Kievuz

Металлические материалы Строение металлов

Содержание

Кристаллическое строение металлов. Кристаллическая решетка металлов

Металлические материалы Строение 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.

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.

Источник: https://FB.ru/article/196026/kristallicheskoe-stroenie-metallov-kristallicheskaya-reshetka-metallov

Pereosnastka.ru

Металлические материалы Строение металлов

Cтроение металлов и сплавов

Категория:

Художественное материаловедение

Cтроение металлов и сплавов

Металлы. Все металлы состоят из множества отдельных зерен — кристаллов, плотно прилегающих друг к другу и крепко связанных между собой внутренними силами сцепления. Поэтому металлы относятся к кристаллическим телам.

Образование кристаллов, или кристаллизация металлов, обычно происходит при остывании жидкого расплавленного металла.

Этот процесс протекает следующим образом: при охлаждении жидкого металла его затвердение начинается с образования центров кристаллизации, в которых атомы металла располагаются в определенном порядке, образуя кристалл, имеющий правильную форму геометрических фигур — куба, призмы и др.

Однако в процессе кристаллизации металлов одновременно возникает много центров кристаллизации и полногранных кристаллов не образуется или образуется очень мало, так как кристаллизация происходит несвободно и соседние кристаллы мешают друг другу развиваться правильно. В результате наружные очертания кристаллов не получают геометрических форм — их углы закругляются, сдавливаются, и такие кристаллы называются зернами или кристаллитами.

Чем быстрее металл остывает, тем больше возникает центров кристаллизации и тем мельче образовавшиеся кристаллиты. Размеры зерен металлов очень различны — от нескольких сантиметров в литом, медленно охлажденном металле до тысячных долей миллиметра в быстро охлажденном и механически обработанном металле.

Форма и размеры кристаллов зависят не только от условий, при которых происходит их образование, но и от последующей обработки металла.

Если литой металл с сравнительно крупными зернами подвергнуть механической обработке — ковке, штамповке, прокатке, чеканке и т. п., то структура металле изменится, произойдет измельчение зерен.

Крупные кристаллы раздробятся на множество мелких, изменится их форма — они станут сплющенными или вытянутыми в зависимости от направления действия приложенной силы.

С изменением размеров, формы, расположения кристаллов изменяются и механические свойства металлов. Они становятся более твердыми, хрупкими, упругими, утрачивается пластичность и вязкость.

Путем длительной механической обработки, например чеканкой, вызывающей измельчение кристаллов, можно довести металл до такого состояния, что он из пластичного и мягкого станет жестким, хрупким, легко разрушающимся при дальнейшей деформации. Такой металл называется нагартованным или получившим наклеп.

Если нагартованный металл нагреть до определенной температуры, то структура его вновь изменится, мелкие зерна исчезнут и вместо них появятся более крупные, но уже не такие, как в литом металле. Размеры зерен будут более или менее одинаковые по всем направлениям. Такую структуру называют равноосной.

Сплавы. Чистые металлы в изделиях художественной промышленности применяются редко, обычно применяются их сплавы. Сплавы обладают самыми разнообразными свойствами. Зная теорию сплавов, можно составлять такие сплавы, которые обладают теми или иными желаемыми свойствами.

Под чистыми металлами понимают химически простое вещество, например железо, медь, олово, серебро и т. п. Однако получение абсолютно чистых металлов сопряжено с большими трудностями.

Например, получить железо, совершенно свободное от примесей — серы и углерода, до сих пор невозможно. Даже наиболее чистое железо содержит тысячные доли углерода и серы. В художественной промышленности его не применяют из-за трудности получения и высокой стоимости.

В то же время сплавы на железной основе — сталь и чугун — применяются здесь чрезвычайно широко.

То же можно сказать и о меди. Даже в самой чистой меди всегда присутствуют примеси мышьяка, висмута, сурьмы, железа и других веществ, от которых освободиться чрезвычайно трудно.

