Розділ і. Будова і властивості металів

1.1. 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, сурьма, 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. І). Най­частіше в поширених металах зустрічається об'ємоцентрована кубічна (рис. 1, а) (залізо), гранецентрована кубічна (рис. 1, б) (алюміній, мідь), гексагонально щільноупакована (рис. 1, в) (кобальт).

Кристалічні решітки характеризуються такими парамет­рами: період, базис, коефіцієнт упаковки, координаційне чис­ло та інші. Розташування вузлів у решітці визначається індексами Міллера.

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 3^ісвоїми атомами. Відбувається утворення вільних електронів.

Рис. 1.

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.

1.2. Кристалізація металів

Процес переходу металу з рідкого стану в твердий нази­вається кристалізацією. Він відбувається в два етапи. Спо­чатку, при зменшенні температури розплавленого металу ут­ворюється зародки, а потім ці зародки розростаються до ут­ворення зерен. Зародки — це перші елементарні комірки, які утворюються в розплавленому металі в центрах кристалізації. Центрами кристалізації є домішки, стінки посудини та ви­падково розташовані атоми у вигляді геометрично правильних фігур, ідентичних до елементарних комірок, які харак­терні даному металу. Оскільки атоми в розплавленому металі швидко рухаються і їх величезна кількість, то завжди є імовір­ність утворення таких фігур в значній кількості. Отже, в роз­плавленому металі є величезна кількість центрів кристалі­зації. При певній температурі, яка характерна для кожного металу (температура плавлення), біля центрів кристалізації утворюються зародки довільно орієнтовані у просторі.

Розростаючись, вони утворюють зерна (рис. 2). Отже, метал складається з великої кількості зерен, тобто є полікристалічним тілом. Якби він кристалізувався з одного центра, то був би монокристалом.

Рис. 2.

З вище сказаного випливає, що змінюючи число центрів кристалізації можна змінити величину зерна. Наприклад, до­давши в розплавлений метал порошкоподібного модифікато­ра можна зменшити величину зерна. Число зародків, а зна­чить і величину зерна, можна змінити також шляхом пере­охолодження розплаву. Переохолодження металу — це охо­лодження з більшою швидкістю ніж тією, яка супроводжуєть­ся рівноважними процесами. Воно характеризується стелін­ню переохолодження. Степінь переохолодження — це різни­ця між теоретичною температурою кристалізації (рівноваж­ний процес) і практичною. Чим більша степінь переохолод­ження, тим меншими будуть зерна в металі.

Перехід металу з розплавленого стану в твердий відбу­вається при постійній температурі. Це пояснюється тим, що

утворення елементарних комірок відбувається з виділенням тепла (схована теплота кристалізації).

При подальшому охолодженні кристалічиі комірки в ок­ремих металах можуть змінюватись. Атоми розташовуються в новому порядку, який енергетично вигідніший, ніж в попе­редньому. Це явище називається поліморфним або алотропі­чним перетворенням. Наприклад, залізо має а, у, 8 перетво­рення. До температури 911 °С буде α -залізо з ОЦК решіткою. Від 911 °С до 1392 °С буде γ -залізо з коміркою ГЦК, а від 1392 °С і до плавлення буде δ -залізо з ОЦК коміркою.

Оскільки в зерні елементарні комірки об'єднуються в решітку, то спостерігається різна густина упаковки атомів в різних напрямках. Це приводить до анізотропії всіх його вла­стивостей (неоднаковість властивостей в різних напрямках). Оскільки зерен в металі багато і вони розорієнтовані, це при­водить до усереднення всіх властивостей, тобто метал є ізот-ропічним.

Таким чином, метал є полікристалічним тілом. Він має велику кількість зерен, кристалічні решітки яких розорієнто­вані в просторі. Атоми металу розташовуються у вузлах кри­сталічної решітки, яка складається з елементарних комірок, характерних для даного металу. Комірки являють собою гео­метрично правильну фігуру.

У реальних умовах правильне розташування атомів у решітці порушується. Це викликається різними причинами. Так, до порушень (дефектів) приводять домішки, вакансії тощо.

Усі дефекти можна розділити на три види: точкові, лінійні та поверхневі.

Точкові дефекти мають незначні розміри у трьох вимірах (X, У, Z). Причин їх виникнення дві. Одна з них — це виник­нення в металі вакансій (рис. 3, а). Відомо, що атоми колива­ються біля вузлів решіток. З підвищенням температури амп­літуда цих коливань збільшується. Більшість атомів кристал­ічної решітки мають однакову (середню) енергію і колива­ються при даній температурі з однаковою амплітудою. Про­те, окремі атоми можуть випадково отримати надлишок енергії від сусідніх атомів, якої достатньо, щоб атом покинув своє місце. Таким чином, утворюється вакансія. Кулонівські

сили взаємного притягання стягують сусідні атоми і утворю­ють дефект. Найбільш часто це трапляється в поверхневих шарах металу. Утворена вакансія може швидко заповнитись атомом, який створив вакансію в іншому місці металу і т.д. Тобто вакансія може переміщуватись в глибину металу. Атом, який покинув вузол решітки, в свою чергу утворює точковий дефект, або навпаки заповнює вакансію.

Точковий дефект може створити також домішковий атом, який відрізняється від основних атомів своїми розмірами (рис. З, б, в).

а) б) в)

Рис. 3.

Лінійні дефекти мають незначні розміри в двох вимірах і значні в одному, тобто є протяжними. Вони можуть бути край­ові (рис. 4, а) та гвинтові (рис. 4, б).

а) б)

Рис. 4.

Крайові утворюються в результаті зсуву на одну міжа­томну відстань однієї частини решітки відносно іншої вздовж якоїсь площини. Тоді число рядів атомів у верхній частині решітки на одиницю більше, ніж у нижній. Отже, у верхній частині решітки з'явиться ніби зайва атомна площина (екстраплощина). Край цієї площини створює лінійний дефект. Гвинтовий дефект утворюється в результаті кристалізації металу шарами, які заходять один під одний. При цьому відбу­вається закручування атомних шарів по гвинтовій лінії. Поверхневі дефекти знаходяться на границях між зернами, оск­ільки на границях зерен атоми розташовуються неправиль­но. Крім того, по границям зерен зосереджуються дислокації і вакансії, а також концентруються домішки, що ще більше порушує порядок розташування атомів.

Дефекти в кристалах суттєво впливають на властивості металів. Підрахунки показують, що ідеальні кристали мають високу теоретичну міцність (у 10...1000 разів більшу, ніж у реальних кристалах). Однак міцність змінюється в залежності від концентрації дефектів.