Кристаллическое строение металлов, схема и примеры

Металлы — один из самых распространенных веществ в материальной культуре человека.

Тысячелетиями медь, железо, серебро и золото были основным материалом для производства оружия, инструментов, ответственных частей транспорта и механизмов, деталей домашней утвари и украшений.

В XIX веке, с освоением технологии получения чугуна, металлы пришли в строительство и станкостроение. XX век был веком металлов.

Металлы

В нашу жизнь вошли алюминий, титан, бор и многие более редкие металлы. Используя их, человечество шагнуло в небо, космос и глубины океана. Металлы сделали возможным массовое производство домашней бытовой техники.

В конце XX века пластмассы и композитные вещества ощутимо потеснили металлы с лидирующих позиций.

Основные характеристики металлов — прочность, упругость и пластичность определяются их физико-химическими свойствами и атомным строением.

Основные группы металлов в промышленности

Индустрия делит металлы на большие группы:

• Черные.
• Цветные легкие.
• Цветные тяжелые.
• Благородные.
• Редкоземельные и щелочные.

Черные металлы

В эту группу входят железо, марганец, хром и их сплавы. Группа также включает в себя стали, чугуны и ферросплавы. Эти вещества обладают хорошей электропроводностью и уникальными магнитными характеристиками.

Черные металлы

Черные металлы покрывают до 90% мировой потребности в металлоизделиях.

Легкие цветные металлы

Отличаются низкой плотностью. Группа включает в себя алюминий, титан, магний. Эти реже встречаются, чем железо, и обходятся дороже в добыче руды и в производстве. Они используются там, где малый вес изделия или детали окупает ее большую стоимость – в самолетостроении, производстве электроники, в коммуникационной индустрии.

Легкие цветные металлы

Титан не вызывает отторжения со стороны иммунной системы и применяется в протезировании костной ткани.

Тяжелые цветные металлы

Это элементы с большим удельным весом, такие, как медь, олово, свинец, цинк и никель. Обладают хорошей электропроводностью.

МедьОловоЦинкСвинецЧистый никель

Они широко используются как катализаторы реакций, в изготовлении электроматериалов, в электронике, на транспорте – везде, где требуются достаточно прочные, упругие и коррозионностойкие материалы.

Благородные металлы

В эту группу входят золото, серебро, платина, а также редко встречающееся рутений, родий, палладий, осмий, иридий. Они обладают наибольшим удельным весом, высокой коррозионной устойчивостью и высокой электрической и тепловой проводимостью.

Золото и платинаСеребро

На заре человечества золото, серебро и платина применялись как универсальный платежный инструмент и как средство накопления богатств. С развитием цифровой экономики и переходом платежей в виртуальность важнее стаи их уникальные физические свойства

Редкоземельные и щелочные

К редкоземельным относятся скандий, иттрий, лантан и еще 15 редких элементов. Эти элементы отличаются значительным удельным весом, высокой химической активностью и применяются в высокотехнологичных отраслях.

ИттрийСканидийЛантан

К щелочным относятся литий, калий, натрий и другие. Все они отличаются малым удельным весом и исключительной химической активностью и при реакции с водой образуют щелочи, широко применяемы в быту и промышленности в составе мыла и других моющих средств.

Щелочные металлы

Классификация металлов по химическому составу

Химические свойства чистых элементов определяются строением атомов реальных металлов и прежде всего их атомным числом, характеризующим их способность реагировать с водородом, кислородом и другими элементами. Химические характеристики реально применяемых металлов могут сильно отличаться от параметров чистого вещества как в лучшую, так и в худшую сторону.

Нежелательные добавки называют примесями, а те, что вносятся преднамеренно для изменения параметров в нужную сторону — легирующими присадками.

Общепризнанной является классификация, основанная на указании главного компонента сплава.

Атомно — кристаллическое строение металлов

Внутреннее строение металлов и их характеристики определяют их физико-химические свойства. Электроны на внешних орбитах атомов слабо связаны с ядром и имеют отрицательный заряд. При наличии разницы потенциалов электроны мигрируют к положительному полюсу, создавая электрический ток. Это физическое явление обуславливает электропроводность.

Кристаллическое строение свойственно металлам и их сплавам в твердом фазовом состоянии. Атомы выстраиваются в определенную объемную структуру, называемую кристаллической решеткой.Число атомов в вершинах и на гранях этой структуры, а также дистанция между ними определяют такие физические свойства металла, как электро- и теплопроводность, вязкость, текучесть и т.д.