Однако интересно отметить, что в 1720 г. заводчик Никита Антуфь-ев-Демидов подарил Петру I игральный стол, изготовленный из чистой меди, в которой всяких примесей было меньше, чем в самой лучшей меди, выплавляемой в наше время по современной технологии.

В чистом виде медь применяется гораздо реже, чем ее сплавы — латунь и бронза. Это объясняется тем, что эти сплавы обладают важными свойствами, которых нет у чистой меди.

Сплавы образуются путем соединения металлов с металлами или металлов с металлоидами. Например, при соединениях меди с цинком образуется латунь, алюминия с кремнием — силумин.

[/stextbox]

Сплавы можно получить из двух или нескольких компонентов методом сплавления. Это наиболее древний способ, известный человечеству еще с доисторических времен.

Известно также, что уже в Древнем Египте и Китае за четыре тысячи лет до нашей эры выплавляли металл из полиметали-ческих руд и полученными природными сплавами (например, бронзой) пользовались для производства различных предметов, в том числе и художественных изделий.

Наши предки много веков тому назад умели сплавлять золото с серебром, получая сплав электрум, применявшийся ими для выделки художественных сосудов — кубков, ваз и т. п.

Разработаны новые способы получения сплавов, например, прессованием и спеканием из смеси металлических порошков, а также путем электролиза или конденсации из паров металлов.

В настоящее время сплавы из двух компонентов применяются сравнительно редко.

Это объясняется тем, что двойные сплавы имеют недостаточно высокие механические свойства, а поэтому в технике и художественной промышленности в большинстве случаев применяются сплавы более сложного состава — тройные, четверные и т. д.

Добавка третьего или четвертого компонента к двойным сплавам существенно изменяет их свойства, особенно в тех случаях, если новый компонент может вызвать образование химического соединения и тем самым резко изменить кристаллическую решетку.

—-

Металлы. Все металлы состоят из множества отдельных зерен — кристаллов, плотно прилегающих друг к другу и крепко связанных между собой внутренними силами сцепления. Поэтому металлы относятся к кристаллическим телам.

Образование кристаллов, или кристаллизация металлов, обычно происходит при остывании жидкого расплавленного металла.

Этот процесс протекает следующим образом: при охлаждении жидкого металла его затвердение начинается с образования центров кристаллизации, в которых атомы металла располагаются в определенном порядке, образуя кристалл, имеющий правильную форму геометрических фигур — куба, призмы и др.

Однако в процессе кристаллизации металлов одновременно возникает много центров кристаллизации и полногранных кристаллов не образуется или образуется очень мало, так как кристаллизация происходит несвободно и соседние кристаллы мешают друг другу развиваться правильно. В результате наружные очертания кристаллов не получают геометрических форм — их углы закругляются, вдавливаются, и такие кристаллы называются зернами или кристаллитами.

Чем быстрее металл остывает, тем больше возникает центров кРисталлизации и тем мельче образовавшиеся кристаллиты. Разме-РЬ| зерен металлов очень различны — от нескольких сантиметров в литом, медленно охлажденном металле до тысячных долей миллима в быстро охлажденном и механически обработанном металле.

Форма и размеры кристаллов зависят не только от условий, при которых происходит их образование, но и от последующей обработки металла.

Если литдй металл с сравнительно крупными зернами подвергнуть механической обработке — ковке, штамповке, прокатке, чеканке и т. п., то структура металле изменится, произойдет измельчение зерен.

Крупные кристаллы раздробятся на множество мелких, изменится их форма — они станут сплющенными или вытянутыми в зависимости от направления действия приложенной силы.

С изменением размеров, формы, расположения кристаллов изменяются и механические свойства металлов. Они становятся более твердыми, хрупкими, упругими, утрачивается пластичность и вязкость.

Путем длительной механической обработки, например чеканкой, вызывающей измельчение кристаллов, можно довести металл до такого состояния, что он из пластичного и мягкого станет жестким, хрупким, легко разрушающимся при дальнейшей деформации. Такой металл называется нагартованным или получившим наклеп.

