловых колебаний.

В кристаллических твердых телах, в том числе и металлах, расположение атомов полностью упорядочено, о чем можно судить по часто встречающейся симметрии их внешней формы, правильной внешней органке. В кристаллах имеет место дальний порядок, т.е. упорядоченное расположение частиц по отношению к любой частице наблюдается в пределах значительного объема. Характерная черта кристаллического состояния, отличающая его от жидкого и газообразного, заключается в наличии анизотропии - зависимости ряда физических свойств (механических, тепловых, электрических,оптических) от направления. Тела, свойства которых одинаковы по всем направлениям, являются изотропными (газы, жидкости, аморфные тела).

Расположение атомов в кристаллических веществах всегда может быть представлено как совокупность параллелепипедов, образующих трехмерную решетку, в каждом параллелепипеде или элементарной ячейке расположение атомов одно и то же. Атомы (положительно заряженные ионы) располагаются в узлах параллелепипеда. В кристалле каждый атом имеет одно и тоже количество ближайших соседей, расположенных на одинаковом от него расстоянии. Длины ребер элементарной ячейки называются первичными трансляциями, поскольку всю решетку можно построить путем бесконечно повторяющегося переноса элементарной ячейки по трем осям координат.

Аморфные тела представляют собой сильно переохлажденные жидкости, частицы которых вследствие сильно возросшей вязкости имеют ограниченную подвижность. В некоторых случаях при больших переохлаждениях подвижность молекул жидкости, не имеющей зародышей кристаллизации, оказывается столь незначительной, что метастабильное состояние может сохраняться очень долго. Жидкость в каких случаях обладает весьма малой текучестью и представляет собой аморфное твердое тело. Для аморфных тел нет определенной температуры перехода в жидкое состояние. Этот переход совершается непрерывно, а не скачком. Как у металлов. Можно лишь указать интервал температур, в пределах которого происходит размягчение тела. Это объясняется тем, что жидкости и аморфные тела отличаются лишь степенью подвижности молекул. Аморфные тела не обнаруживают анизотропии. Примерами аморфных тел служат стекло, смолы, битумы и т.п.

Совокупность атомов или молекул, находящихся в узлах кристаллической решеткиназывается базисом решетки. Базис решетки характеризуется векторами и произвольными углами между ними а₁, а₂, а_з и a₁, a₂, a_з. Воображаемые линии, проведенные через центры атомов, образуют кристаллографическую плоскость. Многократное повторение кристаллографических плоскостей, расположенных параллельно друг другу, воспроизводит пространственную кристаллическую решетку. Расположение атомов в кристаллах удобно изображать в виде пространственных схем – элементарных кристаллических ячеек.

Размеры элементарных кристаллических ячеек характеризуются параметрами или периодами решетки а – длина ребра куба или расстояние между двумя параллельными плоскостями. Параметры имеют размеры порядка атомных и измеряются в ангстремах.

Методом дифракции рентгеновских лучей через кристаллические материалы было выявлено 230 пространственных групп, объединенных в 32 класса или в 7 систем. Действительно, возможно 7 комбинаций 6 чисел (а₁,а₂, а₃, a₁, a₂, a₃).

7 выделенных систем:

1 – триклинная: а₁¹а₂¹а_з; a₁¹a₂¹a_з; элементарная ячейка имеет форму косоугольного параллелепипеда;

2 – моноклинная: а₁¹а₂¹а_з; a₁=a₂=90⁰; a_з¹90⁰; элементарная ячейка имеет форму прямой призмы, в основании которой лежит параллелограмм (т.е. форму прямого параллелепипеда);

3 – ромбическая: а₁¹а₂¹а_з; a₁=a₂=a_з =90⁰; элементарная ячейка имеет форму прямоугольного параллелепипеда;

4 – тетрагональная: а₁=а₂¹а_з; a₁=a₂=a₃=90⁰; элементарная ячейка имеет форму прямой призмы с квадратным основанием;

5 – ромбоэдрическая: а₁=а₂=а_з; a₁=a₂=a₃¹90⁰; элементарная ячейка имеет форму куба, деформированного сжатием или растяжением вдоль диагонали;

6 – гексагональная: а₁=а₂¹а_з; a₁=a₂=90⁰; a_з=120⁰

7 – кубическая система: а₁=а₂=а_з; a₁=a₂= а_з=90⁰; элементарная ячейка имеет форму куба.

Пример – ОЦК и ГЦК, ГПУ показан на рисунке (рис. 21)

Рисунок 21 – Кристаллические решётки металлов

Каждая кристаллическая решётка характеризуется координационным числом(К) – это число ближайших равноудаленных от данного атома соседей. Для ОЦК – К=8 (К8), для ГЦК – К=12 (К12); для ГПУ – К=12 (Г12), для простой кубической – К=6 (К6); для гексагональгой – К=6 (Г6). Плотность упаковки кристаллической решетки (g) определяется по формуле g =V_ат/V_яч (где V_ат – это объем атома, а V_яч – объем ячейки). Для ГЦК (К=12) - g=74%; для ОЦК (К=8) - g=68%, для простой кубической (К=6) - g=50%.

Каждый тип кристаллической решётки характеризуется числом атомов, принадлежащих данной ячейке n: для ОЦК - n=2, а для ГЦК - n=4

Атомные направления и плоскости кристаллических решёток обозначают с помощью индексов Миллера. Чтобы определить индексы плоскости нужно:

1 – определить отрезки на осях координат, отсекаемые этой плоскстью;

2 – выразить эти отрезки в параметрах решетки;

3 – взять числа, обратные полученным;

4 - сделать числа целыми.

