Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова»

Бийский технологический институт (филиал)

И.В. Боткин, ю.Н. Косицын, п.И. Мазуров

Лабораторная работа №1 (4 часа)

Изучение процесса кристаллизации.

Затвердевание капли раствора азотнокислого свинца

Методические указания к лабораторной работе

Бийск 2009

УДК

Боткин И.В. Изучение процесса кристаллизации. Затвердевание капли раствора азотнокислого свинца: Методические указания к лабораторной работе для студентов специальностей 151001, 190603, 170104, 240701, 240702, 240706, 160302, 220501, 260601 /И.В. Боткин, Ю.Н. Косицын, П.И. Мазуров.

Алт. гос. тех. ун-т, БТИ, - Бийск

Из-во Алт. гос. техн. ун-та, 2009. - 25с.

Методические указания предназначены для студентов, изучающих курс «Материаловедение».

В указаниях изложены сведения об атомно-кристаллической структуре металла, сущности процесса кристаллизации и кристаллического строения стального слитка, приводится методика использования биологического микроскопа при изучении процесса кристаллизации на примере затвердевания капли раствора азотнокислого свинца.

Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Металлорежущие станки и инструменты».

Протокол № ___от «___» «________________» 200_ г.

Рецензент: д.т.н., начальник отдела ФГУП «ФНПЦ «Алтай» Игонин Г.С.

©БТИ АлтГТУ, 2009

1 Цель работы

Данная работа предполагает:

• закрепление, углубление и расширение знаний студентов об атомно-кристаллической структуре металла, сущности процесса кристаллизации и кристаллического строения стального слитка;

• приобретение умений и навыков использования технических средств (биологический микроскоп) при изучении процесса кристаллизации на примере затвердевания капли раствора азотнокислого свинца.

2 Предмет и содержание работы

2.1 Кристаллическое строение металлов и сплавов

Металлы обладают ярко выраженными специфическими свойствами: вы­сокой электро- и теплопроводностью, непрозрачностью, металлическим блеском, сочетанием высокой прочности и пластичности. Характерным свойством металлов является увеличение их электросопротивления с по­вышением температуры. Все специфические свойства металлов обуслов­лены атомным строением и типом связи между атомами.

Для металла характерно наличие атомно-кристаллической структуры, под которой понимают взаимное расположение атомов (ионов), расположен­ных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

Типичным атомным строением металлов является наличие малого ко­личества валентных электронов на внешней электронной оболочке. Ва­лентные электроны слабо связаны с ядром, поэтому под воздействием внешних сил при затрате сравнительно небольшой энергии они могут по­кинуть свои орбиты. Чем меньше электронов находится на внешней обо­лочке, тем меньше необходимо затратить энергии для полного освобожде­ния электрона от связи с ядром атома.

У большинства элементов периодической таблицы заполнение элек­тронами новой квантовой оболочки начинается только после того, как пол­ностью заполнится предыдущая квантовая оболочка. Однако, в таблице Д. И. Менделеева имеется группа элементов, у которых на наружной кванто­вой оболочке имеется 1…2 электрона при не полностью заполненной элек­тронами внутренней квантовой оболочке. Такие элементы называются пе­реходными металлами. К ним относятся титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель и др. Их свойства, такие как парамагнетизм, ферромагнетизм (железа, кобальта, никеля), способность образовывать со­единения с углеродом (карбиды) и др., существенно зависят от степени за­полнения электронами внутренних квантовых оболочек.

Одним из основополагающих моментов в процессе кристаллизации яв­ляется тип существующей межатомной связи.

При сближении изолированных атомов внешние электронные оболочки начинают перекрываться и взаимодействовать между собой, в результате чего они изменяют свое строение. В зависимости от характера изменения строения валентных электронных оболочек различают четыре основных типа связи между атомами: ионную (гетерополярную), ковалентную (го­меополярную), полярную (связь Ван-дер-Ваальса) и металлическую.

Характерной особенностью ионной, ковалентной и полярной связей явля­ется наличие направленных сил связи между отдельными атомами. При направленной связи каждый атом объединяется только с определенными атомами.

Металлический тип связи осуществляется между атомами (в жидких и твердых металлах), когда число валентных электронов в атоме мало. В этом случае свободных электронных оболочек имеется значительно больше, чем электронов для их заполнения. Поэтому при перекрытии внешних электронных оболочек электроны отрываются от своих атомов и свободно перемещаются в различных направлениях по незанятым элек­тронным оболочкам между положительно ионизированными атомами (ио­нами), образуя вокруг них свободный, так называемый, электронный газ. Между положительными ионами и свободным электронным газом возни­кают силы электростатического взаимопритяжения, которые и обуславли­вают металлический тип связи между атомами.