Если нагартованный металл нагреть до определенной температуры, то структура его вновь изменится, мелкие зерна исчезнут и вместо них появятся более крупные, но уже не такие, как в литом металле. Размеры зерен будут более или менее одинаковые по всем направлениям. Такую структуру называют равноосной.

Сплавы. Чистые металлы в изделиях художественной промышленности применяются редко, обычно применяются их сплавы. Сплавы обладают самыми разнообразными свойствами. Зная теорию сплавов, можно составлять такие сплавы, которые обладают теми или иными желаемыми свойствами.

Под чистыми металлами понимают химически простое вещество, например железо, медь, олово, серебро и т. п. Однако получение абсолютно чистых металлов сопряжено с большими трудностями.

Например, получить железо, совершенно свободное от примесей — серы и углерода, до сих пор невозможно. Даже наиболее чистое железо содержит тысячные доли углерода и серы. В художественной промышленности его не применяют из-за трудности получения и высокой стоимости.

В то же время сплавы на железной основе — сталь и чугун — применяются здесь чрезвычайно широко.

То же можно сказать и о меди. Даже в самой чистой меди всегда присутствуют примеси мышьяка, висмута, сурьмы, железа и других веществ, от которых освободиться чрезвычайно трудно.

Однако интересно отметить, что в 1720 г. заводчик Никита Антуфь-ев-Демидов подарил Петру I игральный стол, изготовленный из чистой меди, в которой всяких примесей было меньше, чем в самой лучшей меди, выплавляемой в наше время по современной технологии.

В чистом виде медь применяется гораздо реже, чем ее сплавы — латунь и бронза. Это объясняется тем, что эти сплавы обладают важными свойствами, которых нет у чистой меди.

Сплавы образуются путем соединения металлов с металлами или металлов с металлоидами. Например, при соединениях меди с цинком образуется латунь, алюминия с кремнием — силумин.

[/stextbox]

Сплавы можно получить из ух или нескольких компонен-методом сплавления. Это наиболее древний способ, известный человечеству еще с доисторических времен.

Известно также, что уже в Древнем Египте и Китае за четыре тысячи лет до нашей эры выплавляли металл из полиметали-ческих руд и полученными природными сплавами (например, бронзой) пользовались для производства различных предметов, в том числе и художественных изделий.

Наши предки много веков тому назад умели сплавлять золото с серебром, получая сплав электрум, применявшийся ими для выделки художественных сосудов — кубков, ваз и т. п.

Разработаны новые способы получения сплавов, например, прессованием и спеканием из смеси металлических порошков, а также путем электролиза или конденсации из паров металлов.

В настоящее время сплавы из двух компонентов применяются сравнительно редко.

Это объясняется тем, что двойные сплавы имеют недостаточно высокие механические свойства, а поэтому в технике и художественной промышленности в большинстве случаев применяются сплавы более сложного состава — тройные, четверные и т. д.

Добавка третьего или четвертого компонента к двойным сплавам существенно изменяет их свойства, особенно в тех случаях, если новый компонент может вызвать образование химического соединения и тем самым резко изменить кристаллическую решетку.

Реклама:

Cвойства металлов и сплавов

Источник: http://pereosnastka.ru/articles/ctroenie-metallov-i-splavov

Строение металлов

Металлические материалы Строение металлов

Исследование структуры металла проводят путем изучения макроструктуры с увеличением до 10 раз и без увеличения; микроструктуры с увеличением от 10 до 2000 раз на оптических микроскопах и до 100 000 раз на электронных микроскопах, атомной структуры — рентгенографическим анализом.

Металлы представляют собой кристаллические тела с закономерным расположением атомов в узлах пространственной решетки.

Рис. 3. Элементарный кубический кристалл: а — объемно-центрированный; б — гранецентрированный

Решетки состоят из ряда кристаллических плоскостей, расположенных друг от друга на расстоянии нескольких нанометров (1 нм = 10-9 м). Для железа эти расстояния 28,4 нм (б=Fe) и 36,3 нм (г = Fe).

