Будова атомів металів
Методическое пособие - Физика
Другие методички по предмету Физика
Ir, Fe?, Cu й інші метали.
Гексагональну ґратку щільного пакування мають Mg, Ti?, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Co?, Be, Ca? й інші метали. Атоми у ГЩП-ґратці розташовані у вершинах і центрі шестигранних основ призми та три атоми - у середній площині призми.
Багато металів і деякі технічно важливі неметали кристалізуються у різних кристалічних ґратках залежно від таких зовнішніх умов, як температура і тиск, їх називають алотропними модифікаціями, а таке явище поліморфізмом. Низькотемпературну модифікацію позначають ?, а високотемпературні - ?, ?, ? тощо. Кожна модифікація має свій температурний інтервал існування. Внаслідок поліморфного перетворення утворюються нові кристалічні зерна іншої форми та розміру, тому таке перетворення називають перекристалізацією.
При поліморфних перетвореннях змінюється не лише тип кристалічної ґратки, але й властивості металу, при цьому властивості змінюються стрибкоподібно. Так, ОЦК-ґратка ?-заліза при 911 С перетворюється в ГЦК-ґратку ?-заліза, яка може розчинити значно більшу кількість вуглецю, ніж ?-ґратка. Феромагнітні властивості має тільки ?-залізо, але не в усій сфері свого існування, оскільки температура Кюрі становить 770 С. Усе це має важливе значення для виробництва й обробки сталі. В інших елементах поліморфні перетворення супроводжуються змінами механічних, теплових, електричних, оптичних, хімічних властивостей.
Усі кристалічні тіла анізотропні, що передбачає різницю властивостей у різних напрямках. Анізотропія яскраво виражена лише в монокристалах. У полікристалічних матеріалах, наприклад зливках, з великою кількістю хаотично орієнтованих кристалів вона не має чітко вираженого характеру, оскільки властивості їх у різних напрямках усереднюються. Про такі матеріали говорять, що вони ізотропні. Аморфні тіла, які мають невпорядковану насиченість атомами, у різних напрямках також є ізотропними. Проте у структурі металу іноді може створюватися переважаюча орієнтація кристалів, тоді він стає анізотропним. Прикладом анізотропності може бути текстура листового металу, що зявляється під час його обробки тиском. Тоді його міцність, теплові, електричні, магнітні та інші властивості вздовж і поперек прокатки неоднакові і можуть значно різнитися. У багатьох випадках це небажано, але іноді створюється навмисно з метою поліпшення експлуатаційних характеристик. Таким чином, структура металів і сплавів визначає їх механічні й технологічні властивості, особливо під час термічної обробки, експлуатації виробів при високих і низьких температурах. Тому її вивчення має надзвичайно велике значення для практики. Матеріал для закріплення знань
Рис. 1.4. Ґратка обємоцентрична кубічна (Mo, W, V, Fe?): r - найменша відстань до сусідніх атомів
Таблиця 1.1 Характеристики обємоцентричної кубічної ґратки
ПараметрЗначенняКути між осями? = ? = ? = 90Період ґраткиa = b = cКількість атомів на чарункуn = 2Координатне числоZ = 8Коефіцієнт компактностіK = 0,68
Рис. 1.5. Ґратка гранецентрична кубічна (Al, Cu, Au, Ag, Fe?): r - найменша відстань до сусідніх атомів
Таблиця 1.2 Характеристики гранецентричної кубічної ґратки
ПараметрЗначенняКути між осями? = ? = ? = 90Період ґраткиa = b = cКількість атомів на чарункуn = 4Координатне числоZ = 12Коефіцієнт компактностіK = 0,74
Рис. 1.6 Ґратка гексагональна щільного пакування (Mg, Co?, Zn, Ti?, Cd)
Таблиця 1.3 Характеристики гексагональної щільноупакованої ґратки
ПараметрЗначенняКути між осями? = ? = 90, ? = 90Період ґраткиa = b, c/a = 1,633Кількість атомів на чарункуn = 6Координатне числоZ = 12Коефіцієнт компактностіK = 0,74
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
1.На які групи залежно від будови поділяються тверді тіла?
2.Що таке аморфні тіла?
3.Що таке кристалічні тіла?
4.Наведіть приклади аморфних тіл.
5.Наведіть приклади кристалічних тіл.
6.Що таке просторова кристалічна ґратка?
7.Назвіть основні параметри кристалічних ґраток.
8.Які типи кристалічних ґраток характерні для металів?
9.Що таке поліморфізм металів?
10.Анізотропія й ізотропія, що це?
Дефекти кристалічної будови металів
З рідкого розплаву можна виростити монокристали. Їх, як правило, використовують у лабораторіях для вивчення властивостей тієї чи іншої речовини.
Метали і сплави, отримані у звичайних умовах, складаються з великої кількості кристалів, тобто мають полікристалічну будову. Ці кристали називаються зернами, мають неправильну форму і по-різному орієнтовані в просторі. Кожне зерно має власне орієнтування кристалічних ґрат, відмінне від орієнтування сусідніх зерен, унаслідок чого властивості реальних металів усереднюються, і явище анізотропії не спостерігається.
У кристалічних ґратах реальних металів наявні різні дефекти (недосконалості), що порушують звязки між атомами і впливають на властивості металів. Розрізняють такі структурні дефекти:
точкові - малі у всіх трьох вимірах;
лінійні - малі у двох вимірах і як завгодно протяжні в третьому;
поверхневі - малі в одному вимірі.
Одним із поширених недоліків кристалічної будови є наявність точкових дефектів: вакансій, дислокованих атомів і домішок (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Точкові дефекти: а - вакансія; б - домішковий (чужорідний) атом; в - дислокований атом
Вакансія - відсутність атомів у вузлах кристалічних ґрат, дірки, що утворилися в результаті різних причин: при переході атомів із поверхні в навколишнє середовище чи з в