Тема I. Кристалічна будова металів

1. Загальна характеристика металів

З відомих у даний час 110 елементів 76 є металами, яким у твердому і почасти в рідкому станах характерні такі властивості:

1. висока тепло- і електропровідність;

2) позитивний температурний коефіцієнт електричного опору - з підвищенням температури опір чистих металів зростає; велике число металів (~30) має надпровідність - у цих металів при температурі, близькій до абсолютного нуля, опір стрибкоподібно падає практично до нуля;

3) термоелектронна емісія, тобто спроможність випускати електрони при нагріванні;

4) гарна відбивна спроможність; метали непрозорі і мають металевий блиск;

5) підвищена спроможність до пластичної деформації.

Всі метали і металеві сплави - тіла кристалічні: атоми (іони) розміщені в металах закономірно з утворенням кристалічної гратки.

Показані властивості характерні для металевого стану речовини, основною з яких є наявність вільних електронів. Металевий стан виникає в комплексі атомів, коли при їхньому зближенні зовнішні електрони втрачають зв'язок з окремими атомами, стають загальними, тобто колективізуються і вільно переміщаються по визначених енергетичних рівнях між позитивно зарядженими періодично розташованими в просторі іонами. Отже, стійкість металу, що представляє собою іонно-електронну систему, визначається електричною взаємодією між позитивно зарядженими іонами і колективізованими електронами. Така взаємодія одержала назву металевого зв'язку. Його сила визначається співвідношенням між силами відштовхування і силами тяжіння між іонами й електронами. Атоми (іони) розташовуються на такій відстані один від іншого, щоб енергія взаємодії була мінімальною (рис.1.1). Цьому становищу відповідає рівноважна відстань R_o. Зближення атомів (іонів) на відстань менше R_o або віддалення їх на відстань більше R_o можна здійснити лише при вчиненні певної роботи проти сил відштовхування чи притягування. При закономірному розташуванні атомів у металі з утворенням правильної кристалічної гратки буде реалізований стан з мінімальною енергією взаємодії атомів.

Характер зміни потенційної енергії атомів у кристалічній гратці показаний на рис.1/1. Атоми (іони) займають положення з мінімальною потенційною енергією. Атоми, які складають поверхневий шар, мають підвищену потенційну енергію за рахунок наявності некомпенсованих сил взаємодії (приймаючи сферичний характер силового поля навколо атома (іона)).

Метали - це полікристалічні тіла, які складаються з великого числа дрібних (1000…0,1 мкм), по-різному орієнтованих один відносно другого кристалів, які мають неправильну форму і називаються кристалітами або зернами.

Чисті метали у звичайному структурному стані мають низьку міцність і не забезпечують у багатьох випадках необхідних властивостей. Тому їх застосовують рідко. (Власне, поняття “чистий метал” умовне. Будь-який чистий метал у більшій чи меншій кількості містить домішки і, отже, повинен розглядатися як сплав. Надалі під терміном чистий метал ми будемо розуміти метал, який містить 99,99...99,999 % основного металу. Технічно чистий метал (99,5...99,9 % основного металу) отримується звичайними промисловими способами).

Найширше використовуються сплави - речовини, які отримують сплавленням, спіканням, рідше – осадженням, двох або більше металів або металів з неметалами. Вони мають характеристики, властиві металевому стану.

Розрізняють макроструктуру (будову металу чи сплаву, видиму неозброєним оком або при невеликому збільшенні - до 30 разів) і мікроструктуру (будову металу чи сплаву, яка спостерігається за допомогою мікроскопа при великих збільшеннях).

Макроструктуру вивчають за допомогою макрошліфів. Для їх отримання з великих заготовок (злитків, поковок тощо) або виробів вирізують темплети, поверхню яких шліфують, а потім травлять спеціальними реактивами. При дослідженні макрошліфа можна визначити форму і розташування зерен у литому металі; напрямок волокна (деформовані кристаліти) у поковках і штамповках; дефекти, які порушують суцільність металу (усадочна розпушеність, газові пухирі, раковини, тріщини тощо); хімічну неоднорідність сплаву, викликану кристалізацією чи створену термічним або хіміко-термічним обробленням.

Мікроструктура показує взаємне розташування фаз, їхню форму і розміри. Мікроструктуру вивчають на мікрошліфах. Для цього одну з площин зразка шліфують, полірують і травлять спеціальними реактивами. Мікроструктуру металів спостерігають у світловому або електронному мікроскопах. В останньому випадку готують не мікрошліф, а спеціальний об'єкт - фольгу або репліку. Корисне збільшення в оптичному мікроскопі не перевищує 2000 разів. Застосування великих збільшень марне,, тому що нові, дрібніші деталі структури не стають видимими, адже спроможність мікроскопа, обумовлена хвилястою природою світла, не змінюється.