Тип кристаллической решетки в металлах и сплавах

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).

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.

Рис. 1.1. Кристаллическая решетка

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.

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

В кубической объёмно-центрированной 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 Iк 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. металл сплав кристаллический дефект

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

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 = a 3 = (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 б (б-Fe), при более высокой индексом в, затем г и т.д.

Известны полиморфные превращения железа:

Fe Fe (-Fe -Fe), титана Ti Ti

(-Ti – 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 Fe, в интервале 911-1392 °С устойчиво Fe. 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 Fe на 3 % больше плотности Fe, 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».

Типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов приведены в табл. 1.1.

Читайте также:  Из за чего не греет микроволновка

Таблица 1.1. Типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов А. Металлы с одним типом решетки

Na, K,V,Nb, Cr, Mo, W

Б. Металлы с полиморфным превращением

Температура превращения, °С

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.

Металлическая связь — химическая связь между атомами в металлическом кристалле, возникающая за счёт перекрытия (обобществления) их валентных электронов.

Содержание

Механизм металлической связи [ править | править код ]

В узлах кристаллической решётки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны проводимости, происходящие из атомов металлов при образовании ионов. Эти электроны играют роль «цемента», удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решётка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть. Силы связи не локализованы и не направлены. В металлах в большинстве случаев проявляются высокие координационные числа (например, 12 или 8).

Так, щелочные металлы кристаллизуются в кубической объёмно-центрированной решётке, и каждый положительно заряженный ион щелочного металла имеет в кристалле по восемь ближайших соседей — положительно заряженных ионов щелочного металла (рис.1). Кулоновское отталкивание одноимённо-заряженных частиц (ионов) компенсируется электростатическим притяжением к электронам связывающих звеньев, имеющих форму искажённого сплющенного октаэдра — квадратной бипирамиды, высота которой и рёбра базиса равны величине постоянной решётки aw кристалла щелочного металла (рис.2).

Связывающие электроны становятся общими для системы из шести положительных ионов щелочных металлов и удерживают последние от кулоновского отталкивания.

Величина постоянной трансляционной решётки aw кристалла щелочного металла значительно превышает длину ковалентной связи молекулы щелочного металла, поэтому принято считать, что электроны в металле находятся в свободном состоянии:

Щёлочный металл Li Na K Rb Cs
Постоянная решётки aw, Å [1] 3,502 4,282 5,247 5,690 6,084
Длина ковалентной связи для Me2, Å [2] 2,67 3,08 3,92 4,10 4,30

Математическое построение, связанное со свойствами свободных электронов в металле, обычно отождествляют с «поверхностью Ферми», которую следует рассматривать как геометрическое место в k-пространстве, где пребывают электроны, обеспечивая основное свойство металла — проводить электрический ток [3] . Таким образом, электрический ток в металлах — это движение сорванных с орбитального радиуса электронов в поле положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решётки металла. Выход и вход свободных электронов в связывающее звено кристалла осуществляется через точки «0», равноудалённые от положительных ионов атомов (рис.2).

Свободное движение электронов в металле подтверждено в 1916 году опытом Толмена и Стюарта по резкому торможению быстро вращающейся катушки с проводом — свободные электроны продолжали двигаться по инерции, в результате чего гальванометр регистрировал импульс электрического тока. Свободное движение электронов в металле обусловливает высокую теплопроводность металла и склонность металлов к термоэлектронной эмиссии, происходящей при умеренной температуре.

Колебание ионов кристаллической решётки создаёт сопротивление движению электронов по металлу, сопровождающееся разогревом металла. В настоящее время важнейшим признаком металлов считается положительный температурный коэффициент электрической проводимости, то есть понижение проводимости с ростом температуры. С понижением температуры электросопротивление металлов уменьшается, вследствие уменьшения колебаний ионов в кристаллической решётке. В процессе исследования свойств материи при низких температурах Камерлинг-Оннес открывает явление сверхпроводимости. В 1911 году ему удаётся обнаружить уменьшение электросопротивления ртути при температуре кипения жидкого гелия (4,2 К) до нуля. В 1913 году Камерлинг-Оннесу присуждается Нобелевская премия по физике со следующей формулировкой: «За исследование свойств веществ при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия.»

