64878

АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ

Лекция

Физика

Все металлы можно разделить на две большие группы черные и цветные металлы. Черные металлы имеют темно-серый цвет большую плотность кроме щелочноземельных высокую температуру плавления относительно высокую плотность и во многих случаях обладают полиморфизмом.

Русский

2014-07-15

70.5 KB

17 чел.

Тема № 1

АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ

Классификация металлов

Под металлами понимают определенную группу элементов, расположенную в левой части Периодической таблицы Д.И.Менделеева.

Особенность строения металлических веществ заключается в том, что они все построены в основном из таких атомов, у которых внешние электроны слабо связаны с ядром. Это обусловливает и особый характер химического взаимодействия атомов металла, и металлические свойства.

Теория металлического состояния рассматривает металл как вещество, состоящее из положительно заряженных ионов, окруженных отрицательно заряженными частицами - электронами, слабо связанными с ядром. Эти электроны непрерывно перемещаются внутри металла и принадлежат не одному какому-то атому, а всей совокупности атомов.

Характерной особенностью атомно-кристаллического строения металлов является наличие электронного газа внутри металла, слабо связанного с положительно заряженными ионами.

Все металлы можно разделить на две большие группы - черные и цветные металлы.

Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочноземельных), высокую температуру плавления, относительно высокую плотность и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Текже металлы  можно подразделить следующим образом:

1. Железные металлы - железо, кобальт, никель и близкий к ним по своим свойствам марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

2. Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем железа (т.е. 1539 С). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.

3. Редкоземельные металлы (РМЗ) - лантан, церий, неодим, празеодим и др., объединяемые под названием лантаноидов, и сходные с ними по свойствам иттрий и скандий.

4. Щелочноземельные металлы в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением специальных случаев.

Цветные металлы подразделяются на:

1. Легкие металлы - бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью.

2. Благородные металлы - серебро, золото, металлы платиновой группы.

3. Легкоплавкие металлы - цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойствами - галлий, германий.

Кристаллическое строение металлов

Всякое вещество может находится в трех агрегатных состояниях -твердом, жидком и газообразном.

Кристаллическое состояние прежде всего характеризуется определенным, закономерным расположением атомов в пространстве.

В кристалле каждый атом имеет одно и то же количество ближайших атомов - соседей, расположенных на одинаковом от него расстояние.

Расположение атомов в кристалле изображается в виде пространственных схем, в виде так называемых кристаллических ячеек. Под элементарной кристаллической ячейкой подразумевается наименьший комплекс атомов, который при многократном повторение в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решетку .

Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая решетка. В простой кубической решетке атомы расположены (упакованы) недостаточно плотно.

Рис.1. Типы кристаллической ячейки:

а - кубическая объемно-центрированная, б – кубическая гранецентрированная;  с -  гексагональная плотноупакованная

Стремление атомов металла занять места, наиболее близкие друг к другу, приводят к образованию решеток следующих типов (рис. 1): кубической объем-ноцентрированной, кубической гранецентрированной и гексагональной плотноупакованной (рис.1 ).

В кубической объемно-центрированной решетки (ОЦК) атомы расположены в углах куба и один атом в центре объема куба. в гранецентрированной кубической решетке (ГЦК) -атомы расположены в углах куба и в центре каждой грани, в гексагональной решетке атомы расположены в углах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы.

Кубическую ОЦК решетку имеют металлы:Na, Li, W, V, Cr и др. Кубическую ГЦК решетку имеют Pb, Ni, Ag, Au, Cu и др.

Размеры кристаллической решетки характеризуются параметрами, или периодами решетки. Кубическую решетку определяет один параметр - длина ребра куба. Параметры имеют величины порядка атомных размеров и измеряются в ангстремах.

Некоторые металлы имеют тетрагональную решетку; она характеризуется тем, что ребро с не равно ребру а. Отношение этих параметров характеризует так называемую степень тетрагональности. Число атомов, находящихся на наиболее близком расстояние от данного атома, называется координационным числом. Так например, атом в простой кубической решетке имеет шесть ближайших равноотстоящих соседей, т.е. координационное число этой решетки равно 6 (рис. 2 ).

Центральный атом в объемноцентрированной решетке имеет восемь ближайших равноотстоящих соседей, т.е. координационное число этой решетки равно 8. Координационное число для гранецентрированной решетки равно 12. В случае гексагональной плотноупакованной решетки координационное число равно 12.

Реальное строение металлических кристаллов

Металлическое изделие состоит из очень большого числа кристаллов. Подобное строение называется поликристаллическим. Кристаллы неправильной формы в поликристаллическом агрегате называются зернами, или кристалликами.

Различие отдельных зерен состоит в различной пространственной ориентации и наименьшем расстоянии от данного атома для различных решеток.

В общем случае ориентация кристаллической решетки в зерне случайна, с разной степенью вероятности может встретится любая ориентация ее в пространстве.

При очень медленном отводе тепла при кристаллизации, а также с помощью других специальных способов может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, называемый монокристалл.

