Лекция по Материаловедение на тему Строение и кристаллизация металлов

Строение и кристаллизация металлов

Более двухсот лет назад великий русский ученый М. В. Ломоносов дал научное определение металлам: «Металлы суть светлые тела, которые ковать можно». Оно свидетельствует о том, что все металлы имеют характерный металлический блеск и пластичны. Сейчас к определению, данному М. В. Ломоносовым, можно добавить, что все металлы обладают также относительно высокой электро- и теплопроводностью и что электропроводность металлов с ростом температуры уменьшается. У некоторых металлов характерные металлические свойства выражены сильнее, у других - слабее. Характерные свойства металлов обусловлены их строением.

Каждый атом металла состоит из положительно заряженного тяжелого ядра, расположенного в центре, и окружающих ядро отрицательно заряженных электронов. Число электронов равно порядковому номеру элемента в таблице Д. И. Менделеева. В ядре атома находятся протоны и нейтроны. Количество протонов равно количеству окружающих ядро электронов; заряды протонов и электронов взаимно уравновешиваются, поэтому атом электрически нейтрален.

Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. Электроны движутся вокруг ядра с большой скоростью по орбитам, близким к круговым или эллиптическим. Они притягиваются к ядру по закону Кулона, т. е. с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между взаимодействующими частицами. На орбите электрон удерживают центробежные силы, уравновешивающие центростремительную силу от статического притяжения ядром. Электроны могут устойчиво перемещаться, не излучая энергии в окружающее пространство, только по определенным орбитам, положение которых определяется условиями квантовой механики.

В зависимости от запаса энергии электроны одного атома могут принадлежать различным слоям (энергетическим уровням). Все многообразие физико-химических свойств различных веществ определяется особенностями строения электронных оболочек их атомов. Внешние, так называемые валентные, электроны у всех металлов относительно слабо связаны с ядром. Элементы-металлы легко отдают внешние валентные электроны, вступая в химические реакции с элементами-неметаллами, при приложении ничтожной разности электрических потенциалов и т. д. Слабой связью внешних валентных электронов с ядром и объясняются характерные металлические свойства.

К металлам относится примерно 3/4 всех химических элементов.

Между понятием «металл» как химический элемент и как вещество есть некоторая разница. Химия делит все элементы на металлы и неметаллы по их поведению в химических реакциях. Теория металлического состояния рассматривает крупные скопления атомов металлов, в котором они обладают характерными металлическими свойствами: пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью, металлическим блеском. Эти свойства характерны для больших групп атомов. У одиночных атомов таких свойств нет.

Согласно современным представлениям, атомы в металле находятся в ионизированном состоянии. Отдавая часть внешних валентных электронов, они превращаются в положительно заряженные ионы. Свободные электроны непрерывно перемещаются между ионами. Электроны образуют легкоподвижный электронный газ.

При комнатной температуре все металлы, кроме ртути, представляют собой твердые тела, имеющие кристаллическое строение. Для кристаллов характерно строго определенное расположение в пространстве ионов, образующих кристаллическую решетку.

Металлы имеют кристаллические решетки различных типов. Каждая кристаллическая решетка может быть охарактеризована элементарной кристаллической ячейкой - наименьшим комплексом атомов, повторяя который многократно можно построить весь кристалл. У металлов чаще всего встречаются три типа элементарных кристаллических ячеек: объемноцентрированная кубическая, гранецентрированная кубическая и гексагональная плотноупакованная (рис. 2, а -в).

В кубической объемноцентрированной решетке восемь ионов располагаются по вершинам и один в центре куба, на пересечении диагоналей. Объемноцентрированную кубическую решетку имеют кристаллы железа при комнатной температуре, хрома, вольфрама, молибдена, ванадия и многих других металлов. Эта решетка характеризуется всего одним параметром решетки - расстоянием между центрами двух ионов, расположенных по одному ребру. На рис. 2, а параметр решетки обозначен а. У различных металлов, имеющих решетку объемноцентрированного куба, параметры разные. Параметры решеток принято измерять в ангстремах (1 А = МО"10 ж) или килоиксах (1 кХ = 1,00202 А).

Многие металлы, используемые в технике, имеют гранецентрированную кубическую решетку. В элементарной решетке гранецентрированного куба ионы расположены по вершинам куба и в центре каждой грани (на пересечении ее диагоналей). Центр куба (пересечение диагоналей куба) остается свободным. Такую решетку имеют кристаллы меди, никеля, алюминия, свинца, серебра и некоторых других металлов. Гранецентрированная решетка также характеризуется одним параметром - длиной ребра куба а. Например, параметр решетки меди составляет 3,61 кХ, алюминия 4,04 кХ.

