Общая характеристика строения металлов

Твердые тела делят на: кристаллические и аморфные.

Кристалические тела при нагреве остаются твердыми до определенной температуры (температуры плавления), при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении жидкого металла процесс идет в обратном направлении.

Аморфные тела при нагреве раз­мягчаются в большем температурном интервале; сначала они становятся вязкими и лишь затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Таким характерным свойством, например, обладает стекло, пластмассы.

Все металлы и их сплавы - тела кристаллические. Единственный металл, находится в жидком состоянии при обычных температурных условиях (комнатной температуре) – ртуть.

Кристаллическое состояние твердого тела более стабильно, чем аморфное. В результате длительной выдержки при температуре, а в некоторых случаях при деформации, нестабильность аморфного состояния проявляется в частичной или полной кристаллизации. Пример – помутнение неорганического стекла при нагреве.

Кристалл – атомная структура, состоящая из атомов, зафиксированных друг относительно друга. Особенность кристаллов – упорядоченное строение.

Места расположения атомов – узлы кристаллической решетки.

Ячейка кристаллической решетки – группа атомов, упорядоченно расположенных друг относительно друга и периодически повторяющихся в кристалле по всем направлениям. В зависимости от расположения атомов в ячейке различают различные типы кристаллических решеток. Всего типов решеток – 14, табл. 1.1.

Формирование кристаллической решетки в ме­талле происходит следующим образом. При пе­реходе металла из жидкого в твердое состояние расстояние между атомами сокращается, а силы взаимодействия между ними возрастают. Харак­тер взаимодействия атомов определяется строе­нием их внешних электронных оболочек. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках, теряют связь со своими ато­мами вследствие отрыва валентного электрона одного атома положительно заряженным ядром другого и т. д. Происходит образование свобод­ных электронов, так как они не принадлежат отдельным атомам. Таким образом, в твердом состоянии металл представляет собой структуру, состоящую из положительно заряженных ионов, омываемых свободными электронами

Связь в металле осуществляется электростатическими силами.

Между частицами в кристалле существуют различные типы связи. Тип связи определяется электронным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Элементарные частицы сближаются на определенное расстояние, которое обеспечивает наибольшую термодинамическую стабильность - минимум энергии связи.

Энергия связи определяет физические свойства материалов. Все кристаллы по характеру связи условно подразделяют на: молекулярные, ковалентные, металлические и ионные, но такое деление условно, т.к. может действовать и несколько типов связи: молекулярные; ковалентные; металлические; ионные.

Молекулярные кристаллы - это кристаллы, в которых преобладает связь Ван-дер-Ваальса. Например, в кристаллах инертных газов при очень низких температурах и больших давлениях (твердое состояние) при сближении атомов обмен электронами невозможен, силы притяжения между ними объясняются мгновенной поляризацией атомов при сближении. При нормальных условиях к молекулярным относятся кристаллы J₂, H₂O, CO₂, CH₄. Для этих кристаллов характерна наиболее компактная кристаллическая решетка – ГЦК (гранецентрированная). Энергия связи невелика, поэтому кристаллические тела с молекулярным типом связи имеют низкие температуры плавления и испарения, большие температурные коэффициенты линейного расширения, обладают диэлектрическими свойствами.

Ковалентные кристаллы – это кристаллы, у которых преобладает ковалентный тип связи. Такие кристаллы образуют элементы 4, 5, 6 подгруппы в периодической системы. Атомы обобществляют свои валентные электроны с соседними атомами, достраивая валентную зону. Пример: углерод, кремний, германий, сурьма, висмут и др. Для этих материалов характерна направленность межатомных связей и неплотноупакованные кристаллические структуры. Материалы с ковалентным типом связи обладают низкой пластичностью и высокой твердостью, имеют высокую температуру плавления, по электрическим свойствам относятся к полупроводникам и диэлектрикам.

Таблица 1.1 - Типы решеток

Металлические кристаллы – это кристаллы, у которых преобладает металлический тип связи. Их образуют элементы всех подгрупп А и 1 - 3 подгрупп В. Валентные энергетические зоны перекрываются, образуя общую зону со свободными электронами в объеме всего кристалла. Пример: кристаллические структуры с ГЦК (гранецентрированная) - никель, серебро, медь, золото, железо - γ, платина, алюминий, свинец; с ГПУ (гексогональная плотноупакованная) - магний, кобальт, берилий, цинк, титан; с ОЦК (объемноцентрированная) - железо – α, хром, молибден, вольфрам, тантал.

Все физические, включая и прочностные, свойства металлов вдоль различных кристаллографических направлений зависят от числа атомов, расположенных на упомянутых направлениях.

В действительности в кристаллической решетке на различных напралениях находится разное число атомов. Например, в кубических решетках (см. табл.1.1, табл. 1.2) вдоль диагоналей куба ОЦК решетки [111] или диагоналей гра­ней решетки ГЦК [110], [101], [011] размещается больше атомов, чем по на­правлениям вдоль ребер кубов [100], [010], [001].

