книги из ГПНТБ / Рудой, Б. Л. Композиты

Которое видит он, как каплю, Которая находится в центре Атома, Который построил Бор.

Энергия атома определяется суммой состояний орбитальных электронов. Все электроны не могут за­ нимать низшие энергетические состояния. Они нахо­ дятся на разных орбитах, соответствующих уровням энергии внутри данного атома.

Элементарные орбиты обладают определенной емкостью. Первая, ближайшая к ядру орбита вме­ щает два электрона, на второй их может уместиться восемь. У атомов с большим количеством электронов первые орбиты целиком заполнены. Разумеется, по этим орбитам не узнаешь, какой химический эле­ мент перед тобой. Лишь на последней, наружной ор­ бите проявляется своеобразие атомов различных элементов. Здесь располагаются электроны, обеспе­ чивающие химическую связь и обладающие наи­ большей энергией. Химические процессы в итоге сво­ дятся к перестройке электронной структуры атомов.

До создания квантовой механики полагали, что существует особая химическая сила, обеспечивающая связь атомов. Квантовая механика объяснила при­ чинность этой связи, которая возникает в результате взаимодействия электронных конфигураций атомов. Химическая связь атомов в своей основе имеет элек­ трическую природу.

Но вернемся к электронным орбитам. Что застав­ ляет электроны группироваться на них определен­ ным образом? На этот вопрос ответил известный ученый В. Паули.

В любой системе элементарных частиц, напри­ мер, в системе электронов атома, не может быть двух электронов, движущихся по одной и той же

21

траектории с одинаковой скоростью, иными словами, занимающих один и тот же энергетический уровень. В атоме любого элемента электроны распределяются по разрешенным состояниям так, что общая энергия атома минимальна. Принцип Паули как бы регули­ рует застройки электронных оболочек.

Применив предложенный им принцип запрета и используя данные спектроскопических наблюдений, Паули вывел из оболочечного (орбитального) стро­ ения атома многие свойства элементов. Принцип Паули, выраженный им в изящной математической форме, стал важнейшей составной частью квантовой механики. Он формулируется так: атом не может существовать в таком квантовом состоянии, при кото­ ром два электрона данного атома имели бы одинако­ вый набор квантовых чисел. Если электроны в атоме обменяются местами, свойства атома не изменятся, так как электроны — это своеобразные стандартные детали атома. На этом и зиждется устойчивость мира.

Но если из атома удалить или атому прибавить электрон? От наличия или отсутствия электронов на внешней орбите зависит способ, которым соеди­ няются атомы. При этом могут образоваться крис­ таллы, жидкость или газ.

При нагревании металлы расширяются, так как тепловая энергия увеличивает кинетическую энергию атомов, расположенных в узлах кристаллической ре­ шетки. Колебания атомов становятся интенсивней, столкновения между ними— сильней. Теперь каждый атом занимает несколько больший объем. Вне зави­ симости от того, в каком состоянии находится ме­ талл,— в твердом, жидком или газообразном — при нагревании он будет непрерывно расширяться. Само собой разумеется, что при парообразном состоянии

22

металла его атомы обладают наибольшей энергией. При постепенном снижении температуры скорость и интенсивность столкновений атомов снижаются. Ато­ мы располагаются ближе друг к другу, силы при­ тяжения между ними увеличиваются. Отдельные ато­ мы с потерей энергии в виде тепла постепенно теря­ ют свободу перемещения.

Взаимодействие между атомами металлического расплава напоминает связь между шариками, нахо­ дящимися в непрерывно встряхиваемом сосуде. В разных местах объема возникают уплотнения, ко­ торые при перемешивании уничтожаются. С пони­ жением температуры группировки атомов становятся более многочисленными и устойчивыми. При темпе­ ратуре затвердевания кинетическая энергия атомов металлического расплава мала и не может разру­ шить образующиеся группировки атомов. Попадая в область притяжения, вызванного группировкой ато­ мов, соседние атомы не разрушают ее, а пристраива­ ются к ней. При этом выделяется определенное ко­ личество энергии (теплота плавления).

Группировки атомов с определенной симметрией служат как бы центрами кристаллизации. Образует­ ся множество прочно сцепленных однокристальных частиц-зерен, которые в совокупности образуют поли­ кристаллическую структуру металла.

Форма и размер кристаллических зерен влияют на технологические свойства металла. Ими определяют­ ся предел текучести, напряжение течения при разных значениях деформации, предел прочности, твердость, усталостная прочность и другие свойства сплавов..

