Строение и свойства металлов

Строение и  свойства металлов.

 

Характерными свойствами металлов являются наличие металлического блеска и пластичности, высокая электро- и теплопроводность. Характерные свойства металлов обусловлены их строением.

Атомы металлов не однородны. Атом состоит из положительно заряженного  тяжелого ядра, и окружающих ядро отрицательно заряженных электронов. Число электронов равно порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева. В ядре атома находятся положительно заряженные элементарные частицы, называемые протонами. Количество протонов равно количеству окружающих ядро электронов. Кроме  протонов, в ядре находятся тяжелые  электрически нейтральные частицы  – нейтроны. Масса электрона в 1840 раз меньше массы протона или  нейтрона. Таким образом, вся масса  атома сосредоточена в его  ядре.

Электроны быстро вращаются  вокруг ядра. Внешние, так называемые валентные, электроны у всех металлов относительно слабо связаны с  ядром. Слабой связью внешних валентных  электронов с ядром и объясняются  характерные металлические свойства.

Между понятием «металл» как  химический элемент и как вещество есть некоторая разница. Химия делит  все элементы на металлы и неметаллы  по их поведению в химических реакциях. Теория металлического состояния рассматривает  крупные скопления атомов металлов, в котором они обладают характерными металлическими свойствами: пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью, металлическим блеском. Эти свойства характерны для больших групп  атомов. У отдельных атомов таких  свойств нет.

Атомы в металле находятся  в ионизированном состоянии. Атомы  металлов, отдавая часть внешних  валентных электронов, превращаются в положительно заряженные ионы. Свободные  электроны непрерывно перемещаются между ними, образуя подвижный  электронный газ.

При комнатной температуре  все металлы, кроме ртути, представляют собой твердые тела, имеющие кристаллическое  строение. Для кристаллов характерно строго определенное расположение в  пространстве ионов, образующих кристаллическую  решетку.

Металлы имеют кристаллические  решетки различных типов. Каждая кристаллическая решетка может  быть охарактеризована элементарной кристаллической  ячейкой.

Элементарная кристаллическая  ячейка – наименьший комплекс атомов, повторяя который многократно, можно  построить весь кристалл.

У металлов чаще всего встречаются  три типа элементарных кристаллических  ячеек:

В кубической объёмно-центрированной (ОЦК) решетке восемь ионов располагаются по вершинам и один в центре куба, на пересечении диагоналей. Объёмно-центрированную кубическую решетку имеют кристаллы железа при комнатной температуре, хрома, вольфрама, молибдена, ванадия и др. Эта решетка характеризуется всего одним параметром решетки – расстоянием между центрами двух ионов, расположенных по одному ребру, обозначенным на рисунке а.

Многие металлы, используемые в технике, имеют гранецентрированную  кубическую решетку. В элементарной решетке гранецентрированного куба ионы расположены по вершинам куба и в центре каждой грани (на пересечении ее диагоналей). Центр куба остается свободным.

Такую кристаллическую решетку  имеют кристаллы меди, никеля, алюминия, свинца, серебра и др. гранецентрированная  решетка также характеризуется  одним параметром – длиной ребра  куба а.

Элементарная ячейка гексагональной плотноупакованной решетки представляет собой шестигранную призму. По основаниям призмы расположены правильные шестиугольники по вершинам которых и в их центрах  находятся ионы. Посередине между  основаниями вклинивается правильный треугольник с ионами по вершинам.

Гексагональная решетка  характеризуется двумя параметрами: а и с. Наибольшая плотность упаковки достигается при соотношении  параметров с/а = 1.633. Гранецентрированная  решетка с таким соотношением параметров называется гранецентрированной  плотноупакованной. Такую решетку  имеют титан, цирконий, кобальт, цинк, магний и др.

 

Строение металлических  сплавов

 

Под металлическим сплавом  понимают вещество, получаемое сплавлением  двух или более элементов, обладающее характерными металлическими свойствами.

