Агрегатные состояния металлов и сплавов

Обновлено: 23.01.2025

Что такое металл? М. В. Ломоносов в своем труде «Первые основания металлургии или рудных дел» дал металлам такое определение: «Металлы суть ковкие блестящие тела». Позже, объясняя понятие « металлы », стали называть и другие металлические свойства. В энциклопедическом словаре Мейера о металлах говорится следующее: «Элементы, которые являются хорошими проводниками тепла и электричества, обладают характерным сильным блеском, непрозрачны (в не слишком тонком слое) и образуют с кислородом соединения преимущественно основного типа».

Металлы в твердом состоянии обладают рядом характерных свойств:

· высокой тепло- и электропроводностью;

· положительным температурным коэффициентом электросопротивления (с повышением температуры электросопротивление чистых метал-

лов возрастает; большое число металлов обладает сверхпроводимостью – у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электросопротивление падает скачкообразно практически до нуля);

· термоэлектронной эмиссией, т. е. способностью испускать электроны при нагреве;

· хорошей отражательной способностью (металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском);

· повышенной способностью к пластической деформации.

Эти свойства металлов обусловлены их электронным строением. Металлическое состояние возникает в комплексе атомов, если при их сближении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими, т. е. коллективизируются и свободно перемещаются по определенным энергетическим уровням между положительно заряженными и периодически расположенными в пространстве ионами. Устойчивость металла, представляющего собой ионно-электронную систему, определяется электрическим взаимодействием между положительно заряженными -ио нами и коллективизированными электронами. Такое взаимодействие между ионным скелетом и электронным газом получило название металличе-

Сила связи в металлах определяется соотношением между силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстояния один от другого, чтобы энергия взаимодействия была минимальной. Этому положению соответствует равновесное расстояние d 0 (рис. 1.1).

Сближение атомов (ионов) на расстояние меньшее d 0 или удаление на расстояние больше d 0 , осуществимо лишь при совершении определенной работы против сил отталкивания или притяжения.

Рис. 1.1. Силы взаимодействия двух атомов

Каждый металл отличается от других строением и свойством, но по некоторым признакам их можно объединить в группы (рис. 1.2).

Рис.1.2. Классификация металлов периодической системы Д.И. Менделеева

Металлы делятся на две большие группы – черные и цветные. Черные металлы делятся на:

· железные – железо, кобальт, никель, марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали;

· тугоплавкие – титан, вольфрам, хром, молибден и др. – температура плавления выше, чем железа (выше 1539 °С). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов;

· урановые – актиний и актиноиды, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики;

· редкоземельные – лантан, церий, неодим и др., объединяемые под названием лантаноиды. Эти металлы обладают близкими химическими свойствами, но различными физическими (температура плавления и т. д.). Их применяют как присадки к сплавам др. элементов;

· щелочноземельные – литий, натрий, кальций и др., которые в свободном металлическом состоянии не применяются.

Цветные металлы подразделяются на:

· легкие – бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью;

· благородные – серебро, золото, металлы платиновой группы. Обладают высокой устойчивостью против коррозии;

· легкоплавкие металлы – цинк, олово, свинец и др.

1.2. Различные агрегатные состояния и кристаллическое

Все вещества в зависимости от температуры и давления могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

В чистых металлах при повышении температуры происходит изменение агрегатного состояния: при превышении температуры плавления твердое состояние сменяется жидким, при превышении температуры кипения жидкое состояние переходит в газообразное. Эти температуры перехода зависят от давления.

Температура плавления – особенно важная константа свойств металла – колеблется для различных металлов в весьма широких пределах: от минус 38,9 ° С для ртути, самого легкоплавкого металла, находящегося при комнатной температуре в жидком состоянии, до 3390 ° С – для самого тугоплавкого металла – вольфрама.

При постоянном давлении температуры плавления, плотность и некоторые теплофизические характеристики вполне определенны и для наиболее распространенных в технике металлов приведены в таблице 1.1.

В газообразном состоянии частицы вещества не связаны между собой молекулярными силами притяжения и хаотически движутся, заполняя весь возможный объем. При обычных давлениях и температурах среднее расстояние между молекулами в газах примерно в десять раз больше, чем в твердых телах и жидкостях. Поэтому газы имеют значительно меньшие

плотности, чем твердые тела и жидкости. При обычных температурах газы

– хорошие диэлектрики, так как их атомы и молекулы электрически нейтральны.

