1.3. Будова металів

Метали – це хімічні елементи, характерними ознаками яких є висока тепло- і електропровідність, пластичність та міцність. М.В. Ломоносов метали визначав як «світлі тіла, які ковать можно». Це визначення не втратило значення і в даний час. Отже, властивість пластично деформуватись без руйнування – одна з головних ознак металів.

З відомих 106 хімічних елементів металічні властивості проявляють 83. Кожний з них різниться властивостями та будовою, але їх можна об’єднати в групи. Перш за все метали розділяють на чорні та кольорові. Чорні метали в свою чергу розділяють на залізні (залізо, кобальт, нікель та ін.), тугоплавкі, уранові, рідкоземельні та лужноземельні.

Кольорові метали розділяють на легкі (берилій, магній, алюміній), благородні (срібло, золото, платина та ін.), легкоплавкі (цинк, кадмій, ртуть, олово, свинець, вісмут, талій, сурма, галій, германій).

Вказані властивості металів обумовлені їх електронною будовою. В них електрони, які знаходяться на зовнішніх оболонках (валентні електрони), не зв’язані з певними атомами, а відірвані від них і належать всьому металу в цілому. Тому метал можна уявити у вигляді іонної решітки, у вузлах якої розташовані позитивно заряджені іони, а між ними знаходяться колективізовані електрони. Якщо позитивно заряджені іони мислено з’єднати лініями, то утворяться геометрично правильні фігури. Їх називають елементарні комірки (рис. 1). Найчастіше в поширених металах зустрічається об’ємоцентрована кубічна (рис. 1.2, а) (залізо), гранецентрована кубічна (рис. 1.2, б) (алюміній, мідь), гексагонально щільноупакована (рис. 1.2, в) (кобальт).

Рис. 1.2

Елементарні комірки об’єднуються в кристалічні решітки, утворюючи області (кристали) з правильним розташуванням атомів.

Кристали в металах називають зернами. Якщо розглянути окреме зерно, то воно матиме неоднакові властивості в різних напрямках – анізотропію. Вона зумовлена різними відстанями і, отже, різними значеннями зв’язку між іонами в різних напрямках у кристалі. Виходячи з цього можна стверджувати, що в зернах з різним типом кристалічної решітки анізотропія різна за величиною. Чим більше елементів симетрії має кристалічна решітка, тим меншою буде її анізотропія. Анізотропія зменшується також при переході від спрямованого ковалентного до не спрямованого металевого зв’язку.

Полікристалічні тіла, в тому числі і метали, зазвичай ізотропні. Це пояснюється великою кількістю зерен в металі, які розорієнтовані в просторі. При цьому відбувається усередження властивостей.

Анізотропія металів має велике практичне значення. Наприклад, у кристалі чистої міді, що має ГЦК-комірку, границя міцності при розтягуванні у різних напрямках може різнитися до 100 МПа.

У деяких випадках бажано мати анізотропні або частково анізотропні метали. Їх можна отримати при значній його пластичній деформації, спеціальних умовах кристалізації, електролізі тощо. Наприклад, у сталевих листах, з яких роблять осердя трансформаторів, втрати енергії при перемагнічуванні будуть мінімальними, якщо вони прокативатимуться з урахуванням напрямів осей кристалічної гратки.

Для характеристики кристалічних комірок введені певні величини, які називають параметрами. До них належать такі: період, коефіцієнт компактності, координаційне число. Розташування вузлів у решітці визначають індексами Міллера.

Період кристалічної комірки (а) – відстань до найближчих атомів (іонів) уздовж координатних осей. Для металів з кубічною коміркою період знаходиться в межах 0,2…0,6 нм (один нанометр 1 нм = 10^-9 м).

Коефіцієнт компактності комірки визначають як відношення об’єму, зайнятого атомами в межах куба, до об’єму куба. При розрахунках атоми розглядають як жорсткі кульки, що дотикаються між собою. Для ОЦК це значення дорівнює 0,68.

Координаційне число – це кількість атомів, розташованих на найближчих і однакових відстанях від будь-якого атома в решітці. Так атом, який знаходиться в центрі комірки ОЦК, перебуває на найближчій і однакові відстані від 8 атомів, що знаходяться у вершинах куба. Значить координаційне число ОЦК буде 8.

У багатьох металах тип комірки може змінюватися при зміні температури або тиску. Це явище називають поліморфізм (термічний чи баричний). Кожне таке перетворення, починаючи з низьких температур, позначають грецькими буквами – α, β, γ, δ. Кількість поліморфних перетворень в різних металів різна. В окремих металах вони зовсім відсутні. Поліморфні перетворення окремих металів показані в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1. Поліморфізм деяких металів

Метал	Модифікація	Інтервал існування, ^оС	гратка
Залізо	α	нижче 910	ОЦК (А2)
	γ	910 – 1401	ГЦК (А1)
	δ(α)	1401 – 1534	ОЦК (А2)
Кобальт	α	нижче 450	ГК (А1)
	β	450 – 1493	ГЦК (А1)
Марганець	α	нижче 710	Складна ОЦК (А12)
	β	710 – 1079	Складна кубічна (А13)
	γ	1079 – 1143	ГЦК (А1)
	δ	1143 – 1244	ОЦК (А2)
Олово	α	нижче 13,2	Типу алмаза
	β	13,2 – 232	Тетрогональна
Титан	α	нижче 882	ГК (А3)
	β	882 – 1668	ОЦК (А2)
Цирконій	α	нижче 862	ГК (А3)
	β	862 – 1855	ОЦК (А2)

Перекристалізація при поліморфному перетворенні, як і кристалізація рідини, відбувається шляхом утворення зародків нової фази та подальшого їх зростання. При нагріванні це перетворення супроводжується поглинанням теплової енергії, а при охолодженні – її вивільненням. На кривих охолодження розплавлених металів наявні полочки. Так, для заліза характерні три поліморфні перетворення α, γ і δ(α), то й на кривій охолодження відповідно буде три полочки.

Рис. 1.3

Крім теплового ефекту, поліморфне перетворення супроводжується також об’ємним ефектом, інколи досить значним. Так, при перетворенні білого β-олова на сіру α-модифікацію об’єм збільшується на 25%, що призводить до виникнення значних внутрішніх напружень у деталях, виготовлених з цього металу.

При поліморфних перетвореннях також різко (скачком) змінюються інші властивості металів і сплавів: питомий об’єм, теплоємність, теплопровідність, електропровідність, магнітні, механічні, хімічні тощо.

Утворення кристалічної решітки в металі відбувається при переході з рідкого стану у твердий. При цьому відстань між атомами зменшується, а сили взаємодії між ними зростають. При наближенні атомів електрони, які знаходяться на зовнішніх оболонках, втрачають зв’язок зі своїми атомами. Відбувається утворення вільних електронів.

Рис. 1.4

Зв’язок між атомами в металі здійснюється електростатичними силами. Між іонами і вільними електронами виникають електростатичні сили притягання, які стягують іони. Такий зв’язок називається металічним.

Тіла, в яких спостерігається правильне розташування атомів, прийнято називати кристалічними. Ті ж тіла, в яких атоми розташовані хаотично, називають аморфними.

Отже, метали є кристалічними тілами. Чи можна отримати аморфні метали? Так, можна, але для цього треба розплавлений метал дуже швидко охолодити. В даний час аморфні метали отримують у вигляді тонкого дроту чи пластинок, тобто таких тіл, які можна швидко охолодити по всьому перерізу.