Большинство металлов имеет пространственные решетки в виде простых геометрических фигур. Отдельные участки кристаллической решетки прочно связаны между собой в комплексы — зерна.

Взаимное расположение зерен отдельных элементов и сплавов определяет структуру металлов и их свойства.

Атомы металлов характеризуются малым количеством электронов (1…2) на наружной оболочке, легко отдают их, что подтверждается высокой электропроводностью.

Черные металлы имеют простые кубические ячейки решеток (рис. 3) двух видов: а) центрированный или объемно-центрированный куб (9 атомов в ячейке), объем шаров занимает 68 %; б) гранецентрированный или куб с центрированными гранями (14 атомов), объем шаров занимает 74 %. Некоторые цветные металлы и их сплавы имеют гексагональную (шестигранную) решетку.

Железо, олово, титан и другие металлы обладают свойствами аллотропии, т.е. способностью одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру.

Аллотропические превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Железо имеет четыре аллотропические формы: б-Fe; в-Fe, г-Fe, д-Fe.

Практическое значение имеют б -Fe и г -Fe, так как p-Fe и б-Fe отличаются от a-Fe только величиной межатомного расстояния, а для в-Fe характерно отсутствие магнитных свойств.

Рис. 4. Кривые охлаждения и нагревания железа

Температура, при которой происходит переход металла из одного аллотропического вида в другой, называется критической. Величины этих температур видны на диаграмме охлаждения и нагревания чистого железа (рис. 4) в виде участков, свидетельствующих о том, что фазовые превращения происходят с выделением теплоты при нагревании.

Все металлы находятся в твердом состоянии до определенной температуры. При нагреве металла амплитуда колебания атомов достигает некоторой критической величины, при которой происходят разрушение кристаллической решетки и переход металлов из твердого в жидкое состояние.

Процесс кристаллизации заключается в росте кристаллов путем отложения новых кристаллических групп вокруг возникших зародышей. Рост кристаллических образований происходит в определенных направлениях.

Вначале образуются главные оси кристалла путем роста в трех взаимно перпендикулярных направлениях, а затем от каждой из этих осей образуются новые и возникает не полностью завершенный кристалл, называемый дендритом. В дальнейшем все промежутки между осями дендрита заполняются упорядоченно расположенными атомами.

В условиях несвободной кристаллизации образующиеся кристаллы получают неправильные очертания и форму и называются кристаллитами или зернами. Величина зерен оказывает существенное влияние на механические свойства металлов: чем мельче зерна, тем прочнее металл.

Технические металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа различно ориентированных кристаллических зерен (поперечные размеры зерен — 0,001…0,1 мм). Поэтому в целом металлы и сплавы можно считать условно изотропными телами.

Сплавы обладают металлическими свойствами и состоят из двух элементов и более. Элементы, входящие в состав сплавов, называют компонентами. Компоненты сплавов в процессе затвердевания и последующего охлаждения могут образовывать химические соединения, твердые растворы на базе одного из компонентов или нового химического соединения и механические смеси.

Химические соединения, образующиеся на основании общих химических законов (валентности, ионной связи), могут быть выражены химическими индексами. Обычно химические соединения повышают твердость и хрупкость металлов и, как правило, имеют кристаллическую решетку другого типа, чем у каждого из элементов в отдельности.

Твердые растворы — сплавы, у которых атомы растворимого элемента рассеяны в кристаллической решетке растворителя; растворимый элемент может замещать часть атомов основного металла или внедряться между ними, но без образования молекул определенного состава.

В железоуглеродистых сплавах Fe-С атомы углерода внедряются в поры решетки Fe. В отличие от химических соединений состав твердых растворов непостоянен и зависит от температуры и концентрации (проникания одного элемента кристаллической решетки в другой).

Кристаллическая решетка твердого раствора сохраняет тип решетки одного из компонентов, который по этому признаку считается растворителем.

