Struktura I Svojstva Metallov

3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
3.1. Общая характеристика металлов.
В технике под металлами понимают материалы, обладающие целым комплексом специфических физических, химических, технологических и механических свойств.
Физические свойства отражают поведение материалов в различных полях
(гравитационных, тепловых, электромагнитных). К наиболее характерным
физическим свойствам металлов следует отнести их относительно высокую
плотность, тепло- и электропроводность, а также металлический блеск и
способность испускать электроны при нагреве.
С точки зрения химических свойств металлы это химические элементы,
расположенные в левой части таблицы Менделеева. Атомы этих элементов
имеют на внешней электронной оболочке небольшое число электронов, слабо связанных с ядром. Вступая в химическое взаимодействие с неметаллами,
атомы металлов легко отдают им свои внешние валентные электроны и становятся положительно заряженными ионами.
Технологические свойства отражают способность материалов подвергаться тому или иному виду обработки. К наиболее характерным технологическим свойствам металлов следует отнести их относительно хорошую деформируемость (в частности, штампуемость, ковкость), свариваемость, а
также возможность получать из них изделия методом литья.
Механические свойства отражают способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под воздействием различного рода нагрузок. К
наиболее характерным механическим свойствам металлов относят их достаточно высокую пластичность и вязкость, а также сравнительно высокую
прочность и твёрдость.
Большинство из вышеназванных характерных свойств металлов объясняется особенностями их структуры. Атомы металлов, находящихся в твёрдом
стоянии, связаны между собой специфической химической связью, называе-
мой металлической. Такая связь осуществляется за счёт обобществления
всех валентных электронов атомами металла. При этом сами атомы становятся положительно заряженными ионами, а обобществлённые ими электроны
образуют в объёме металла «газ», или точнее «жидкость», относительно свободных электронов. Таким образом, на атомарном уровне металлы выглядят
как совокупность положительно заряженных ионов, расположенных в узлах
кристаллической решётки, которые «омываются электронной жидкостью».
Наличием электронной жидкости (газа) объясняются такие характерные
свойства металлов как их высокая электро- и теплопроводность, а также металлический блеск. Кроме того, металлическая связь позволяет атомным слоям сравнительно легко скользить друг относительно друга при пластическом
деформировании, что обеспечивает металлам достаточно высокую пластичность.
3.2. Классификация металлов.
Все металлы можно разделить на две большие группы: на черные металлы и цветные металлы.
Чёрные металлы имеют темно-серый цвет, высокую температуру плавления и относительно высокую твёрдость. Цветные металлы имеют характерную окраску (белую, желтую, красную), обладают большей пластичностью,
меньшей твёрдостью и относительно невысокой температурой плавления.
Черные металлы, в свою очередь, можно разделить на 5 групп:
1. Металлы группы железа - Fe, Cо, Ni и Mn.
Fe составляет основу самых распространённых в промышленности сплавов – сталей и чугунов. Остальные металлы этой группы применяются либо в
качестве добавок в сплавах железа, либо в качестве основы для соответствующих сплавов (кобальтовых, никелевых и т.п.).
2. Тугоплавкие металлы - Ti, V, Cr, Mo, W и др.
Их температура плавления выше, чем у железа. Металлы этой группы используют обычно в качестве добавок к легированным сталям, либо в качестве
основы для специальных сплавов (например, титановых). Вольфрам в чистом
виде используют для изготовления нитей накала в электролампах.
3. Урановые металлы - актиноиды - Ac, Th и т.д. Применяются, как правило, в сплавах для атомной энергетики.
4. Редкоземельные металлы - лантаноиды - La, Ce и т.д. Обычно встречаются в смешанном виде и имеют близкие свойства. Применяются, как правило, в специальных сплавах, обладающих особыми свойствами.
5. Щелочные металлы - Li, Na, K и т.д. Отличаются высокой активностью
и поэтому в свободном виде не используются.
Цветные металлы подразделяют на 3 группы:
1. Легкие металлы - Al, Mg, Be. Обладают сравнительно низкой плотностью. Al из-за своей высокой электропроводности широко применяется для
изготовления электропроводов.
2. Благородные металлы - Au, Ag, Pt и т.д. в том числе Cu. Отличаются
высокой коррозионной стойкостью, пластичностью и электропроводностью.
Широко применяются в микроэлектронике и ювелирном деле. Медь используют также для получения бронз и латуней.
3. Легкоплавкие металлы - Sn, Pb, Zn, Hg и т.д. Имеют сравнительно низкую температуру плавления. Температура плавления ртути (Hg) ниже комнатной и поэтому данный металл в обычных условиях является жидким.
Наиболее распространенным металлом на земном шаре является Al
(8,8%). На втором месте стоит железо (4,65%).
3.3. Кристаллическая структура металлов.
В отличие от ковалентной связи металлическая связь не является строго
направленной в пространстве и допускает произвольное число взаимодействующих частиц. В результате атомы металлов, стремясь к состоянию с
наименьшей энергией, наиболее компактным образом располагаются в пространстве. Таким плотным атомным упаковкам соответствуют 3 типа кристаллических структур: объёмоцентрированная кубическая структура (ОЦКструктура), гранецентрированная кубическая структура (ГЦК-структура) и
гексагональная плотноупакованная структура (ГПУ-структура). Именно эти
структуры чаще всего наблюдают у металлов.