Кристаллическое строение металлов и сплавов может быть двух типов:

• Межатомная дистанция одинакова по всем направлениям. Это так называемое изотропное строение. При этом физические свойства кристалла также одинаковы по всем направлениям.
• Межатомное расстояние по горизонтали и по вертикали разное. Такой кристалл называют анизотропным, и его физические параметры меняются в зависимости от направления.

Атомно-кристаллическое строение металлов

В реальном куске металлов, составленному из множества изолированных кристаллических фрагментов, атомно кристаллическое строение принадлежит к третьему типу — квазиизотропному. В среднем свойства такого куска близки к изотропным.

При выстраивании кристаллической решетки некоторые атомы не попадают на свое место, смещаются или теряются. В этом случае говорят о дефектах кристаллического строения металлов.

Дефекты структуры отрицательно влияют на свойства изделия, особенно если оно должно быть монокристаллом, как, например, в электронике, лазерной технике и других отраслях высоких технологий.

Физические свойства металлов

Физические свойства определяются внутренним строением металлов.

Главное отличие металлов от других элементов — это их электропроводность и магнитные свойства.

И хотя ученые создали неметаллические материалы, обладающие другим строением, но такими же свойствами, как у металлов и сплавов, они еще слишком дороги для массового применения. Многие химически чистые металлы обладают недостаточной прочностью для практических применений, чтобы исправить ситуацию, в технике и строительстве используют их сплавы.

Физические свойства металлов

Добавление тех или иных присадок приводит к росту прочность получаемого вещества в десятки раз по отношению к исходному элементу.

Электронное строение металлов и их особенности

Внутреннее строение реальных металлов определяет их физико-химические параметры.

Кристаллическая решетка металлов

Все металлы в твердом фазовом состоянии имеют кристаллическое строение. Это пространственное образование из многократно повторяющихся первичных структур называют кристаллической решеткой.схема кристаллической решетки.

Кристаллическое строение металлов

Кристаллическое строение металлов и сплавов может быть двух типов:

• Межатомная дистанция равна по всем направлениям. Это так называемое изотропное строение. При этом физические свойства кристалла также одинаковы по всем направлениям.
• Межатомное расстояние по горизонтали и по вертикали разное. Такой кристалл называют анизотропным, его параметры зависят от направления.

В реальном куске металлов, который состоит из множества кристаллических фрагментов, атомно кристаллическое строение принадлежит к третьему типу — квазиизотропному. Усредненные параметры такого куска близки к изотропным.

Типы кристаллических решеток

Дистанцию соседними атомами называют параметром решетки, у разных металлов он составляет 2 — 6 ангстрем. Существуют три основных типа кристаллических решеток:

• Кубическая: объемно-центрированная — включает в себя девять атомов. Свойственна железу, хрому, молибдену, и ванадию.
• Кубическая гранецентрированная: включает в себя уже 14 атомов. Присуща меди, золоту, свинцу, алюминию.
• Гексагональная: атомов уже 17 и размещены они наиболее плотно. Так кристаллизуются магний, цинк кадмий и другие.

Уникальная возможность железа заключается в том, что до 910°С оно имеет кубическую объемно-центрированную структуру, а при нагреве свыше этой температуры переходит к гранецентрированной.

Кристаллическое строение сплавов

Сплав это материал, состоящий из двух и более химических элементов. В его состав могут входить как металлы, так и неметаллы. Например, бронза — это сплав меди и олова, а чугун — сплав железа и углерода.

Кроме основных, в состав могут входить и другие вещества, содержащиеся в небольших количествах. Если их добавляют специально и улучшают свойства материала, их называют легирующими присадками, если ухудшают — вредными примесями.

Кристаллическое строение сплавов сложнее, чем металлов.

Строение сплавов

Оно определяется взаимовлиянием компонентов при образовании кристалла, и принадлежит к трем подвидам:

• Твердые растворы. Один элемент растворяется в другом. Ведущий элемент строит кристаллическую структуру, а атомы второстепенного элемента размещаются в объеме этой решетки.
• Химическое соединение. Элементы химически реагируют друг с другом, образуя новое соединение. Из его молекул и составляется кристаллическая решетка.
• Механическая смесь. Элементы сплава не реагируют друг с другом. Каждый строит свои кристаллические структуры, срастающиеся в независимые кристаллы. Сплав будет представлять собой затвердевшую смесь из множества кристалликов двух разных типов. Такое вещество будет иметь собственную температуру перехода в жидкую фазу.