Из сказанного следует, что в кристаллических веществах должна наблюдаться анизотропия, т. е. неодинаковость свойств вдоль различных кри­сталлографических направлений.

Таким образом, анизотропия является закономерным результатом упорядоченного расположения атомов в кристаллических телах. Анизотропия механических и других свойств наблюдается при испытании образцов, выре­занных вдоль различных кристаллографических направлений.

Наглядным и убедительным подтверждением наличия анизотропии является опыт с медным шаром, изготовленным из монокристалла. Если такой шар нагревать, то вследствие неодинаковости коэффициентов линейного расширения по различным направлениям он зримо утратит геометрически правильную форму шара и превратится в эллипсоид. Не всем свойствам кристаллических тел присуще явление анизотропии. Например, такое свойство, как теплоемкость, от направления не зависит.

Следует особо подчеркнуть, что анизотропия проявляется только в пределах одного кристаллического зерна, или монокристалла. Реальные метал­лы являются телами поликристаллическими, состоящими из огромного чис­ла зерен, произвольно ориентированных друг к другу своими кристаллогра­фическими направлениями и плоскостями.

В связи с этим недостаток какого-либо свойства по одному из направлений приложения силы в одних зернах компенсируется избытком этого свойства по этому же направлению в других зернах. Поэтому реальные металлы являются изотропными телами, т. е. телами с примерно одинаковыми свойствами по всем направлениям. Поскольку их изотропность является не истинной, а усредненной, то их принято называть квазиизотропными или псевдоизотропными телами.

Для элементов с металлическим типом связи (например железо, титан , олово и другие) имеет место явление полиморфизма - способность в твердом состоянии при различных температурах (или давлении) иметь различные типы кристаллических структур, которые называются аллотропическими формами или модификациями. Энергия металлической связи несколько меньше, чем энергия ковалентной связи, поэтому металлы, по сравнению с ковалентными кристаллами, имеют более низкие температуры плавления, испарения, меньший модуль упругости, но более высокий температурный коэффициент линейного расширения; металлы более пластичные и менее твердые; обладают хорошей электрической проводимостью. Так, ОЦК железо (α-железо), будучи нагрето до 911⁰С, перестраивает кристаллическую решетку и становится ГЦУ железом (γ- железо). Это строение сохраняется до 1392 ⁰С, после чего решетка снова перестраивается и приобретает ОЦК (β – железо) строение, сохраняя его вплоть до температуры плавления 1539⁰С.

Основоной причиной аллотропии является стремление любого вещества обладаить минимальным запасом свободной энергии Если у металла по достижении какой-о определенной температуры изменение типа кристаллической решетки обспечивает уменьшение запаса свободной энергии , то такой металл претерпевает аллотропическое превращение.

Начисие у металлов аллотропических (полиморфных) превращений имеет важноепрактическое значение, поскольку благодаря им у металлов изменяются такие свойства, как плотность, способность растворять в своей решетке другие элементы и т.д.

В связи с этим именно благодаря полиморфизму сплавы на основе железа, титана и других металлов можно подвергать термической обработке для целенаправленного изменения их свойств.

Ионные кристаллы – характерны для сложных кристаллов, состоящих из элементов различной валентности. Между элементами происходит перераспределение электронов, электроположительный элемент теряет свои валентные электроны и превращается в положительный ион, а электроотрицательный - приобретает, достраивая свою валентную зону до устойчивой конфигурации, как у инертных газов. Пример - кристалл оксида железа FeO, решетка которого состоит из отрицательно заряженных ионов кислорода и положительно заряженных ионов железа. Величина энергии связи кристаллов с ионным типом связи близка к ковалентным кристаллам и превышает металлические и тем более молекулярные. Имеют высокую температуру плавления и испарения, высокий модуль упругости и низкий коэффициент линейного расширения.

Плотность упаковки атомов в решетке определяется полным числом атомов, находящихся внутри объемного тела, образованного плоскостями, проходящими через центры внешних атомов ячейки, табл. 1.2.

Имеется определенная связь строения кристаллической решетки с механическими и физическими свойствами материала. От прочности связи зависит степень сопротивления деформации. От строения зависит способность к пластической деформации. Деформирование происходит за счет сдвига атомных плоскостей. Сдвиг происходит наиболее легко вдоль атомных плоскостей с наиболее плотной упаковкой атомов.

Рассмотрим объемно-центрическую кубическую решетку (ОЦК), рис. 1.5:

В плоскости ABGH плотность упаковки больше чем в ABСD. Наиболее вероятен сдвиг вдоль диагональных плоскостей.

Для характеристики элементарной ячейки задают шесть величин: три ребра ячейки а, в, с и три угла между ними α, β, γ(см. рис. 1.6). Эти величины называются параметрами элементарной ячейки или периодами кристаллической решетки.

Рис. 1.5. Плоскости кристаллической решетки

Рис. 1.6. Кристаллическая решетка (выделена элементарная ячейка с параметрами а, в, с, α, β, γ).

