Міністерство освіти і науки України
Донбаський державний технічний університет
Кафедра ОМТ
ЛЕКЦІЯ
з дисципліни Металознавство
на тему
В«Атомно-кристалічна будова металівВ»
ст.викл. Горецький Ю.В.
Алчевськ 2009
В«Атомно-кристалічна будова металівВ»
1. Будова металів у твердому стані
Всіметали та металеві сплави - тіла кристалічні, атоми (іони) розташованів металі закономірно на відміну від аморфних тіл, у яких атоми розташованіхаотично.
Металевестан виникає в комплексі атомів, коли при їх зближенні зовнішніелектрони втрачають зв'язок з окремими атомами, стають загальними, тобтоколлектівізіруются і вільно переміщаються між позитивно зарядженими іперіодично розташованими іонами.
Стійкістьметалу визначається електричним притяганням між позитивно зарядженимиіонами та узагальненими електронами (така взаємодія отримало назвуметалевої зв'язку).
Силазв'язку в металах визначається силами відштовхування і силами тяжіння міжіонами і електронами. Атоми (іони) розташовуються на такій відстані один відодного, щоб енергія взаємодії була мінімальною (рис. 1)
Малюнок1. Енергетичні умови взаємодії атомів в кристалічній решітціречовини
Величинаа відповідає відстань між атомами в кристалічній решітці, а а 0 відповідає рівноважному відстані між атомами. У зв'язку з цим в металіатоми розташовуються закономірно, утворюючи правильну кристалічну решітку,що відповідає мінімальній енергії взаємодії атомів.
Металевістани характеризуються високою енергією зв'язку між атомами. Мірою її служитьтеплота сублімації (сума енергії необхідної для переходу твердого металу допароподібному стані, для металу - від 20 до 200 ккал/(г В· атом)).
2. Атомно-кристалічна будова металів
Підатомно-кристалічною структурою розуміють взаємне розташування атомів,існуюче в кристалі. Атоми в кристалі розташовані в певному порядку,який періодично повторюється в трьох вимірах.
Дляопису атомно-кристалічної структури користуються поняттям просторовоїабо кристалічної решітки.
Кристалічнаграти є уявну просторову сітку, у вузлі якоїрозташовуються атоми (іони), що утворюють метал.
Найменшийобсяг кристала, що дає уявлення про атомну структуру металу у всьомуобсязі, отримав назву елементарної кристалічної комірки (решітки).
Дляхарактеристики елементарної комірки задають шість величин: три ребра комірки a, b, c і три кути міжними О±, ОІ, Оі. Ці величини називають параметрами кристалічноїрешітки.
Кристалічнірешітки бувають простими (атоми тільки у вершинах решітки) та складними.
Металиутворюють одну з наступних високосімметрічних складних решіток з щільноїупаковкою атомів: кубічна об'емноцентрірованная (ОЦК), кубічнугранецентрированную (ГЦК) і гексагональну (ГПУ) (рис. 2).
ОЦК:Rb, K, Na, Li, Ti ОІ , Tl ОІ , Zr ОІ , Ta, W, V, Fe О± , Cr, Nb, Ba, та ін
ГЦК:Cu, Al, Pt, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Fe Оі , Co О± , Ca О± , Ce, Sr О± , Th, Sc і ін
ГПУ:Mg, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Be, Co ОІ , Ca О± , Zr О± , La О± , Ti О± і ін
Малюнок2. Кристалічні решітки металів і схеми упаковки атомів
Відстаньміж найближчими паралельними атомними площинами, що утворюють елементарнуосередок, називають періодом решітки, вимірюється в нанометрів (1нм = 10 -9 см= Г… = 10 -8 см).
Періодирешітки металів знаходяться в межах 0,2 - 0,7 нм.
Для ОЦК: a, b, c; a = b = c.
Для ГЦК: a, b, c; a = b = c.
ДляГПУ: а, с; с/а = 1,633 (до Zn невідноситься)
Числоатомів в кожній елементарній комірці (щільність упаковки - дорівнює числуатомів, що припадають на одну елементарну комірку):
ОЦК:ПУ (щільноупакованими) =;
ГЦК:ПУ =;
ГПУ:ПУ =.
Координаційнечисло - під ним розуміють число атомів, що знаходяться на рівному та найменшійвідстані від даного атома. Чим вище координаційне число, тим більшещільність упаковки атомів:
ОЦК:відстань (min) між атомами, на цій відстані від розглянутогоатома знаходиться 8 сусідів - К8.
ГЦК:, К12.
ГПУ:Г12 (с/а = 1,633).
Коефіцієнтзаповнення комірки (щільність укладання) - визначається як відношення обсягу,зайнятого атомами до обсягу осередку:
ОЦК:68%
ГЦК:74%
ГПУ:74%
Дляхарактеристики величини атома служить атомний радіус, під яким розумієтьсяполовина відстані між найближчими сусідніми атомами. Атомний радіус зростаєпри зменшенні координаційного числа.
3. Поліморфні (аллотропіческіе) перетворення
Атомиметалу - виходячи з геометричних міркувань, можуть утворити будь-якукристалічну решітку.
Однакстійким, а, отже, реально існуючим типом є грати,володіє найбільш низьким запасом вільної енергії.
Багатометали в залежності від температури можуть існувати в різнихкристалічних формах (т.зв. поліморфних (аллотропических) модифікаціях). ВВнаслідок поліморфного перетворення атоми кристалічного тіла, що маєграти одного типу, перебудовуються таким чином, що утворюється кристалічнарешітка іншого типу.
поліморфнихмодифікацію, стійку при більш низькій температурі, для більшості металівприйнято позначати буквою О±, при більш високій температурі ОІ, потімОі і т.д.
поліморфнихперетворення протікає при постійній температурі (наприклад, при нагріванні йдепоглинання теплоти).
Відоміполіморфні перетворення: Fe О± ↔ Fe ОІ ; Co О± ↔ Co ОІ ; Ti О± ↔ Ti ОІ ; Mn О± ↔ Mn ОІ ↔ Mn Оі ↔ Mn Оґ ; Sn О± ↔ Sn ОІ , а також для Ca, Li, N, Cs, Sr, Te, Zr, V та ін
Металз даної кристалічною решіткою повинен володіти меншим запасом вільноїенергії.
Малюнок3. Поліморфізм заліза і його зв'язок з вільною енергією системи
Поліморфізмзаліза. З рис. 3, видно, що в інтервалі температур 911 - 1392 В° С стійкимє Оі-залізо (До 12) (має min вільну енергію), а при температурах нижче 911 В° С і вище 1392 В° Сстійко О±-залізо (К 8).
Втвердому металі поліморфні перетворення відбуваються в результаті зародження іросту кристалів аналогічно кристалізації з рідкого стану. Зародки новоїмодифікації найбільш часто виникають на кордонах зерна вихідних кристалів.
ВВнаслідок поліморфного перетворення утворюється нові кристалічні зерна,мають інший розмір і форму, тому перетворення також називаютьперекристалізацією.
поліморфнихперетворення супроводжується стрибкоподібним зміною всіх властивостей металів ісплавів: питомого об'єму, теплоємності, теплопровідності, електропровідності,магнітних властивостей, механічних і хімічних властивостей і т.д.
Високотемпературнамодифікація має високу пластичність.
Втаблиці № 1 показано інтервал температур існування різних аллотропическихформ деяких, що мають практичне значення металів, у яких виявленатемпературна алотропія.
4. Анізотропія властивостей металів
Затомно-кристалічної будови металів видно, що щільність розташуванняатомів по різних площинах в кристалічних гратах неоднакова (рис. 4).
Внаслідокнеоднаковою щільності атомів у різних площинах і напрямах решіткибагато властивостей (хімічні, фізичні, механічні) кожного кристалазалежать від напрямку решітки. Подібна неоднаковість властивостей монокристала врізних кристалографічних напрямках називається анізотропією.
Малюнок4. Розташування атомів в різних площинах і напрямах в кубічнійрешітці (ОЦК)
Кристал- Тіло анізотропний на відміну від аморфних тіл (скло, пластмаси і т.д.), властивостіяких не залежать від напрямку.
Технічніметали є полікристалів, тобто складаються з великого числа анізотропнихкристалів. У більшості випадків, як уже зазначалося вище, кристалистатистично невпорядковано орієнтовані один по відношенню до іншого, томуу всіх напрямках властивості більш-менш однакові, тобто полікристалічнетіло є ізотропним (вірніше - квазіізотропним (помилкова Ізотропія)). Такауявна изотропность не буде спостерігатися, якщо кристали мають однаковупереважну орієнтування в якихось напрямках. Ця орієнтованість,або текстура, створюється певною мірою, але не повністю в результатізначною холодної деформації; в цьому випадку полікристалічний металнабуває анізотропію властивостей.
Література
1.Лахтін Ю.М.,Леонтьєва В.П. Матеріалознавство. М., 1972, 1980.
2.Гуляєв А.П.Металознавство. М., 1986.
3.Новиков І.І.Дефекти кристалічної будови металів. М., 1983.
4.Антікайнен П.А.Металознавство. М., 1972.
