Какова структура кристаллической решетки металлов?

Кристаллическое строение металлов

Металлы — один из самых распространенных веществ в материальной культуре человека. Тысячелетиями медь, железо, серебро и золото были основным материалом для производства оружия, инструментов, ответственных частей транспорта и механизмов, деталей домашней утвари и украшений. В XIX веке, с освоением технологии получения чугуна, металлы пришли в строительство и станкостроение. XX век был веком металлов.

В нашу жизнь вошли алюминий, титан, бор и многие более редкие металлы. Используя их, человечество шагнуло в небо, космос и глубины океана. Металлы сделали возможным массовое производство домашней бытовой техники. В конце XX века пластмассы и композитные вещества ощутимо потеснили металлы с лидирующих позиций. Основные характеристики металлов — прочность, упругость и пластичность определяются их физико-химическими свойствами и атомным строением.

Основные группы металлов в промышленности

Индустрия делит металлы на большие группы:

  • Черные.
  • Цветные легкие.
  • Цветные тяжелые.
  • Благородные.
  • Редкоземельные и щелочные.

Черные металлы

В эту группу входят железо, марганец, хром и их сплавы. Группа также включает в себя стали, чугуны и ферросплавы. Эти вещества обладают хорошей электропроводностью и уникальными магнитными характеристиками.

Черные металлы покрывают до 90% мировой потребности в металлоизделиях.

Легкие цветные металлы

Отличаются низкой плотностью. Группа включает в себя алюминий, титан, магний. Эти реже встречаются, чем железо, и обходятся дороже в добыче руды и в производстве. Они используются там, где малый вес изделия или детали окупает ее большую стоимость – в самолетостроении, производстве электроники, в коммуникационной индустрии.

Легкие цветные металлы

Титан не вызывает отторжения со стороны иммунной системы и применяется в протезировании костной ткани.

Тяжелые цветные металлы

Это элементы с большим удельным весом, такие, как медь, олово, свинец, цинк и никель. Обладают хорошей электропроводностью.

Они широко используются как катализаторы реакций, в изготовлении электроматериалов, в электронике, на транспорте – везде, где требуются достаточно прочные, упругие и коррозионностойкие материалы.

Благородные металлы

В эту группу входят золото, серебро, платина, а также редко встречающееся рутений, родий, палладий, осмий, иридий. Они обладают наибольшим удельным весом, высокой коррозионной устойчивостью и высокой электрической и тепловой проводимостью.

На заре человечества золото, серебро и платина применялись как универсальный платежный инструмент и как средство накопления богатств. С развитием цифровой экономики и переходом платежей в виртуальность важнее стаи их уникальные физические свойства

Редкоземельные и щелочные

К редкоземельным относятся скандий, иттрий, лантан и еще 15 редких элементов. Эти элементы отличаются значительным удельным весом, высокой химической активностью и применяются в высокотехнологичных отраслях.

К щелочным относятся литий, калий, натрий и другие. Все они отличаются малым удельным весом и исключительной химической активностью и при реакции с водой образуют щелочи, широко применяемы в быту и промышленности в составе мыла и других моющих средств.

Классификация металлов по химическому составу

Химические свойства чистых элементов определяются строением атомов реальных металлов и прежде всего их атомным числом, характеризующим их способность реагировать с водородом, кислородом и другими элементами. Химические характеристики реально применяемых металлов могут сильно отличаться от параметров чистого вещества как в лучшую, так и в худшую сторону.

Нежелательные добавки называют примесями, а те, что вносятся преднамеренно для изменения параметров в нужную сторону — легирующими присадками.

Общепризнанной является классификация, основанная на указании главного компонента сплава.

Атомно — кристаллическое строение металлов

Внутреннее строение металлов и их характеристики определяют их физико-химические свойства. Электроны на внешних орбитах атомов слабо связаны с ядром и имеют отрицательный заряд. При наличии разницы потенциалов электроны мигрируют к положительному полюсу, создавая электрический ток. Это физическое явление обуславливает электропроводность.

Кристаллическое строение свойственно металлам и их сплавам в твердом фазовом состоянии. Атомы выстраиваются в определенную объемную структуру, называемую кристаллической решеткой.
Число атомов в вершинах и на гранях этой структуры, а также дистанция между ними определяют такие физические свойства металла, как электро- и теплопроводность, вязкость, текучесть и т.д.
Кристаллическое строение металлов и сплавов может быть двух типов:

  • Межатомная дистанция одинакова по всем направлениям. Это так называемое изотропное строение. При этом физические свойства кристалла также одинаковы по всем направлениям.
  • Межатомное расстояние по горизонтали и по вертикали разное. Такой кристалл называют анизотропным, и его физические параметры меняются в зависимости от направления.

Атомно-кристаллическое строение металлов

В реальном куске металлов, составленному из множества изолированных кристаллических фрагментов, атомно кристаллическое строение принадлежит к третьему типу — квазиизотропному. В среднем свойства такого куска близки к изотропным.
При выстраивании кристаллической решетки некоторые атомы не попадают на свое место, смещаются или теряются. В этом случае говорят о дефектах кристаллического строения металлов. Дефекты структуры отрицательно влияют на свойства изделия, особенно если оно должно быть монокристаллом, как, например, в электронике, лазерной технике и других отраслях высоких технологий.