Физические свойства сплавов могут заметно меняться при изменении процентного соотношения составляющих.

Кристаллизация сплавов

Первичная кристаллизация — это затвердевание расплава с образованием кристаллических решеток. Пространственные атомные и молекулярные структуры, возникающие в ходе такого процесса, оказывают решающее влияние на свойства получаемого сплава.

Сначала в остывающем расплаве возникают центры кристаллизации, вокруг них в ходе процесса и нарастают кристаллы, многократно повторяя структуру центра. В качестве центров кристаллизации могут выступать:

• Первые образовавшиеся кристаллы в зонах локального охлаждения, чаще всего у стенок литейной формы.
• Частички неметаллических примесей.
• Тугоплавкие примеси, уже находящиеся в твердой форме.

Процесс кристаллизации металлов и сплавов

Кристаллы обычно растут в направлении роста градиента температуры. Если рост решеток не встречает физических препятствий, образуются ветвящиеся кристаллические структуры, напоминающие кораллы — дендриты. Если они растут из разных центров и встречаются в расплаве, то препятствуют росту друг друга и искажают свою форму.

Такие искаженные кристаллы – это кристаллиты, или зерна. Совокупность отдельных зерен срастается в поликристаллическое тело.Отдельные кристаллиты достигают размеров от одного до 10 000 микрон и по-разному развернуты в пространстве. На стыках отдельных кристаллитов образуется граничный слой, в котором кристаллические решетки разорваны.

Такие слои обладают измененными химическими и физическими свойствами.

Решетки кристаллитов могут обладать разными дефектами структуры:

• точечные;
• линейные;
• поверхностные;

Дефекты кристаллического строения металлов

Дефекты определяются отсутствием атома или группы атомов в вершинах или гранях кристаллической решетки, смещением этих атомов со своих мест или замещением атома или их группы атомами или молекулами примесей.

Источник: https://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/kristallicheskoe-stroenie-metallov.html

Типы кристаллических решёток — урок. Химия, 8–9 класс

Большинство твёрдых веществ имеет кристаллическое строение, которое характеризуется строго определённым расположением частиц.

Если соединить частицы условными линиями, то получится пространственный каркас, называемый кристаллической решёткой.

Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решётки. В узлах воображаемой решётки могут находиться атомы, ионы или молекулы.

Ионными называют решётки, в узлах которых находятся ионы.Их образуют вещества с ионной связью. В узлах такой решётки располагаются положительные и отрицательные ионы, связанные между собой электростатическим взаимодействием.

Ионные кристаллические решётки имеют соли, щёлочи, оксиды активных металлов. Ионы могут быть простые или сложные.

Например, в узлах кристаллической решётки хлорида натрия находятся простые ионы натрия Na+ и хлора Cl−, а в узлах решётки сульфата калия чередуются простые ионы калия  K+ и сложные сульфат-ионы SO42−.Связи между ионами в таких кристаллах прочные.

Поэтому ионные вещества твёрдые, тугоплавкие, нелетучие. Такие вещества хорошо растворяются в воде. 

Кристаллическая решётка хлорида натрия

Кристалл хлорида натрия

Металлическими называют решётки, которые состоят из положительных ионов и атомов металла и свободных электронов.

Их образуют вещества с металлической связью. В узлах металлической решётки находятся атомы и ионы (то атомы, то ионы, в которые легко превращаются атомы, отдавая свои внешние электроны в общее пользование).

Такие кристаллические решётки характерны для простых веществ металлов и сплавов.

Температуры плавления металлов могут быть разными (от (–37) °С у ртути до двух-трёх тысяч градусов). Но все металлы имеют характерный металлический блеск, ковкость, пластичность, хорошо проводят электрический ток и тепло.

Металлическая кристаллическая решётка

Металлические изделия

Атомными называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся отдельные атомы, соединённые ковалентными связями.

Такой тип решётки имеет алмаз — одно из аллотропных видоизменений углерода. К веществам с атомной кристаллической решёткой относятся графит, кремний, бор и германий, а также сложные вещества, например, карборунд SiC и кремнезём, кварц, горный хрусталь, песок, в состав которых входит оксид кремния((IV)) SiO2.

Таким веществам характерны высокая прочность и твёрдость. Так, алмаз является самым твёрдым природным веществом.