Период решетки выражается в нанометрах (1 нм = 10^{-9 см).} Период решетки для большинства металлов находится в пределах 0,1 – 0,7 нм или для ОЦК и ГЦК для разных металлов 2,8 ÷ 6*10 ^-8см.

Наиболее часто встречаются решетки: объемно - центрированная кубическая (ОЦК) - α-Fe, Cr, β-Ti, W и др, гранецентрированная кубическая (ГЦК) - γ-Fe, A1, Сu, Au, Ag и др. и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) - Mg, Zn, α - Ti и др. , рис. 1.7.

Рис. 1.7. Элементарные ячейки кристаллических решеток:

I - кубическая объемно-центрированная ( α-железо), II — кубическая гранецентрированная (медь), III - гексагональная плотноупакованная;

а и с — параметры решеток

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, различно ориентированных в пространстве, т.е. они имеют поликристаллическое строение, рис.1.8.

Рис. 1.8. Структура поликристаллического твердого тела (слева различная ориента­ции кристаллических решеток в зернах)

Атомы совершают колебательные движений возле узлов решетки, и с повышением температуры амплитуда этих колебаний увеличивается. Большинство атомов данной кристаллической ре­шетки имеют одинаковую (среднюю) энергию и колеблются при данной температуре с одинако­вой амплитудой. Однако отдельные атомы обла­дают энергией, значительно большей средней энер­гии, и перемещаются из одного места в другое. Наиболее легко перемещаются атомы поверх­ностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находился такой атом, называется вакансией (рис. 1.9, а).

В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обусловленные нарушением правильного распо­ложения атомов кристаллической решетки. Де­фекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные, рис. 1.9.

Рис. 1.9. Дефекты в кристаллах:

а - вакансия, б - внедренный атом, в - краевая линейная дислокация,

г - неправильное расположение атомов на границе зерен 1 и 2

На это место через некоторое время перемещается один из атомов соседнего слоя и т. д. Таким образом, вакансия перемещается в глубь кристалла. С повышением температуры ко­личество вакансий увеличивается и они чаще перемещаются из одного узла в другой. Каждой тмпературе соответствует равновесная концентрация вакансий и межузельных атомов. Пересыщение точечными дефктами достигается при резком охлаждении после высокотемпературногонагрева, при пластической деформации и при облучении нейтронами. Ускоряют все процессы, связанные с перемещеием атомов – диффузия, спекание порошков и т.д. В диффу­зионных процессах, протекающих в металлах, ва­кансии играют определяющую роль. Точечные несовершенства появляются и как результат присутствия атомов примесей, котрые имеются даже в самом чистом металле.

К точеч­ным дефектам относят также атом, внед­ренный в междоузлие кристаллической решетки (рис. 1.9, б), и замещенный атом, когда место ато­ма одного металла замещается в кристалличес­кой решетке другим, чужеродным атомом. Точеч­ные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки, а также возможность диффузии, т.е. перемещение атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающее среднее межатомные для данного металла.

Наличие точечных дефектов влияет на некоторые физические свойства (электропроводность, магнитные свойства и др.), а также на фазовые превращения металлов и сплавов, старение, выделение вторичных фаз и т.п.

Линейные дефекты являются другим важнейшим видом несовершенства кристалличе­ской решетки, когда в результате сдвига на одно межатомное расстояние одной части решетки относительно другой вдоль какой-либо плоскости число рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в нижней. В данном случае в верхней части решетки появилась как бы лиш­няя атомная плоскость (экстраплоскость). Край экстраплоскости, перпендикулярный направле­нию сдвига, называется краевой, или линейной дислокацией (рис. 1.9, в), длина которой мо­жет достигать многих тысяч межатомных рас­стояний.

Кристаллическая решетка в зоне дислокации упруго искажена, поскольку атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного состоя­ния. Для дислокации характерна их легкая по­движность. Это объясняется тем, что атомы, об­разующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное состояние. Дислокации образуют­ся в процессе кристаллизации металлов, а также при пластической деформа­ции, термической обработке и других процессах.

Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между отдельными кри­сталлами (рис. 1.9, г). На границе раздела атомы кристалла расположены менее правильно, чем в его объеме. Кроме того, по границам раздела скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются примеси, что еще больше наpyшает порядок расположения атомов. При этом сами кристаллы разориентированы, т. е. могут быть повернуты относительно друг друга на де­сятки градусов. Прочность металла может либо увеличиваться вследствие искажений кристалли­ческой решетки вблизи границ, либо уменьшаться из-за наличия примесей и концентрации де­фектов. Дефекты в кристаллах существенно вли­яют на свойства металлов.

На рис. 1.10 показаны изображения дислокаций в сплавах, полученные в просвчивающем электронном микроскопе.

Рис. 1.10. Дислокации в марганцевой стали (снято в просвечивающем электронном микроскопе): а - отдельные дислокации; б - плоское скопление дислокаций; в - дислокации сплетении; г - ячеистая дислокационная структура (х 20 000)