Физические свойства металлов

Физические свойства определяются внутренним строением металлов.

Главное отличие металлов от других элементов — это их электропроводность и магнитные свойства.

И хотя ученые создали неметаллические материалы, обладающие другим строением, но такими же свойствами, как у металлов и сплавов, они еще слишком дороги для массового применения. Многие химически чистые металлы обладают недостаточной прочностью для практических применений, чтобы исправить ситуацию, в технике и строительстве используют их сплавы.

Физические свойства металлов

Добавление тех или иных присадок приводит к росту прочность получаемого вещества в десятки раз по отношению к исходному элементу.

Электронное строение металлов и их особенности

Внутреннее строение реальных металлов определяет их физико-химические параметры.

Кристаллическая решетка металлов

Все металлы в твердом фазовом состоянии имеют кристаллическое строение. Это пространственное образование из многократно повторяющихся первичных структур называют кристаллической решеткой.
схема кристаллической решетки.

Кристаллическое строение металлов

Кристаллическое строение металлов и сплавов может быть двух типов:

  • Межатомная дистанция равна по всем направлениям. Это так называемое изотропное строение. При этом физические свойства кристалла также одинаковы по всем направлениям.
  • Межатомное расстояние по горизонтали и по вертикали разное. Такой кристалл называют анизотропным, его параметры зависят от направления.

В реальном куске металлов, который состоит из множества кристаллических фрагментов, атомно кристаллическое строение принадлежит к третьему типу — квазиизотропному. Усредненные параметры такого куска близки к изотропным.

Типы кристаллических решеток

Дистанцию соседними атомами называют параметром решетки, у разных металлов он составляет 2 — 6 ангстрем. Существуют три основных типа кристаллических решеток:

  • Кубическая: объемно-центрированная — включает в себя девять атомов. Свойственна железу, хрому, молибдену, и ванадию.
  • Кубическая гранецентрированная: включает в себя уже 14 атомов. Присуща меди, золоту, свинцу, алюминию.
  • Гексагональная: атомов уже 17 и размещены они наиболее плотно. Так кристаллизуются магний, цинк кадмий и другие.

Уникальная возможность железа заключается в том, что до 910°С оно имеет кубическую объемно-центрированную структуру, а при нагреве свыше этой температуры переходит к гранецентрированной.

Кристаллическое строение сплавов

Сплав это материал, состоящий из двух и более химических элементов. В его состав могут входить как металлы, так и неметаллы. Например, бронза — это сплав меди и олова, а чугун — сплав железа и углерода. Кроме основных, в состав могут входить и другие вещества, содержащиеся в небольших количествах. Если их добавляют специально и улучшают свойства материала, их называют легирующими присадками, если ухудшают — вредными примесями.
Кристаллическое строение сплавов сложнее, чем металлов.

Оно определяется взаимовлиянием компонентов при образовании кристалла, и принадлежит к трем подвидам:

  • Твердые растворы. Один элемент растворяется в другом. Ведущий элемент строит кристаллическую структуру, а атомы второстепенного элемента размещаются в объеме этой решетки.
  • Химическое соединение. Элементы химически реагируют друг с другом, образуя новое соединение. Из его молекул и составляется кристаллическая решетка.
  • Механическая смесь. Элементы сплава не реагируют друг с другом. Каждый строит свои кристаллические структуры, срастающиеся в независимые кристаллы. Сплав будет представлять собой затвердевшую смесь из множества кристалликов двух разных типов. Такое вещество будет иметь собственную температуру перехода в жидкую фазу.

Физические свойства сплавов могут заметно меняться при изменении процентного соотношения составляющих.

Кристаллизация сплавов

Первичная кристаллизация — это затвердевание расплава с образованием кристаллических решеток. Пространственные атомные и молекулярные структуры, возникающие в ходе такого процесса, оказывают решающее влияние на свойства получаемого сплава.

Сначала в остывающем расплаве возникают центры кристаллизации, вокруг них в ходе процесса и нарастают кристаллы, многократно повторяя структуру центра. В качестве центров кристаллизации могут выступать:

  • Первые образовавшиеся кристаллы в зонах локального охлаждения, чаще всего у стенок литейной формы.
  • Частички неметаллических примесей.
  • Тугоплавкие примеси, уже находящиеся в твердой форме.

Процесс кристаллизации металлов и сплавов

Кристаллы обычно растут в направлении роста градиента температуры. Если рост решеток не встречает физических препятствий, образуются ветвящиеся кристаллические структуры, напоминающие кораллы — дендриты. Если они растут из разных центров и встречаются в расплаве, то препятствуют росту друг друга и искажают свою форму. Такие искаженные кристаллы – это кристаллиты, или зерна. Совокупность отдельных зерен срастается в поликристаллическое тело.
Отдельные кристаллиты достигают размеров от одного до 10 000 микрон и по-разному развернуты в пространстве. На стыках отдельных кристаллитов образуется граничный слой, в котором кристаллические решетки разорваны. Такие слои обладают измененными химическими и физическими свойствами.