У веществ с атомной кристаллической решёткой очень высокие температуры плавления и кипения. Например, температура плавления кремнезёма — (1728) °С, а у графита она выше — (4000) °С. 

Атомные кристаллы практически нерастворимы.

Кристаллическая решётка алмаза

Алмаз

Молекулярными  называют решётки, в узлах которых находятся молекулы, связанные слабым межмолекулярным взаимодействием.

Несмотря на то, что внутри молекул атомы соединены очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения.

Поэтому молекулярные кристаллы имеют небольшую прочность и твёрдость, низкие температуры плавления и кипения.

Многие молекулярные вещества при комнатной температуре представляют собой жидкости и газы.

Такие вещества летучи. Например, кристаллические иод и твёрдый оксид углерода((IV)) («сухой лёд») испаряются, не переходя в жидкое состояние.

Некоторые молекулярные вещества имеют запах.

Такой тип решётки имеют простые вещества в твёрдом агрегатном состоянии: благородные газы с одноатомными молекулами  (He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn), а также неметаллы с двух- и многоатомными молекулами (H2,O2,N2,Cl2,I2,O3,P4,S8).

Молекулярную кристаллическую решётку имеют также вещества с ковалентными полярными связями: вода — лёд, твёрдые аммиак, кислоты, оксиды большинства неметаллов. Большинство органических соединений тоже представляют собой молекулярные кристаллы (нафталин, сахар, глюкоза).

Кристаллическая решётка углекислого газа

«Сухой лёд»

Кристаллики иода

Если известно строение вещества, то можно предсказать его свойства.

Попробуем определить, каковы примерно температуры плавления у фторида натрия, фтороводорода и фтора.

У фторида натрия — ионная кристаллическая решётка. Значит, его температура плавления будет высокой. Фтороводород и фтор имеют молекулярные кристаллические решётки.

Поэтому их температуры плавления будут невысокими. Молекулы фтороводорода полярные, а фтора — неполярные.

Значит, межмолекулярное взаимодействие у фтороводорода будет сильнее, и его температура плавления будет выше по сравнению со фтором.

Экспериментальные данные подтверждают эти предположения: температуры плавления NaF, HF и F2 составляют соответственно (995) °С, (–83) °С,  (–220) °С.

Источники:

Габриелян О. С. Химия. 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2013. — 133 с.  

Источник: https://www.yaklass.ru/p/himija/89-klass/stroenie-veshchestva-18844/kristallicheskie-reshetki-61860/re-a6ccb0b0-4b1a-4645-897f-e8a126bdc853

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.

  Классификация коррозии. Химическая коррозия.

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.

  Гальваническая коррозия. Гальванический элемент. Коррозия.

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.

  Блуждающие токи. Коррозия блуждающими токами.

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).

То, что мы говорили о кристаллической решетке металлов, относится к чистым металлам, но мы знаем, что в практике применяют преимущественно сплавы.

Страницы: 1 2 3

Источник: https://sprav0chnik.ru/stroenie-metallov/

Кристаллическое строение металлов

• МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
• Конспект лекций
• Челябинск
• Издательство ЮУрГУ

УДК 620.22(075.8)

1. Г82
2. Одобрено
3. учебно-методической комиссией энергетического факультета
4. Рецензенты:

Б.К. Сеничкин, В.М. Мустакимова

Г82	Грибанов, А.И. Материаловедение: конспект лекций/ А.И. Грибанов. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. – 71 с.
ISBN
В конспекте лекций рассмотрены кристаллическое строение металлов, процессы кристаллизации, пластической деформации, рекристаллизации и диаграммы состояний. Приведены данные о составе и свойствах чугунов и сталей. Описаны основные виды термической обработки. Рассмотрены виды, структура и свойства огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Конспект лекций предназначен для студентов заочной формы обучения специальности «Промышленная теплоэнергетика», изучающих дисциплину «Материаловедение».
УДК 620.22(075.8)
ISBN	Ó Издательство ЮУрГУ, 2008.

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение – наука, изучающая металлические и неметаллические материалы, применяемые в технике, и объективные зависимости их свойств от химического состава, строения (структуры) и способа обработки.

Решение многих технических проблем, связанных с уменьшением массы машин и приборов, повышением их надёжности и работоспособности во многом зависит от развития материаловедения.

Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии. Но материаловедение развивается в основном экспериментально.

