Часть 1. Металловедение

1. Кристаллическое строение металлов

Все твердые вещества по взаимному расположению атомов делятся на аморфные и кристаллические.

Аморфными называются твердые вещества, у которых атомы расположены беспорядочно. Например, смола, клей, стекло.

Кристаллическими называются твердые вещества, состоящие из большого числа кристаллов, атомы которых расположены в строго определенном порядке, по прямым линиям и плоскостям.

Все металлы и металлические сплавы являются кристаллическими телами. Атомы в них расположены закономерно и периодически. И все металлы и их сплавы имеют общие характерные свойства, которые отличают их от других веществ и обусловлены особенностями внутриатомного строения:

- высокая тепло- и электропроводность,

- пластичность,

- специфический металлический блеск,

- непрозрачность.

Кристалл состоит из атомов, расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется. Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием кристаллическая решетка.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную систему, в узлах которой расположены атомы, образующие кристалл. Если мысленно соединить атомы друг с другом прямыми линиями, то и получим кристаллическую решетку.

В такой решетке можно выделить элементарный объем, который фактически повторяется во всем объеме кристалла. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла получил название – элементарная кристаллическая ячейка. То есть пространственная кристаллическая решетка состоит из множества элементарных кристаллических ячеек.

Таким образом, металл состоит из множества кристаллов, кристалл – из атомов, атомы расположены по прямым линиям и плоскостям и образуют кристаллическую решетку, которая в свою очередь состоит из кристаллических ячеек.

2. Виды кристаллических решеток

Элементарные кристаллические решетки могут иметь различную форму, но для металлов характерны лишь три из них: объемноцентрированная кубическая - ОЦК,

гранецентрированная кубическая - ГЦК,

гексагональная плотноупакованная - ГПУ.

1 . Объемноцентрированная кубическая решетка;

имеет вид правильного куба с расположением атомов в углах и на пересечении диагоналей в центре куба. Такую решетку имеют вольфрам, хром, ванадий, натрий.

2 . Гранецентрированная кубическая решетка;

атомы располагаются в углах куба и на пересечении диагоналей каждой грани. Такую решетку имеют алюминий, медь, никель марганец.

3 .Гексагональная плотноупакованная решетка;

имеет вид шестигранной призмы, атомы расположены в углах и центре шестигранного основания призмы и три атома в средней плоскости призмы. Такую решетку имеют графит, цинк, магний.

Любое кристаллическое тело можно представить построенным из элементарных кристаллических ячеек в результате многократного повторения. Атомы в кристаллической решетке колеблются возле точек равновесия, и только при значительном повышении температуры можно сорвать атомы со своих мест и обеспечить переход на другое место.

Железо и другие металлы могут иметь два и более устойчивых типа решеток, существующих при разных температурах. Такое явление называется аллотропией – это способность одного и того же металла менять тип кристаллической решетки при различной температуре.

Свойства твердых веществ зависят от расстояний между атомами, а расстояния эти в кристаллах по разным направлениям различны, то есть различна плотность атомов. Поэтому свойства кристаллов, измеренные в разных направлениях, различны. Такое явление называется анизотропией – это неоднородность свойств в различных направлениях. Отсюда и разные физические, химические, механические свойства.