В отличие от других межатомных связей металлический тип характеризу­ется отсутствием направленных сил связи между атомами. Поэтому сме­щение атомов друг относительно друга под воздействием внешних сил не приводит к уничтожению межатомных сил связи, так как наличие свобод­ного электронного газа обеспечивает межатомную связь и в новом поло­жении атомов. Следовательно, отсутствием направленных связей между атомами объясняется высокая пластичность металлов и металлических сплавов.

При наличии направленных сил связей смещение атомов друг относи­тельно друга под воздействием внешних сил приводит к уничтожению связи между атомами, т.е. к разрушению без пластической деформации. Наличие свободных электронов и электронных оболочек обуславливает также высокую электротеплопроводность металлов и металлических спла­вов.

Все металлы и металлические сплавы являются телами кристалличе­скими. В отличие от аморфных тел в кристаллическом теле атомы (также положительные ионы) располагаются в строго определенном порядке и в пространстве образуют так называемую кристаллическую решетку. Атомы в кристаллической решетке стремятся расположиться по возможности плотнее (ближе) друг к другу. Каждый атом в кристаллической решетке находится в одинаковом окружении, т.е. имеет вокруг себя одинаковое ко­личество атомов, находящихся на равном расстоянии.

Металлический тип связи, отсутствие направленных связей между ато­мами и возможность каждого атома в кристаллической решетке находиться в тесном контакте со всеми окружающими его ближайшими соседними атомами позволяют у металлов получать наиболее плотное расположение атомов в кристаллической решетке. Переход электронов от одного атома к другому осуществляется тем реже, чем плотнее атомы прилегают друг к другу.

Согласно электронной теории строения металлов отметим, что различные составляющие энергии кристалла, связанного силами ме­таллической связи, можно записать в виде выражения:

(1)

где   атомный объем (объем, приходящийся на один атом).

Первый член этого выражения представляет собой потенциальную энергию сво­бодных электронов, второй член  их кинетическую энергию, а третий член  кинетическую энергию электронов, занимающих более низкие энергетические состояния. Сумма этих трех составляющих дает результи­рующую кривую распределения энергии, представленную на рисунке 1, где минимум энергии соответствует линейному размеру r_o, который можно рассматривать как атомный радиус, соответствующий следующему равенству: (4/3)r_o³ = .

Энергия Е представляет собой работу, необходимую для того, чтобы перевести металлический кристалл в газ из положительно заряженных ио­нов.

Металлический тип связи, возникающий между положительно заря­женными ионами и валентными (отрицательно заряженными) электронами, обуславливает появление сил, удерживающих атомы (ионы, молекулы) в узлах кристаллической решетки на определенном расстоянии друг от друга. Эти силы складываются из сил притяжения и отталкивания. Равно­весному состоянию соответствует такое состояние, когда суммарная энер­гия взаимодействия сил притяжения и отталкивания является минималь­ной. В этом случае расстояние между атомами (ионами) одинаково и атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку/

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую про­странственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), обра­зующие твердое кристаллическое тело, в данном случае металл. Наименьший объём кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объёме, получил название элементарной кри­сталлической решетки (ячейки). Другими словами, под элементарной кристаллической решеткой подразумевается комплекс атомов, который при своем многократном повторении в пространстве позволяет воспроизводить пространственную кристаллическую решётку.

Рисунок 1 – Зависимость полной энергии металла от межатомного расстояния

Метод изображения кристаллической решетки в виде различных мно­гогранников является условным. Более правильным является представле­ние атомов в кристаллической решетке в виде соприкасающихся шаров, рисунок 2.

Строение и свойства кристаллических решеток характеризуется сле­дующими параметрами:

1. периодом решетки «а». Периодом решетки называется расстояние между центрами соседних атомов, находящихся в узлах кристаллической решетки. Период решетки принято измерять в ангстремах или нанометрах (1 нм = 10^-9 см = 0,1 );

2. координационным числом, показывающим, сколько атомов нахо­дится на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома. Координационное число характеризует взаимную связь атомов друг от друга;

3. базисом кристаллической решетки, то есть числом атомов, приходя­щихся на одну элементарную ячейку. Базис характеризует плотность ре­шетки.

