Раздел 6. Металлы Атомно-кристаллическое строение металлов
Металлы – кристаллические вещества, характеризующие высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, способностью хорошо отражать электромагнитные волны и другими специфическими свойствами. Свойства металлов обусловлены их строением: в их кристаллической решётке есть не связанные с атомами электроны, которые могут свободно перемещаться.
Строение металлов представлено в виде мнимой пространственной решетки из пересекающихся стержней, в местах пересечения, которых располагаются атомы, потерявшие свои валентные электроны. Эти электроны становятся общими для всей совокупности атомов. Электроны образуют электронное облако, или электронный газ и хаотически движутся в пространстве между атомами. Атомы в узлах решетки совершают колебательное движение с частотой 1013 колебаний в сек. Скорость хаотического движения электронов, и амплитуда колебаний атомов зависит от температуры (с повышением температуры скорость движения электронов и колебаний атомов увеличивается).
Строение всех металлов характеризуется закономерным и периодически повторяющимся расположением атомов в кристаллической решётке.
Любая решётка характеризуется размером, этот размер носит название период или параметр кристаллической решётки – это расстояние между ближайшими параллельными кристаллическими плоскостями (а). Если а- одинаков во всех направлениях, то решетка кубическая.
Минимальный объём носит название элементарная кристаллическая ячейка – это минимальный объём кристаллической решётки, перемещая которую, можно построить всю решётку.
Различают простую элементарную кристаллическую ячейку (1), когда атомы располагаются только в узлах сечения.
Сложная элементарная кристаллическая ячейка, когда атомы располагаются не только в узлах ячейки, но и в между узлиях (2), (3), (4).
Чаще всего это кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная решетки
В объемно-центрированной кубической (ОЦК) решетке восемь атомов располагаются в вершинах куба и один в центре. ОЦК решетку имеют железо при комнатной температуре, ванадий, вольфрам, молибден, хром и др. металлы (рис. 3 а).
В гранецентрированной кубической (ГЦК) решетке атомы расположены в вершинах куба и в центрах шести граней. ГЦК решетку имеют алюминий, медь, никель, свинец, серебро и др. металлы (рис. 3 б).
Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетка представляет собой шестигранную призму, в основании которой расположены правильные шестиугольники. Атомы расположены в вершинах и центрах этих шестиугольников. ГПУ решетку имеют магний, цинк, титан, цирконий и др. металлы (рис. 3 в).
а) б) в)
Рисунок 3 - Типы кристаллических решеток металлов:
А) объемноцентрированная кубическая
б) гранецентрированная кубическая
в) гексагональная плотноупакованная
Некоторые металлы, в зависимости от температуры, могут иметь различный тип кристаллической решётки, т.е. могут существовать в различных кристаллических модификаций.
Полиморфизм (аллотропия) – когда металл имеет разную кристаллическую решётку в зависимости от условия образования. Переход одной решётки в другую называется полиморфное или аллотропическое состояние. Полиморфные превращения в металлах происходят при изменении температуры. Так, при температуре свыше 723°С железо переходит из α – модификации в γ – модификацию, при этом изменяются физико-механические свойства металла.
Чтобы отличить одну кристаллическую решётку железа Fe от другой ставят значок α или γ
До 910°С железо Fe существует в модификации α – Feα (ОЦК)
При температуре с 910°С до 1400°С – Feγ (ГЦК)
При температуре 1400°С – 1539°С – Feδ (ОЦК)
В монокристаллах свойства металла по различным направлениям различны – это явление носит название анизотропией.
В реальных поликристаллических металлах свойства по любому направлению одинаково – это явление называется изотропией.
Металлы обладают целым рядом общих свойств:
Высокая электо- и теплопроводимость
Характерный металлический блеск
Положительный коэффициент электросопротивления
Способность к значительной пластической деформации
Все металлы непрозрачны.