Однако теория сверхпроводимости была создана позднее. В её основе лежит концепция куперовской электронной пары — коррелированного состояния связывающих электронов с противоположными спинамии и импульсами, и, следовательно, сверхпроводимость можно рассматривать как сверхтекучесть электронного газа, состоящего из куперовских пар электронов, через ионную кристаллическую решётку. В 1972 году авторам теории БКШ — Бардину, Куперу и Шрифферу присуждена Нобелевская премия по физике «За создание теории сверхпроводимости, обычно называемой БКШ-теорией».

Читайте также:  Формула для расчета массы

Характерные кристаллические решётки [ править | править код ]

Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решёток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную.

В кубической объемно центрированной решётке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объёма куба. Кубическую объемно центрированную решётку имеют металлы: Pb, K, Na, Li, β-Ti, β-Zr, Ta, W, V, α-Fe, Cr, Nb, Ba и др.

В кубической гранецентрированной решётке (ГЦК) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Решётку такого типа имеют металлы: α-Ca, Ce, α-Sr, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, γ-Fe, Cu, α-Co и др.

В гексагональной решётке атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы. Такую упаковку атомов имеют металлы: Mg, α-Ti, Cd, Re, Os, Ru, Zn, β-Co, Be, β-Ca и др.

Другие свойства [ править | править код ]

Свободно движущиеся электроны обусловливают высокую электро- и теплопроводность. Многие металлы обладают высокой твёрдостью, например хром, молибден, тантал, вольфрам и др. Вещества, обладающие металлической связью, часто сочетают прочность с пластичностью, так как при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей.

Кристаллическое строение металлов. Кристаллическая решетка металлов. Металлы в периодической системе Менделеева

От DA

Из школьного курса химии известно, что все элементы, которые сгруппированы по определенным правилам в периодическую таблицу Менделеева, можно условно разделить на металлы и неметаллы. В этой статье будет рассказано о кристаллическом строении металлов, их физико-химических свойствах, а также о дефектах на атомном уровне, которые в них присутствуют.

Периодическая таблица и металлы

В XIX веке благодаря своему блестящему уму и многим годам труда Дмитрий Иванович Менделеев составил таблицу, собрав в нее все известные на то время химические элементы. Каждому из них в таблице отведено определенное положение в соответствии с числом протонов в атомном ядре. Вся таблица делится на 7 периодов (горизонтальные строки) и 8 групп (вертикальные строки). Чем больше период, тем больше радиус атома соответствующего элемента, и тем на более высоких орбиталях расположены его валентные электроны. Наоборот, чем старше группа (движение по таблице слева направо), тем больше валентных электронов находится на последней орбитали и тем меньше радиус атома.

Любой элемент таблицы можно условно отнести либо к металлам, либо к неметаллам. Металлы расположены по левую сторону от диагонали бор (B) – полоний (Po). Если взглянуть на таблицу, то можно сразу понять, что количество металлов в несколько раз превышает число неметаллов.

Что такое металл и чем он отличается от неметалла?

Иными словами, как можно понять, что перед нами находится металлический материал? Ответы на все эти вопросы можно получить, если рассмотреть уникальные свойства металлов. К ним относятся следующие основные:

  • Наличие металлического блеска при полировке поверхности. Все металлы блестят, в своем большинстве они имеют серый цвет, однако, некоторые металлы обладают специфической окраской, например, висмут розовый, медь красноватая, а золото желтое.
  • Высокая теплопроводность и электропроводность. При комнатной температуре наиболее высокие показатели для этих физических свойств характерны для меди и серебра.
  • При комнатной температуре практически все металлы находятся в твердом агрегатном состоянии материи. Исключение составляет ртуть, которая плавится уже при -39 oC.
  • Будучи в твердом состоянии, металлы кристаллическим строением характеризуются. Если расплав рассматриваемого материала слишком быстро охлаждать, то он приобретает аморфную структуру, в которой все же сохраняется ближний порядок.
  • Температуры плавления и плотности металлов варьируются в широких пределах. Так, элемент вольфрам является самым тугоплавким (3410 oC). Самым же тяжелым считается осмий (в 22,6 раза плотнее воды), а самым легким – литий (почти в 2 раза менее плотный, чем вода).
  • Все металлы химически активны. Поскольку они обладают низкой электроотрицательностью, то в химических реакциях их атомы отдают электроны и превращаются в положительно заряженные ионы (катионы).