Поэтому разработка новых методов исследования строения и физико-механических свойств материалов способствует развитию материаловедения.

Значительный вклад в развитие науки о материалах внесли русские и советские учёные. П.П. Аносов (1799–1851 гг.) установил связь между строением стали и её свойствами. Д.К. Чернов (1839–1921 гг.) открыл полиморфизм стали. Н.С. Курнаков (1860–1941 гг.) занимался разработкой методов физико-химического исследования и классификацией сложных фаз в металлических сплавах.

Большой вклад в развитие материаловедения внесли зарубежные учёные: А. Ле-Шателье (Франция), Р. Аустен (Англия), М. Лауэ и П. Дебай (Германия) и др.

• Кристаллическое строение металлов
• Общая характеристика и структурные методы исследования металлов
• Существуют две разновидности твёрдых тел, отличающиеся своими свойствами, кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела при нагреве остаются твёрдыми до вполне определённой температуры. У них переход из твёрдого состояния в жидкое и наоборот происходит при температуре плавления или кристаллизации.

Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идёт в обратном направлении.

Различие в свойствах кристаллических и аморфных тел объясняется различием их атомно-кристаллического строения. В аморфных телах атомы, как в твёрдом состоянии, так и в жидком в пространстве располагаются хаотично.

В кристаллических телах в твёрдом состоянии атомы располагаются упорядоченно во всём объёме, то есть существует «дальний» порядок.

1. В зависимости от применяемых методов изучения строения материалов и размеров структурных составляющих различают: макроструктуру, микроструктуру и субструктуру (тонкую структуру).
2. Макроструктура – строение металла или сплава, видимое невооружённым глазом или при небольших увеличениях (с помощью лупы).
3. Микроструктура – строение металла или сплава, выявленное с помощью оптического или электронного микроскопа (увеличение до двух тысяч раз в оптических и до 105…106 раз – в электронных).

Субструктура описывает расположение элементарных частиц в кристалле и электронов в атомах. Изучается дифракционными методами (рентгенография, электронография, нейтронография) [1].

Дефекты кристаллического строения

В реальных кристаллах нет идеально правильного расположения атомов во всём объёме кристалла. Всегда имеются нарушения правильности расположения атомов. Эти нарушения называются дефектами кристаллического строения (ДКС). Они делятся на: 1) точечные; 2) линейные; 3) поверхностные.

Точечные дефекты

Размеры точечного дефекта близки к межатомному расстоянию. К точечным дефектам относятся вакансии и межузельные атомы. Вакансиями называют узлы кристаллической решётки, в которых отсутствуют атомы. Межузельным называется атом, расположенный между узлами кристаллической решётки (рис. 1.4).

а) б) в)

Рис. 1.4. Точечные дефекты:

а – вакансия; б – схема перемещения вакансии по кристаллу;

в – межузельный атом

Вакансии чаще всего образуются при переходе атомов из узла решётки на поверхность и реже в результате их перехода в междоузлие. Точечные дефекты возникают в результате теплового движения атомов.

При любой температуре всегда имеются атомы, у которых кинетическая энергия больше среднего для данной температуры значения. Эти атомы могут преодолеть потенциальный барьер, создаваемый соседними атомами, и выйти из своего узла на поверхность или в междоузлие.

В плотноупакованных решётках вакансий гораздо больше, чем межузельных атомов. Вакансии легко перемещаются по кристаллу. Чем выше температура, тем больше количество вакансий и меньше время нахождения их в одном узле решётки.

При температуре, близкой к температуре плавления (tпл), количество вакансий может достигнуть ~1 % по отношению к числу атомов в кристалле. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решётки [2].

Линейные дефекты

Основным видом линейных ДКС являются дислокации. Они бывают краевые и винтовые.

Мысленно надрежем идеальный кристалл и в образовавшуюся щель вставим дополнительную атомную полуплоскость (экстраплоскость). Такой «клин» искажает кристаллическую решетку. Это искажение особенно значительно у края экстраплоскости. Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости называют краевой дислокацией (рис. 1.5).

а) б)

Рис. 1.5. Краевая дислокация (а) и расположение атомов

в области дислокации (б)

Вокруг дислокации решётка упруго искажена. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают , если в нижней – то отрицательной и обозначают . В поперечном сечении кристалла нарушение в правильности расположения атомов, вызванные дислокацией, распространяются на несколько периодов решётки, а в направлении, перпендикулярном сечению, на многие тысячи межатомных расстояний.