а	б
в
а  объемно-центрированная кубическая (о.ц.к); б  гранецентрирован­ная кубическая (г.ц.к); в  гексагональная плотноупакованная (г.п.у).
Рисунок 2 – Элементарные кристаллические решетки металлов и схемы упаковки атомов.

В каждой решетке, кроме объема, занимаемого атомами, остается еще свободное пространство (пустота). Отношение объема, занимаемого ато­мами, ко всему объему решетки называется коэффициентом компактности. Чем больше коэффициент компактности, тем теснее уложены атомы в ре­шетке (больше плотность) и тем легче будет осуществляться связь в ре­шетке между атомами, то есть легче осуществляется переход валентных электронов от одного атома к другому.

Большинство металлов и сплавов кристаллизуется с образованием од­ной из следующих элементарных кристаллических решеток:: объёмно-центрированной кубической, гранецентрированной кубической и гексагональной плотноупакованной, рисунок 2.

Кубическая объёмно-центрированная решётка (К8), с координаци­онным числом 8 и базисом, равным двум атомам. В ней каждый атом, находя­щийся в вершине куба, принадлежит одновременно 8 ячейкам. Атом, нахо­дящийся внутри кристаллической решётки, принадлежит только одной элементарной ячейке. Таким образом, только (1/8)8+1=2 атома на каждую объемно-центрированную решетку. Кубическая решетка определяется од­ним периодом  длиной ребра куба «а», которая колеблется от 2,68 до 6,07  . Наименьшее расстояние между атомами, выраженное через период решетки «а», равно . Коэффициент компактности 0,68 или 68 . Решетку К8 имеют металлы: Fe_α; Mo; W; V; Cr; Nb; Ti_; Ta; Li; Na и др.

Кубическая гранецентрированная решетка (К12) с координацион­ным числом 12 и базисом, равным 4 атомам (1/8)8 = 1 атом от числа ато­мов, расположенных в вершинах куба (1/2)6 = 3 атомам от числа атомов, находящихся в центре граней куба. Наименьшее расстояние между ато­мами, выраженное через период решетки «а», равно . Коэффици­ент компактности 0,74 или 74 %. Решётку К12 имеют металлы: Fe_; Cu; Ni; Al; Co_; Pt; Ag; Au и др.

Гексагональная плотноупакованная решётка (Г12), которую опреде­ляют два периода «с» и «а». Период «а» колеблется от 2,28 до 3,38  , пе­риод «с» от 3,57 до 6,52  . Решётка Г12 характеризуется отношением периодов ре­шетки с/а. Если это отношение равно или близко к 1,633, то получим гекса­гональную плотноупакованную решётку с координационным числом 12 и базисом, равным 6 атомам (1/6)12 = 2 атомам от числа атомов, располо­женных в вершинах шестигранника, (1/2)2 = 1 атом от числа атомов, на­ходящихся в центре шестигранника, плюс 3 атома, имеющихся внутри кристаллической ячейки. Коэффициент компактности 0,74 или 74 %. Решётку Г12 имеют металлы: Ti_; Co_; Be; Mg; Rn; Re; Os.

Если отношение с/а будет сильно отличаться от величины 1,633, то по­лучим гексагональную не плотноупакованную решетку с координацион­ным числом 6 и коэффициентом компактности 0,5 или 50 %. Обозначается она индексом Г6. Такую решетку имеет цинк, кадмий, ртуть, графит.

Правильное расположение атомов в монокристаллах обуславливает не­одинаковую плотность заполнения атомами различных кристаллографи­ческих плоскостей и направлений. Многие свойства зависят от выбранного направления вырезки образца по отношению к направлениям в решетке, то есть то того, насколько плотно располагаются атомы в направлении, вдоль которого ведется измерение. Подобная неоднородность свойств монокри­сталла в разных кристаллографических направлениях называется анизо­тропией.

Аморфные тела (стекло, пластмассы и др.), свойства которых не зави­сят от направлений, называют изотропными.

Реальные металлы и сплавы состоят не из одного монокристалла, а из большего числа кристаллов, различно ориентированных в пространстве. Такое тело называется поликристаллическим. Кристаллы поликристалли­ческого тела, имеющие неправильную форму, носят название зерен или кристаллитов. Несмотря на внутренние дефекты отдельных зерен, каждое из них обладает свойством анизотропии. Свойства реальных поликристал­лических тел, вследствие произвольного расположения каждого из зерен, будут в различных направлениях примерно одинаковыми. Это явление на­зывается квазиизотропией (ложной изотропией).