При нагреве газа до высоких температур происходит его ионизация: концентрация заряженных частиц увеличивается, причем объемные плотности положительных и отрицательных электрических зарядов заряженных частиц становятся практически одинаковыми. Термически ионизированный газ отличается от обычного газа рядом особенностей, позволяющих считать его четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) состоянием вещества – плазмой. В технике широкое применение получила «холодная» или низкотемпературная плазма ( ~ 10 3 –10 4 К).

Плотность, теплоемкость, температура плавления и теплота плавления некоторых металлов

В жидкостях среднее расстояние между молекулами сравнимо с размерами самих молекул ( ~ 10 Нм = 10 –10 м), поэтому силы межмолекулярного взаимодействия весьма значительны. Подобно частицам твердого тела молекулы жидкости совершают тепловые колебания около некоторых положений равновесия. Однако если в твердых телах эти положения равновесия неизменны (т. е. имеет место дальний порядок), то в жидкостях

они время от времени изменяются: по истечении некоторого времени молекула жидкости перескакивает в новое положение равновесия, перемещаясь на расстояние, сравнимое с расстоянием между молекулами.

Эти перемещения молекул жидкости обусловливают ее текучесть. Таким образом, несмотря на то, что в жидкостях не соблюдается дальний порядок, как у твердых тел, для них имеет место «ближний порядок»: в среднем для каждой молекулы жидкости число ближайших соседей и их взаимное расположение одинаковы.

В твердом состоянии физические тела характеризуются стабильностью формы. При изменении формы в твердых телах возникают упругие силы, препятствующие этому изменению. В твердых телах элементарные частицы (атомы, молекулы или ионы) совершают малые тепловые колебания около некоторых фиксированных положений равновесия, т. е. имеет место «дальний порядок», вследствие которого элементарные частицы твердого тела могут располагаться по узлам кристаллических решеток.

Правильное регулярное расположение атомов в твердом теле, характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях, образует кристаллическую решетку , а тела, имеющие кристаллическую решетку, на-

зывают твердыми телами . Металлы являются телами кристаллическими .

Наиболее простой кристаллической решеткой у металлов является кубическая, имеющая две разновидности: кубическую объемноцентрирован-

ную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК ).

Рис. 1.3. Кристаллические решетки:

а) кубическая объемно–центрированная (ОЦК), б) кубическая гранецентрированная (ГЦК), в) гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

У обоих типов этих решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы находятся или в центре объема куба(1 атом на пересечении диагоналей в решетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (6 атомов в решетке ГЦК). Кристаллические решетки ОЦК имеют альфа-железо(Fe α ), хром, ванадий, вольфрам и другие металлы. Решетку ГЦК имеют гамма-железо(Fe γ ), алюминий, медь, никель и другие металлы.

Другой разновидностью кристаллических решеток у металлов является гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ). Ячейка этой решетки представляет собой шестигранную призму с центрированными основаниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. ГПУ решетку имеют магний, цинк, бериллий и другие металлы (рис. 1.3).

Плоскости, параллельные координатным плоскостям и находящиеся на расстоянии а, в, с, разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед называют элементарной ячейкой . Вершины параллелепипеда называют узлами пространственной решетки . Размер элементарной ячейки оценивают отрезками а, в, с . Их называют периодами решетки . Дополнительными характеристиками кристаллической решетки являются координационное число и коэффициент компактности.

Координационное число К – число ближайших равноудаленных частиц (атомов) от любого атома в кристаллической решетке(для ОЦК – К8, для ГЦК – К12). Коэффициент компактности – отношение объема всех частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки (для ОЦК – 0,68, для ГЦК – 0,74).

Упорядоченность расположения атомов в кристаллической решетке позволяет четко выделить кристаллографические направления и плоскости

(рис. 1.4). Кристаллографические направления – лучи, выходящие из ка-

кой-нибудь точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы.

Точками отсчета могут служить вершины куба, при этом кристаллографическими направлениями являются его ребра и диагонали грани.

Рис. 1.4.Основные кристаллографические направления и плоскости

Кристаллографические плоскости – плоскости, на которых лежат атомы, например, грани куба или его диагональной плоскости. Кристаллографические направления и плоскости принято обозначать индексами Миллера. Для определения индекса какого–либо направления следует найти координаты ближайшего к точке отсчета атома, лежащего на этом направлении, выраженные через параметр решетки.