Механические смеси (эвтектики, эвтектоиды) — микроскопически малые, тесно перемешанные и связанные между собой компоненты сплава, состоящие из чистых металлов, твердых растворов и химических соединений.

Эвтектики образуются из жидкого сплава при охлаждении и характеризуются самой низкой температурой затвердевания смеси, хорошими литейными качествами и высокими механическими свойствами. Эвтектоиды образуются при распаде твердого раствора.

Эвтектические и эвтектоидные смеси возникают при определенной концентрации отдельных составляющих и определенной температуре. В сплавах, отличных по составу от эвтектических, при затвердевании в первую очередь выпадает компонент, избыточный по отношению к эвтектическому.

Изменения структуры и свойств сплавов с изменением концентрации и температуры в наглядной форме представлены на диаграммах состояния сплавов. Эти диаграммы не содержат фактора времени и соответствуют условию очень медленного нагрева и охлаждения.

Page 3

Основными структурами, составляющими железоуглеродистые сплавы, являются следующие. Феррит — твердый раствор углерода в б -Fe. При температуре 723° С предельное содержание углерода 0,02 %. При отсутствии примесей не корродирует.

Цементит — карбид железа Fe3C — химическое соединение, содержащее 6,67 % углерода. Является составной частью эвтектической смеси, а также самостоятельной структурной составляющей.

Способен образовывать твердые растворы путем замещения атомами других металлов, неустойчив, распадается при термической обработке. Цементит очень тверд (НВ 800) и хрупок. Аустенит — твердый раствор углерода в г -Fe.

Атомы углерода внедряются в кристаллическую решетку, причем насыщение может быть различным в зависимости от температуры и примесей. Устойчив только при высокой температуре, а с примесями Mn, Сг — при обычных, даже низких температурах. Твердость аустенита НВ 170…220.

Рис. 5. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов:

а — диаграмма; I — жидкий сплав; II — жилкий сплав и кристаллы аустенита; III — жидкий сплав и цементит; IV — аустенит; V — цементит и аустенит; VI — аустенит, цементит, ледебурит; VII — цементит и ледебурит; VIII — феррит и аустенит; IX — феррит и перлит; X — цементит и перлит; XI — перлит, цементит; ледебурит; XII — цементит, ледебурит; б — ориентировочные отношения структурные составляющих в различных областях диаграммы.

Перлит — эвтектоидная смесь феррита и цементита, образуется при распаде аустенита при температуре 723° С и содержании углерода 0,83 %. Примеси Si и Мn способствуют образованию перлита и при меньшем содержании углерода. Твердость перлита НВ 160…260. Структура перлита может быть пластинчатой и глобулярной (зернистой).

Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при 1130° С и содержании углерода 4,3 % Структура неустойчивая: при охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ 700) и хрупок.

Графит — мягкая и хрупкая составляющая чугуна, состоящая из разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах.

На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис 5) на оси ординат отложена температура, на оси абсцисс — содержание в сплавах углерода до 6,67 % т.е. до такого количества, при котором образуется химическое соединение Fe3C — цементит. Пунктирными линиями нанесена диаграмма состояния для системы железо — графит, так как возможен распад цементита Fe3С.

Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой, а железоцементитной, так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода.

Все линии на диаграмме соответствуют критическим точкам, т. е. тем температурам, при которых происходят структурные изменения в сплавах. Критические точки для стали впервые открыл русский ученый-металлург Д.К. Чернов.

Линия ACD — линия начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса), линия AECF — линия конца кристаллизации сплава (линия солидуса). Только чистые металлы и эвтектика плавятся и затвердевают при постоянной температуре.

Затвердевание всех остальных сплавов происходит постепенно, причем из жидкого сплава сначала выделяется избыточный по отношению к составу эвтектики компонент. Область AESG на диаграмме соответствует аустениту. Линия GS — начало выделения феррита, а линия SE — вторичного цементита.

Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и выделению перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит.

