§ 2. Металлы и сплавы

 

Строение. По своему строению все твердые вещества делятся на аморфные и кристаллические. Аморфными называют твердые вещества, атомы которых расположены в пространстве беспорядочно (стекло, многие пластмассы, смолы и др.). Кристаллическими называют твердые вещества, атомы (ионы) которых расположены в пространстве в строгом, периодически повторяющемся порядки и образуют кристаллическую решетку (металлы, соли и др.).

Кристаллическая решетка состоит из большого количества одинаковых элементарных ячеек, образованных атомами металла. Однако кристаллическая решетка реальных металлов имеет ряд нарушений. Это, например (рис. 1),

 

Рис. 1. Схема кристаллической решетки:

1- вакансия, 2- дислокация

 

вакансии 1 - незанятые атомами узлы кристаллической решетки, дислокации 2 - нарушения в расположении целого ряда атомов.

Характеристиками кристаллической решетки являются: период решетки - расстояние а и с (рис. 2) между центрами двух соседних атомов по ребру элементарной ячейки. Периоды решетки измеряют в ангстремах (1А=10^-8 см) и килоиксах ( 1КХ= 1,00202 ×10^-8 см); координационное число К - количество атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке; атомный радиус - половина расстояния между центрами ближайших атомов и кристаллической решетке без искажений; базис решетки - количество атомов в одной элементарной ячейке решетки; коэффициент компактности η решетки - отношение объема, занимаемого атомами, ко всему объему решетки.

Существует большое количество кристаллических решеток различной сложности. Большинство металлов имеет простейшие типы кристаллических решеток: кубическую объемно-центрированную (ОЦК) - рис. 2, а, кубическую гранецентрированную (ГЦК) - рис. 2,б, гексагональную плотноупакованную (ГПУ) рис. 2, в.

 

 

Рис.2 . Типы кристаллических решеток металлов.

 

Кубическую объемно-центрированную решетку имеют Fе (при температуре ниже 910°С), Сг, Мо, Nb, Ва, V, Nа и др. ОЦК решетка имеет период а, координационное число К=8, базис решетки равен 2, коэффициент компактности η = 68%.

Кубическую гранецентрированную решетку имеют Fе (при температуре выше 910°С), А1, Ni, Сu, Аu, Рb, Аg, Рt и др. ГЦК решетка имеет период а, координационное число К=12, базис решетки равен 4, коэффициент компактности η = 74%.

Гексагональную плотноупакованную решетку имеют Мg, Zn, Ве, Os, Rе и другие металлы. ГПУ решетка имеет периоды а и с (с/а = 1,633), координационное число К=12, базис решетки равен 6, коэффициент компактности η=74%.

Упрощенно можно считать, что атомы металлов состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных частиц - электронов. Электроны движутся вокруг ядра на различных расстояниях, образуя электронную оболочку. Наружные (валентные) электроны атомов металла, находящегося в жидком и твердом состояниях, слабо притягиваются ядром и могут свободно «переходить» от одного атома к другому, как бы образуя «электронный газ».

Атомно-кристаллическим строением объясняются физико-химические и механические свойства металлов (высокая электро- и теплопроводность, металлический блеск, пластичность и др.).

Все металлы представляют собой поликристаллические вещества, т. е. состоят из множества мелких (10^-1 – 10^-3 см) кристалликов неправильной формы. Эти кристаллики называются кристаллитами или зернами. Зерна металла имеют различную ориентацию в пространстве. Зерна (рис. 3, а) состоят из совсем маленьких мало разориентированных участков – блоков- 10^-5 – 10^-3 см. (рис. 3,б).

 

 

 

Рис.3. Схема ориентации зерен (а) и блоков (б) в металле.

 

Чистые металлы (содержат 9,99-99,999% основного металла) применяют в промышленности в ограниченном количестве и только для специальных целей. Наиболее широкое применение находят различные сплавы.

Сплавы получают различными способами. Чаще всего сплавы получают сплавлением двух или нескольких металлов или металлов с неметаллами. Химические элементы, образующие сплав, называются компонентами. Сплав состоит из одной или нескольких фаз. Фаза - это часть сплава, имеющая одинаковые состав и агрегатное состояние и отделенная от остальных частей поверхностью раздела. Чистый твердый металл является однофазной системой, а затвердевающий металл двухфазной системой: кристаллы - твердая фаза, а расплав - жидкая фаза.

Кристаллизация. Процесс перехода чистого металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. Процесс кристаллизации схематически можно представить следующим образом (рис. 4). Нагретый жидкий металл постепенно охлаждается от температуры Т до температуры плавления Т_пл При этой температуре Т_пл начинается процесс кристаллизации металла, который продолжается определенное время от t₁ до t₂. В этот период температура металла не понижается, так как процесс идет с выделением теплоты. Процесс кристаллизации начинается с образования мельчайших твердых частиц - зародышей. Зародыши являются центрами кристаллизации. Из них растут твердые кристаллы. До определенного момента количество центров кристаллизации увеличивается, и сами кристаллы растут до соприкосновения друг с другом, при этом количество жидкого металла все время уменьшается. Когда весь жидкий металл превращается в твердый - процесс кристаллизации закончен, дальше происходит охлаждение уже твердого металла.

 

 

 

 

 

Рис.4. Схема кристаллизации металлов.

 

Строение сплава зависит от характера взаимодействия компонентов, которые его образуют. Если компоненты образуют раствор не только в жидком состоянии, но и в твердом - это твердый раствор. Он однофазный (рис. 5, а), имеет одну кристаллическую решетку. Если атомы одного компонента частично замещают атомы другого компонента в кристаллической решетке (рис. 5, б), то это твердый раствор замещения. Если же атомы одного компонента располагаются между атомами другого компонента в кристаллической решетке (рис. 5, в), то это твердый раствор внедрен и я.

 

 

 

Рис.6. Кристаллическая решетка металла:

а- чистый металл, б- твердый раствор замещения, в- твердый раствор внедрения

 

 

Компоненты сплава в результате химического взаимодействия могут образовать химическое соединение.

Компоненты могут не образовывать твердого раствора и не вступать в химическое соединение. В этом случае сплав представляет собой механическую смесь компонентов.

Черные и цветные металлы. Металлы условно делятся на две большие группы: черные и цветные.

К черным металлам относятся Fе, Со, N1, Мn, тугоплавкие металлы Nb, Тi, W и др. (их температура плавления выше 1539°С), урановые металлы (актиноиды) Тh, U, Pu и другие, редкоземельные металлы (лантаноиды) Се, La и др. К цветным металлам относятся легкие металлы (Ве, Мg, А1), благородные металлы (Аg, Аu, Рt), Сu, легкоплавкие металлы (Zn, Сd, Sn. Рb) и др.