Добиться мелкозернистой структуры в чистых металлах намного труднее, чем в сплавах. И, напро­ тив, в сложных многокомпонентных системах почти невозможно получить крупнозернистую структуру.

23

Легирующие элементы образуют при высоких Тем­ пературах нитриды, карбонитриды, карбиды и другие соединения, частицы которых препятствуют росту зерен и блокируют большое число потенциально воз­ можных плоскостей скольжения.

Получать металлы и сплавы с мелкозернистой структурой можно посредством, например, повыше­ ния скорости зарождения центров кристаллизации, изменяя температурные условия затвердевания при таких технологических операциях, как литье в водоохлаждаемый кристаллизатор и кокильное литье.

О существовании границ зерен в металлах извест­ но сравнительно давно. Граница зерна представля­ ет собой слой смешанных атомов шириной в одно или два межатомных расстояния. Она разделяет кристаллические зерна, имеющие резко выраженную кристаллографическую ориентацию. Решетки сосед­ них зерен не являются продолжением друг друга. У них разная ориентация в пространстве. Погранич­ ные участки искаженной кристаллической решетки двух разноориентированных зерен образуют как бы переходные зоны.

Причина высокого сопротивления деформации на границе между двумя разноориентированными зер­ нами кроется в том, что они взаимно мешают ходу процесса скольжения в каждом из них.

При охлаждении расплавленного металла эле­ ментарные ячейки кристаллизуются в виде полиэд­ ров неправильной формы.

Ковка, закалка, термическая обработка как раз и направлены на то, чтобы придать металлу наилуч­ шие механические свойства, сделать всеобщей отно­ сительную упорядоченность решетки в пределах зер­ на, чтобы, например, расположить диагонали ячеек зерен в одном направлении.

24

КУЙ ЖЕЛЕЗО, ПОКА ГОРЯЧО

Из многих «мало» выходит одно большое «много».

М. Сервантес де Сааведра

полне справедливы слова из­ вестного кристаллографа академика А. В. Шубникова, который полагает, что

«ни в одной науке симметрия не играет той роли, какую она играет в кристаллографии». Расположение атомов в кристаллических решетках веществ обус­ ловлено стремлением системы к равновесию, к устой­ чивому положению.

За прошедшее после опытов М. Лауэ время опре­ делена структура нескольких тысяч кристаллических веществ благодаря усовершенствованиям, которые внесли английские ученые отец и сын У. и Л. Брэгги в метод дифракции рентгеновских лучей. Еще буду­ чи студентом Кембриджского университета, Л. Брэгг развил теорию дифракции рентгеновских лучей, вы­

сложных. Сейчас насчитывается более 100 типов ато­ мов, что соответствует числу известных элементов.

25

Более 2/з элементов составляют металлы. Некоторые элементы при плавлении или под воздействием высо­ кого давления могут приобретать металлоподобную структуру.

Все металлы вследствие упорядоченного распо­ ложения составляющих их атомов являются вещест­ вами кристаллическими. Если представить себе ато­ мы в виде небольших шаров, горошин, то объемно­ центрированная кубическая решетка элементарной ячейки a-железа, хрома, молибдена, вольфрама будет усажена такими шарами-атомами по вершинам ку­ ба. Один из них будет находиться в его центре. Ато­ мы y-железа, меди, никеля, алюминия, свинца и золо­ та образуют кубическую гранецентрированную решет­ ку. В данном случае они располагаются в вершинах и центрах граней решетки.

У бериллия, магния, цинка и кадмия решетка гексагональная плотноупакованная. У каждого атома в ней шесть ближайших соседей в рассматриваемой плоскости и по три — в плоскостях, расположенных ниже и выше. У графита атомы углерода расположе­ ны слоями. В слоях они очень прочно удерживаются межатомными связями, в то время как межатомные связи между слоями непрочны. Поэтому графит слу­ жит смазкой тогда, когда невозможно применять смазочное масло — при очень низкой и очень высокой температурах.

Рассматривая структуру алмаза, можно заметить, что каждый атом углерода соседствует с четырьмя другими атомами, и силы межатомного взаимодей­ ствия действуют в четырех направлениях. Твердость алмаза объясняется исключительно высокой силой связи атомов в решетке.

На примере графита и алмаза отчетливо видно, как изменяются свойства вещества в зависимости от

26

расположения атомов в кристаллическом решетке. Только зная структуру, мы можем овладеть свойст­ вами твердых материалов.