Несовершенства структуры металлов

Одним из видов несовершенств кристаллического строения является наличие незанятых мест в узлах кристаллической решетки, или иначе - вакансии, или атомных дырок (рис. 2). Такой "точечный" дефект решетки играет важную роль при протекание диффузионных процессов в металлах.

Рис. 2. Точечные дефекты кристаллической решетки

Число вакансий при комнатной температуре очень мало по сравнению с общим числом атомов (примерно 1 вакансия на 1018 атомов), несильно увеличивается с повышением температуры, особенно вблизи температуры плавления (1 вакансия на 104 атомов).  Также возможно наличие межузельных  (дислоцированных) атомов.

Рис. 3. Краевые дислокации

Другим важнейшим видом несовершенства кристаллического строения являются так называемые краевые (линейные) дислокации (рис.3). Связанны с образованием в  кристаллической решетке по каким-либо причинам появилась лишняя полуплоскость атомов, так называемая экстраплоскость. Край такой плоскости образует линейный дефект (несовершенство) решетки, который называется краевой дислокацией. Краевая дислокация может простираться в длину на многие тысячи параметров решетки, может быть прямой, но может и выгибаться в ту или иную сторону. В пределе она может закрутиться в спираль, образуя винтовую дислокацию (рис 4). Вокруг дислокации возникает зона упругого искажения решетки. Расстояние от центра, дефекта до места решетки без искажения принимают равным ширине дислокации, она невелика и равна нескольким атомным расстояниям.

Рис. 4. Винтовая дислокация

Вакансии непрерывно перемещаются в решетке, когда соседствующий в ней атом переходит в "дырку", оставляя пустым свое старое место. Повышение температуры, тепловой подвижности атомов увеличивает число таких актов и увеличивает число вакансий.

Линейные дефекты не двигаются самопроизвольно и хаотически, как вакансии. Однако достаточно небольшого напряжения, чтобы дислокация начала двигаться, образуя плоскость, а в разрезе - линию скольжения С.

Различие свойств в зависимости от направления испытания носит название анизотропии. Все кристаллы анизотропы.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

6701. Медицинская протозоология. Характерные признаки простейших и их представители 25.22 KB
  Медицинская протозоология. Характерные признаки простейших. Представители. Один из разделов медицинской паразитологии - медицинская протозоология. Она изучает паразитических простейших, вопросы патогенеза, терапии заболеваний, диагн...
6702. Гельминтология. Характерные признаки типа Плоские черви - Plathelmintes 26.13 KB
  Гельминтология. Введение в гельминтологию. Характерные признаки типа Плоские черви - Plathelmintes. Класс Сосальщики - Trematoda. Класс Ленточные черви - Cestoda. Характеристика типа Круглые черви Гельминтология...
6703. Членистоногие (Arthopoda). Класс паукообразные 26.06 KB
  Тип Членистоногие (Arthopoda) Общая характеристика. Класс паукообразные. Членистоногие - самый многочисленный тип. Характерные признаки: двусторонняя симметрия трехслойная организация гетерономная метамерия...
6704. Членистоногие. Тип Членистоногие. Подтип Трахейнодышащие. Класс Насекомые 25.32 KB
  Тип Членистоногие. Подтип Трахейнодышащие. Класс Насекомые. Насекомые произошли от 1 из групп многоножек перешедших к жизни на земле. Организация усложнялась, появлялись приспособления к наземному образу жизни. Насекомых очень много и они распростра...
6705. Человек и биосфера. Человечество как активный элемент биосферы. Ноосфера 29.05 KB
  Человек и биосфера. Биосфера как историческая система. Современные концепции. Организация биосферы - живое вещество, количественная и качественная характеристика биосферы. Эволюция биосферы. Человечество как активный эл...
6706. Биологические ритмы и их закономерности. Хронобиология 26.93 KB
  Биологические ритмы и их закономерности. Хронобиология. С понятием ритм связана организация живой материи. Ритмос - соразмерность. 1751- часы цветов Карла Линнея. В настоящее время все ученые знают, что одно из фундаментальных свойств организмов...
6707. Экология как наука. Введение в экологию человека 30.25 KB
  Экология как наука. Введение в экологию человека. Определение и строение экологии. Среда как экологическое понятие. Факторы среды. Особенности экологии человека. Охрана природы. Рациональное природопользование. Основные...
6708. Система оценки рифм. Качество рифмы и словоблудие 18.82 KB
  Система оценки рифм Из истории развития рифмы Рифмой, как мы ранее определили, является созвучие в некоторой заранее определённой позиции, как правило, в конце строк. Однако не всегда она была такой выраженной, как сейчас. До того, как в Россию приш...
6709. Хорошая рифма, плохая рифма или Система оценки рифм 21.39 KB
  Хорошая рифма, плохая рифма или Система оценки рифм Сейчас часто можно услышать от людей, сведущих в поэзии: хорошая рифма, плохая рифма. Они вполне могут объяснить, почему они считают тот или иной рифменный ряд плохим ил...