Основные сведения о металлах и сплавах
В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.
Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.
Причина этого – в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.
Железный век продолжается. Примерно 9 /10 всех используемых человечеством металлов и сплавов – это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о прочих металлах.
Было время, когда железо на земле ценилось значительно дороже золота. Советский историк Г. Арешян изучал влияние железа на древнюю культуру стран Средиземноморья. Он приводит такую пропорцию: 1 : 160 : 1280 : 6400. Это соотношение стоимостей меди, серебра, золота и железа у древних хеттов.
До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20…40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3 раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.
Кристаллическое строение металлов. Характерные свойства металлов. Виды кристаллических решеток, дефекты их строения.
Металлы – простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами:
- специфический «металлический» блеск (хорошая отражательная способность и непрозрачность);
- высокая электропроводность;
- высокая теплопроводность;
- пластичность;
- отрицательный температурный коэффициент электропроводности (возрастание электросопротивления с повышением температуры).
Самыми распространенными в природе металлами являются алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний и титан.
Характерные свойства металлов обусловлены строением их атомов.
Из курса физики известно, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных частичек – электронов. В ядре атома находятся положительно заряженные частицы – протоны. Количество протонов равно количеству окружающих ядро электронов, т. е. атом в целом является электрически нейтральным.
Атом может терять или приобретать электроны. Тогда он превращается в электрически заряженный атом — ион. При избытке электронов ион заряжен отрицательно, при недостатке электронов — положительно.
Принадлежащие атому электроны разделяют на валентные (внешние), движущиеся по внешним орбитам, и внутренние, движущиеся по более близким к ядру орбитам.
Благодаря слабой связи внешних электронов с ядром в металлах всегда имеются электроны, подвергающиеся воздействию положительно заряженных ядер близлежащих атомов. Такие электроны называются свободными. Свободные электроны принадлежат не одному какому-либо ядру, а блуждают по всему металлу, вращаясь вокруг ядра то одного, то другого иона.
Наличием большого количества свободных электронов (называемых также коллективными или «электронный газ») и объясняются указанные выше характерные признаки металлов.
В отличие от металлов неметаллы, как правило, хрупки, лишены металлического блеска, имеют низкую тепло- и электропроводность. Электросопротивление неметаллов с повышением температуры понижается.
Все металлы в нормальных условиях являются твёрдыми телами (за исключением ртути) и представляют собой вещества, состоящие из большого числа мелких зёрен – кристаллов, упорядоченно расположенных друг относительно друга в пространстве. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.
Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.
Основными типами кристаллических решёток являются:
1) Объемно – центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1 а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Feα)
2) Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1 б), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Cu, Al, Ag, Au, Feγ)
3) Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:
простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).
Рисунок 1 – Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая;
б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная
Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропиейили полиморфизмом.
Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe): t 1539°С – ОЦК – Feσ.
Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.
Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.
В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают точечные, линейные и поверхностные дефекты.
Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей (рис. 2).
Рисунок 2 – Точечные дефекты
Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки.
Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие.
Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.
Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.
Основными линейными дефектами являются дислокации.
Д 
ислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.
Рисунок 3 – Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации
Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее механическое напряжение, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.
Дата добавления: 2015-11-20 ; просмотров: 4237 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Тип кристаллической решетки
Состоят из ионов. Образуют вещества с ионной связью. Обладают высокой твердостью, хрупкостью, тугоплавки и малолетучи, легко растворяются в полярных жидкостях, являются диэлектриками. Плавление ионных кристаллов приводит к нарушению геометрически правильной ориентации ионов относительно друг друга и ослаблению прочности связи между ними. Поэтому их расплавы (растворы) проводят электрический ток. Ионные кристаллические решетки образуют многие соли, оксиды, основания.
В узлах находятся атомы, которые соединены между собой ковалентными связями. Атомных кристаллов много. Все они имеют высокую температуру плавления, не растворимы в жидкостях, обладают высокой прочностью, твердостью, имеют широкий диапазон электропроводимости. Атомные кристаллические решетки образуют элементы III и IV групп главных подгрупп (Si, Ge, B, C).
Продолжение табл. З4
Состоят из молекул (полярных и неполярных), которые соединены между собой слабыми водородными, межмолекулярными и электростатическими силами. Поэтому молекулярные кристаллы имеют малую твердость, низкие температуры плавления, малорастворимы в воде, не проводят электрический ток и обладают высокой летучестью. Молекулярную решетку образует лед, твердый углекислый газ («сухой лед»), твердые галогенводороды, твердые простые вещества, образованные одно- (благородные газы), двух- (F2, Cl2, Br2, J2, H2, N2, O2), трех- (O3), четырех- (P4), восьми- (S8) атомными молекулами, многие кристаллические органические соединения.
Состоят из атомов или ионов металлов, соединенных металлической связью. Узлы металлических решеток заняты положительными ионами, между которыми перемещаются валентные электроны, находящиеся в свободном состоянии (электронный газ). Металлическая решетка является прочной. Этим объясняются свойственные большинству металлов твердость, малая летучесть, высокая температура плавления и кипения. Она же обусловливает такие характерные свойства металлов как электро- и теплопроводность, блеск, ковкость, пластичность, непрозрачность, фотоэффект. Металлической кристаллической решеткой обладают чистые металлы и сплавы.
Кристаллы по величине электропроводности делятся на три класса:
Проводники I рода – электропроводность 10 4 – 10 6 (Омсм) -1 –вещества с металлической кристаллической решеткой, характеризующиеся наличием «переносчиков тока» – свободно перемещающихся электронов (металлы, сплавы).
Диэлектрики (изоляторы) – электропроводность 10 -10 -10 -22 (Омсм) -1 – вещества с атомной, молекулярной и реже ионной решеткой, обладающие большой энергией связи между частицами (алмаз, слюда, органические полимеры и др.).
Полупроводники – электропроводность 10 4 -10 -10 (Омсм) -1 – вещества с атомной или ионной кристаллической решеткой, обладающие более слабой энергией связи между частицами, чем изоляторы. С ростом температуры электропроводность у полупроводников возрастает (серое олово, бор, кремний и др.)
сталь углеродистый закалка сплав
В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.
Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.
Причина этого – в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.
Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определённым набором свойств:
«металлический блеск» (хорошая отражательная способность);
Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объёму металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.
Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».
Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.
Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.
Элементарная ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.
Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются: размеры рёбер элементарной ячейки- a, b, c , периоды решётки-расстояния между центрами ближайших атомов в одном направлении выдерживаются строго определённые углы между осями ().
Координационное число (К)- указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.
Базис-решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.
Плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74)
Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа;
Кубическая (рис. а)- узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;
Объемно-центрированная кубическая ОЦК (рис а) – атомы занимают вершины ячеек и ее центр (V, W, Ti, )
Гранецентрированная кубическая ГЦК (рис. б)- атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней (Ag, Au,Fe )
Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).
Кристаллическая решетка платины ГЦК (рис.б) основные характеристики координатное число 12, базис 4, плотность упаковки атомов в кристаллической решетке -0,74
Расчет базиса: Рассмотрим рисунок б. 8 граней куба элементарной ячейки, каждый атом в вершине куба принадлежит одновременно 8-ми сопряженным элементарным ячейкам и на данную ячейку приходится только 1/8 массы атома, а на всю ячейку 1/8Ч8=1 атом. В плоскостях тоже есть атомы 6 плоскостей каждый атом принадлежит двум элементарым ячейкам. Отсюда базис равен 1+3=4.