Строение материалов.

Металлы, их классификация и основные физические свойства.

Что такое металл? М. В. Ломоносов в своем труде «Первые основания металлургии или рудных дел» дал металлам такое определение: «Металлы суть ковкие блестящие тела». Позже, объясняя понятие «металлы», стали называть и другие металлические свойства. В энциклопедическом словаре Мейера о металлах говорится следующее: «Элементы, которые являются хорошими проводниками тепла и электричества, обладают характерным сильным блеском, непрозрачны (в не слишком тонком слое) и образуют с кислородом соединения преимущественно основного типа».

Металлы в твердом состоянии обладают рядом характерных свойств:

• высокой тепло- и электропроводностью;
• положительным температурным коэффициентом электросопротив­ления (с повышением температуры электросопротивление чистых метал­лов возрастает; большое число металлов обладает сверхпроводимостью — у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электро­сопротивление падает скачкообразно практически до нуля);
• термоэлектронной эмиссией, т. е. способностью испускать электроны при нагреве;
• хорошей отражательной способностью (металлы непрозрачны и об­ладают металлическим блеском);
• повышенной способностью к пластической деформации.

Эти свойства металлов обусловлены их электронным строением. Ме­таллическое состояние возникает в комплексе атомов, если при их сбли­жении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами, становят­ся общими, т. е. коллективизируются и свободно перемещаются по опре­деленным энергетическим уровням между положительно заряженными и периодически расположенными в пространстве ионами. Устойчивость ме­талла, представляющего собой ионно-электронную систему, определяется электрическим взаимодействием между положительно заряженными ио­нами и коллективизированными электронами. Такое взаимодействие меж­ду ионным скелетом и электронным газом получило название металличе­ской связи.

Сила связи в металлах определяется соотношением между силами от­талкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстояния один от другого, чтобы энергия взаимодействия быта минимальной. Этому положению соответствует рав­новесное расстояние d₀ (рис. 1).

Сближение атомов (ионов) на расстояние меньшее d_o или удаление на расстояние больше d_o. осуществимо лишь при совершении определенной работы против сил отталкивания или притяжения.

Каждый металл отличается от других строением и свойством, но по не­которым признакам их можно объединить в группы (рис. 2).

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

• железные — железо, кобальт, никель, марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в каче­стве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам;
• тугоплавкие — титан, вольфрам, хром, молибден и др. — температура плавления выше, чем железа (выше 1539 °C). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов;
• урановые — актиний и актиноиды, имеющие преимущественное при­менение в сплавах для атомной энергетики;
• редкоземельные — лантан, церий, неодим и др., объединяемые под названием лантаноиды. Эти металлы обладают близкими химическими свойствами, но различными физическими (температура плавления и т. д.). Их применяют как присадки к сплавам др. элементов;
• щелочноземельные — литий, натрий, кальций и др., которые в сво­бодном металлическом состоянии не применяются.

Цветные металлы подразделяются на:

• легкие — бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотно­стью;
• благородные — серебро, золото, металлы платиновой группы. Обла­дают высокой устойчивостью против коррозии;
• легкоплавкие металлы — цинк, олово, свинец и др.

Различные агрегатные состояния и кристаллическое строение металлов.

Все вещества в зависимости от температуры и давления могут нахо­диться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

В чистых металлах при повышении температуры происходит измене­ние агрегатного состояния: при превышении температуры плавления твер­дое состояние сменяется жидким, при превышении температуры кипения жидкое состояние переходит в газообразное. Эти температуры перехода зависят от давления.

Температура плавления — особенно важная константа свойств метал­ла — колеблется для различных металлов в весьма широких пределах: от минус 38,9 °C для ртути, самого легкоплавкого металла, находящегося при комнатной температуре в жидком состоянии, до 3390 °C — для самого ту­гоплавкого металла — вольфрама.

При постоянном давлении температуры плавления, плотность и неко­торые теплофизические характеристики вполне определенны и для наибо­лее распространенных в технике металлов приведены в таблице 1.

В газообразном состоянии частицы вещества не связаны между собой молекулярными силами притяжения и хаотически движутся, заполняя весь возможный объем. При обычных давлениях и температурах среднее рас­стояние между молекулами в газах примерно в десять раз больше, чем в твердых телах и жидкостях. Поэтому газы имеют значительно меньшие плотности, чем твердые тела и жидкости. При обычных температурах газы — хорошие диэлектрики, так как их атомы и молекулы электрически ней­тральны.

При нагреве газа до высоких температур происходит его ионизация: концентрация заряженных частиц увеличивается, причем объемные плот­ности положительных и отрицательных электрических зарядов заряжен­ных частиц становятся практически одинаковыми. Термически ионизиро­ванный газ отличается от обычного газа рядом особенностей, позволяю­щих считать его четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) со­стоянием вещества — плазмой. В технике широкое применение получила «холодная» или низкотемпературная плазма (~10³-10⁴К).