Пример. Координаты ближайшего атома вдоль оси ох выразятся через 100. Этими цифрами принято обозначать индекс направления вдоль оси ох и параллельных ему направлениях [100]. Индексы направлений вдоль оси

оу и оz и параллельных им направлений выразятся соответственно через [010] и [001], а направления вдоль диагонали грани хоz , хоу, уоz и диагонали куба получат индексы соответственно [101], [110], [011], [111].

Для определения индекса кристаллографической плоскости следует вначале найти координаты ближайших точек ее пересечения с осями координат, проведенными из точки отсчета0. Затем обратные величины найденных координат следует записать в обычной последовательности в круглых скобках. Использование понятий о кристаллографических -на правлениях и плоскостях и об их индексах позволяет описывать различные явления, происходящие в кристаллических телах, а также особенности свойств кристаллических тел вдоль различных направлений и плоскостей.

Физические и прочностные свойства металлов вдоль различных кристаллографических направлений зависят от числа атомов, расположенных на этих направлениях. В действительности в кристаллической решетке на различных направлениях находится разное число атомов. Например, в кубических решетках (рис. 1.4) вдоль диагонали куба ОЦК решетки[111] или диагонали грани решетки ГЦК[110], [101], [011] размещается больше атомов, чем по направлениям вдоль ребер кубов [100], [010], [001].

Из этого следует, что в кристаллических веществах должна наблюдаться анизотропия, т. е. неодинаковость свойств вдоль различных кристаллографических направлениях.

Анизотропия – это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая в результате упорядоченного расположения атомов в пространстве. Анизотропия механических и других свойств наблюдается при испытании образцов, вырезанных вдоль различных кристаллографических направлений. Не всем свойствам кристаллических тел присуще явление анизотропии, так, например, теплоемкость, от направления не зависит.

Анизотропия проявляется только в пределах одного кристаллического зерна. Реальные металлы являются телами поликристаллическими, состоящими из огромного числа зерен, произвольно ориентированных друг к другу своими кристаллографическими направлениями и плоскостями.

В связи с этим, недостаток какого-либо свойства по одному из направлений приложения силы в одних зернах компенсируется избытком этого свойства по этому же направлению в других зернах. Поэтому реальные металлы являются изотропными телами, т. е. телами с примерно одинаковыми свойствами по всем направлениям.

Агрегатные состояния вещества

Материаловедение – это наука о различных материалах, широко используемых в настоящее время для производства разнообразных деталей, механизмов, приборов и конструкций, а также для иных целей. Успех эксплуатации вышеназванных изделий во многом зависит от качеств (свойств) используемых в них материалов. Кроме того, свойства материалов во многом определяют и саму возможность получения из их различных изделий.

Материаловедение своей основной задачей считает установление взаимосвязи между свойствами изучаемых материалов их химическим составом и структурой. Получаемые материаловедением знания составляют основу для научного прогнозирования и управления свойствами материалов. Они помогают совершенствовать уже известные материалы и разрабатывать принципиально новые, уникальные материалы. За счёт применения этих, более совершенных материалов могут быть повышены точность, надёжность и долговечность выпускаемых приборов, механизмов и конструкций, а также созданы принципиально новые изделия и устройства, отвечающие современным высоким требованиям.

Среди всех материалов, используемых в настоящее время, лидирующее положение по объёму производства и потребления занимают металлы и сплавы. Поэтому важнейшей составной частью материаловедения является металловедение – наука о металлах и сплавах.

1. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Агрегатные состояния вещества

Как известно, любое вещество может находиться в твёрдом, жидком и газообразном состоянии. Это зависит от температуры, давления, а также от того, как сильно взаимодействуют частицы вещества. Выражаясь точнее, реализация того или иного агрегатного состояния вещества определяется соотношением средней энергии движения его атомов или молекул (Е_кин) и средней энергии их взаимодействия (Е_пот). Если Е_кин >> Е_пот , вещество находиться в газообразном состоянии. При этом частицы вещества располагаются на относительно больших расстояниях друг от друга и практически не взаимодействуют, за исключением случайных столкновений, в которых они разлетаются подобно биллиардным шарам. Двигаясь почти свободно, частицы газа занимают весь предоставленный им объём, и этим объясняется самое общее свойство всех газов – их летучесть.

