Краткие теоретические сведения

Металлом называется вещество, обладающее металлическим блеском, высокой электро- и теплопроводностью, сочетанием высокой прочности и пластичности.

Все эти свойства обусловлены атомным строением и типом связи между атомами металлов.

Особенностью строения металлов является то, что, все они построены из таких атомов, у которых внешние электроны слабо связаны с ядром. Электроны заряжены отрицательно и достаточно создать ничтожную разность потенциалов, чтобы началось перемещение валентных электронов по направлению к положительному заряженному полюсу. Поэтому металлы обладают большой электро- и теплопроводностью.

Исходя из указанных особенностей, теория металлического состояния рассматривает металл, как вещество, состоящее из положительно заряженных ионов, окруженных отрицательно заряженными частицами-электронами, слабо связанными с ионами и приносящими не одному какому-либо атому, а всей совокупности атомов. Свободные электроны, как бы создают газ, который хаотично распространяется во всех направлениях, связывая ионы в металле. Между положительными ионами и свободным электронным газом возникают силы, электростатического взаимодействия, которые обуславливают металлический тип связи между атомами.

Все металлы и металлические сплавы являются телами кристаллическими. Кристаллическое состояние объясняется внутренним строением металлов.

Атомы в металлах располагаются строго в определенном порядке в пространстве и образуют так называемую кристаллическую решетку. Металлический тип связи обуславливает появление сил, удерживающих атомы (ионы) в узлах кристаллической решетки, пользуются элементарной ячейкой, представляющей собой элементарный объем атомов, который при многократном повторении в пространстве может воспроизвести структуру металла.

Простейшей элементарной ячейкой является кубическая. Однако, атомы, стремясь как можно ближе расположиться друг возле друга создают и другие упаковки. Число комбинаций из-за стремления атомов уложиться в ячейке более плотно невелико - всего 14 кристаллических решёток.

Наиболее важные технические металлы, такие как Fe_α, Cr, W, V, Mo, Na, K -образуют объемно-центрированный куб (ОЦК); Fe_γ., Ni, Cu, Al, Ag, Au, Pd - гранецентрированный куб (ГЦК); Zn, Cd, Mg, Ti, Be, - гексагональную кристаллическую решётку (ГПУ) и т.д.

Методы условного изображения кристаллической ячейки различны, чаще пользуются схемами из плотных шаров и в виде правильных геометрических фигур (Рис.1).

Рис.2 Свободная энергия F

Любая кристаллическая решетка характеризуется следующими величинами:

а) размер любой кристаллической решётки характеризуется параметром или периодом, т.е. расстоянием между двумя параллельными плоскостями в элементарной ячейке.

Параметром кубической решетки является длина ребра куба «а». Гексагональную решетку определяет два параметра – сторону шестигранника «а» и «c» - высота призмы.

Когда отношение с/а = 1,633, то атомы упакованы наиболее плотно, и решетка называется плотноупакованной. Период решетки металлов находится в пределах 0,1….0,7 нm, измеряется в нанометрах.

б) Базисом кристаллической решетки является число атомов приходящихся на одну элементарную ячейку.

в) Плотность характеризуется объемом, который занимают атомы в кристаллической решетке.

Элементарная кристаллическая ячейка характеризуется также координационным числом, под которым понимают число атомов, находящихся на наиболее близком равном расстоянии от избранного атома.

В ОЦК решетке (Рис.1,а) атом А (в центре) находится на наиболее близком равном расстоянии от восьми атомов, расположенных в вершине куба, т.е. координационное число этой решетки равно 8 (К8).

В ГЦК решетке (Рис.1,б) атом А (на грани куба) находится на наиболее близком равном расстоянии от четырех атомов 1,2,3,4, расположенных на гранях куба, и, кроме того, от четырех атомов 9,10,11,12, принадлежащих расположенной рядом кристаллической ячейке. Атомы 9,10,11,12 симметричны атомам 5,6,7,8. Таким образом, для ГЦК решетки координационное число равно 12 (К12).

В ГПУ решетке при с/а=1,633 (Рис.1,в) атом А в центре шестигранного основания призмы находится на наиболее близком равном расстоянии от шести атомов 1,2,3,4,5,6, размещенных в вершинах шестигранника, и от трех атомов 7,8,9, расположенных в средней плоскости призмы. Кроме того атом А оказывается на таком же расстоянии еще от трех атомов 10,11,12, принадлежащих кристаллической ячейке, лежащей ниже основания. Атомы 10,11,12 симметричны атомам 7,8,9. Следовательно, для ГПУ решетки координационное число равно 12 (К12).

Металлам свойственна аллотропия или полиморфизм, способность металла изменять свою кристаллическую решетку при нагреве (охлаждении). Так железо существует в 2-х аллотропических модификациях:Fe_α - ОЦК и Fe_γ - ГЦК. Явление полиморфизма железа обеспечивает возможность термической обработки стали.

Date: 2016-07-05; view: 467; Нарушение авторских прав