Какие свойства металлов обусловлены кристаллическим строением
Металлы – особая группа элементов в периодической таблице Менделеева. В отличие от неметаллов элементы этой группы являются исключительно восстановителями с положительной степенью окисления, а также обладают пластичностью, твёрдостью, упругостью, что обусловлено кристаллическим строением металлов.
Общее строение
Металлы – твёрдые вещества, имеющие кристаллическое строение. Исключение составляет ртуть – жидкий металл. Кристаллические решётки представляют собой упорядоченные определённым образом атомы металла. Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и нескольких отрицательно заряженных электронов. В атомах металлов недостаточно электронов, поэтому они являются ионами.
Единица кристаллической решётки – элементарная кристаллическая ячейка, в условных узлах и на гранях которой находятся положительно заряженные ионы. Их удерживают вместе металлические связи, возникающие за счёт беспорядочного движения отделившихся от атомов электронов (благодаря чему атомы превратились в ионы).
Отрицательно заряженные электроны держат на равном расстоянии положительно заряженные электроны, предавая кристаллической решётке правильную геометрическую форму.
Рис. 1. Схема металлической связи.
Свободное движение электронов обусловливает электро- и теплопроводность металлов.
Виды решёток
Элементарные кристаллические ячейки могут иметь различную конфигурацию. В связи с этим выделяют три типа кристаллических решёток:
- объемно-центрированная (ОЦК) кубическая – состоит из 9 ионов;
- гранецентрированная (ГЦК) кубическая – включает 14 ионов;
- гексагональная плотноупакованная (ГПУ) – состоит из 17 ионов.
ОЦК представляет собой куб, в узлах которого находится по атому. В центре куба, на пересечении диагоналей располагается девятый ион. Этот тип характерен для железа, молибдена, хрома, вольфрама, ванадия.
Элементарной кристаллической ячейкой типа ГЦК является куб с ионами в узлах и в середине каждой грани – на пересечении диагоналей. Такое строение имеют медь, серебро, алюминий, свинец, никель.
Третий тип имеет вид гексагональной призмы, в узлах которой находится по шесть ионов с каждой стороны. Посередине между шестью узлами располагается по одному иону. В середине призмы между шестиугольными гранями находится равносторонний треугольник, который составляют три иона.
Рис. 2. Типы решёток.
Металл может содержать большое количество дефектов атомного строения. Дефекты влияют на свойства металла.
Характеристика решётки
Кристаллические решётки характеризуются компактностью или степенью наполненности. Компактность определяют показатели:
- параметр решётки – расстояние между атомами;
- число атомов;
- координационное число – количество соседних ячеек;
- плотность упаковки – отношение объёма, занимаемого атомами, к полному объёму решётки.
При подсчёте количества атомов следует помнить, что атомы в узлах и на гранях входят в состав соседних ячеек.
Рис. 3. Кристаллические ячейки составляют решётку.
Что мы узнали?
Узнали кратко об атомно-кристаллическом строении металлов. Металлы – твёрдые кристаллические вещества. Единицей решётки является элементарная кристаллическая ячейка. Благодаря металлическим связям ионы в узлах ячеек удерживаются на одинаковом расстоянии. Различают три типа кристаллических решёток – ОЦК, ГЦК и ГПУ, отличающихся количеством атомов и геометрической формой.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.5. Всего получено оценок: 91.
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<911°С – ОЦК — Feα; 911< t< 1392°С – ГЦК — Feβ; 1392< 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.
Общее свойство металлов и сплавов — их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.
Атомно-кристаллическая структура может быть представлена не рядом периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях.
В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки. Величина их в металлах порядка 0,1–0,7 нм, размеры элементарных ячеек — 0,2–0,3 нм.
Для однозначного описания элементарной ячейки кристаллической решетки необходимо знание величин параметров a, b, c и углов между ними.
В 1848 г. Французский ученый Бравэ показал, что изученные трансляционные структуры и элементы симметрии позволяют выделить 14 типов кристаллических решеток.
Для характеристики кристаллических решеток вводят понятия координационного числа и коэффициента компактности. Координационным числом I называется число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решеток ГЦК и ГП оно составляет 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чем решетки ГЦК и ГП. В решетке ОЦК каждый атом имеет всего 8 ближайших соседей, а в решетках ГЦК и ГП их 12.
Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары, то нетрудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. Е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности.
Коэффициент компактности Q равен отношению суммарного объема атомов, входящих в решетку, к объему решетки: где R — радиус атома (иона); n — базис, или число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку; V — объем элементарной ячейки.
Для простой кубической решетки n = (1/8) ? 8 = 1; V = a3 = (2R)3, коэффициент компактности Q = 52 %.
