37

Тема 1. Атомно-кристаллическое строение металлов

Все металлы и металлические сплавы в обычных условиях являются кристаллическими телами, в которых атомы (ионы) расположены в опреде-ленном порядке. Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку; атомы металла располагаются в узлах сетки. Наименьший объем, дающий представление об атомно-кристаллической структуре в целом, называется элементарной кристаллической ячейкой. Большинство металлов образуют одну из следующих решеток: кубическую объемноцентрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную плотноупакованную (ГПУ). Эти решетки отличаются высокой симметрией и большой плотностью упаковки (в 1 см³ содержится более 10²² атомов). Поскольку именно атомы являются мельчайшими составляющими любого технического материала, то многие характеристики и свойства атомов приобретают особое значение. Так, атомная масса определяет плотность и теплоемкость твердых тел, а структура электронных оболочек влияет на характер межатомного взаимодействия и прочность межатомных связей.

Атомы металлов содержат на внешнем энергетическом уровне небольшое количество электронов, поэтому они, имея слабую связь с ядром, способны легко отделяться от атомов и находиться в относительно свободном состоянии. При взаимодействии атомов металлов происходит обобществление валентных электронов в объеме всего кристалла. Подвижность множества валентных электронов («электронного газа», «электронного облака») определяет такие свойства металлов, как высокая электропроводность и теплопроводность, блеск, непрозрачность. Чем больше плотность «электронного газа», тем сильнее межатомная связь. Для большинства случаев (табл. 1) с увеличением энергии связи E_св растут температура плавления t_пл, модуль упругости Е_упр, энергия активации самодиффузии Q_диф; коэффициент линейного расширения , наоборот, уменьшается. Исключения: аномально завышен модуль упругости у бериллия, что позволяет использовать его сплавы как материалы повышенной жесткости; титан и цирконий имеют заниженные значения модуля упругости и энергии активации самодиффузии. Последнее объясняет их пониженную жаропрочность.

Ненаправленность металлической связи, когда каждый атом стремится притянуть к себе как можно больше соседних атомов, определяет большую компактность кристаллических структур металлов. В наиболее плотноупако-ванных кристаллах (ГПУ и ГЦК) каждый атом может иметь 12 соседей (координационное число К12). В решетке объемноцентрированного куба для каждого атома число ближайших равноудаленных элементарных частиц равно 8 (К8). Благодаря образованию плотноупакованных структур металличес-кие кристаллы более пластичны и менее тверды, чем ковалентные кристаллы.

Таблица 1

Энергия межатомной связи и свойства металлов

Металл	Есв, кДжгатом	tпл, С	106, С -1, (25…100 С)	Еупр , ГПа	Qдиф, кДжгатом	, гсм3, (25 С)
Магний Алюминий Медь Бериллий Железо Титан Цирконий Хром Ванадий Ниобий Молибден Тантал Вольфрам	151 232 340 - 396 419 460 - - - 670 - 880	650 660 1083 1284 1539 1665 1852 1875 1919 2468 2625 3000 3410	26 24 16 12 12 9,9 9,6 6,2 8,7 7,2 5,1 6,5 4,4	45 71 121 310 214 112 70 280 135 124 334 185 420	134 142 197 160 250 122 92 310 398 398 424 460 500	1,7 2,7 8,9 1,8 7,8 4,5 6,5 7,1 6,1 8,6 10,2 16,6 19,3

Около тридцати металлов (Fe, Ti, Sn, Co и др.) обладают температурным полиморфизмом. Полиморфизм технических материалов имеет крайне важное значение для их обработки и эксплуатации. Например, термообработка сталей основана на стабилизации ГЦК структуры железа при высокой температуре с переходом ее в ОЦК структуру во время охлаждения.

Пример. Описать аллотропические превращения в железе. Построить кривую охлаждения для железа в интервале температур 1600…20 С.

Решение. Аллотропией, или полиморфизмом, называют способность металла в твер-дом состоянии иметь различные кристаллические формы. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую сопровождается поглощением тепла (при нагреве) или выделением тепла (при охлаждении), поэтому в чистых металлах такие превращения происходят при постоянной темпера-туре. Например, железо в интервале температур 911…1392 С имеет гране-центрированную кубическую решетку ГЦК  -железо; при температурах до 911 С и от 1392 до 1539 С железо имеет решетку ОЦК  -железо: