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

4564. Совершенствование мотивации труда как функции управления на примере ОАО Хлебная база № 52 Заринского района 469.5 KB
  Совершенствование мотивации труда как функции управления на примере ОАО Хлебная база № 52 Заринского района Введение Одним из основных условий высокой эффективности деятельности организации любой формы собственности является наличие сознательной тру...
4565. Определение интенсивности теплового излучения 43.23 KB
  Определение интенсивности теплового излучения Цель работы Измерение интенсивности теплового излучения, определение эффективности теплозащитных экранов. Теория метода К теплоотражающим относят экраны, изготовленные из материалов, хорошо отражающих те...
4566. Запутывающие преобразования в программировании 23.15 KB
  Запутывающие преобразования Цель работы: научится программировать средства затрудняющие изучение программ. Задание: Изучить основные методы обфускации. По заданию преподавателя запрограммировать один из методов. Провести оценку зап...
4567. Линейный конгруэнтный метод в программировании 97.5 KB
  Линейный конгруэнтный метод Линейный конгруэнтный метод является одной из простейших и наиболее употребительных в настоящее время процедур, имитирующих случайные числа. В этом методе используется операция mod(x, y), возвращающая остаток от деления п...
4568. Использование параллелизма процессора для повышения эффективности программ 35.5 KB
  Использование параллелизма процессора для повышения эффективности программ Цель работы: научить студента самостоятельно разрабатывать максимально эффективные программы. Материал для изучения. Рассмотрим задачу умножения двух n ...
4569. Модели и стандарты управления рисками проектов программных средств 603 KB
  Модели и стандарты управления рисками проектов программных средств. Основные модели управления рисками проектов программных средств Разработано несколько моделей и стандартов для анализа и сокращения рисков в жизненном цикле программных средств...
4570. Структурное тестирование программного обеспечения 173.5 KB
  Структурное тестирование программного обеспечения Основные понятия и принципы тестирования ПО Тестирование — процесс выполнения программы с целью обнаружения ошибок. Шаги процесса задаются тестами. Каждый тест определяет: свой набор исход...
4571. Разработка учебная Базы Данных (БД) MusicShop 696 KB
  Введение В настоящие время в связи с развитием компьютерной техники появилась возможность автоматизировать многие процессы. Современные магазины музыки предлагают большой выбор музыки, в связи с чем, возникает проблема поиска необходимой композиции,...
4572. Решение задачи коммивояжера разными программными методами 84.06 KB
  Введение Комбинаторика – раздел математики, посвящённый решению задач выбора и расположения элементов некоторого, обычно конечного множества в соответствии с заданными правилами. Каждое такое правило определяет способ построения некоторой конст...