Решетки кристаллитов могут обладать разными дефектами структуры:

  • точечные;
  • линейные;
  • поверхностные;

Дефекты кристаллического строения металлов

Дефекты определяются отсутствием атома или группы атомов в вершинах или гранях кристаллической решетки, смещением этих атомов со своих мест или замещением атома или их группы атомами или молекулами примесей.

Кристаллическое строение металлов. Кристаллическая решетка металлов

Одним из самых распространенных материалов, с которым всегда предпочитали работать люди, был металл. В каждую эпоху предпочтение отдавалось разным видам этих удивительных веществ. Так, IV-III тысячелетия до нашей эры считаются веком хальколита, или медным. Позже его сменяет бронзовый, а затем в силу вступает тот, что и по сей день является актуальным — железный.

Читайте также  Делительная головка для токарного станка по металлу

Сегодня вообще сложно представить, что когда-то можно было обходиться без металлических изделий, ведь практически все, начиная от предметов быта, медицинских инструментов и заканчивая тяжелой и легкой техникой, состоит из этого материала или включает в свой состав отдельные части из него. Почему же металлы сумели завоевать такую популярность? В чем проявляются особенности и как это заложено в их строении, попробуем разобраться далее.

Общее понятие о металлах

«Химия. 9 класс» — это учебник, по которому проходят обучение школьники. Именно в нем подробно изучаются металлы. Рассмотрению их физических и химических свойств отведена большая глава, ведь разнообразие их чрезвычайно велико.

Именно с этого возраста рекомендуют давать детям представление о данных атомах и их свойствах, ведь подростки уже вполне могут оценить значение подобных знаний. Они прекрасно видят, что окружающее их разнообразие предметов, машин и прочих вещей имеет в своей основе как раз металлическую природу.

Что же такое металл? С точки зрения химии, к данным атомам принято относить те, что имеют:

  • малое число электронов на внешнем уровне;
  • проявляют сильные восстановительные свойства;
  • имеют большой атомный радиус;
  • как простые вещества обладают рядом специфических физических свойств.

Основу знаний об этих веществах можно получить, если рассмотреть атомно-кристаллическое строение металлов. Именно оно объясняет все особенности и свойства данных соединений.

В периодической системе для металлов отводится большая часть всей таблицы, ведь они образуют все побочные подгруппы и главные с первой по третью группу. Поэтому их численное превосходство очевидно. Самыми распространенными являются:

  • кальций;
  • натрий;
  • титан;
  • железо;
  • магний;
  • алюминий;
  • калий.

Все металлы имеют ряд свойств, которые позволяют объединять их в одну большую группу веществ. В свою очередь, эти свойства объясняет именно кристаллическое строение металлов.

Свойства металлов

К специфическим свойствам рассматриваемых веществ относят следующие.

  1. Металлический блеск. Все представители простых веществ им обладают, причем большинство одинаковым серебристо-белым цветом. Лишь некоторые (золото, медь, сплавы) отличаются.
  2. Ковкость и пластичность — способность деформироваться и восстанавливаться достаточно легко. У разных представителей выражена в неодинаковой мере.
  3. Электропроводность и теплопроводность — одно из основных свойств, которое определяет области применения металла и его сплавов.

Кристаллическое строение металлов и сплавов объясняет причину каждого из обозначенных свойств и говорит о выраженности их у каждого конкретного представителя. Если знать особенности такого строения, то можно влиять на свойства образца и подстраивать его под нужные параметры, что и делают люди уже многие десятилетия.

Атомно-кристаллическое строение металлов

В чем же заключается такое строение, чем характеризуется? Само название говорит о том, что все металлы представляют собой кристаллы в твердом состоянии, то есть при обычных условиях (кроме ртути, которая является жидкостью). А что такое кристалл?

Это условное графическое изображение, построенное путем пересечения воображаемых линий через атомы, которые выстраивают тело. Другими словами, каждый металл состоит из атомов. Они располагаются в нем не хаотично, а очень правильно и последовательно. Так вот, если мысленно соединить все эти частицы в одну структуру, то получится красивое изображение в виде правильного геометрического тела какой-либо формы.

Это и принято называть кристаллической решеткой металла. Она очень сложная и пространственно объемная, поэтому для упрощения показывают не всю ее, а лишь часть, элементарную ячейку. Совокупность таких ячеек, собранная вместе и отраженная в трехмерном пространстве, и образует кристаллические решетки. Химия, физика и металловедение — это науки, которые занимаются изучением особенностей строения таких структур.

Сама элементарная ячейка — это набор атомов, которые располагаются на определенном расстоянии друг от друга и координируют вокруг себя строго фиксированное число других частиц. Она характеризуется плотностью упаковки, расстоянием между составными структурами, координационным числом. В целом все эти параметры являются характеристикой и всего кристалла, а значит, отражают и проявляемые металлом свойства.

Существует несколько разновидностей кристаллических решеток. Объединяет их все одна особенность — в узлах находятся атомы, а внутри располагается облако электронного газа, которое формируется путем свободного передвижения электронов внутри кристалла.