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы получают следующие названия:

При содержании углерода

Источник: https://studwood.ru/1878013/tovarovedenie/stroenie_metallov

Кристаллическое строение металлов

Металлические материалы 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.

Металлы

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

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.

МедьОловоЦинкСвинец
Чистый никель

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.

Золото и платинаСеребро

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.

ИттрийСканидийЛантан

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.

Щелочные металлы

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.

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.

Строение сплавов

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.

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник: http://StankiExpert.ru/spravochnik/materialovedenie/kristallicheskoe-stroenie-metallov.html

Строение кристаллов

Металл состоит из большого числа мелких кристаллитов (зерен). Кристаллические решетки отдельных зерен ориентированы относительно друг друга случайным образом.

Такое твердое тело называется поликристаллом. Поверхности раздела зерен называются границами.

При очень медленном контролируемом охлаждении расплава металла можно получить монокристалл — единичный кристалл с непрерывной кристаллической решеткой.

Природные монокристаллы и поликристаллы не обладают строгим расположением атомов, о которой говорилось выше. Они содержат те или иные дефекты.

Дефекты могут быть точечными, линейными (одномерными), поверхностными (двумерными) и объемными (трехмерными).

К точечным дефектам относятся пустые узлы (вакансии) (рис. 3, а) в кристаллической решетке; межузельные атомы — атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки (рис. 3, б); привесные атомы, которые могут замещать атомы основного металла.

Рис. 3. Дефекты металлов: а и 6 — точечные; в — линейный; г, д — поверхностные

К линейным дефектам относят дислокации — линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное расположение атомных плоскостей, в результате чего возникает сдвиг кристаллической решетки (рис. 3, в).

Поверхностными дефектами считаются субзерна (блоки) (рис. 3, г) и различная ориентация кристаллических решеток (рис. 3, д).

Объемные дефекты характеризуются размерами в трех измерениях. К ним относятся трещины, поры и т. д.

Аллотропические превращения в металлах

Атомы находятся в непрерывном движении около равновесного положения, т. е. происходит колебание, амплитуда которого с повышением температуры увеличивается. Это вызывает расширение кристаллов, а при достижении температуры плавления колебания усиливаются настолько, что кристаллическая решетка разрушается.

Во многих металлах при изменении температуры происходит перегруппировка атомов, кристаллическая решетка одного вида переходит в другой вид. Это называется аллотропией или полиморфизмом.

Различные кристаллические формы одного металла называются аллотропическими или полиморфными модификациями и обозначаются начальными буквами греческого алфавита (α, β, γ, δ и т. д.): α обозначает модификацию, существующую при самой низкой температуре, β — модификацию с более высокой температурой и т. д.

Аллотропическое превращение происходит при постоянной температуре и сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации при охлаждении (или поглощением при нагревании). Аллотропический процесс на кривой нагревания/охлаждения изображается горизонтальной линией.

Температура, при которой происходит переход металла из одного аллотропического вида в другой, называется критической. На рис. 4  показаны характеристики полиморфного процесса для чистого железа. При нагревании фазовые превращения сопровождаются выделением теплоты.

Железо может существовать в нескольких модификациях. До температуры 910 °С железо имеет объемно центрированную кубическую решетку (α-железо), при температуре 768 °С на кривой нагревания/охлаждения видна ступень, которая вызвана не перестройкой решетки, а потерей железом магнитных свойств. При температуре выше 910 °С — α-железо.

В интервале температур 910—1400 °С железо имеет гранецентрированную кубическую решетку (γ-железо). Высокотемпературная модификация железа, устойчивая при температурах от 1400 до 1539 °С, имеет также объемно-центрированную кубическую решетку, но называется δ-железо.

Подобные  аллотропические   превращения  происходят  и  с другими металлами, но при иных критических температурах.

Рис. 4. Кривые нагревания/охлаждения при полиморфном процессе для чистого железа

Источник: http://industrylib.ru/%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%BE%D0%B2/

ovdmitjb

Add comment