Жидкости представляют собой вещества в конденсированном агрегат­ном состоянии, промежуточном между’ твердым и газообразном. Жидко­сти подобно твердым телам обладают малой сжимаемостью и большой плотностью, но в то же время подобно газам не обладают упругостью формы и легко текут.

В жидкостях среднее расстояние между молекулами сравнимо с раз­мерами самих молекул (~10 Нм = 10^-10 м), поэтому силы межмолекуляр­ного взаимодействия весьма значительны. Подобно частицам твердого те­ла молекулы жидкости совершают тепловые колебания около некоторых положений равновесия. Однако если в твердых телах эти положения рав­новесия неизменны (т. е. имеет место дальний порядок), то в жидкостях они время от времени изменяются: по истечении некоторого времени мо­лекула жидкости перескакивает в новое положение равновесия, перемеща­ясь на расстояние, сравнимое с расстоянием между молекулами.

Эти перемещения молекул жидкости обусловливают ее текучесть. Та­ким образом, несмотря на то, что в жидкостях не соблюдается дальний по­рядок, как у твердых тел, для них имеет место «ближний порядок»: в среднем для каждой молекулы жидкости число ближайших соседей и их взаимное расположение одинаковы.

В твердом состоянии физические тела характеризуются стабильно­стью формы. При изменении формы в твердых телах возникают упругие силы, препятствующие этому изменению. В твердых телах элементарные частицы (атомы, молекулы или ионы) совершают малые тепловые колеба­ния около некоторых фиксированных положений равновесия, т. е. имеет место «дальний порядок», вследствие которого элементарные частицы твердого тела могут: располагаться по узлам кристаллических решеток.

Правильное регулярное расположение атомов в твердом теле, характе­ризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях, образует кристаллическую решетку, а тела, имеющие кристаллическую решетку, на­зывают твердыми телами. Металлы являются телами кристаллическими.

Наиболее простой кристаллической решеткой у металлов является ку­бическая, имеющая две разновидности: кубическую объемноцентрированную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК).

У обоих типов этих решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы нахо­дятся или в центре объема куба (1 атом на пересечении диагоналей в ре­шетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (6 атомов в решетке ГЦК). Кристаллические решетки ОЦК имеют альфа-железо (Fe_α), хром, ванадий, вольфрам и другие металлы. Решетку ГЦК имеют гамма-железо (Fe_γ), алюминий, медь, никель и другие металлы.

Другой разновидностью кристаллических решеток у металлов являет­ся гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ). Ячейка этой решет­ки представляет собой шестигранную призму с центрированными основа­ниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. ГПУ решетку имеют магний, цинк, бериллий и другие металлы (рис. 3).

Плоскости, параллельные координатным плоскостям и находящиеся на расстоянии а, в, с, разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед на­зывают элементарной ячейкой. Вершины параллелепипеда называют уз­лами пространственного решетки. Размер элементарной ячейки оценива­ют отрезками а, b, c. Их называют периодами решетки. Дополнительными характеристиками кристаллической решетки являются координационное число и коэффициент компактности.

Координационное число К — число ближайших равноудаленных частиц (атомов) от любого атома в кристаллической решетке (для ОЦК — К8, для ГЦК — К12). Коэффициент компактности — отношение объема всех частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки (для ОЦК — 0,68, для ГЦК — 0,74).

Упорядоченность расположения атомов в кристаллической решетке позволяет четко выделить кристаллографические направления и плоскости (рис. 4). Кристаллографические направления — лучи, выходящие из ка­кой-нибудь точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы.

Точками отсчета могут служить вершины куба, при этом кристалло­графическими направлениями являются его ребра и диагонали грани.

Кристаллографические плоскости — плоскости, на которых лежат атомы, например, грани куба или его диагональной плоскости. Кристалло­графические направления и плоскости принято обозначать индексами Миллера. Для определения индекса какого-либо направления следует най­ти координаты ближайшего к точке отсчета атома, лежащего на этом на­правлении, выраженные через параметр решетки.

Пример. Координаты ближайшего атома вдоль оси ох выразятся через 100. Этими цифрами принято обозначать индекс направления вдоль оси ох и параллельных ему направлениях [100]. Индексы направлений вдоль оси оу и oz и параллельных им направлений выразятся соответственно через [010] и [001], а направления вдоль диагонали грани xoz, хоу, yoz и диаго­нали куба получат индексы соответственно [101], [110], [011], [111].

