Раздел I. Металловедение

1. Элементы теория сплавов

1.1. Кристаллическое строение и свойства металлов.

Металловедение – наука, изучающая строение и свойства металлов и металлических сплавов, а также устанавливающая связь между их составом, строением (структурой) и свойствами при тепловых, механических, химических и физических воздействиях.

Металлами называют простые вещества, обладающие определенным кристаллическим строением, высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью, а также блеском и непрозрачностью. Эти свойства обусловлены их электронным строением.

Согласно современным представлениям металлы можно рассматривать как вещества, обладающие определенной кристаллической решеткой, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы, совершающие колебательное движение с частотой порядка 10¹³ Гц.¹⁾ Этот ионный кристаллический остов погружен в электронный газ. Электронный газ - это электроны, находящиеся на внешней орбите атомов, слабо связанные с ядром, легко переходящие с орбиты одного атома на орбиту другого, своей подвижностью напоминающие перемещение частиц в газе.

Между положительно заряженными ионами и окружающими их свободными валентными электронами (электронным газом) возникает электростатическое притяжение. Это притяжение является основной связью, так называемой металлической связью, удерживающей отдельные атомы в металле.

¹⁾ В ряде случаев под влиянием локальных тепловых процессов атомы могут перемещаться в кристаллической решетке. Это явление называют диффузией. Диффузию однородных атомов называют самодиффузией.

Сближение ионов ограничивается их взаимным отталкиванием. Уравновешивание сил притяжения и отталкивания приводит к равномерному и закономерному распределению атомов в пространстве, т.е. кристаллическому строению.

При этом каждый ион должен иметь достаточно близких соседей, чтобы обобществленные электроны могли насытить валентности всех атомов. Этим объясняется тот факт, что металлы образуют так называемые плотноупакованные структуры.

Металлическое состояние характеризуется высокой прочностью связи. Мерой ее служит теплота сублимации (испарения), под которой понимают энергию, необходимую для разделения твердого металлического тела на отдельные атомы. Теплота сублимации металлов находится в пределах 100 – 1000 кДж/(г∙атом).

Рассмотренное строение металлов позволяет объяснить характерные свойства металлов. Высокая электропроводность металлов связана с наличием свободных электронов, которые под воздействием даже небольшой разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному. С повышением температуры амплитуда колебаний ионов возрастает, это затрудняет движение электронов, что приводит к росту электросопротивления. При низких температурах колебательное движение ионов уменьшается, и электропроводность резко возрастает.

Высокая теплопроводность металлов обусловливается как большой подвижностью свободных электронов, так и колебательным движением ионов, способных передавать импульс соседнему иону, вследствие чего происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла.

Высокая пластичность металлов объясняется особенностями кристаллического строения металлов (наличием дислокаций), а также ненаправленностью металлической связи, т.е. равномерным распределением электронов по объему кристалла. В процессе пластической деформации металла, при которой происходит смещение отдельных объемов относительно других, связь между ионами не нарушается.

Химические свойства металлов определяются тем, что металлы сравнительно легко отдают валентные электроны и образуют положительные ионы, проявляют положительную степень окисления, образуя основные оксиды и гидроксиды. Большинство металлов замещает водород в кислотах.

Блеск и непрозрачность металлов обусловлены способностью хорошо отражать электромагнитные волны.

Металлическими свойствами обладают более 80 химических элементов и огромное количество сплавов. В технике металлы принято делить на черные (железо и сплавы на его основе) и цветные (все остальные). Металлы (металлические сплавы) играют огромную роль главным образом как конструкционные и электротехнические материалы.