С понижением температуры уменьшается энергия движения частиц вещества, и всё заметнее начинают проявляться силы межатомного или межмолекулярного взаимодействия. Частицы при случайном столкновении уже не отскакивают друг от друга подобно биллиардным шарам, а как бы «прилипают» друг к другу. Это приводит к переходу вещества в более плотное, конденсированное состояние – сначала в жидкое, а затем и в твёрдое.

В жидком состоянии энергия движения частиц вещества сравнима с энергией их взаимодействия (Е_кин @ Е_пот). В результате связи между частицами оказываются неустойчивыми, легко нарушаемыми тепловым движением. Частицы часто меняют своих ближайших соседей, совершая так называемые перескоки с места на место, чем и объясняется текучесть жидкостей.

В твёрдом состоянии средняя энергия движения частиц вещества не превышает энергию межатомных или межмолекулярных связей (Е_кин < Е_пот). Перескоки частиц совершаются крайне редко, и вещество длительное время сохраняет свою форму, т.е. остаётся твёрдым.

С изменением температуры или давления изменяется соотношение между энергией движения частиц вещества и энергией их взаимодействия. Повышение температуры приводит к возрастанию Е_кин , а повышение давления – к возрастанию Е_пот , и наоборот. Следствием изменения соотношения энергий является переход вещества из одного агрегатного состояния в другое.

Как показывает опыт, чаще на практике находят применение материалы, находящиеся в твёрдом состоянии.

АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

Материаловедение изучает состав, структуру, свойства и поведение материалов в зависимости от воздействия окружающей среды. Воздействие бывает тепловым, электрическим, магнитным и т. д. Любой компонент конструкций или сооружений подвергается нагрузкам как со стороны других компонентов, так и со стороны внешней среды.

Материаловедение или наука о материалах получила свое развитие с древнейших времен. Первый этап развития материаловедения начинается со специализированного изготовления керамики. Особый вклад в становление материаловедения в России был сделан М.В. Ломоносовым (1711–1765) и
Д.И. Менделеевым (1834–1907). Ломоносов разработал курс по физической химии и химической атомистики, подтвердил теорию об атомно-молекулярном строении вещества. Менделееву принадлежит заслуга разработки периодической системы элементов. Оба ученых немалое внимание уделяли проблеме производства стекла.

В XIX в. вклад в развитие материаловедения внесли Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, Е.С. Федоров, В.А. Обручев, А.И. Ферсман, Н.Н. Белелюбский. Начинают производиться новые материалы: портландцемент, новые гипсы, цементные бетоны, полимерные материалы и т. д.

В машиностроении широкое применение получили металлы и сплавы металлов, именно поэтому металловедение является важной частью материаловедения.

Металловедение как наука возникло в России в XIX в, оно является научной основой для разработки новых оптимальных технологических процессов: термической обработки, литья, прокатки штамповки сварки. Сочетание высокой прочности и твердости с хорошей пластичностью, вязкостью и обрабатываемостью, не встречающееся у других материалов, явилось причиной использования металлов в качестве основного конструкционного материала во всех областях техники.

Впервые установил существование связи между строением стали и ее свойствами выдающийся русский ученый П.П. Аносов (1799–1851 гг.), раскрывший давно утраченный секрет изготовления и получения древними мастерами Востока булатной стали, которая идет для производства клинков. Булатная сталь Аносова славилась во всем мире и даже вывозилась за границу. Клинки, которые были изготовлены из этой стали, отличались высокой твердостью и вязкостью.
П.П. Аносов считается «зачинателем» производства высококачественной стали, он впервые применил микроскоп для определения строения стали и положил начало изучению закономерной связи между структурой и свойствами сплавов.

Основоположник научного металловедения Д.К. Чернов (1839–1921 гг.), который открыл в 1868 г. фазовые превращения в стали. Открытие Д.К. Черновым критических точек а и b (по современному обозначению А1 и A3) совершило революцию в познании природы металлических сплавов и позволило объяснить ряд «таинственных» явлений, которые происходят при термической обработке сталей.

Огромный вклад в развитие науки о металлах внесли Н.С. Курнаков, А.А. Байков, Н.Т. Гудцов, А.А. Бочнар, Г.В. Курдюмов, С.С. Штейиберг, А.П. Гуляев, а также другие советские ученые.

Большое значение в развитии металловедения и термической обработки имели работы Осмонда (Франция), Зейтца, Бейна и Мейла (США), Таммана и Ганемана (Германия).