Типы кристаллических решеток

Четырнадцать вариантов строения решетки принято объединять в три основных типа. Они следующие:

  1. Объемно-центрированная кубическая.
  2. Гексагональная плотноупакованная.
  3. Гранецентрированная кубическая.

Кристаллическое строение металлов было изучено только благодаря электронной микроскопии, когда стало возможным получать большие увеличения изображений. А классификацию типов решеток впервые привел французский ученый Браве, по фамилии которого их иногда называют.

Объемно-центрированная решетка

Строение кристаллической решетки металлов данного типа представляет собой следующую структуру. Это куб, в узлах которого находится восемь атомов. Еще один располагается в центре свободного внутреннего пространства ячейки, что и объясняет название «объемно-центрированная».

Это один из вариантов наиболее простого строения элементарной ячейки, а значит, и всей решетки в целом. Такой тип имеют следующие металлы:

  • молибден;
  • ванадий;
  • хром;
  • марганец;
  • альфа-железо;
  • бетта-железо и другие.

Основные свойства таких представителей — высокая степень ковкости и пластичности, твердость и прочность.

Гранецентрированная решетка

Кристаллическое строение металлов, имеющих гранецентрированную кубическую решетку, представляет собой следующую структуру. Это куб, который включает в свой состав четырнадцать атомов. Восемь из них формируют узлы решетки, а еще шесть расположены по одному на каждой грани.

Подобную структуру имеют:

  • алюминий;
  • никель;
  • свинец;
  • гамма-железо;
  • медь.

Основные отличительные свойства — блеск разного цвета, легкость, прочность, ковкость, повышенная устойчивость к коррозии.

Гексагональная решетка

Кристаллическое строение металлов, обладающих данным типом решетки, следующее. В основе элементарной ячейки лежит шестигранная призма. В ее узлах располагается 12 атомов, еще два по основаниям и три атома свободно лежат внутри пространства в центре структуры. Всего семнадцать атомов.

Подобную сложную конфигурацию имеют такие металлы, как:

  • альфа-титан;
  • магний;
  • альфа-кобальт;
  • цинк.

Основные свойства — высокая степень прочности, сильный серебристый блеск.

Дефекты кристаллического строения металлов

Однако все рассмотренные типы ячеек могут иметь и естественные недостатки, или так называемые дефекты. Это может быть связано с разными причинами: посторонними атомами и примесями в металлах, внешними воздействиями и прочим.

Поэтому существует классификация, отражающая дефекты, которые могут иметь кристаллические решетки. Химия как наука изучает каждый из них с целью выявления причины и способа устранения, чтобы свойства материала не были изменены. Итак, дефекты следующие.

  1. Точечные. Они бывают трех основных видов: вакансии, примеси или дислоцированные атомы. Приводят к ухудшению магнитных свойств металла, электро- и теплопроводности его.
  2. Линейные, или дислокационные. Выделяют краевые и винтовые. Ухудшают прочность и качество материала.
  3. Поверхностные дефекты. Влияют на внешний вид и структуру металлов.

В настоящее время разработаны методики устранения дефектов и получения чистых кристаллов. Однако совсем искоренить их не удается, идеальной кристаллической решетки не существует.

Значение знаний о кристаллическом строении металлов

Из вышеизложенного материала очевидно, что знания о тонкой структуре и строении позволяют спрогнозировать свойства материала и повлиять на них. И это позволяет делать наука химия. 9 класс общеобразовательной школы делает в процессе обучения упор на то, чтобы сформировать у учащихся четкое понятие о важном значении основополагающей логической цепочки: состав — строение — свойства — применение.

Сведения о кристаллическом строении металлов очень четко иллюстрирует эту зависимость и позволяет учителю наглядно объяснить и показать детям, насколько важно знать тонкую структуру, чтобы правильно и грамотно использовать все свойства.

Кристаллическое строение металлов

Кристаллическое строение металлов

  • Кристаллическая структура металла Общими свойствами металлов и сплавов являются их кристаллическая структура, характеризующаяся постоянным и регулярным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используется понятие кристаллической решетки, представляющей собой воображаемую пространственную сетку с ионами (атомами) в узлах. Атомно-кристаллическая структура может быть представлена изображением одной элементарной ячейки, а не серией периодически повторяющихся объемов. Это имя ячейки, которое повторяется во всех трех измерениях.

Перемещая этот наименьший объем, кристаллическая структура может быть полностью воспроизведена. 1.1). Элементарные частицы (атомы, ионы) в Кристалле сближаются для контакта. Для упрощения пространственного изображения принято заменять схему, в которой центр тяжести частиц представлен точками. На пересечении прямых линий находятся атомы, их называют узлами решетки. Расстояния между центрами атомов, расположенных в соседних узлах решетки a, b и C, называются параметрами, или периодами решетки.

Их величина равна металлу 0,1-0,7 нм или размеру базовой ячейки 0,2-0,3 Нм. Людмила Фирмаль

Для четкого описания единичных сеток кристаллической решетки необходимо знать параметры a, b, C и значения углов между ними. В 1848 году французский ученый Браве показал, что по изученной трансляционной структуре и симметричным элементам можно выделить 14 типов кристаллических решеток. Решетка Bravais 14, 7 проста и построена осевым переводом в узел ячейки, а 7 сложна и состоит из центра объема единичной ячейки(центрированного по объему) или поверхности ячейки. / 1 1-л/| — / / И- Один. — Д. — Я есть-4— -■> / К-Л — Я / /! С / * * * Я / —год-/ п На рисунке в центре показаны 7 типов простой кристаллической решетки.