На решетку ОЦК приходится два атома: один центральный и один как сумма от вершин куба, так как ячейке принадлежит 1/8 атома от каждого угла.
Для ОЦК решетки n = (1/8) ? 8 + 1 = 2. Учитывая, что атомы соприкасаются по диагонали куба, длина которой равна 4 атомным радиусам, параметр решетки а коэффициент компактности QОЦК = 68 %.
Проведя аналогичные вычисления, найдем QГЦК = 74 %, QГП = 74 %.
Таким образом, решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК.
Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом a (a-Fe), при более высокой индексом b, затем y и т.д (где а – альфа, b – бетта и y – гамма).
Известны полиморфные превращения железа:
Fea << Feg (a-Fe<< g-Fe, титана Tia << Tig
(a-Ti<< g- Ti) и других элементов.
Температура превращения одной кристаллической модификации в другую называется температурой полиморфного превращения.
При полиморфном превращении меняются форма и тип кристаллической решетки. Это явление называется перекристаллизацией. Так, при температуре ниже 911 °С устойчиво Fea, в интервале 911–1392 °С устойчиво Feg. При нагреве выше 911 °С атомы решетки ОЦК перестраиваются, образуя решетку ГЦК. На явлении полиморфизма основана термическая обработка.
При переходе из одной полиморфной формы в другую меняются свойства, в частности плотность и соответственно объем вещества. Например, плотность Feg на 3 % больше плотности Fea, а удельный объем соответственно меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термообработке.
Полиморфизм олова явился одной из причин гибели полярной экспедиции английского исследователя Р. Скотта. Оловом были запаяны канистры с керосином. При низкой температуре произошло полиморфное превращение пластичного белого олова с образованием хрупкого порошка серого олова. Горючее вылилось и испарилось, и на обратном пути экспедиция осталась без топлива. Превращение белого олова в серое называют «оловянной чумой».
Типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1.
Типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов
А. Металлы с одним типом решетки
| ТИП РЕШЕТКИ | КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО | КОЭФФИЦИЕНТ КОМПАКТНОСТИ | МЕТАЛЛ |
| ГЦК | 12 | 74 | Ag,Au,Pt, Cu,Al,Pb,Ni |
| ОЦК | 8 | 68 | Na, K,V,Nb, Cr, Mo, W |
| ГП | 12 | 74 | Be,Mg,Zn,Cd |
Б. Металлы с полиморфным превращением
| МЕТАЛЛ | ТИП РЕШЕТКИ | ТЕМПЕРАТУРА ПРЕВРАЩЕНИЯ, °С |
| Ca | ГЦК << ГП | 450 |
| Ce | ГП <<ГЦК | 477 |
| Zr | ГП <<ОЦК | 882 |
| Ti | ГП <<ОЦК | 882 |
| Fe | ОЦК<<ГЦК<<ОЦК | 911, 1 392 |
Свойства материалов зависят от природы атомов, из которых они состоят, и силы взаимодействия между ними. Аморфные материалы характеризуются хаотическим расположением атомов. Поэтому свойства их в различных направлениях одинаковы, или, другими словами, аморфные материалы изотропны. В кристаллических материалах расстояния между атомами в разных кристаллографических направлениях различны. Например, в ОЦК решетке в кристаллографической плоскости, проходящей через грань куба, находится всего один атом, так как четыре атома в вершинах одновременно принадлежат четырем соседним элементарным ячейкам: (1/4) 4 = 1 атом. В то же время в плоскости, проходящей через диагональ куба, будут находиться два атома: 1 + (1/4) 4 = 2.
Из-за неодинаковой плотности атомов в различных направлениях кристалла наблюдаются разные свойства. Различие свойств в кристалле в зависимости от направления испытания называется анизотропией.
Разница в физико-химических и механических свойствах в разных направлениях может быть весьма существенной. При измерении в двух взаимно перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расширения различаются в 3–4 раза, а прочности кристалла железа — более, чем в два раза.
Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов или для так называемых монокристаллов. Большинство же технических литых металлов, затвердевших в обычных условиях, имеют поликристаллическое строение. Они состоят из большого числа кристаллов или зерен. При этом каждое отдельное зерно анизотропно. Различная ориентировка отдельных зерен приводит к тому, что в целом свойства поликристаллического металла являются усредненными.
Поликристаллическое тело характеризуется квазиизотропностью — кажущейся независимостью свойств от направления испытания. Квазиизотропность сохраняется в литом состоянии, а при обработке давлением (прокатке, ковке), особенно, если она ведется без нагрева, большинство зерен металла приобретает примерно одинаковую ориентировку — так называемую текстуру, после чего металл становится анизотропным. Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления главной деформации могут существенно различаться. Анизотропия может приводить к дефектам металла (расслою, волнистости листа). Анизотропию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии получения деталей.