1. ОЦК-структура (рис. 3.2.) наблюдается у таких металлов как Cr, Mo, W,
V и др. Координационное число в данном случае равно 8 (на ближайшем
равном расстоянии от любого атома находится здесь 8 аналогичных атомов).
Коэффициент компактности достигает величины 0,68. Это означает, что 68%
объёма металла занято атомами, а остальную его часть составляют пустоты.
Базис образуют два атома металла (один атом, расположенный в центре
ОЦК-ячейки, полностью ей принадлежит, и ещё один атом (8 по ⅛) дают узлы, расположенные в вершинах ячейки).
Рис. 3.2. Элементарная ячейка
ОЦК-структуры.
Рис. 3.3. Элементарная ячейка
ГЦК-структуры.
2. ГЦК-структура (рис. 3.3) характерна для Al, Cu, Ni, Ag, Au и Pt. Координационное число здесь равно 12, а коэффициент компактности имеет значение 0,74. Базис образуют четыре атома металла (каждый атом, располо-
женный в центре грани принадлежит ячейке только наполовину, а поскольку
таких атомов 6, то получается ровно 3; плюс один атом дают узлы, расположенные в вершинах ячейки).
3. ГПУ-структура наблюдается у таких металлов как Mg, Zn, Be и др. Хотя ГПУ-структуру можно описать и с помощью меньшей по объёму примитивной ячейки, в данном случае в качестве элементарной ячейки лучше выбрать шестигранную призму, которая нагляднее отражает гексагональную
симметрию кристалла (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Элементарная ячейка ГПУ-структуры.
Координационное число для такой структуры равно 12 (если за начало
отсчёта принять атом, расположенный в центре грани, то на равном ближайшем расстоянии от него находится 6 атомов, плюс по 3 атома сверху и снизу). Коэффициент компактности, как и у ГЦК-структуры, имеет значение
0,74. Базис образуют 6 атомов металла (3 атома внутри призмы полностью ей
принадлежат; атомы в центре верхней и нижней грани принадлежат ячейке
только наполовину, а каждый из 12 атомов в вершинах призмы принадлежит
рассматриваемой ячейке лишь на 1/6 часть, поскольку находится на пересечении 6 аналогичных ячеек).
Встречаются у металлов и другие, менее плотные структуры, но гораздо
реже, чем три вышеназванные.
3.4. Полиморфизм металлов.
Полиморфизм это такое явление, когда материал в одном интервале температур или давлений имеет одну кристаллическую структуру, а в другом другую. Температуру и давление, при которых наблюдается смена кристаллической структуры материала, называют соответственно температурой и
давлением полиморфного (аллотропического) превращения.
Различные кристаллографические модификации одного материала принято обозначать буквами греческого алфавита α, β, , δ, ε, σ и т.д. Модификацию, наблюдаемую при самых низких температурах, обозначают буквой α,
при более высоких температурах – β, и т.д.
Ярким примером полиморфизма у неметаллических материалов является
наличие двух кристаллографических модификаций у чистого углерода, которые известны нам как алмаз и графит. И тот и другой материал по химическому составу идентичны, а отличие состоит лишь в кристаллической структуре. В результате свойства данных материалов оказываются существенно
отличными. Графит мягкий, хрупкий и непрозрачный материал, в то время
как алмаз является одним из наиболее твёрдых минералов, встречающихся в
природе, и, как правило, прозрачен.
Полиморфизм достаточно распространённое явление в мире металлов.
Например, у Со с повышением температуры ГПУ-структура перестраивается
в ГЦК-структуру, а у Ti ГПУ-структура перестраивается в ОЦК-структуру.
Наиболее ярко полиморфизм проявляется у железа, которое два раза при
нагреве меняет свою кристаллическую структуру.
ОЦК
α-Fe
β-Fe
768
911
ГЦК
ОЦК
γ-Fe
δ-Fe
1392
жидкость
1539
Т, С.
При температурах ниже 768С железо является ферромагнитным, а при
температурах выше 768С – парамагнитным. Ранее считали, что это связано с
изменением кристаллической структуры железа и поэтому ферромагнитное
железо стали обозначать α-Fe, а парамагнитное – β-Fe. Позже выяснилось,
что изменение магнитных свойств железа не связано с изменением его кристаллической структуры. И то и другое железо имеют одинаковую ОЦКструктуру. Однако исторически сложившееся подразделение железа на α-Fe и
β-Fe сохранили.
В интервале температур от 911 до 1392 С железо имеет ГЦК-структуру и
такое железо обозначают γ-Fe. ГЦК-структура отличается от ОЦК-структуры
более высокой плотностью. Поэтому при нагреве железа до температур выше
911С наблюдается уменьшение размера (объёма) образца.
В интервале температур от 1392 до 1539С железо вновь имеет ОЦКструктуру, но с периодом решётки чуть большим чем у α-Fe. Такое железо
обозначают δ-Fe. При температуре 1539С чистое железо плавиться и превращается в жидкость.
Другим ярким примером полиморфизма металлов является так называемая «оловянная чума». При температурах ниже -30С белое и пластичное βолово (β –Sn) превращается в α-Sn, которое является серым порошком.