Общая характеристика металлов и сплавов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Металлы и их сплавы повсеместно используются для изготовления конструкций машин, оборудования, инструмента  и т. д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов (керамики, клеев), металлы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.

В природе металлы  встречаются как в чистом виде, так и в рудах, оксидах и  солях. В чистом виде встречаются  химически устойчивые элементы (Pt, Au, Ag, Cu). Масса наибольшего самородка меди составляет 420 т, серебра — 13,5 т, золота — 112 кг. Из 111 открытых элементов, представленных в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева, 76 являются металлами, Si, Ge, As, Se, Te — промежуточными между металлами и неметаллами, иногда их называют полуметаллами. Все элементы, расположенные левее мысленной линии, проведенной от бора до астата (от № 5 до № 85) относятся к металлам, а правее — в основном, к неметаллам. Эта граница недостаточно четко выражена, так как среди элементов, расположенных вблизи границы, находятся и полуметаллы.

Металлические материалы  обычно делятся на две большие  группы: железо и сплавы железа (сталь  и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы — цветными. Кроме того, все цветные  металлы, применяемые в технике, в свою очередь, делятся на следующие группы:

- легкие металлы  Mg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г/см3;

- тяжелые металлы  Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотностью, превышающей  10 г/см3;

- легкоплавкие металлы  Sn, Pb, Zn с температурой плавления 232; 327; 410 °С  соответственно;

- тугоплавкие металлы  W, Mo, Та, Nb с температурой плавления  выше, чем у железа (> 1536 °С);

- благородные металлы  Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью  против коррозии;

- урановые металлы  или актиноиды, используемые в атомной технике;

- редкоземельные  металлы (РЗМ) — лантаноиды, применяемые  для модифицирования стали;

- щелочные и щелочноземельные  металлы Na, К, Li, Ca в свободном состоянии  применяются в качестве жидкометаллических  теплоносителей в атомных реакторах; натрий также используется в качестве катализатора в производстве искусственного каучука, а литий — для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых в самолетостроении.

Свойства металлов разнообразны. Ртуть замерзает при  температуре минус 38,8 °С, вольфрам выдерживает рабочую температуру до 2000 °С (Т.пл. = + 3420 °С), литий, натрий, калий легче воды, а иридий и осмий — в 42 раза тяжелее лития. Электропроводность серебра в 130 раз выше, чем у марганца. Вместе с тем металлы имеют характерные общие свойства. К ним относятся:

- высокая пластичность;

- высокие тепло-  и электропроводность;

- положительный температурный  коэффициент электрического сопротивления,  означающий рост сопротивления  с повышением температуры и  сверхпроводимость многих металлов (около 30) при температурах, близких к абсолютному нулю;

хорошая отражательная  способность (металлы непрозрачны  и имеют характерный металлический  блеск);

- термоэлектронная  эмиссия, т. е. способность к  испусканию электронов при нагреве;

кристаллическое строение в твердом состоянии. 

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Общее свойство металлов и сплавов — их кристаллическое  строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической  структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.

Атомно-кристаллическая  структура может быть представлена не рядом периодически повторяющихся  объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Трансляцией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла (рис. 1.1). 

 
Рис. 1.1. Кристаллическая решетка

В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки. Величина их в металлах порядка 0,1–0,7 нм, размеры элементарных ячеек — 0,2–0,3 нм.

Для однозначного описания элементарной ячейки кристаллической  решетки необходимо знание величин параметров a, b, c и углов между ними.

В 1848 г. французский  ученый Бравэ показал, что изученные  трансляционные структуры и элементы симметрии позволяют выделить 14 типов кристаллических решеток.

На рис. 1.2 показаны три типа элементарных ячеек кристаллических решеток, наиболее характерные для металлов: объемноцентрированная кубическая (ОЦК); гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП), а также схемы упаковки в них атомов.

.  

 
Рис. 1.2. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток металлов и схемы упаковки в них атомов:

а) гранецентрированная  кубическая (ГЦК);

б) объемноцентрированная  кубическая (ОЦК);

в) гексагональная плотноупакованная (ГП) решетка

В кубической гранецентрированной  решетке (ГЦК; А1) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (рис. 1.2, б).

В кубической объемноцентрированной  решетке (ОЦК; А2) атомы расположены  в вершинах куба, а один атом —  в центре его объема (рис. 1.2, а).

В гексагональной плотноупакованной решетке (ГП; А3) атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы (рис. 1.2, в).

Для характеристики кристаллических решеток вводят понятия координационного числа и коэффициента компактности. Координационным числом называется число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решеток ГЦК и ГП оно составляет 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чем решетки ГЦК и ГП. В решетке ОЦК каждый атом имеет всего 8 ближайших соседей, а в решетках ГЦК и ГП их 12.

Если принять, что  атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары, то нетрудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности.

 
Коэффициент компактности Q равен отношению суммарного объема атомов, входящих в решетку, к объему решетки:

где R — радиус атома (иона); n — базис, или число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку; V — объем элементарной ячейки.

Для простой кубической решетки n = (1/8) · 8 = 1; V = a3 = (2R)3, коэффициент компактности Q = 52 %.

Схема определения  базиса ОЦК решетки приведена  на рис. 1.3. На решетку ОЦК приходится два атома: один центральный и  один как сумма от вершин куба, так  как ячейке принадлежит 1/8 атома  от каждого угла.

Для ОЦК решетки n = (1/8) · 8 + 1 = 2. Учитывая, что атомы  соприкасаются по диагонали куба, длина которой равна 4 атомным  радиусам, параметр решетки,  а коэффициент компактности QОЦК = 68 %.

Проведя аналогичные  вычисления, найдем  QГЦК = 74 %, QГП = 74 %.

Таким образом, решетки  ГЦК и ГП более компактны, чем  ОЦК.

Некоторые металлы  при разных температурах могут иметь  различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических  формах носит название полиморфизма или аллотропии. Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом α (α-Fe), при более высокой индексом β, затем γ и т.д.

Известны полиморфные  превращения железа:

Fea « Feg (a-Fe « g-Fe), титана Tia « Tig 

 
(a-Ti « g-Ti) и других элементов.

Рис. 1.3. Схема определения  базиса ОЦК решетки

Температура превращения  одной кристаллической модификации  в другую называется температурой полиморфного превращения.

При полиморфном  превращении меняются форма и  тип кристаллической решетки. Это явление называется перекристаллизацией. Так, при температуре ниже 911 °С устойчиво Fea, в интервале 911–1392 °С устойчиво Feg. При нагреве выше 911 °С атомы решетки ОЦК перестраиваются, образуя решетку ГЦК. На явлении полиморфизма основана термическая обработка.

При переходе из одной  полиморфной формы в другую меняются свойства, в частности плотность  и соответственно объем вещества. Например, плотность Feg на 3 % больше плотности Fea, а удельный объем соответственно меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термообработке.

Полиморфизм олова  явился одной из причин гибели полярной экспедиции английского исследователя  Р. Скотта. Оловом были запаяны канистры с керосином. При низкой температуре  произошло полиморфное превращение  пластичного белого олова с образованием хрупкого порошка серого олова. Горючее вылилось и испарилось, и на обратном пути экспедиция осталась без топлива. Превращение белого олова в серое называют «оловянной чумой».

Свойства материалов зависят от природы атомов, из которых они состоят, и силы взаимодействия между ними. Аморфные материалы характеризуются хаотическим расположением атомов. Поэтому свойства их в различных направлениях одинаковы, или, другими словами, аморфные материалы изотропны. В кристаллических материалах расстояния между атомами в разных кристаллографических направлениях различны. Например, в ОЦК решетке в кристаллографической плоскости, проходящей через грань куба, находится всего один атом, так как четыре атома в вершинах одновременно принадлежат четырем соседним элементарным ячейкам: (1/4) 4 = 1 атом. В то же время в плоскости, проходящей через диагональ куба, будут находиться два атома: 1 + (1/4) 4 = 2.

Из-за неодинаковой плотности атомов в различных  направлениях кристалла наблюдаются  разные свойства. Различие свойств в кристалле в зависимости от направления испытания называется анизотропией.

Разница в физико-химических и механических свойствах в разных направлениях может быть весьма существенной. При измерении в двух взаимно  перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расширения различаются в 3–4 раза, а прочности кристалла железа — более чем в два раза.

Анизотропия свойств  характерна для одиночных кристаллов или для так называемых монокристаллов. Большинство же технических литых металлов, затвердевших в обычных условиях, имеют поликристаллическое строение. Они состоят из большого числа кристаллов или зерен (рис. 1.4, а). При этом каждое отдельное зерно анизотропно. Различная ориентировка отдельных зерен приводит к тому, что в целом свойства поликристаллического металла являются усредненными.

 
Поликристаллическое тело характеризуется  квазиизотропностью — кажущейся  независимостью свойств от направления  испытания. Квазиизотропность сохраняется  в литом состоянии, а при обработке давлением (прокатке, ковке), особенно, если она ведется без нагрева, большинство зерен металла приобретает примерно одинаковую ориентировку — так называемую текстуру (pиc. 1.4, б), после чего металл становится анизотропным. Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления главной деформации могут существенно различаться. Анизотропия может приводить к дефектам металла (расслою, волнистости листа). Анизотропию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии получения деталей.