Элементарная ячейка гексагональной плотноупакованной решетки представляет собой шестигранную призму. По основаниям призмы расположены правильные шестиугольники. По вершинам шестиугольников и в их центрах находятся ионы. Кроме того, посередине между основаниями вклинивается правильный треугольник с ионами по вершинам. Гексагональная решетка характеризуется двумя параметрами: а и с (рис. 2, в). Наибольшая плотность упаковки атомов достигается при соотношении параметров - = 1,633. При этом три атома, расположенных внутри элементарной ячейки, касаются атомов, расположенных на верхней и нижней плоскостях. Такая решетка называется гранецентрированной плотноупакованной. Ее имеют титан, цирконий, кобальт, цинк, магний и некоторые другие металлы.

Металлы могут иметь кристаллические решетки и других типов, кроме рассмотренных нами.

Покажем, что все характерные свойства металлов обусловлены наличием электронного газа. Сначала рассмотрим природу сил взаимодействия между ионами и электронами в металлах и установим, почему металлы пластичны.

Между положительно заряженными ионами металла в кристаллической решетке существуют силы электростатического отталкивания. Одновременно действуют электростатические силы притяжения между положительно заряженными ионами и электронами, образующими электронный газ. Взаимодействие между ионами и электронами осложняется быстрым перемещением электронов. В результате возникают электродинамические силы. Когда ионы металлов отстоят один от другого на расстояние, равное параметру решетки, силы притяжения и отталкивания уравновешиваются. Характер изменения суммарных сил взаимо-действия между двумя атомами при изменении расстояния между ними показан на рис. 3. При растяжении металлического тела расстояния между ионами увеличиваются, и силы притяжения

Сила, приложенная к металлу, вызывает деформацию. Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузок, и пластической, остающейся после снятия нагрузок. На рис. 4, а показаны два ряда ионов в кристаллической решетке металла. Верхний ряд сдвигается относительно нижнего возрастающей силой Р. Если эта сила будет расти и вызовет смещение верхнего ряда ионов относительно нижнего на целый параметр решетки, то верхний ряд окажется опять в устойчивом положении (рис. 4, б). Вслед за ионами сместятся электроны. Сила взаимодействия между рядами атомов не будет нарушена. Произойдет остаточная деформация кристалла без его разрушения. Поэтому все металлы пластичны.

Рассмотрим, к каким последствиям приведет аналогичный сдвиг в кристалле с неметаллическим характером связи. Для примера возьмем кристалл поваренной соли, представляющий собой химическое соединение NaCl. В этом кристалле имеются положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные ионы хлора.

Характер взаимодействия между ионами электростатический. Ближайшими соседями положительно заряженного иона натрия являются отрицательно заряженные ионы хлора, и наоборот. Если увеличить силу Р, для того чтобы сдвинуть верхний ряд атомов относительно нижнего на целый параметр решетки, то в этом случае после сдвига одноименные ионы окажутся один против другого (рис. 4, г). Как известно, одноименные ионы отталкиваются. В результате по линии сдвига образуется трещина. 10

начинают преобладать над силами отталкивания. Так возникают внутренние силы, уравновешивающие внешние растягивающие силы.

Все металлы обладают высокой электропроводностью, что объясняется слабой связью электронного газа с положительно заряженными ионами. Достаточно приложить небольшую разность электрических потенциалов к концам металлического тела, чтобы вызвать перемещение электронного газа, т. е. получить электрический ток.

Рассмотрим причины высокой теплопроводности металлов. Ионы в узлах кристаллической решетки совершают колебательные движения. Средняя амплитуда этих колебаний определяет температуру металла. Чем выше температура, тем больше средняя амплитуда колебаний. В неметаллах в передаче тепловой энергии от одного объема к другому принимают участие только ионы. В металлах, кроме ионов, в процессе передачи тепла участвует также легкоподвижный электронный газ. Поэтому скорость передачи тепла в металлах значительно выше, чем в неметаллах.

Металлы, используемые в технике, состоят из большого числа кристаллов неправильной формы, называемых зернами или кристаллитами.

Такое строение металлов называется поликристаллическим. Схематически. По границам между зернами металла нарушается правильность строения кристаллической решетки. Обычно зерна повернуты произвольно.

Для научных целей путем очень медленного охлаждения можно получить весьма крупные куски металла, масса которых составляет несколько сот граммов, представляющих собой один кристалл. Их называют монокристаллами.