В XX веке были достигнуты крупные достижения в теории и практике материаловедения, созданы высокопрочные материалы для инструментов, разработаны композиционные материалы, открыты и использованы свойства полупроводников, совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химико-термической обработкой.

Материаловедение – обширная область знаний, наука, которая, базируясь на основных положениях физики твёрдого тела, физической химии и электрохимии, исследует и направленно использует взаимосвязь структуры и свойств для улучшения свойств применяемых материалов или для создания новых материалов с заданными свойствами. Главное в материаловедении – это научно обоснованное предсказание поведения применяемых в технике материалов.

Материаловедение - научная дисциплина о структуре, свойствах и назначении материалов. Свойства технических материалов формируются в процессе их изготовления. При одинаковом химическом составе, но разной технологии изготовления, образуется разная структура, и вследствие - свойства.

Целью материаловедения является изучение закономерностей формирования структуры и свойств материалов методами их упрочнения для эффективного использования в технике.

Основная задача материаловедения - установить зависимость между составом, строением и свойствами, изучить термическую, химико-термическую обработку и другие способы упрочнения, сформировать знания о свойствах основных разновидностей материалов.

Началом развития материаловедения можно считать тот момент, когда человек впервые начал выбирать, что ему взять в руку - палку или камень, то есть зарождение материаловедения совпадает с началом каменного века. Следовательно материаловедение - это одна из старейших форм прикладной науки, прошедшая вместе с человечеством долгий путь от примитивной обработки камня и изготовления простейшей керамики и заканчивая современными сверхпопулярными нанотехнологиями. Долгое время металлургия и металловедение превалировали в материаловедении, то есть наука о материалах приравнивалась фактически к науке о металлах. Современное материаловедение также базируется на металловедении, однако помимо металлов и сплавов материаловедение изучает множество других разнообразных материалов как по назначению (пластики, полупроводники, биоматериалы), так и по составу (углеродные материалы, керамика, полимеры и т.д.).

Классификация материалов: металлические, неметаллические и композиционные материалы.

Металлические материалы подразделяются на цветные металлы, порошковые материалы.

Неметаллические материалы: резина, стекло, керамика, пластические массы, ситаллы.

Композиционные материалы являются составными материалами, в состав которых входят два и более материалов (стеклопластики).

Существует классификация материалов в зависимости от вида полуфабрикатов: листы, порошки, гранулы, волокна, профили и т. д.

Техника создания материалов положена в основу классификации по структуре.

Металлические материалы подразделяются на группы в соответствии с тем компонентом, который лежит в их основе. Материалы черной металлургии: сталь, чугуны, ферросплавы, сплавы, в которых основной компонент – железо. Материалы цветной металлургии: алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово.

Основу современной техники составляют металлы и металлические сплавы. Сегодня металлы являются самым универсальным по применению классом материалов. Для того чтобы повысить качество и надежность изделий, требуются новые материалы. Для решения этих проблем применяются композиционные, полимерные, порошковые материалы.

Металлы – вещества, которые обладают ковкостью, блеском, электропроводностью и теплопроводностью. В технике все металлические материалы называют металлами и делят на две группы.

Простые металлы – металлы, которые имеют небольшое количество примесей других металлов.

Сложные металлы – металлы, которые представляют сочетания простого металла как основы с другими элементами.

Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочно-земельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Цветные металлы имеют характерную окраску: красную, желтую, белую, об ладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Однако каждый металл отличается строением и свойствами от другого, и по некоторым признакам их можно объединить в группы. Такая классификация дана металловедом А.П. Гуляевым. Согласно его классификации, черная группа металлов в свою очередь подразделяется на:

1) железные – железо, кобальт, никель, марганец;

2) тугоплавкие, температура плавления которых выше, чем железа (1539 °С);

3) урановые, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики (торий, уран, плутоний);

4) редкоземельные (РЗМ) – лантан, церий, неодим, празеодим и др.;

5) щелочно-земельные, они в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением специальных случаев, например, в качестве теплоносителей в атомных реакторах (литий, натрий, калий, барий и др.).

Цветная группа металлов подразделяется на:

1) легкие – бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью;

2) благородные – серебро, золото, платина, палладий и др.;

3) легкоплавкие – цинк, ртуть, олово, свинец, сурьма и др.

Применение металлов и сплавов определяется их распространенностью в природе, а в историческом аспекте – развитием науки и техники (научно-технического прогресса в обществе).

Три четверти всех элементов в периодической системе являются металлами.