Дислокации при приложении небольшого касательного усилия легко перемещаются.

Экстраплоскость в результате незначительного смещения перейдёт в полную плоскость кристалла, а её функции будет выполнять соседняя плоскость. Дислокации одинакового знака отталкиваются, а разного знака притягиваются.

Дислокации возникают в процессе кристаллизации, пластической деформации и т.п. Они оказывают большое влияние на свойства металлов [2].

Плотностью дислокаций называют суммарную длину дислокаций Sl в единице объёма V:

, см–2.

У отожженных металлов r =106…108 см–2. После большой холодной пластической деформации r=1011…1012 см–2. Попытка увеличить плотность дислокаций свыше 1011…1012 см–2 приводит к появлению трещин и разрушению металла.

Особенно велико влияние дислокаций на прочность металлов. При значительном увеличении плотности дислокаций и уменьшении их подвижности прочность увеличивается в несколько раз по сравнению с отожженными металлами [3].

Поверхностные дефекты

К поверхностным ДКС относятся: 1) границы зёрен; 2) границы субзёрен.

Поликристалл содержит огромное число мелких зёрен. Границы зёрен представляют собой переходную область, в которой кристаллическая решётка одного зерна с определённой ориентировкой в пространстве плавно переходит в решётку другого зерна с иной ориентировкой (рис. 1.6, а).

а) б)

Рис. 1.6. Поверхностные дефекты:

а – большеугловая граница (q – угол разориентировки);

б – малоугловая граница

Граница между зёрнами имеет ширину 1…5 нм. На границе нарушена правильность расположения атомов. Границы зёрен называют большеугловыми, так как кристаллографические направления в соседних зёрнах образуют углы (q), достигающие десятков градусов.

Каждое зерно металла состоит из отдельных блоков или субзёрен. Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения, в которой отсутствуют дислокации. Малоугловая граница между субзёрнами представляет собой стенку дислокаций (рис. 1.6, б).

Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства металлов. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения.

Строение сплавов

Сплавы – материалы, содержащие не менее двух элементов. Сплавы получают в результате сплавления, спекания, плазменного напыления, электролиза и т.п. Они имеют более сложное строение. В славах элементы могут по-разному взаимодействовать между собой, образуя различные фазы. Фазой называется однородная обособленная часть сплава, имеющая одинаковый состав, строение и свойства.

В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия могут образовываться следующие фазы: 1) жидкие растворы; 2) твёрдые растворы; 3) химические соединения; 4) промежуточные фазы, которые имеют признаки как твердых растворов, так и химических соединений.

Твёрдыми растворами называют фазы, в которых атомы одного элемента располагаются внутри кристаллической решётки другого элемента, не изменяя типа кристаллической решётки. Элемент, решётка которого сохраняется в твёрдом растворе, называется растворителем, а другой – растворимым.

Различают твёрдые растворы замещения (рис. 1.7, а) и внедрения (1.7, б). При образовании твёрдых растворов замещения атомы растворённого элемента замещают часть атомов растворителя в узлах его кристаллической решётки.

а) б)

Рис. 1.7. Схема твёрдого раствора замещения (а) и внедрения (б)

Атомы растворённого элемента могут замещать любые узлы решётки растворителя. Твёрдые растворы замещения образуют элементы, атомные радиусы которых отличаются не более чем на 15 %.

Растворимость элементов в твёрдом растворе уменьшается при увеличении различия в атомных радиусах сплавляемых элементов и их валентности.

При образовании твёрдых растворов замещения возможна и неограниченная растворимость.

Это происходит, когда при любом соотношении сплавляемых элементов все разнородные атомы размещаются в узлах общей пространственной решётки (например: медь с золотом, медь с никелем, германий с кремнием.)

Многие твёрдые растворы замещения могут находиться в упорядоченном состоянии, то есть атомы растворителя и растворённого элемента занимают определённые узлы кристаллической решётки. Такие растворы называют упорядоченными или «сверхструктурами».

В твёрдых растворах внедрения атомы растворенного элемента располагаются в междуузлиях, то есть в порах. Такие растворы образуют переходные металлы с неметаллами, имеющими небольшой атомный радиус (Н, N, C, B).