1.2 в большинстве случаев сам металл имеет более сложную решетку, поскольку элементарные частицы могут находиться не только в узлах, но и на их гранях и в центре решетки. Для риса. 1.3 показаны три вида основных ячеек кристаллической решетки, наиболее характерные- Рис 1.1. Кристаллическая решетка 22а=B * С, а=_fl=90А, ТФ=120° абс=^С О°Цзи * 9 0° Рис 1.2 основные типы кристаллической решетки:1-кубическая; 2-тетрагональная; 3-ромбическая; 4-ромбическая; 5-гексагональная;6-моноклинная; 7-триклинная Для металлов: объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная высокоплотная ковка (ГП), а также схемы заполнения их атомами.

  • В гранецентрированной решетке Куба(HCC; A1) атомы расположены в верхней части куба и в центре каждой грани(рис. 1.3, а). Продукт кубической решеткой(КДС; Рис. 1.3. тип основных ячеек кристаллической решетки металлов и схема упаковки их атомов: А1-гранецентрированная кубическая (ГЦК); А2-объемноцентрированная кубическая (БЦК); АЗ-гексагональная плотная упаковка (ГЦК).) 23A2) атом расположен в верхней части куба, и один атом находится в центре его объема. 1.3, б). Атом расположен на вершине и в центре шестиугольного основания призмы, а три атома расположены на промежуточной грани призмы. 1.3, б).
Читайте также  Металлизация пластика в домашних условиях

Для характеристики кристаллической решетки введено понятие координационного числа и коэффициента компактности. Координационное число 1K — это число атомов, находящихся на самом близком равноудаленном расстоянии от этого атома. Для ОЦК решетки координационное число равно 8, а для ГЦК и ГП решеток 12. Показано, что решетка ОЦК менее компактна, чем решетки ГЦК и ГП. В решетке BCC каждый атом имеет 8 ближайших соседей, а в сетках HCC и GP-12. Предполагая, что атомы в решетке являются упругими шарами в

Контакте, легко увидеть, что в дополнение к атомам в решетке есть значительное свободное пространство. Людмила Фирмаль

Плотность кристаллической решетки, то есть, объем, занимаемый атомами, характеризуется коэффициентом компактности. Коэффициент компактности Q равен отношению общего объема атомов, входящих в решетку, к объему решетки: Q 4l7s п ЗУ Сто., Где R-радиус атома (Иона), n-основание, или число атомов в элементарной ячейке, и Y-объем элементарной ячейки. Для простой кубической решетки n=(1/8) −8=1;Y=A3==(2L) 3i компактный коэффициент Q=52%. Схема определения базиса решетки ВСС показана на рисунке. 1.4. Ячейка принадлежит 1/8 атома от каждого угла, поэтому есть атом как сумма центра и вершины. Для BCC p= (1/8)- 8 + 1 = 2. Учитывая континуум атомов

После Один. Семь. Восемь. * Вт’/ 4″^ы Параметр решетки равен a= = 1R — / z, а компактный коэффициент равен Q0L[K=68%]. 1 4 схемы определения основы решетки ВСС риса 24 часа 1 самолет индекса 5Miller (112) пересекает Х, Y, и оси Z на единицу расстояние расстояние расстояние 1, 1,’ / г 4z ящика После аналогичного расчета мы находим QnjK=74%, Qrn=74%. Поэтому сетки ГЦК и ГП более компактны, чем ГЦК. Рассмотрим кристаллографический индекс (x m-индекс иллера). В кристаллографии положение атомной плоскости в кристалле определяется отрезками, вырезанными этими плоскостями на пересечении с координатными осями X, Y, Z. Для индекса самолета, это общепринято, чтобы взять обратный сегмент: ч==1 / ТП, к=1/п, я=1/р. Каждая плоскость простой кубической решетки пересекает только одну координатную ось.

Отрезанные сегменты(1,°), (OO, 1, OO) и (OO, OO, 1) имеют противоположные значения(1, O, 0); (0, 1, 0); (0, 0, 1). Тогда за самолет(100): 1/1, 1/°=, 1/°°; для плоских поверхностей(110): 1/1, 1/1, 1/°°; для плоских поверхностей(111): 1/1, 1/1, 1/1. Пример графического представления плоскости показан на рисунке. За 1,5 рис. 1.6 представляет собой ряд плоскостей в одной простой кубической решетке. Плоскость (010)параллельна плоскости x-z элементарной ячейки. Плоскость (110)пересекает оси x, Y на одинаковом расстоянии и параллельна оси Z. Плоскость (111) пересекает все оси на одинаковом расстоянии от начала координат. Если плоскость отсекает отрицательную ось

Рис 1.6 самолет(010), (110), (111) и(010)в простой кубической ячейке Затем на соответствующей индексной цифре ставится знак минус, например, на рисунке (010). 1.6 Для учета явлений, происходящих в кристаллических телах, введено понятие индикатора направления расположения столбиков атомов в кристаллической решетке. Направление Кристалла проходит через начало координат и узлы кристаллической решетки. Длина ребра единичной ячейки (цикла сетки), как единицы измерения, позволяет определить координаты любой точки в этом направлении.

Они обозначаются простыми числами пропорционально координатам выбранных точек по координатным осям, заключенным в квадратные скобки. Их индексы в ориентации кристаллов и простой кубической решетке показаны на рисунке. 1.7 В пространственной решетке, помимо атомов, есть свободное пространство, которое образует поры. Есть октаэдрические и тетраэдрические отверстия. Центр этих пор обозначен маленькой точкой на рисунке. 1.8. Радиус октаэдрической поры ячейки A1 решетки ГЦК с коэффициентом компактности 74% равен 0,41 от радиуса основного атома (Иона), а радиус тетраэдра равен 0,22. Поры локализуются в центре ячейки

А1 и в центре ее ребер. Решетка a2bccc имеет коэффициент сжатости 68%. Радиус отверстия октаэдрического типа (6 в центре плоскости, 12 в центре ребра) равен 0,154 радиуса атома. 24 тетраэдрических типа отверстий, расположенных на поверхности ячейки, могут принимать»чужеродные» атомы с радиусом 0,29 от радиуса атома основного металла. АЗ ГП гриль также имеет коэффициент компактности 74%. Радиус 6 октаэдрических пор и 20 тетраэдрических пор равен g=0,147 каждая? А g=0,2257? А где 7? — Радиус главных атомов клетки. Некоторые металлы могут иметь различные кристаллические решетки при различных температурах. Способность металлов существовать в различных кристаллических формах называется полиморфной или аллотропной. Принято представлять стабильные полиморфные модификации при более низких температурах с индексом a (A-Fe),

более высоким p, затем y и т. д. 1.7 показатель ориентации кристаллов в простых кубических ячейках пространственной решетки 26Д. / б о-поры• — атом/ Рис 1.8. Поры в кристаллической решетке (A1-FCC; A2-BCC; AZ-GP) и октаэдрические B-тетраэдры Известны полиморфные превращения железа: Fe«o FeY (OS-Fe o y-Fe), титана: Tia TiY (a-Ti y-Ti) и других элементов. Температура превращения одной кристаллической модификации в другую называется температурой полиморфного превращения. При полиморфных превращениях форма и тип кристаллической решетки изменяются. Это явление называется перекристаллизацией. Таким образом, ВЭД стабилизирован при температуре ниже 911 ° с, ВЭД стабилен в диапазоне 911-1392°С.

При нагревании выше 911 ° с атомы решетки ВСС перестраиваются с образованием решетки ВСС. Термическая обработка основана на явлении полиморфизма. При переходе от одной полиморфной формы к другой характеристика изменяется, в частности, плотность и, соответственно, объем вещества. Например, плотность FeY на 3% больше плотности FetI, а удельный объем соответственно меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термообработке. 27 полиаморфизм Мартина R британцы explorer. It была одной из причин гибели полярной экспедиции Скотта. Канистры были запечатаны керосином. При низкой температуре белого олова пластика полиморфное превращение происходило с образованием хрупкого порошка серого олова. Топливо пролилось, и в пути экспедиция осталась без топлива.

Превращение белого олова в серое называется «оловянной чумой».» Изучение физико-химических свойств этого явления позволило разработать методы борьбы с ним. Добавление к олову таких элементов, как Bi, Pb и Sb, противодействует восприимчивости олова к песто. Типы кристаллических решеток наиболее важных металлических элементов приведены в таблице. 1.1. Типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов A. металл с одним видом решетки Т а б л и Ц А1. Один Настройка сетки тип количество Факторы малого размера,%металл HCC12 74Ag, Ас, ст, Си, Ас, ПБ, 68Na ни HCC8,К, В, Н, СГ, МО, ж GP Двенадцать. 74Be, мг, ЗН, КР B. металлы с полиморфными превращениями Металлические решетки типа Изотропная форма Температурный диапазон присутствия этого изменения Fe в ОЦК а911 Федеральная комиссия связи Y911-1392 БЦК 8 1392-1536 Со ГПУ в 477

Федеральная комиссия связи 3 477-1430 SN diamond A13 квадратный объемный Центр 3 13-232Mn кубический комплекс многоатомный a-700 кубический комплекс многоатомный 3 700-1079 квадратный лицевой центр 7 1079-1144bcc 8 1143-1244 Zr GPU до 862 БЦК 3 862-1852 Ti GPU a до 882 БЦК 3 882-1668 U ромб a-663 квадратный объемный Центр 3 663-764 BCC U764-1130 Свойства материалов зависят от природы атомов, из которых они состоят, и сил взаимодействия между ними. Аморфный материал характеризуется хаотическим расположением атомов. Таким образом, их свойства в разных направлениях одинаковы, другими словами, АМ или ф Н С Е М а Тер И Л С и З О Т Р О П Н Ы. в кристаллических материалах расстояния между атомами в разных направлениях кристаллов различны. Например, в ОЦК-решетке кристаллической плоскости, проходящей через грань куба, так как четыре атома вершины принадлежат четырем основным ячейкам (1/4), смежным одновременно, только один атом в то же время, в плоскости, проходящей через диагональ куба, есть возможность, что есть два атома.: 1 + (1/4) −4 = 2.

