Рекомендуемая литература к курсу «Металловедение»:

1. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьев Материаловедение: учебник для втузов - М.: Альянс, 2009.

2. Технология металлов и сварка: учебник для вузов. Под ред. П.И. Полухина. - М.: Высшая школа, 1977.

3. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение: Учебник для вузов. Изд. 3-е перераб. и доп. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2004.

4. А.Е. Шейкин Строительные материалы: Учебник для вузов - М.: Стройиздат, 1978.

Лекция 1

строение и Кристаллизация металлов

(1. Кристаллизация металлов. 2. Строение металлов. 3. Анизотропия свойств кристаллов. 4 Кристаллизация. 5. Превращения в твердом состоянии)

1. Классификация металлов

Определение. Металловедение − наука, изучающая взаимосвязь между составом, строением и свойствами металлов.

Так что такое металлы?

В химии под металлами понимают элементы Периодической таблицы, которые, вступая в химическую реакцию с элементами, являющимися неметаллами, отдают им свои внешние, так называемые валентные электроны. Это является следствием того, что у металлов внешние электроны непрочно связаны с ядром; кроме того, на наружных электронных оболочках электронов немного – всего 1-2, тогда как у неметаллов 5-8.

В технике под металлом понимают вещества, обладающие «металлическим блеском», в той или иной мере присущим всем металлам, и пластичностью. По этому признаку металлы можно легко отличить от неметаллов, например дерева, камня, стекла (по определению М.В. Ломоносова: «Металлы суть светлые тела, которые ковать можно»).

Теория металлического состояния рассматривает металл как вещество, состоящее из положительно заряженных ионов, окруженных отрицательно заряженными частицами – электронами, слабо связанными с ядром. Эти электроны непрерывно перемещаются внутри металла и принадлежат не одному какому-то атому, а всей совокупности атомов.

Вывод: Характерной особенностью строения металлов является наличие в нем электронного газа, слабо связанного с положительно заряженными ионами. Легкое перемещение этих электронов внутри металла и малая их связь с атомами обусловливают наличие у металлов определенных металлических свойств – высокая электро- и теплопроводность, металлический блеск, пластичность и др.

На практике находят широкое применение не чистые металлы, а их сплавы.

Определение. Сплавом называется сложное вещество, в состав которого помимо основного металла входят в меньших количествах другие вещества, относящиеся как к металлам, так и не металлам.

Металлы подразделяют на две большие группы – черные и цветные.

Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочноземельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и часто обладают полиморфизмом (см. ниже). Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Черные металлы подразделяются на:

1. Железные металлы – железо, кобальт, никель (ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам марганец (кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали).

2. Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем железа (т. е. выше 1539 °С) (их применяют как добавки в легированных сталях, а также в качестве основы для соответствующих сплавов).

3. Урановые металлы – актиниды (находят применение в сплавах для атомной энергетики).

4. Редкоземельные металлы – лантаноиды (лантан, церий, неодим и др.) и сходные с ними по свойствам иттрий и скандий (их применяют как присадки к сплавам).

5. Щелочноземельные металлы – в свободном металлическом состоянии не применяются.

Для строительства и на железнодорожном транспорте находят применение первые две группы черных металлов.

Цветные металлы подразделяются на:

1. Легкие металлы – бериллий, магний, алюминий (обладают малой плотностью).

2. Благородные металлы – серебро, золото, металлы платиновой группы (обладают высокой устойчивостью против коррозии).

3. Легкоплавкие металлы – цинк, олово, свинец, сурьма и др. (применяют в сплавах для снижения температуры плавления).

2. Строение металлов

В зависимости от температуры и давления вещество может находиться в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном (рис. 1).

Рис. 1 – Области агрегатного состояния материала в зависимости от температуры и давления

При атмосферном давлении переход от твердого состояния в газообразное происходит через образование жидкой фазы. При давлении ниже атмосферного такой переход, происходящий без расплавления, называется сублимацией. Агрегатные состояния отличаются взаиморасположением образующих их частиц (атомов, молекул): а) для газообразного состояния характерно хаотическое движение частиц, б) жидкого – ближний порядок (в пространстве закономерно располагается ограниченное число частиц, причем их расположение неустойчиво и изменяется под действием тепловых колебаний – рис. 2б;

в) твердого – дальний порядок (упорядоченное расположение всех частиц в пространстве – рис. 2а).

 В курсе лекций не изучаются металлические стекла, для которых характерен ближний порядок частиц (аморфное состояние).

Дальний порядок с закономерным расположением частиц в пространстве характеризует кристаллическое состояние материала.

а) б) Рис. 2 – Схематическое изображение дальнего (а) и ближнего (б) порядков частиц в твердых телах

а) б) Рис. 3 – Схемы кристаллографической плоскости (а) и пространственной кристаллической решетки (б)

Определения. 1. Атомы, закономерно чередующиеся в одной плоскости и соединенные воображаемыми линиями, символизирующими силы связи, образуют кристаллографическую плоскость (рис. 3а).

2. Упорядоченное многократное повторение кристаллографических плоскостей в пространстве образует пространственную кристаллическую решетку (рис. 3б).

3. Минимальный объем пространственной кристаллической решетки называется элементарной кристаллической ячейкой.

Элементарная кристаллическая ячейка характеризуется длиной ребер (а, b, c) и углами (α, β, γ) между ними (рис. 4), соотношение между которыми определяют тип (сингонию) элементарной кристаллической ячейки (рис. 5).

 Расстояния в элементарной ячейке измеряют в ангстремах Å (1 Å = 10^-10 м).

а) б)

Рис. 4 – Параметры элементарной кристаллической ячейки (а) и простая кубическая ячейка (б) с ребрами а = b = c и углами α = β = γ = 90⁰

Рис. 5 – Типы элементарных ячеек

Среди промышленных металлов наиболее распространены следующие типы элементарных кристаллических ячеек:

- объемно-центрированная кубическая (ОЦК решетка, рис. 6а);

- гранецентрированная кубическая (ГЦК решетка, рис. 6б);

- гексагональная плотноупакованная (ГПУ решетка, рис. 6в).

а) б) в)

Рис. 6 – Типы распространенных для металлов кристаллических решеток и схемы упаковки в них атомов: а – объемно-центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

Определение. Криста́ллы – твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую кристаллическую решётку.