Строение металлов

2_yacheiki

Строение металлов

Химические вещества могут находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Их состояние зависит от условий, в которых они находятся, и главным образом от температуры и давления, при изменении которых меняются межмолекулярные расстояния и взаимодействия.

В жидком и твердом состоянии молекулы вещества (атомы) находятся значительно ближе друг к другу, чем в газообразном, а следовательно их взаимодействие сильнее. Это обусловливает способность сохранения жидкостями и твердыми веществами объема, в отличие от газов.

Атомы жидкого тела при тепловом движении совершают малые колебания вокруг своих равновесных положений и частые перескоки из одного равновесного положения в другое, что и определяет такое свойство жидкости, как текучесть.

Атомы твердого тела, которому характерна постоянная форма, совершают вокруг своих равновесных положений только малые колебания. Это приводит к правильному расположению атомов — на одинаковых расстояниях в значительном удалении друг от друга. Такое расположение атомов с характерной повторяемостью в пространстве и определяет строение кристаллической решетки (рис. 1).

Кристаллическая решетка

Рис. 1.  Пример кристаллической решетки с элементарной  кристаллической ячейкой (жирные линии)

В природе существуют и аморфные тела, например воск, битум, янтарь. Их структура не является кристаллической решеткой, но они не являются и жидкостями. Аморфные тела с точки зрения теории термодинамики находятся в неустойчивом состоянии. Их можно считать сильно загустевшими жидкостями, которые с течением времени должны закристаллизоваться. Аморфные тела при нагревании вначале размягчаются. Они не имеют четко выраженной температуры перехода в жидкое состояние. Твердые тела характеризуются температурой плавления. Их переход в жидкость происходит скачкообразно.

2_yacheiki

Рис. 2. Элементарные ячейки: а — объемно центрированная кубическая; б — гранецентрированная кубическая; в — гексагональная плотноупакованная

Порядок расположения атомов в кристаллической решетке для разных металлов не одинаков. Большинство металлов могут иметь высокосимметричные кристаллические решетки трех видов: объемно центрированную кубическую (рис. 2., а); гранецентрированную кубическую (рис. 2., б); гексагональную плотноупакованную (рис. 2., в).

Расстояния между соседними атомами (размеры на рис. 2. а и с) определяют параметры кристаллической решетки. Атомы могут располагаться как в вершинах элементарной ячейки, так и в узлах кристаллической решетки. В первом случае элементарные ячейки называются простыми, во втором — сложными. Если форма элементарной ячейки определена и известно расположение всех атомов, то имеется полное описание кристалла, т. е. известна его атомно-кристаллическая структура.

Таким образом, кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку с определенным расположением атомов.

Точечное расположение атомов в кристаллических решетках условно. В действительности же атомы имеют определенный размер и могут соприкасаться друг с другом (см. рис. 2.).

 

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.

Дефекты металлов

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.

4_krivie_nagrevaniya_metalla

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