2. Строение и свойства металлов

Металлические материалы делятся на две большие группы: железо и сплавы железа (сталь и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы — цветными.

Свойства металлов разнообразны:

• кристаллическое строение в твердом состоянии;

• пластичность и твердость;

• тепло- и электропроводность;

• термоэлектронная эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве;

• хорошая отражательная способность (металлы практически непрозрачны и имеют характерный металлический блеск).

В элементарном состоянии атомы металлов обладают совокупностью общих и специфических физико-химических свойств, в том числе способностью к взаимодействию с себе подобными атомами металлической природы, а также атомами металлоидной природы.

Металлы, присутствующие в виде расплавленной конденсированной фазы способны выступать в качестве растворителей других металлов и неметаллов (углерода, кислорода, серы и проч.).

Общим свойством металлов в твердом состоянии является формирование совершенных кристаллических структур – кристаллических решеток, в узлах которых расположены атомы, характеризующиеся дефицитом валентных электронов, формирующих электронный газ. В общем виде суммарный положительный заряд ионного остова кристаллического образца нейтрализуется суммарным зарядом электронного газа, концентрация которого зависит от природы атома металла.

Кристаллические тела при нагреве остаются твердыми до определенной температуры (температуры плавления), при которой они переходят в жидкое состояние. Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале; сначала они становятся вязкими и лишь, затем переходят в жидкое состояние. Все металлы и их сплавы – тела кристаллические.

Для описания кристаллической структуры металлов пользуются понятием кристаллической решетки. Наиболее часто встречаются решетки (рис. 2.1): объемно-центрированная кубическая (OЦK) ‑ α-Fe, Сr, W, гранецентрированная кубическая (ГЦК) ‑ γ-Fe, Al, Сu, гексагональная плотноупакованная (ГПУ)‑ Mg, Zn

Рис. 2.1. Кристаллические решетки железа: а – ОЦК, б – ГЦК, в – ГП; а, b, с – периоды

В ОЦК решетке центральный атом находится на равноудаленном расстоянии от восьми атомов в вершинах куба. То есть координационное число (К) равно восьми. В ГЦК решетке атом, находящийся в центре грани равноудален от 4 атомов в вершинах куба, от 4 атомов, расположенных на гранях куба и от 4 атомов, принадлежащих контактирующей кристаллической решетке. Таким образом, координационное число равно 12

Степень заполненности объема кристаллической решетки атомами является важной характеристикой структуры. Она определяется такими показателями, как параметр решетки, число атомов в каждой элементарной ячейке, координационное число и плотность упаковки.

Параметр решетки – это расстояние между атомами по ребру элементарной ячейки (рис. 2.2). Измеряется в нанометрах – нм. 1нм = 10^-9 = 10 А. Параметры кубических решеток характеризуются длиной ребра куба и обозначаются буквой а. Для характеристики гексогональной решетки принимаю два параметра – сторону шестигранника – а и высоту призмы – с.

Рис. 2.2. Параметры кристаллической решетки металлов: а, b, с – периоды; α, β, γ – углы

Параметры а кубических решеток металлов находятся в пределах от 0,286 до 0,607 нм. Для металлов с гексогональной решеткой а находится в пределах 0,228–0,398 нм, а с в пределах 0,357–0,652 нм. Параметры решеток определяются рентгеноструктурным анализом.