Сегодня промышленность использует наряду с чистыми металлами большой спектр различных конструкционных материалов. Условно их можно классифицировать на следующие виды:

1) чугуны – белый, ковкий, серый, высокопрочный и специальные;

2) стали – углеродистые, легированные;

3) цветные металлы и сплавы на их основе – дюралюминий, силумин, бронза, латунь;

4) порошковые материалы;

5) новые материалы – композиты, сплавы с памятью формы, аморфные, космические;

6) неметаллические – пластмассы, древесина, стекло, резина, краски, лаки, эмали, клеи.

Особую группу составляют триботехнические материалы. Эти материалы предназначены для применения в узлах трения с целью регулирования параметров трения и изнашивания для обеспечения заданных работоспособности и ресурса этих узлов. Основными видами таких материалов являются:

1) смазочные – смазки в твердой (графит, тальк), жидкой (моторные, трансмиссионные масла), газообразной (воздух, пары и другие газы) фазах;

2) антифрикционные – сплавы цветных металлов (баббиты, бронзы, латуни), серый чугун, пластмассы (текстолиты, фторопласты),

металлокерамические маиериалы (бронзографит, железографит), резины, древесно-слоистые пластики;

3) фрикционные, имеющие большой коэффициент трения и высокое сопротивление к изнашиванию (пластмассы, некоторые виды чугунов и металлокерамики, композиты).

Всякое вещество, в том числе и металл, может находиться в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. В чем же состоит различие меду газообразным, жидким и твердым состояниями? В газообразном состоянии не существует закономерности расположения атомов, молекул, они двигаются хаотично, отталкиваются одна от другой и газ стремится занять возможно больший объем.

В твердых телах порядок расположения атомов строго определенный, закономерный, силы взаимного притяжения и отталкивания уравновешены и твердое тело сохраняет свою форму. Такое расположение атомов в пространстве характеризует кристаллическое состояние. Кристаллическое строение характеризуется дальним порядком в расположении атомов. Кристаллическое состояние и твердое состояние – это слова-синонимы. Однако это относится только к металлам, так как твердое вещество, например, кварцевое стекло имеет аморфное строение, где атомы расположены беспорядочно.

В жидкости части (атомы, молекулы) сохраняют лишь так называемый ближний порядок, т.е. в пространстве закономерно расположено небольшое количество атомов, а не атомы всего объема, как в твердом теле. Ближний порядок неустойчив: он то возникает, то исчезает под действием тепловых колебаний. Таким образом, жидкое состояние – как бы промежуточное между твердым и газообразным.

При рассмотрении изломов металлов видно, что все они имеют кристаллическое строение и состоят из множества зерен. Тонкие линии (узоры) на поверхности микрошлифа представляют собой границы между зернами, из которых состоит металл.

Однако внешняя форма зерен не имеет характерных очертаний кристаллов, так как металлы представляют собой поликристаллическое строение. Это хорошо видно на структуре чистого железа, где зерна имеют самую разнообразную форму .

Основным признаком, по которому тело считают кристаллическим, является не внешняя форма, а его внутреннее строение. Кристаллическое строение металлов характеризуется определенным, закономерным расположением атомов в пространстве, образующим кристаллическую решетку. Элементарную кристаллическую (простую кубическую) ячейку можно представить в кристаллографической плоскости и в виде кубической решетки.

Атомы расположены равномерно во всех трех направлениях Для большинства металлов наиболее характерны три типа кристаллических решеток: кубическая объемноцентрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная с плотной упаковкой атомов. Кубическую объемноцентрированную решетку имеют хром, молибден, вольфрам, титан, ниобий; кубическую гранецентрированную – алюминий, медь, никель, серебро, свинец и др.; гексагональная решетка характерна для магния, цинка, гафния, осмия.

Расстояние между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называется периодом решетки или ее параметром.

Кроме периода решетки кристаллы характеризуются координационным числом, коэффициентом компактности решетки и базисом.

Координационное число показывает, сколько ближайших равноудаленных соседних атомов окружают ближайший атом в кристалле.

Оно характеризует плотность упаковки атомов в кристалле. Коэффициент компактности показывает отношение объема, занятого атомами, ко всему объему решетки. Количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку, называется базисом решетки. Базис показывает сложность решетки.

