Изучение процесса кристаллизации
Цель работы
1.1.1. Изучить процесс кристаллизации из жидкого состояния.
1.1.2. Изучить процесс кристаллизации на изломах слитков, полученных из расплавленного состояния при различных условиях охлаждения.
1.1.3. Зарисовать картину кристаллизации поваренной соли (NaСl) из насыщенного водного раствора.
1.2. Приборы и материалы
Биологический микроскоп, образцы разрушенных слитков, раствор поваренной соли, спиртовка, плакаты.
1.3. Основные теоретические сведения
1.3.1. Свойства металлов
Металлами являются 88 из 110 известных химических элементов таблицы Менделеева. Металлы - один из классов конструкционных материалов, которые проявляют следующие характерные свойства:
высокую теплопроводность и электропроводимость;
положительный температурный коэффициент электросопротивления (с повышением температуры электросопротивление растет);
способность к термоэлектронной эмиссии (при нагреве поверхность металла испускает электроны);
непрозрачность, металлический блеск;
высокую пластичность, т. е. способность деформироваться без разрушения.
Все эти свойства обусловлены атомным строением и типом связи между атомами металлов.
Теория металлического состояния рассматривает металл, как вещество, состоящее из положительно заряженных ионов, окруженных свободными электронами. Свободные электроны, как бы создают газ, который хаотично распространяется во всех направлениях, связывая ионы в металле. Между положительными ионами и свободным электронным газом возникают силы, электростатического взаимодействия, которые обуславливают металлический тип связи между атомами.
Металлическая связь ненаправленная: каждый атом стремится притянуть к себе как можно больше других, поэтому металлы образуют компактные, плотно упакованные кристаллические структуры. Это позволяет легко смещать одни слои атомов относительно других, вместо нарушенных межатомных связей тут же образуются новые. Металл деформируется, но не разрушается, т. е. проявляет пластичность. Именно это уникальное свойство позволило металлам стать важнейшим конструкционным материалом, обеспечивая одновременно надежность в работе и технологичность при изготовлении.
1.3.2. Типы кристаллических решеток
Почти все металлические изделия являются поликристаллами, т. е. состоят из огромного числа мелких кристалликов или зерен. В каждом зерне атомы (ионы) расположены закономерно, образуя пространственную кристаллическую решетку (рис.1.1). Такая решетка представляет собой систему линий, соединяющих центры соседних атомов. На самом деле этих линий в кристалле нет, атомы имеют шарообразную форму и соприкасаются внешними электронными оболочками.
Рис. 1.1. Пространственная кристаллическая решетка
Основное свойство кристаллических решеток – их пространственная периодичность. Это значит, что любую кристаллическую решетку можно представить состоящей из множества одинаковых соприкасающихся микрообъемов, называемых элементарными ячейками.
Атомы в кристалле расположены на строго определенном расстоянии, на котором энергия взаимодействия между ними минимальна. Силы притяжения и отталкивания между двумя соседними атомами с увеличением расстояния уменьшаются.
Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». У металлов чаще всего встречаются три типа кристаллических решеток из 14 возможных:
ОЦК - объемноцентрированная кубическая (Feα, Cr, W, Mo, Na);
ГЦК - гранецентрированная кубическая (Feγ., Ni, Cu, Al, Ag, Au);
ГПУ – гексагональная плотноупакованная (Zn, Cd, Mg, Ti, Be).
Методы условного изображения кристаллической ячейки различны, чаще пользуются схемами из плотных шаров и в виде правильных геометрических фигур (рис.1.2).
Рис. 1.2. Модели элементарных ячеек:
а, г – ГПУ (гексагональная плотноупакованная);
б, д – ГЦК (гранецентрированная кубическая);
в, е – ОЦК (объемноцентрированная кубическая)
Любая кристаллическая решетка характеризуется следующими величинами:
а) размер любой кристаллической решётки характеризуется параметром или периодом (a, b, c) т.е. расстоянием между двумя параллельными плоскостями в элементарной ячейке. Параметром кубической решетки является длина ребра куба «а». Гексагональную решетку определяет два параметра – сторону шестигранника «а» и «c» - высота призмы. Когда отношение с/а = 1,633, то атомы упакованы наиболее плотно, и решетка называется плотноупакованной. Период решетки металлов находится в пределах 0,1….0,7 нm, измеряется в нанометрах.
б) Базисом кристаллической решетки является число атомов приходящихся на одну элементарную ячейку.
в) Плотность характеризуется объемом, который занимают атомы в кристаллической решетке. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемноцентрированной кубической решетки - 0,68, для гранецентрированной кубической решетки - 0,74).
г) Координационное число решетки - это число атомов, находящихся на наиболее близком равном расстоянии от избранного атома. В ОЦК решетке координационное число равно 8 (К8); в ГЦК и ГПУ - К12.