Выше в списке были перечислены основные свойства металлов, которые их отличают от неметаллических материалов. Примерами последних являются кислород, азот, благородные газы, сера, кремний, углерод и некоторые другие. Заметим, что все живые организмы состоят в основном из неметаллов.

Какие металлы бывают?

Металлы в периодической системе Менделеева делятся на несколько групп. Перечислим и кратко охарактеризуем их:

  • Щелочные. Эти металлы имеют всего 1 валентный электрон, они чрезвычайно химически активны, имеют низкую плотность и являются отличными проводниками тепла и электричества. Примерами их являются литий, натрий и калий.
  • Щелочноземельные. К ним относятся кальций, магний, стронций. Эти металлы имеют 2 валентных электрона, поэтому они также являются химически активными.
  • Переходные. Это металлы с переменной валентностью, которые имеют пустые или полупустые орбитали d и f типа. Это самая многочисленная группа металлов. К ним относятся титан, ванадий, хром, никель, вольфрам, осмий, золото и многие другие.
  • Лантаноиды и актиноиды. Большая часть этих элементов является нестабильными и проявляет различную степень радиоактивности.
  • Постпереходные. Это те элементы, после которых по периоду идут металлоиды, а затем неметаллы. Самыми известными из них являются свинец, алюминий и олово.

Черные и цветные металлы

Выше была приведена классификация рассматриваемых элементов в соответствии с их электронным строением и положением в периодической системе. Помимо нее, существует еще одно разделение, которое не связано с атомным строением – это понятие о черных и цветных металлах.

Черным является железо и все сплавы с его участием. Примеры цветных металлов – это алюминий, золото, серебро, медь и другие, а также сплавы, которые не содержат железа. Причина такого разделения проста, черные металлы являются дешевыми и недолговечными (разрушаются в результате коррозии, ржавеют). Наоборот, цветные металлы характеризуются способностью образовывать пленки оксидные, которые предотвращают основную массу материала от дальнейшего химического разрушения.

Читайте также:  Мини компрессор воздушный электрический 220в бытовой компактный

Металлическая связь

Изучая атомно-кристаллическое строение металлов, следует сказать несколько слов об особенностях химической связи между рассматриваемыми элементами. Поскольку электроотрицательность металлов низкая, то, объединяясь в кристаллическую решетку, каждый атом отдает один или несколько валентных электронов. Эти электроны слабо связаны с ядром, поэтому они легко от него отрываются уже при комнатных температурах.

Совокупность валентных электронов, которые свободно движутся в пространстве между ионными остовами в кристаллической решетке металлов, называется электронным газом. Благодаря ему кусок металла легко проводит тепло и электричество.

Электрическое поле положительно заряженных ионных остовов компенсируется отрицательным полем "размазанного" по объему металла электронного газа. Такая связь называется металлической. Она кардинальным образом отличается от других типов химической связи. Например, в ковалентной атомы не отдают электроны в межатомное пространство, они становятся общими только для двух атомов. Наоборот, в ионной связи один атом полностью лишает второго валентных электронов, присоединяя их к себе, и приобретая отрицательный заряд.

Кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток

Когда металл образует твердую структуру, то все его атомы стремятся занять такие положения в пространстве относительно друг друга, чтобы они соответствовали минимуму потенциальной энергии. Этому минимуму соответствует кристаллическая решетка.

Под кристаллической решеткой понимают такую пространственную атомную структуру, которая может быть получена, если известны координаты ограниченного числа ее атомов и вектора их трансляции в пространстве. Указанное число атомов называется базисом решетки, а их положения образуют так называемую элементарную ячейку.

Все металлы кристаллизуются в трех основных типах решеток:

  • гранецентрированная кубическая (ГЦК);
  • объемно-центрированная кубическая (ОЦК);
  • гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

Благодаря кристаллическому строению металлы обладают такими свойствами, как пластичностью, упругостью и металлическим блеском.