Из-за неодинаковой плотности атомов в разных направлениях Кристалла наблюдаются различные свойства. Различие свойств кристалла по направлению испытания называется анизотропией. Разница в физико-химических и механических свойствах в разных направлениях может быть очень значительной. При измерении с двумя взаимно перпендикулярными кристаллами цинка величина температурного коэффициента линейного расширения Чжана изменяется в 3-4 раза, а прочность кристалла железа-более чем в два раза. Анизотропия свойств характерна для монокристаллов или так называемых монокристаллов. Большая часть техногенного литого металла, закаленного в нормальных условиях, имеет поликристаллическую структуру. Они состоят из большого количества кристаллов или частиц(рис. 1.9, а). В этом случае отдельные зерна анизотропны.

Различные ориентации отдельных зерен обычно приводят к тому, что свойства поликристаллического металла усредняются. Но Рис 1.9 литье металлических гранул (а) и ориентация кристаллической решетки после обработки давлением(б) Шесть. 29 поликристаллические тела характеризуются квазиизотропной-СПГ-кажущейся независимостью свойств от направления испытания. Квазиизотропия сохраняется в литейном состоянии. При обработке давлением (прокатка, ковка), в частности, без нагрева, большинство металлических частиц приобретают примерно одинаковую ориентацию(так называемую текстуру). 1.9, 6), то металл становится анизотропным. Свойства вдоль и поперек направления основной деформации деформируемого металла могут существенно варьироваться. Анизотропия может привести к дефектам в металле (Рослау, волнистость листа). Необходимо учитывать анизотропию при проектировании и разработке технологии получения деталей.

Кристаллические решетки металлов и их основные типы

Металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. Это означает, что атомы в занимаемом ими пространстве расположены строго упорядоченно, находясь в определенных местах на вполне определенных расстояниях друг от друга. В пределах одного кристалла наблюдается повторяющаяся картина расположения атомов. Если соединить атомы воображаемыми линиями в трех взаимно перпендикулярных направлениях, то получится пространственная

кристаллическая решетка. Ее наименьшим структурным образованием является элементарная ячейка, контур которой представляет какое-нибудь составленное из атомов геометрическое тело, например куб или шестигранную призму. Элементарные ячейки, примыкая друг к другу и многократно повторяясь, образуют более крупные твердые тела правильной геометрической формы — кристаллы. Кристаллы, формирующиеся в процессе роста под воздействием окружающих кристаллов и имеющие поэтому неправильную геометрическую форму, называют кристаллитами. Кристаллиты в поликристаллическом теле, отделенные от других кристаллитов большеугловыми границами (см. подпараграф 1.5.3) и обладающие определенной кристаллографической ориентировкой, называют зернами.

Ориентировка ячеек в соседних зернах различна, а в пределах каждого зерна одинакова. Поэтому в кристаллической решетке зерен существует ближний и дальний порядки. Ближний порядок означает постоянство ближних атомов-соседей у каждого атома, а дальний — удаленных.

Читайте также  Обмеднение металла в домашних условиях

Наиболее простой геометрической формой кристаллической решетки металлов является кубическая. Эта форма решетки имеет две разновидности: объемно-центрированную кубическую (ОЦК) и гранецентрированную кубическую (ГЦК). На рис. 1.3, а, б показаны схемы этих решеток. У обоих типов рассматриваемых решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы находятся или в центре куба (один атом на пересечении диагоналей в решетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (шесть атомов в решетке ГЦК).

Кристаллические ОЦК-решетки в числе прочих металлов имеют хром, ванадий, молибден. А ГЦК-рсшстки имеют алюминий, медь, никель и другие металлы. Характерными признаками кристаллической решетки являются параметр решетки, координационное число и плотность упаковки атомов. Параметром (или периодом) кристаллической решетки а считают межатомное расстояние в ячейке (см. рис. 1.3). Координационное число (к.ч.) определяет

Рис. 1.3. Основные тины кристаллических решеток

число ближайших соседей каждого атома. А под плотностью упаковки (п.у.) понимают число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Для решетки ОЦК п.у. = 2 (один атом в вершине куба, а второй в центре куба), к.ч. = 8 (например, для атома, расположенного в центре куба). Для решетки ГЦК п.у. = 4, к.ч. = 12. Параметр решетки а для ОЦК-решеток и ГЦК-решеток одинаков по всем трем направлениям в пространстве.

Таким образом, ГЦК-решетка является более плотной, чем ОЦК-решетка. От плотности упаковки кристаллической решетки зависит прочность металлов.

Однако наиболее плотной из рассматриваемых кристаллических решеток является гексагональная плотноупакованнаярешетка (ГПУ). Схема этой решетки представлена на рис. 1.3, в. Ячейка этой решетки представляет собой шестигранную призму с центрированными основаниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. Характеристики решетки ГПУ: параметры решетки а и с (с > а); если с/а = 1,633, то к.ч. = 12, п.у. = 6. Решетку ГПУ имеют магний, цинк, бериллий и другие металлы.