Для определения индекса кристаллографической плоскости следует вначале найти координаты ближайших точек ее пересечения с осями коор­динат, проведенными из точки отсчета 0. Затем обратные величины най­денных координат следует записать в обычной последовательности в круглых скобках. Использование понятий о кристаллографических на­правлениях и плоскостях и об их индексах позволяет описывать различные явления, происходящие в кристаллических телах, а также особенности свойств кристаллических тел вдоль различных направлений и плоскостей.

Физические и прочностные свойства металлов вдоль различных кристаллографических направлений зависят от числа атомов, расположенных на этих направлениях. В действительности в кристаллической решетке на различных направлениях находится разное число атомов. Например, в ку­бических решетках (рис. 4) вдоль диагонали куба ОЦК решетки [111] или диагонали грани решетки ГЦК [110], [101], [011] размещается больше атомов, чем по направлениям вдоль ребер кубов [100], [010], [001].

Из этого следует, что в кристаллических веществах должна наблю­даться анизотропия, т. е. неодинаковость свойств вдоль различных кристаллографических направлениях.

Анизотропия — это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая в результате упорядоченного расположения атомов в про­странстве. Анизотропия механических и других свойств наблюдается при испытании образцов, вырезанных вдоль различных кристаллографических направлений. Не всем свойствам кристаллических тел присуще явление анизотропии, так, например, теплоемкость, от направления не зависит.

Анизотропия проявляется только в пределах одного кристаллического зерна. Реальные металлы являются телами поликристаллическими, со­стоящими из огромного числа зерен, произвольно ориентированных друг к другу своими кристаллографическими направлениями и плоскостями.

В связи с этим, недостаток какого-либо свойства по одному из направ­лений приложения силы в одних зернах компенсируется избытком этого свойства по этому же направлению в других зернах. Поэтому реальные металлы являются изотропными телами, т. е. телами с примерно одинако­выми свойствами по всем направлениям.

Реальное строение металлов и дефекты кристаллических решеток.

Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты, которые подразделяются на то­чечные, линейные, поверхностные и объемные.

К самым простым точечным дефектам относятся вакансии, межузель­ные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения (рис. 5).

Вакансией называется пустой узел кристаллической решетки, т. е. ме­сто, где по той или иной причине отсутствуют атомы (рис. 5, а). Межу­зельный атом — атом, перемещенный из узла в позицию между узлами (рис. 5, б). Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах из-за тепловых колебаний атомов при любой температуре выше абсолютного нуля. Каждой температуре соответствует равновесная концентрация ва­кансий, а также межузельных атомов.

Вакансии являются самой важной разновидностью точечных дефек­тов, они ускоряют все процессы, связанные с перемещениями атомов (диффузия, спекание порошков и т. д. ).

Атомы внедрения — это атомы примесного элемента, находящиеся в междоузлиях кристаллической решетки (рис. 5, в).

Все виды точечных дефектов искажают кристаллическую решетку и в определенной мере влияют на физические свойства металла (электропро­водность, магнитные свойства и др.), а также на фазовые превращения в металлах и сплавах.

Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Важнейшие виды линей­ных несовершенств — краевые и винтовые дислокации. Образуются дисло­кации в результате локальных или местных смещений кристаллографиче­ских плоскостей, происходящих в кристаллической решетке зерен на раз­личных технологических этапах их формирования. Наиболее распростра­ненной является краевая дислокация (рис. 6). Она представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличи­ем атомной полуплоскости или экстраплоскости АВ.

Линию атомов нижней границы экстраплоскости принято называть дислокацией. Дислокацию обозначают знаком ┬ или ┴ (экстраплоскости в верхней или нижней части зерна — положительная или отрицательная). Различие между положительной или отрицательной дислокациями чисто условное. Вокруг дислокаций решетка упруго искажена. Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. Он получается, если обойти замкнутый контур в идеальном кристалле (рис. 7), переходя от узла к уз­лу, а затем этот же пуль повторить в реальном кристалле, заключив дисло­кацию внутрь контура. Отрезок АЕ, по модулю равный параметру решет­ки, принято считать вектором Бюргерса. Он перпендикулярен линии дислокации.

Дислокации возникают при кристаллизации, плотность их большая, поэтому они значительно влияют на свойства материалов, наряду с други­ми дефектами участвуют в фазовых превращениях. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов. Примесные атомы образуют во­круг дислокации зону повышенной концентрации — так называемую ат­мосферу Коттрела, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.

Поверхностные дефекты.

Наиболее важными являются большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников.

Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно (рис. 8) и граница между зернами представляет собой переходный слой шириной 1-5 нм. В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей. Границы между зернами называются большеугловыми, т.к. соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют узлы в десятки градусов (рис. 8, а).

Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен. Субзерно пред­ставляет собой часть кристалла относительно правильного строения, а его границы — стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные суб­зерна (рис. 8, б). Угол взаимной разориентации между соседними субзер­нами невелик (не более 5 %), поэтому такие границы называются малоуг­ловыми.

Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, огра­ниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный поря­док чередования атомных слоев.

Двойники. Двойникованием называют симметричную переориентацию областей кристаллической решетки. Решетка внутри двойниковой про­слойки является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла.

Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свой­ства материалов. Особенно большое значение имеют границы зерен. Предел текучести от связан с размером зерен зависимостью: σ_т = σ₀ + кd^-1/2, где σ₀ и к — постоянные для данного материала. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения.

Объемные дефекты (пустоты, поры, трещины и включения) имеют значительные размеры во всех трех направлениях.

Строение сплавов.

Сплавы — важные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких элементов периодической системы, называемых ком­понентами. Сплав считается металлическим, если его основу (свыше 50 % по массе) составляют металлические компоненты. Металлические сплавы обладают более высокими прочностными и другими механическими свой­ствами по сравнению с чистыми металлами.

В зависимости от природы сплавляемых компонентов сплавы, взаимо­действуя друг с другом, могут образовать различные по строению и свой­ствам продукты. Характер взаимодействия компонентов при сплавлении зависит от их положения в таблице Д. И. Менделеева, особенностей строе­ния электронных оболочек их атомов, типов и параметров их кристалличе­ских решеток, соотношения температур их плавления, атомных диаметров и других факторов.

Компоненты при сплавлении могут образовывать смеси зерен с пре­небрежимо ничтожной взаимной растворимостью, неограниченно или час­тично растворяться друг в друге, а также образовывать химические соеди­нения.

Смесь образуется при взаимодействии компонентов, не способных к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступающих в химиче­скую реакцию с образованием соединения (рис. 9). В этих условиях сплав состоит из чистых зерен обоих компонентов, сохраняющих прису­щие им типы кристаллических решеток и прочностные свойства. Механи­ческие свойства таких сплавов зависят от количественного соотношения компонентов, от размеров и формы зерен и соединения их границ.

Химическое соединение представляет собой зерна со специфической кристаллической решеткой, отличной от решеток обоих компонентов. При образовании химического соединения соотношение чисел атомов элемен­тов соответствует стехиометрической пропорции, что выражается форму­лой А_nВ_т — связь между атомами в них сильнее и жестче металлической. Поэтому они являются очень твердыми и хрупкими веществами.

Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления, скачкообразным изменением свойств при изменении состава. Если химическое соединение образуется только металлическими элемен­тами, то в узлах решеток располагаются положительно заряженные ионы, удерживаемые электронным газом — возникает металлическая связь.

При образовании химического соединения металла с неметаллом воз­никает ионная связь. В результате взаимодействия элементов в этом случае атом металла отдает электроны (валентные) и становится положительным ионом, а атом металлоида принимает электроны на свою внешнюю оболоч­ку и становится отрицательным ионом. В решетке химического соединения такого типа элементы удерживаются электростатическим притяжением.

Если образующиеся в сплавах химические соединения оказываются стойкими веществами, не диссоциирующими при нагреве вплоть до темпе­ратуры плавления, то их принято рассматривать в качестве самостоятель­ных компонентов, способных образовывать сплавы с компонентами сплава.

Твердый раствор образуется при растворении компонентов друг в дру­ге, является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку и существует в интервале концентраций. Обо­значаются твердые растворы буквами латинского алфавита: α, β, γ и т. д.

При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из компонентов. В этом случае компонент называется растворителем.

Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние разме­ры элементарной ячейки растворителя. Если атомы растворенного компо­нента В замещают в узлах решетки атомы компонента-растворителя А, то образующийся раствор называется твердым раствором замещения. Твер­дые растворы замещения могут: быть ограниченные и неограниченные. Не­ограниченные твердые растворы образуются, если компоненты имеют одинаковую кристаллическую решетку и одинаковый атомный радиус. Ограниченные твердые растворы образуются, если компоненты имеют одинаковую кристаллическую решетку, а атомные радиусы разнятся.

При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного вещества С располагаются между атомами А в кристаллической решетке растворителя. Следовательно, диаметр атома С должен быть невелик, а внутри решетки металла А должно быть достаточное пространство для атома С (рис. 10). Искажения решетки при образовании твердых раство­ров внедрения больше, чем при образовании твердых растворов замеще­ния, поэтому у них более резко изменяются свойства.

Образование твердых растворов сопровождается увеличением твердо­сти и прочности, уменьшением температурного коэффициента электриче­ского сопротивления, пластичности (исключение составляют твердые рас­творы на основе меди) по сравнению с чистыми металлами.

В сплавах, содержащих более двух элементов, возможно растворение в одном и том же растворителе и путем замещения, и путем внедрения. Например, при сплавлении железа с марганцем и углеродом получается твердый раствор, в котором марганец растворяется путем замещения, а уг­лерод — путем внедрения.