1.2. Различные агрегатные состояния и кристаллическое строение металлов

Температура плавления – особенно важная константа свойств металла – колеблется для различных металлов в весьма широких пределах: от минус 38,9 для ртути, самого легкоплавкого металла, находящегося при комнатной температуре в жидком состоянии, до 3390 - для самого тугоплавкого металла – вольфрама.

В газообразном состоянии частицы вещества не связаны между собой молекулярными силами притяжения и хаотически движутся, заполняя весь возможный объем. При обычных давлениях и температурах среднее расстояние между молекулами в газах примерно в 10 раз больше, чем в твердых телах и жидкостях. Поэтому газы имеют значительно меньшие плотности, чем твердые тела и жидкости. При обычных температурах газы – хорошие диэлектрики, так как их атомы и молекулы электрически нейтральны.

Жидкости представляют собой вещества в конденсированном агрегатном состоянии, промежуточном между твердым и газообразном. Жидкости подобно твердым телам обладают малой сжимаемостью и большой плотностью, но в то же время подобно газам не обладают упругостью формы и легко текут. В жидкостях среднее расстояние между молекулами сравнимо с размерами самих молекул (10 Нм = 10 -10 м) и силы межмолекулярного взаимодействия весьма значительны. Подобно частицам твердого тела молекулы жидкости совершают тепловые колебания около некоторых положений равновесия. Однако, если в твердых телах эти положения равновесия неизменны (т.е. имеет место дальний порядок), то в жидкостях они время от времени изменяются: по истечении некоторого времени молекула жидкости перескакивает в новое положение равновесия, перемещаясь на расстояние, сравнимое с расстоянием между молекулами. Эти перемещения молекул жидкости обусловливают ее текучесть. Таким образом, несмотря на то, что в жидкостях не соблюдается дальний порядок, как у твердых тел, для них имеет место «ближний порядок»: в среднем для каждой молекулы жидкости число ближайших соседей и их взаимное расположение одинаковы.

В твердом состоянии физические тела характеризуются стабильностью формы. При изменении формы в твердых телах возникают упругие силы, препятствующие этому изменению. В твердых телах элементарные частицы (атомы, молекулы или ионы) совершают малые тепловые колебания около некоторых фиксированных положений равновесия, т.е. имеет место «дальний порядок», вследствие которого элементарные частицы твердого тела могут располагаться по узлам кристаллических решеток.

Правильное регулярное расположение атомов в твердом теле, характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях, образует кристаллическую решетку, а тела, имеющие кристаллическую решетку, называют твердыми телами. Металлы являются телами кристаллическими.

Наиболее простой кристаллической решеткой у металлов является кубическая, имеющая две разновидности: кубическую объемно-центрированную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК). У обоих типов этих решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы находятся или в центре объема куба (1 атом на пересечении диагоналей в решетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (6 атомов в решетке ГЦК). Кристаллические решетки ОЦК имеют альфа-железо, хром, ванадий, вольфрам и другие металлы. Решетку ГЦК имеют гамма-железо, алюминий, медь, никель и др. металлы. Другой разновидностью кристаллических решеток у металлов является гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ). Ячейка этой решетки представляет собой шестигранную призму с центрированными основаниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. ГПУ решетку имеют магний, цинк, бериллий и другие металлы (рис. 1.4).

Плоскости, параллельные координатным плоскостям, находящиеся на расстоянии а, в, с, разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед называют элементарной ячейкой. Вершины параллелепипеда называют узлами пространственной решетки. Размер элементарной ячейки оценивают отрезками а, в, с. Их называют периодами решетки. Дополнительными характеристиками кристаллической решетки являются координационное число и коэффициент компактности.

Рис. 1.4. Кристаллические решетки: а) кубическая объемно-центрированная (ОЦК), б) кубическая гранецентрированная (ГЦК), в) гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

Координационное число К – число ближайших равноудаленных частиц (атомов) от любого атома в кристаллической решетке (для ОЦК – К8, для ГЦК – К12). Коэффициент компактности – отношение объема всех частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки (для ОЦК – 0,68, для ГЦК – 0,74).

Упорядоченность расположения атомов в кристаллической решетке позволяет четко выделить кристаллографические направления и плоскости (рис. 1.5). Кристаллографические направления – лучи, выходящие из какой-нибудь точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы.

Рис. 1.5.Основные кристаллографические направления и плоскости

Кристаллографические плоскости – плоскости, на которых лежат атомы, например, грани куба или его диагональной плоскости. Кристаллографические направления и плоскости принято обозначать индексами Миллера. Для определения индекса какого-либо направления следует найти координаты ближайшего к точке отсчета атома, лежащего на этом направлении, выраженные через параметр решетки.