Решетки ГЦК, ОЦК, ГПУ

Изучая кристаллическое строение металлов, охарактеризуем подробнее каждый тип кристаллической решетки. Начнем с ГЦК. Она показана ниже на рисунке.

Как видно, это решетка представляет собой кубик, в котором атомы расположены в его вершинах и в центрах всех шести граней. Применяя методы кристаллографии, несложно показать, что для получения такой решетки в пространстве достаточно всего четырех атомов и векторов трансляций, совпадающих с ребрами куба.

Примерами металлов, которые кристаллизуются в ГЦК, являются алюминий, медь, золото и серебро. Железо образует ГЦК решетку только при высоких температурах.

ОЦК решетка показана ниже.

Мы видим, что она соответствует кубику, в вершинах и в центре которого находится атом. Всего два атома необходимо, чтобы в прямоугольных декартовых координатах построить ОЦК решетку. Такие металлы, как ванадий, тантал, ниобий, вольфрам имеют именно эту кристаллическую структуру.

Наконец, ГПУ решетка. Она представлена ниже на рисунке.

Эта кристаллическая решетка металлов отличается от двух предыдущих тем, что она в пространстве образует не куб, а правильную шестиугольную призму, которая состоит из шести атомов. В данной структуре кристаллизуются такие элементы, как титан, цирконий, магний и кобальт.

Понятие об индексах Миллера

Чтобы удобно было описывать численно показанные выше пространственные решетки, в кристаллографии используют так называемые индексы Миллера. Они представляют собой наборы чисел, которые позволяют точно определить положение в пространстве данного атомного ряда или атомной плоскости. По этим числам судят о поверхностных энергиях, о способности металлов проявлять пластические свойства. Например, в ГЦК решетке краевые дислокации движутся по плоскостям (1,1,1) (эти плоскости являются максимально плотноупакованными, нормалью к ним будут диагонали куба).

Дефекты в металлах

Выше мы показали идеальную ситуацию, когда все атомы находятся на своих местах, и пространственную структуру всего металлического куска можно получить с помощью простых трансляций элементарной ячейки. В действительности же существуют множество несовершенств кристаллического строения металлов. Они называются дефектами.

Все дефекты можно по геометрическому признаку отнести к одному из четырех типов:

  1. Точечные. Вакансии, межузельные атомы, наличие внедренных атомов других элементов, создающих микроскопические локальные напряжения.
  2. Линейные. Дислокации – обрывы кристаллических плоскостей, которые обеспечивают пластичность всех металлов.
  3. Плоские – границы зерен. Любой металл состоит из множества монокристаллов, которые друг с другом соединены в различной ориентации через межзеренные границы.
  4. Объемные. Поры, различные фазовые включения, которые упрочняют металл и снижают его пластичность.

Влияние дефектов на свойства

Как правило, дефекты кристаллического строения металлов приводят к снижению их теплопроводности и электропроводности, материал становится более прочным и менее пластичным. Ярким примером является сталь, которая за счет междоузельных атомов углерода и наличия разных фаз (цементита, графита) в кристаллической решетке железа, значительно прочнее, чем чистый металл.

С развитием нанотехнологий влияние дефектов на свойства металлов может быть неоднозначным. Так, с уменьшением размера зерна может наблюдаться увеличение пластичности материала, что связано с появлением совершенно иного механизма пластической деформации – зернограничного проскальзывания, которое по своей сути отличается от дислокационного.

Реальный кристалл металла

Какой бы химический металлический элемент не рассматривался, в действительности он представляет собой твердое вещество, в котором маленькие монокристаллы (зерна) соединены друг с другом в различных ориентациях. Такая структура образует поликристалл. В нем, помимо границ зерен, присутствуют дефекты всех четырех типов, включая примеси таких неметаллов, как кислород, азот и водород. Последний из-за своих размеров легко проникает в любую кристаллическую решетку, образует с ее ионами твердые фазы, которые приводят к охрупчиванию металла, что является одной из актуальных проблем металловедения.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector