Кристаллическое строение металлов. Классификация металлов

Классификация металлов

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Как известно, три четверти всех элементов в периодической системе являются металлами и большинство из них применяются в технике. Как правило, все металлы сочетают высокую твердость с хорошей пластичностью и вязкостью, имеют большую плотность, хорошую тепло- и электропроводность и сравнительно малую теплоту превращения.

Уникальное сочетание этих свойств, не встречающееся у других материалов, и явилось причиной использования металлов в качестве основного конструкционного материала во всех областях техники.

Каждый металл отличается строением и свойствами от другого, тем не менее по некоторым признакам их можно объединить в группы.

Прежде всего, все металлы подразделяются на черные и цветные.

Это, несомненно, условная классификация, которая сложилась исторически.

Черные металлы – имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочноземельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Наиболее типичными представителями этой группы являются железо и его сплавы (чугун и сталь), являющиеся основным машиностроительным материалом. В общемировом производстве металлов, свыше 90 % приходится на железо и его сплавы.

Это объясняется не только ценными физическими и механическими свойствами черных металлов, а также и тем, что железные руды широко распространены в природе, а производство чугуна и стали сравнительно дешево и просто. Также наряду с черными металлами важное значение в технике имеют и цветные металлы.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую, обладают большой пластичностью, относительно низкой температурой плавления и малой твердостью. Наиболее широко они используются в самолетостроении, радиотехнике, электротехнике и др. областях.

Черные металлы в свою очередь можно подразделить следующим образом:

1. Железные металлы – железо, кобальт, никель и близкий к ним по свойствам марганец. Они применяются как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.

2.Тугоплавкие металлы – температура плавления выше, чем железа (т.е. выше 1539⁰С). Это титан, ванадий, хром. Их применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.

3.Урановые металлы – актиниды – актиний, уран, торий, плутоний, имеющие преимущественное применение в сплавах атомной энергетики.

4. Редкоземельные металлы (РЗМ) – лантан, церий, неодим и др., объединяемые под названием лантоноидов, сюда же входит иттрий. Их применяют как присадки к сплавам других элементов. В природных условиях они встречаются вместе и вследствие трудностей разделения на отдельные элементы для присадки обычно применяют «смешанный сплав», так называемый «мишметалл».

5. Щелочноземельные металлы в свободном металлическом состоянии не применяются (литий, натрий, калий).

Цветные металлы подразделяются на три группы:

1. Легкие металлы (обладающие малой плотностью) – бериллий, магний, алюминий.

2. Благородные металлы – серебро, золото, платина, палладий, и др., обладающие высокой устойчивостью против коррозии.

3. Легкоплавкие металлы – цинк, ртуть, олово, свинец, сурьма.

Все металлы и их сплавы – тела кристаллические. Какими силами связаны атомы в кристаллической решетке?

Существуют четыре основных типа связи в твердых телах:

- ковалентный тип связи (между атомами неметаллов Сl);

- ионный тип связи (между атомами металлов и неметаллов NaCl);

- металлический тип связи (между атомами металлов)

- остаточная связь парафин (Т пл. низкая, мягкий);

Рассмотрим металлический тип связи, благодаря которому металлы приобретают присущие им свойства.

Кристаллическое строение металлов характеризуется закономерным размещением атомов в пространстве с образованием кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой находятся положительные ионы, а внешние отрицательно заряженные электроны образуют так называемый электронный «газ» (рис.1.1).

Рис.1.1. Металлический тип связи.

1 –положительно заряженные ионы;

2 – отрицательно заряженые электроны.

Атомы в решетке связаны силами взаимного притяжения и отталкивания электрон - между положительно заряженными ионами и электронным «газом». Такая связь не является жесткой и направленной, поэтому атомы могут скользить друг относительно друга, разрушая сплошности материала, что и обеспечивает высокую пластичность металлов (рис.1.2). Наличием данного электронного «газа» объясняются такие свойства металлов как электропроводность, теплопроводность, пластичность.

Рис.1.2. Схема сдвига в решетке металла

при пластической деформации

Атомы (ионы) могут, располагаясь в узлах кристаллической решетки, образовывать правильные геометрические фигуры. Что такое кристаллическая решетка? Это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы, образующие металл. Металлы могут давать сравнительно небольшое число вариантов расположения атомов в пространстве (рис. 1.3). У металлов наиболее часто встречаются следующие типы решеток:

Рис. 1.3. Типы кристаллических решеток металлов.

а - кубическая объемно-центрированная (ОЦК)

(Мо, Fe, V, Na, Cr, Ta, K, Li, и др.)

б - кубическая гранецентрированная (ГЦК)

(Cu, Al, Pt, Fe, Erg, Au, и др.)

в - гексагональная плотноупакованная (ГПУ) (Mg, Be, Y, Co, и др.)

Размеры элементарной ячейки называются параметрами решетки, они обозначаются а, в, с и измеряются в ангстремах (1А=10^-8 см). Из этих решеток (элементарных ячеек) строятся кристаллы металлов. Каждый кристалл состоит из большого количества мелких кристаллических решеток, в которых атомы расположены закономерно.

Однако, образовавшиеся реальные кристаллы не обладают строгой периодичностью в расположении атомов, они имеют те или иные несовершенства, т.н. дефекты кристаллического строения. Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве: точечные, линейные, поверхностные, объемные. К точечным дефектам относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободной от атомов), межузельные атомы, примеси замещения.

У линейных дефектов длина на несколько порядков больше ширины. У поверхностных дефектов мала толщина, а ширина и длина больше ее на несколько порядков. Объемные дефекты (поры, трещины) имеют значительные размеры во всех трех направлениях.

Дата добавления: 2014-12-07