Образование твёрдых растворов приводит к искажению кристаллической решётки, причем для твёрдых растворов внедрения это искажение больше. Искажение кристаллической решётки делает сплавы более прочными по сравнению с чистыми металлами, но при этом сплавы сохраняют достаточно высокую пластичность. Твёрдые растворы являются основой большинства промышленных сплавов [3].

Химические соединения

Химические соединения, встречающиеся в металлических сплавах, очень разнообразны.

Они отличаются от твёрдых растворов следующими признаками: 1) имеют строго определённый состав и химическую формулу AmBn , где А и В – соответствующие элементы, n и m – простые числа; 2) кристаллическая решётка химического соединения отличается от решёток компонентов, образующих соединения; 3) свойства химических соединений сильно отличаются от свойств образующих элементов; 4) они имеют постоянную температуру плавления; 5) образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

В отличие от твёрдых растворов химические соединения обычно образуются между элементами, которые имеют большое различие в строении атомов и кристаллических решёток.

Наилучшие механические свойства имеют те сплавы, основой которых являются твёрдые растворы с залегающими в них мелкодисперсными твердыми частицами химических соединений или промежуточных фаз. Чем больше в сплаве таких частиц, тем выше его твёрдость и прочность, но ниже пластичность и вязкость.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Переход металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. При кристаллизации система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией. Изменение свободных энергий жидкого Fж и твердого Fтв металла зависит от температуры (рис. 2.1).

Выше температуры Т0 более устойчив жидкий металл. Он имеет меньший запас свободной энергии, а ниже этой температуры более устойчив твердый металл. Температуру Т0 называют равновесной температурой кристаллизации. При этой температуре одновременно могут сосуществовать жидкая и твердая фаза.

Рис. 2.1. Изменение свободных энергий F жидкого и твёрдого

металла с температурой

Процесс кристаллизации при этой температуре еще не начинается. Он может протекать только при переохлаждении металла ниже Т0. Разность между температурами Т0 и Тк называется степенью переохлаждения

DТ= Т0 –Тк.

Кривые охлаждения, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью, показаны на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Кривые охлаждения металла

при кристаллизации.

Скорости охлаждения n1

Источник: https://infopedia.su/2xae7f.html

Кристаллическое строение металлов, схема и примеры

Металлы можно охарактеризовать при помощи нескольких свойств, которые будут общими для всех элементов. К таким характеристикам следует отнести высокую электрическую проводимость и теплопроводность, пластичность, благодаря которой металлы можно подвергать ковке, прокатке, штамповке или вытягиванию в проволоку, металлический блеск и непрозрачность.

В зависимости от температуры кипения все металлы подразделяют на тугоплавкие (Tкип> 1000oС) и легкоплавкие (Tкип< 1000oС). Примером тугоплавких металлов может быть – Au, Cu, Ni, W, легкоплавких – Hg, K, Al, Zn.

Кристаллическое строение металлов

Кристаллическое строение металлов на практике изучают различными физико-химическими методами, которые условно можно поделить на две группы:

• методы изучения внутреннего строения металлов;
• методы изучения внешних форм металлов.

В первом случае для достижения поставленной цели чаще всего используют рентгеноструктурный анализ, с помощью которого можно установить тип и параметры кристаллических решеток металлов.

Кристаллические решетки бывают нескольких типов. Для большинства металлов характерны следующие типы кристаллических решеток:

• объемноцентрированная кубическая (Li, Na, K, V, Cr, Fe, Pb, W и т.д.);
• гранецентрированная кубическая (Al, Ca, Ni, Cu, Ag, Au и др.);
• гексагональная (Be, Mg, Cd, Ti, Co, Zn).

Элементарные ячейки решеток этих типов представлены на рис. 1.

Рис. 1. Виды кристаллических решеток металлов: а) объемноцентрированная кубическая; б) гранецентрированная кубическая; в) гексагональная.

Размеры, форму и взаимное расположение кристаллов в металлах изучают металлографическими методами, из которых наиболее полную оценку дает микроскопический анализ шлифа металла.

Кристаллы металлов чаще всего имеют небольшие размеры, следствием чего является тот факт, что металлы состоят из большого числа кристаллов (поликристаллическая структура). Когда металл кристаллизуется из расплава, то нередко возникает такая ситуация, когда кристаллы мешают друг другу принять кристаллическую форму, и чтобы отличить их от ограненных кристаллов их принято называть зернами.

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Источник: http://ru.solverbook.com/spravochnik/ximiya/11-klass/stroenie-atoma/kristallicheskoe-stroenie-metallov/