Параметры кристаллических решеток металлов составляют от 0,2 до 0,7 нм (1 нм = 1(Г 9 м).

В ячейках кристаллических решеток атомы касаются друг друга внешними слоями электронных оболочек. Межатомные силы сцепления, обеспечивающие целостность кристаллической решетки, создаются электромагнитным взаимодействием, обусловленным наличием у атомов валентных электронов. У металлов, находящихся в твердом состоянии, валентные электроны, освобождаясь от своих атомов, движутся между атомами, которые становятся положительно заряженными ионами. Это объясняется тем, что внешние электроны металлов, в отличие от внешних электронов неметаллов, слабо связаны с ядром. Поэтому атомы металлов легко теряют внешние электроны, превращаясь в ионы. Освободившиеся электроны образуют так называемый электронный газ. Принадлежащие всему зерну свободные электроны, взаимодействуя с положительными ионами, обеспечивают целостность кристаллической решетки. Такая межатомная связь в кристаллической решетке получила название металлической. Металлическая связь может существовать как между одноименными атомами в чистых металлах, так и между разнородными — в сплавах. Металлическая межатомная связь не имеет направленного характера. Электроны электронного газа не связаны с отдельными ионами, а в одинаковой степени принадлежат всем ионам металла.

Благодаря наличию электронного газа металлы обладают высокими электро- и теплопроводностью, а также металлическим блеском. Под действием электрического поля свободные электроны

приобретают направленное движение, обеспечивающее протекание тока. Высокая теплопроводность металла обусловлена также участием свободных электронов (наряду с ионами) в передаче тепла. А характерный металлический блеск металлов обусловлен взаимодействием свободных электронов с электромагнитными световыми волнами.

Кристаллическое строение металлов. Характерные свойства металлов. Виды кристаллических решеток, дефекты их строения.

Основные сведения о металлах и сплавах

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.

Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.

Причина этого — в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

Железный век продолжается. Примерно 9 /10 всех используемых человечеством металлов и сплавов – это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о прочих металлах.

Было время, когда железо на земле ценилось значительно дороже золота. Советский историк Г. Арешян изучал влияние железа на древнюю культуру стран Средиземноморья. Он приводит такую пропорцию: 1 : 160 : 1280 : 6400. Это соотношение стоимостей меди, серебра, золота и железа у древних хеттов.

До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20…40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3 раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.

Кристаллическое строение металлов. Характерные свойства металлов. Виды кристаллических решеток, дефекты их строения.

Металлы – простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свой­ствами:

  • специфический «металлический» блеск (хорошая отражательная способность и непрозрачность);
  • высокая электропроводность;
  • высокая теплопроводность;
  • пластичность;
  • отрицательный температурный коэффициент электропроводности (возрастание электросопротивления с повышением температуры).

Самыми распространенными в природе металлами являются алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний и титан.

Характерные свойства металлов обусловлены строением их атомов.

Из курса физики известно, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заря­женных частичек — электронов. В ядре атома находятся положи­тельно заряженные частицы — протоны. Количество протонов рав­но количеству окружающих ядро электронов, т. е. атом в целом является электрически нейтральным.

Атом может терять или приобретать электроны. Тогда он пре­вращается в электрически заряженный атом — ион. При избытке электронов ион заряжен отрицательно, при недостатке электро­нов — положительно.

Принадлежащие атому электроны разделяют на валентные (внешние), движущиеся по внешним орбитам, и внутренние, дви­жущиеся по более близким к ядру орбитам.

Благодаря слабой связи внешних электронов с ядром в метал­лах всегда имеются электроны, подвергающиеся воздействию по­ложительно заряженных ядер близлежащих атомов. Такие электроны называются свободными. Свободные электроны принадлежат не одному какому-либо ядру, а блуждают по всему металлу, вра­щаясь вокруг ядра то одного, то другого иона.

Наличием большого количества свободных электронов (называемых также коллективными или «электронный газ») и объясняются указанные вы­ше характерные признаки металлов.

В отличие от металлов неметаллы, как правило, хрупки, ли­шены металлического блеска, имеют низкую тепло- и электропро­водность. Электросопротивление неметаллов с повышением тем­пературы понижается.

Все металлы в нормальных условиях являются твёрдыми телами (за исключением ртути) и представляют собой вещества, состоящие из большого числа мелких зёрен – кристаллов, упорядоченно расположенных друг относительно друга в пространстве. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.

Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Основными типами кристаллических решёток являются:

1) Объемно — центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1 а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Feα)

2) Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1 б), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Cu, Al, Ag, Au, Feγ)

3) Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).

Рисунок 1 — Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая;

б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропиейили полиморфизмом.

Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe): t 1539°С – ОЦК — Feσ.

Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.

В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают точечные, линейные и поверхностные дефекты.

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей (рис. 2).

Рисунок 2 — Точечные дефекты

Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки.

Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие.

Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.

Основными линейными дефектами являются дислокации.

Д ислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.

Рисунок 3 — Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее механическое напряжение, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

Дата добавления: 2015-11-20 ; просмотров: 5856 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