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.

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

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

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

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

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

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

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

центрированного куба ки центрированного куба

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

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

с центрированными гранями шетки куба с центрированными

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

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

Рис.17. Гексагональная ячейка

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

в - с петлей) металла

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

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

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

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

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

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

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

Рис.19 . Кривые охлаждения и нагревания железа

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

Внутренним строением металлов называется строение и взаимное расположение их атомов, а также более крупная структура, видимая в микроскоп или невооруженным глазом.

Металлы по внутреннему строению представляют собой совокупность нейтральных атомов, положительно или отрицательно заряженных ионов и свободных электронов, образующих так называемый «электронный газ». Наличие «электронного газа» обусловливает высокую электро- и теплопроводность металлов, а взаимосвязь свободных электронов между собой и с ионами создает прочную связь, называемую металлической. Специфика металлической связи делает металлы пластичными (ковкими).

Кроме природы атомов на свойства металлов влияют характер связи между атомами, расстояние между ними и порядок их расположения.

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, т.е. их атомы (ионы) расположены в строгом, периодически повторяющемся порядке, образуя в пространстве атомно-кристаллическую решетку (в противоположность аморфным твердым телам, атомы которых расположены в пространстве хаотично).

Порядок расположения атомов у различных металлов неодинаков. Обычно он определяется простыми характерными для большинства металлов (рис. 6) или сложными кристаллическими решетками. Линии на рис. 6 условные Атомы в действительности колеблются возле положений равновесия, т. е. в узлах кристаллической решетки. Расстояние между атомами в кристаллической решетке измеряется в ангстремах (1 Å=10 -9 нм). У большинства металлов расстояние между атомами находится в пределах 0,28-0,8 нм.

Рис 6. Порядок расположения атомов в простых решетках а - объемна я центрированной кубической (9 атомов), б - гранецентрированной кубической (14 атомов), в - гексагональной плотноупакованной (17 атомов)

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, называется элементарной кристаллической ячейкой.

Получаемые обычным способом металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из множества элементарных ячеек, ориентированных относительно друг друга самым различным образом. Ячейки имеют неправильную форму и называются кристаллитами, или зернами. Если сочетание элементарных ячеек правильное, по расположению атомов повторяющее элементарную ячейку, то образовавшееся тело называется монокристаллом.

Металлические сплавы, как и металлы, имеют кристаллическое строение. При этом в зависимости от взаимодействия компонентов они подразделяются на твердые растворы, химические соединения и механические смеси.

Твердые растворы образуются тогда, когда при сплавлении атомы одного элемента в разных количествах входят в кристаллическую решетку другого элемента, не изменяя в значительной мере ее формы. Элемент, сохранивший форму своей решетки, называется растворителем, а элемент, атомы которого вошли в эту решетку,- растворенным. По размещению атомов растворенного элемента в решетке растворителя различают твердые растворы замещения (атомы растворенного элемента располагаются в узлах решетки растворителя) и твердые растворы внедрения (атомы растворенного элемента находятся между атомами растворителя и узлами его решетки).

Если входящие в состав твердого раствора замещения компоненты имеют близкое строение решеток и атомов, то такие элементы могут образовывать непрерывный ряд твердых растворов, т. е. количество замещенных атомов может изменяться от 0 до 100 %.

При этом считается, что растворителем является тот элемент, содержание которого в сплаве более 50 %.

Растворы внедрения образуются элементами, сильно отличающимися строением решетки и размерами атомов.

Твердые растворы являются гомогенными (однородными) сплавами, так как их структура представляет собой одинаковые по составу и свойствам зерна. Свойства твердых растворов в значительной степени могут отличаться от свойств входящих в него компонентов. Все металлы в той или иной степени могут растворяться один в другом, образуя твердые растворы.

Химические соединения образуются при химическом взаимодействии атомов компонентов сплава, сопровождающемся значительным тепловым эффектом. При этом кристаллическая решетка химического соединения и все его свойства могут резко отличаться от решетки и свойств компонентов. В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов. Типичными примерами химических соединений являются соединения магния с оловом, свинцом, сурьмой, висмутом, серой, селеном, теллуром и др. По своей структуре они гомогенны.

Химические соединения металлов называются интерметаллическими (интерметаллидами), а соединения металлов с неметаллами (нитридами, гидридами, боридами, карбидами), обладающие металлической связью, - металлическими соединениями.

Механические смеси образуются тогда, когда при затвердении расплава атомы его компонентов не перемешиваются, а кристаллизуются в характерную каждому решетку. Структура таких сплавов гетерогенна (неоднородна) и представляет собой смесь кристаллов компонентов сплава, сохранивших свою структуру.

Рис. 7. Кривые охлаждения аморфного (а ), кристаллического тела (б) и металлов (в), где t к t п - температура кристаллизации и переохлаждения, °C; (T 1 -T 2) - время кристаллизации, с.

Строение кристаллического тела обусловливает следующие особенные их свойства по сравнению с аморфными:

§ различие свойств монокристаллов в различных направлениях, т. е. анизотропность, или векториальность, свойств;

§ наличие плоскостей скольжения, приложение внешних сил приводит к скольжению (сдвигу) одной плоскости относительно другой;

§ существование критической температуры при затвердевании или плавлении, при которой происходит переход из жидкого (расплавленного) состояния в твердое или наоборот.

Переход металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией, а из твердого в жидкое - плавлением. Если образование кристаллов происходит из жидкости при ее охлаждении, то этот процесс называется первичной кристаллизацией, если образование кристаллов идет в твердом состоянии тела, - вторичной кристаллизацией.

Процессы кристаллизации графически изображают кривыми, строящимися в координатах температура - время (рис. 7).

Явление переохлаждения в кристаллизующемся металле объясняется тем, что в период затвердевания происходит резкое снижение подвижности атомов, вследствие чего скачкообразно изменяется его внутренняя энергия. Это сопровождается выделением тепла, которое подогревает жидкую ванну и некоторое время (T 1 -Т 2) удерживает ее температуру постоянной, пока жидкость полностью не закристаллизуется.

Степень переохлаждения тем больше, чем больше скорость охлаждения.

Русский ученый-металлург Д. К. Чернов в 1878 г. установил, что процесс кристаллизации состоит из нескольких стадий. Первая стадия - образование зародышей (центров) кристаллизации. На последующих стадиях из этих центров образуются дендриты (древовидные образования), которые, срастаясь, образуют зерна (кристаллиты). При этом они не имеют правильной геометрической формы, так как в местах соприкосновения растущих кристаллов рост граней прекращается.

Величина зерна металла - важнейшая характеристика, которая определяет все основные его свойства. Мелкозернистый металл имеет более высокие характеристики твердости, прочности, ударной вязкости, но у него пониженная электропроводность, хуже магнитные свойства.

Размер зерна зависит от количества центров кристаллизации и скорости роста кристаллов (скорости охлаждения). Чем больше центров кристаллизации и меньше скорость их роста, тем меньше будет зерно.

Образование центров кристаллизации может происходить самопроизвольно или на имеющихся в жидком металле частицах примесей, что используется при модифицировании - введении в жидкий металл примесей (модификаторов).

На образование центров кристаллизации, а следовательно, и величину зерна влияет степень переохлаждения t к -t п . Чем больше степень переохлаждения, тем больше центров кристаллизации и мельче образующееся зерно.

Метки: Оглавление книги Следующая страница>>

§ 2. Строение металлов и сплавов и методы его изучения

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

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

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

Рис. 23. Элементарные кристаллические ячейки :

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

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

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

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

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

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

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

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

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