Например, плоскость октаэдра {111}. У ГПУ индексы – 4 числа.

Индексы направления определяются по координатам ближайшего атома в данном направлении. Пример (рис. 22)

Рисунок 22 – Примеры обозначения кристаллографических направлений и плоскостей

Только для кубической системы индексы направлений и индексы перпендикулярных им плоскостей совпадают.

Реальные кристаллы имеют дефектную структуру. Дефект кристаллической решетки – это область, где нарушено расположение атомов и окружение соседних атомов не идентично окружению в идеальном кристалле. Дефект – это любое искажение кристаллической решетки. Дефекты классифицируют по их размерам:

1 – нуль-мерные (точечные) – вакансии, межузельные атомы, примесные атомы.Образование вакансий – самопроизвольный процесс. Это беспорядок, который необходим порядку в других узлах кристаллической решетки; основной механизм образования вакансий – растворение пустоты в кристалле (по Шотки, т.е. внешнее испарение рис. 23 а); основной источник вакансий – линейные, объемные и поверхностные дефекты. В металле всегда присутствуют примесные атомы – это прежде всего растворенные водород, азот углерод и т.п. (рис. 23 б). В решетке одного металла могут растворятся другие металлы (в сплавах) с большим атомным радиусом (рис. 23 в).

Рисунок 23 – Примеры точечных дефектов кристаллических решёток

Около вакансий и межузельных атомов решетка всегда будет искажена (рис. 23). Точечные дефекты могут взаимодействовать друг с другом, например, примесные атомы могут присутствовать в месте вакансии, тогда общее искажение решетки уменьшается. Точечные дефекты играют большую роль в протекании диффузионных процессов в металлах.

2 – одномерные (линейные) – цепочки точечных дефектов, дислокации.

Дислокация – это линейный дефект, нарушающий правильное чередование атомных плоскостей. Край лишней полуплоскости (экстраплоскости) наз. краевой дислокацией (рис. 24). Винтовая дислокация – граница незавершенного сдвига.

Рисунок 24 – Винтовая дислокация в кристаллической решётке

Дислокации характеризуются вектором Бюргерса ( b ), который показывает направаление и величину смещения кристаллической решетки при движении дислокации. b имеет постоянное значение вдоль линии дислокации. Вектор Бюргерса характеризует энергию искажения кристаллической решетки вокруг дислокации. Кроме того важной характеристикой является плотность дислокаций r , характеризующая суммарное количество дислокаций в металле. Под плотностью дислокаций понимают суммарную длину дислокаций в см, приходящуюся на 1 см³ , т.е. размерность r - см^-2. Для металлов плотность дислокаций колеблется обычно в пределах 10⁸-10¹³ см^-2, т.е. миллион км дислокаций в 1 см³.

В отличие от точечных дефектов (вакансий) дислокации не двигаются самопроизвольно и хаотически. Но достаточно небольшого напряжения, чтобы дислокация начала двигаться, образуя плоскость, а в разрезе – линию скольжения. Дислокации могут взаимодействовать друг с другом. Разноименные дислокации в одной плоскости притягиваются и могут аннигилировать, одноименные – отталкиваются. Если дислокации находятся в параллельных плоскостях, то они занимают положение, соответствующее минимальной энергии. При движении дислокаций, находящихся под углом друг к другу, могут пересекаться, образуя сидячие дислокации.

Дислокация никогда не обрывается в кристалле, она либо выходит на поверхность, либо замыкается. Примесные атомы, как правило скапливаются у дислокаций, образуя атмосферы Коттрелла. Они затрудняют движение дислокаций.

3 – двумерные (поверхностные) – поверхность кристалла, границы блоков, зерен, двойников, дефектов упаковки. Между зернами имеется пограничный слой с сильно искаженной структурой и с высокой концентрацией точечных и линейных дефектов кристаллической решетки. Граница зерна обладает всегда избыточной поверхностной энергией. Аналогично границы блоков, двойников, дефектов упаковки имеют повышенную поверхностную энергию.

Рисунок 25 – Поверхностные дефекты в кристаллической решётке

4 – трехмерные (объемные) – различные включения или выделения, поры.В реальном металле, особенно в сплавах, всегда присутствуют различные включения – неметаллические, частицы твердых фаз (карбидов, силицидов), а также микропоры, которые могут быть источниками зарождения микротрещин в процессе эксплуатации изделия.

Металлы и сплавы характеризуются определённой структурой. К элементам структуры относятся зёрна. Зерно в металле не является монолитным, а состоит из отдельных блоков размерами 10^-5 – 10^{-3 см, кристаллографические плоскости в которых повернуты друг относительно друга на небольшой угол – порядка нескольких минут. Такое строение зерна носит название мозаичной структуры, а составляющие ее блоки называются блоками мозайки. Зерна металла разориентированы относительно друг друга на величину в несколько десятков градусов.}

Структурными составляющими сплава называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. Различают макроструктуру (строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом пли при небольшом увеличении в 30 - 40 раз) и микроструктуру (строение металла пли сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увеличениях).

Макроструктуру можно исследовать по излому и на специальных макрошлифах. Изучение излома - наиболее простой метод выявления кристаллического строения металлов. По излому можно судить о размере зерна, особенностях выплавки и литья (температуре литья, ско­рости иравномерности охлаждения сплава и т. д.), термической обработке, а следовательно, и о некоторых свойствах металла. Вид излома исполь­зуют в качестве критерия при определении склонности стали к хрупкому разрушению.

На рис. 26 приведена структура металла при увеличении в 100 раз, так называемая микроструктура.

Рисунок 26 - Микроструктура металла, ×100