Металлические сплавы получают сплавлением элементов – металлов или металлов с неметаллами при  преимущественном содержании металлов. Строение сплавов сложнее, чем чистых металлов.

При кристаллизации жидкого  сплава могут получаться твердые  металлические сплавы с различным  строением.

Механическая смесь двух чистых металлов А и В получается в том случае, когда в процессе кристаллизации сплава из жидкого состояния  разнородные атомы не входят в  общую кристаллическую решетку. В механической смеси каждый металл образует самостоятельные кристаллы. Кристаллы каждого их металлов, находящиеся  в этом сплаве, обладают теми же строением  и свойствами, которыми они обладают в куске чистого металла.

Твердый раствор – сплав, у которого атомы растворимого элемента размещены в кристаллической  решетке растворителя. На микрошлифе твердого раствора кристаллы после  травления выглядят одинаково. В  кристаллах твердого раствора существует только один тип кристаллической  решетки. Растворителем является тот  элемент, кристаллическую решетку  которого имеет твердый раствор. Растворимый элемент может либо замещать элемент-растворитель в узлах  кристаллической решетки, либо располагаться  в междоузлиях. По типу расположения атомов растворимого элемента в кристаллической  решетке твердые растворы делят  на две группы: замещения и внедрения.

Твердые растворы внедрения  образуют металлы с неметаллами. Атомы неметаллов меньше атомов металлов. Поэтому атомы неметаллов могут  располагаться в междоузлиях  кристаллической решетки металлов. Внедрившийся атом вызывает искажение  решетки металла-растворителя. Все  твердые растворы внедрения –  растворы с ограниченной растворимостью.

Химические соединения металлы  образуют как с металлами так  и с неметаллами. Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления, скачкообразным изменением свойств при изменении состава. Химические соединения металлов с неметаллами образуются при строго определенных соотношениях входящих в них элементов, соответствующих нормальным валентностям. Химические соединения обладают повышенной твердостью и пониженной пластичностью. Кристаллическая решетка химического соединения имеет сложное строение.

 

Диаграмма состояния

 

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение  состояния сплава. Если изменится  состав сплава, его температура, давление, то состояние сплава изменится, и  это находит отражение в диаграмме  состояния.

Диаграмма состояния показывает устойчивые состояния, которые при  данных условиях обладают минимальным  уровнем свободной энергии. Поэтому  диаграмма состояния может также  называться диаграммой равновесия, поскольку  показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы. Следовательно, и изменения в состоянии, которые  отображены на диаграмме, относятся  к равновесным условиям, т.е. при  отсутствии перенагрева или переохлаждения. Так как превращения в отсутствии перенагрева или переохлаждения в действительности не могут совершаться, поэтому диаграмма состояния  представляет собой теоретический  случай.

Общие закономерности сосуществования  устойчивых фаз, отвечающих теоретическим  условиям равновесия, описываются правилом фаз или законом Гиббса.

Закон Гиббса дает количественную зависимость между степенью свободы  системы и количеством фаз  и компонентов.

Фазой называется однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.

 

Однородная жидкость – однофазная система.

 

Смесь двух видов кристаллов – двухфазная система. Компонентами называются вещества, образующие систему. Чистый металл – однокомпонентная система. Сплав двух металлов – двухкомпонентная система.

Среди диаграмм состояния  металлических сплавов самое  большое значение имеет диаграмма  состояния системы железо-углерод. Это объясняется наиболее широким  применением в технике железоуглеродистых сплавов.

Диаграмма железо-углерод  относится к диаграммам состояния  для сплавов с ограниченной растворимостью. Диаграмма железо-углерод, как ясно из названия, должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом ряд химических соединений, но надежно установлено лишь одно Fe3C – карбид железа или цементит. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму изучать по частям.

Следовательно, рассматривая диаграмму железо-углерод на участке  от железа до цементита, мы можем компонентами системы считать железо и цементит.

 

Рассмотрим свойства отдельных компонентов.

Железо. Температура плавления 1539 °С. Железо аллотропическое вещество. Атомы элемента могут образовывать, если исходить только из геометрических соображений, любую кристаллическую решетку. Однако устойчивым, а, следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.