Решетка характеризуется не только типом кри­ сталлических ячеек, но и их размерами. Единицей длины служит ангстрем, равный стомиллионной доле сантиметра. Параметры решеток для разных метал­ лов могут колебаться в пределах нескольких анг­ стрем, а у сложных кристаллов белка—-до несколь­ ких сот ангстрем.

Сколько способов распределения элементов сим­ метрии в пространственной решетке? На этот вопрос впервые - дал ответ основатель кристаллографии Е. С. Федоров. Он показал, что повторяющиеся груп­ пы атомов располагаются внутри элементарной ячей­ ки кристалла одним из 230 способов.

Теоретический вывод Федорова подтвердили ис­ следования Брэггов, Л. Паулинга и других ученых, которые связали внутреннее кристаллическое строе­ ние минералов с их химическим составом и физиче­ скими свойствами.

230 пространственных групп назвали федоровски­ ми группами. Они характеризуют своеобразные узо­ ры расположения атомов — 32 кристаллографических класса, каждый из которых, в свою очередь, принад­ лежит к одной из семи кристаллографииеских сис­ тем: триклинной, моноклинной, ромбической (или ортогональной), тетрагональной, кубической, гекса­ гональной и ромбоэдрической (некоторые из этих названий мы уже упоминали).

Кубическая система содержит три типа простран­ ственных решеток: простую, объемноцентрированную и гранецентрированную. Большинство металлов кри­ сталлизуется либо в одной из двух последних реше­ ток, либо в гексагональной плотноупакованной ре-

27

Шетке. Их структуры отличаются лишь величиной параметров элементарной ячейки.

Металлы с гексагональной решеткой обладают меньшей жаропрочностью, чем металлы с кубической решеткой, что объясняется их резко выраженной анизотропностью. Однако металлы с кубической гра­ нецентрированной решеткой отличаются более высо­ кой жаропрочностью, чем металлы с кубической объемноцентрированной решеткой.

Основой жаропрочных сплавов могут быть лишь те металлы, которые наряду с высокой температурой плавления и высоким модулем упругости имеют ку­ бическую гранецентрированную решетку.

Спросите металловеда, что составляет основу жа­ ропрочных сплавов? Он ответит: в первую очередь никель и кобальт. Наибольшее распространение по­ лучили никельхромовые сплавы, легированные раз­ личными элементами. Атомы легирующих элементов резко отличаются от атомов основы сплава электрон­ ным строением и размерами.

Металлография пролила свет на сущность обра­ ботки металлов. Металлы, в отличие от всех осталь­ ных материалов, наряду с высокой прочностью об­ ладают пластичностью. Под действием нагрузки в нагретом, а для некоторых металлов в холодном состоянии они могут деформироваться. Под ударами кузнечного молота сверкающая белым или огненнокрасным пламенем металлическая заготовка меняет свои габариты и очертания, не разрушаясь. «Куй же­ лезо, пока горячо»-—гласит старая пословица. М. В. Ломоносов говорил: «Металлами называются свет­ лые тела, которые ковать можно».

В средние века крыши соборов и некоторых го­ родских общественных зданий покрывали свинцовы­ ми листами. Тогда же было замечено явление пол-

28

зучести металлов под действием постоянной нагруз­ ки— собственного веса крыши. Серьезным изучением этого процесса занялись только в начале XX века.

Ползучесть — это своеобразный барьер на пути использования металлов при высокой температуре и нагрузках. Металлы и сплавы, сопротивляющиеся ползучести при высоких температурах, называются жаропрочными.

Атомы металла окружены подобными им атома­ ми. Каждый из них имеет на внешней электронной оболочке лишь несколько электронов, которыми они владеют сообща. Такая атомная связь характерна для всех металлов. Именно поэтому металлы служат проводниками электрического тока, могут быть сплавлены или сварены друг с другом. Обобщест­ вленные электроны образуют своеобразный элек­ тронный газ, плотность которого, например, в меди может составить ІО23 электронов в кубическом сан­ тиметре.

При пластической деформации взаимное сколь­ жение слоев атомов не разрушает металла. Атомы соединяются с новым набором родственных атомов не менее прочно, чем до начала пластической дефор­ мации. При этом структура кристаллов и их свойст­ ва не меняются. Изменение формы тела происходит вследствие перемещения его элементарных состав­ ляющих. В металлах это зерна, и перемещение мо­ жет проходить как по границам между ними, так и по самим зернам.

Когда границы зерен стали ослаблены присутст­ вием серы, то при ковке стальная заготовка разва­ ливается на куски. Этот эффект называется красно­ ломкостью стали. При низких температурах под дей­ ствием напряжения межзеренные связи ослабляют соединения фосфора, которые также могут привести

29