В ряде случаев (и для железа в том числе) при изменении  температуры или давления может  оказаться, что для одного и того же металла более устойчивой будет  другая решетка, чем та, которая была при другой температуре или давлении.

 

Так для железа характерны две кристаллические решетки:

• объёмно-центрированный куб;

• гранецентрированный куб.

Существование одного металла  в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или  аллотропии. Различные кристаллические  формы одного и того же вещества называются полиморфными или аллотропическими модификациями. Аллотропические формы  обозначаются греческими буквами α, β, γ и т.д., которые в виде индексов добавляются к символу, обозначающему элемент. Аллотропическая форма, существующая при самой низкой температуре, обозначается через α, следующая через β и т.д. Превращение одной аллотропической формы в другую при нагреве чистого металла сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре. На термической кривой превращение отмечается горизонтальным участком. При охлаждении происходит выделение тепла теоретически при той же температуре¸ что и при нагреве, но практически при более низкой вследствие переохлаждения.

Явление полиморфизма основано на едином законе об устойчивости состояния  с наименьшим запасом энергии.

Запас свободной энергии  зависит от температуры. Поэтому  в одном интервале температур более устойчивой является модификация  α, а в другом модификация γ.

Железо имеет две температуры  полиморфного превращения: 911 и 1392 °С.

Особо следует рассмотреть  образование растворов углерода в железе. Растворимость С в Fe существенно зависит от того, в  какой кристаллической форме  существует железо.

Диаметр атома углерода (в  свободном состоянии) равен 1.54Å. В  объемноцентрированной решетке  имеется 12 свободных мест в середине ребер. Диаметр такого свободного места 0.62 Å. Такой объем явно недостаточен для помещения в нем атома  углерода.

В гранецентрированной кристаллической  решетке в центре имеется пора диаметром 1.02 Å. В этой поре атом углерода может поместиться, вызывая естественно  некоторое увеличение размера решетки  γ-железа.

Таким образом, геометрические соображения подсказывают, что α-железо не растворяет, а γ-железо растворяет углерод. В действительности α-железо растворяет углерод, но в очень небольшом  количестве ≈ 0.02%.

Твердый раствор углерода в α-железе называется ферритом, а  в γ-железе аустенитом.

Цементит. Цементит – это химическое соединение углерода с железом (карбид железа Fe3C).

Так как растворимость  углерода в α-железе мала, то при  нормальных температурах в подавляющем  большинстве случаев в структуру  стали входят высокоуглеродистые фазы в виде цементита.

Кристаллическая структура  цементита очень сложна.

Температура плавления цементита 1600 °С. Аллотропических превращений  не испытывает. Цементит имеет высокую  прочность ~ 800 НВ и практически нулевую  пластичность.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Процесс имеет огромное практическое значение.

 

Историческая  справка. Начало изучению диаграммы железо-углерод (а также железоуглеродистых сплавов и процессов термической обработки) было положено работой Чернова Д.К. «Критический обзор статей Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные исследования Д.К.Чернова по этому же предмету», опубликованной в 1868 году. Этот год можно считать годом возникновения науки металловедения.

В этой работе Чернов впервые  указал на существование в стали  критических точек, и на зависимость  их положения от содержания углерода. Таким образом, Чернов дал первое представление о диаграмме железо-углерод.

Диаграмма железо-цементит имеет двойную концентрационную ось абсцисс. Содержание углерода и  содержание цементита.

Линия ABCD является ликвидусом. Это линия – геометрическое место  точек начала кристаллизации. Линия AHJECF – солидус. Геометрическое место  точек конца кристаллизации.

Так как железо с углеродом  образует химическое соединение Fe3C, и  еще имеет две аллотропические  формы α и γ следовательно  в системе существуют следующие  фазы:

• жидкость (жидкий раствор  углерода в железе) располагается  выше линии ликвидус и обозначается Ж;

• цементит Fe3C – вертикаль DFKL, обозначается Ц;