Пример. Координаты ближайшего атома вдоль оси ох выразятся через 100. Этими цифрами принято обозначать индекс направления вдоль оси ох и параллельных ему направлениях [100]. Индексы направлений вдоль оси оу и оz и параллельных им направлений выразятся соответственно через [010] и [001], а направления вдоль диагонали грани хоz, хоу, уоz и диагонали куба получат индексы соответственно [101], [110], [011], [111].

Для определения индекса кристаллографической плоскости следует вначале найти координаты ближайших точек ее пересечения с осями координат, проведенными из точки отсчета 0. Затем обратные величины найденных координат следует записать в обычной последовательности в круглых скобках. Использование понятий о кристаллографических направлениях и плоскостях и их индексах позволяет описывать различные явления, происходящие в кристаллических телах, а также особенности свойства кристаллических тел вдоль различных направлений и плоскостей.

Физические и прочностные свойства металлов вдоль различных кристаллографических направлений зависят от числа атомов, расположенных на этих направлениях. В действительности в кристаллической решетке на различных направлениях находится разное число атомов. Например, в кубических решетках (рис. 1.5) вдоль диагонали куба ОЦК решетки [111] или диагонали грани решетки ГЦК [110], [101], [011] размещается больше атомов, чем по направлениям вдоль ребер кубов [100], [010], [001].

Из этого следует, что в кристаллических веществах должна наблюдаться анизотропия, т.е. неодинаковость свойств вдоль различных кристаллографических направлениях.

Анизотропия – это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая в результате упорядоченного расположения атомов в пространстве. Анизотропия механических и других свойств наблюдается при испытании образцов, вырезанных вдоль различных кристаллографических направлений. Не всем свойствам кристаллических тел присуще явление анизотропии, такое свойство, как теплоемкость, от направления не зависит. Анизотропия проявляется только в пределах одного кристаллического зерна. Реальные металлы являются телами поликристаллическими, состоящими из огромного числа зерен, произвольно ориентированных друг к другу своими кристаллографическими направлениями и плоскостями.

В связи с этим, недостаток какого-либо свойства по одному из направлений приложения силы в одних зернах компенсируется избытком этого свойства по этому же направлению в других зернах. Поэтому реальные металлы являются изотропными телами, т.е. телами с примерно одинаковыми свойствами по всем направлениям.

Вопрос 1 Агрегатные состояние вещества и их характеристика

Металл может находится в 3 агрегатных состояниях- жидком, твердом и газообразном. В газообразном состоянии не существует закономерности расположения атомов, молекул, они двигаются хаотично. В твердых телах порядок расположения атомов строго определенный, закономерный, силы взаимного притяжения и отталкивания уравновешаны, твердое тело сохраняет свою форму. Такое расположение атомов характеризует кристаллическое состояние. Кристаллическое строение характеризуется дальним порядком в расположении атомов. В жидкости атомы сохраняют лишь ближний порядок, в пространстве закономерно расположено небольшое количество атомов, а не атомы всего объема. Ближний порядок неустойчив, он то возникает то исчезает.

Вопрос 2 Виды оборудования для термической обработки и контрольно-измерительные приборы.

Для нагрева изделий при термической обработке применяют печи и ванны. По источнику тепла различают печи электрические и пламенные, по принципу действия- периодического и непрерывного действия. Печи периодического действия разделяют на: камерные, шахтные и печи-ванны .В зависимости от среды в рабочем пространстве различают термические печи с воздушной или атмосферной защитой, а также с закрытым рабочим пространством, к которым относят вакуумные и муфельные печи. Печи с соляными и свинцовыми ваннами нагревают током. В свинце детали могут нагреться до 330-850градусов, в соляных расплавах- 150-1350градусов. Эти печи имеют преимущества: быстрота нагрева, отсутствие окисления, точность регулирования температуры. Для измерения применяют ртутные термометры до 600 градусов, а для более высоких температур оптические пирометры и термоэлектрические термопары.

Вопрос 1 Строение металлов, основные виды кристаллических решеток и единицы измерения их параметров.

Металл состоит из кристаллической решетки, основным признаком, по которому лето считают кристаллическим, является внутреннее строение. Кристаллическое строение металлов характеризуется определенным, закономерным расположением атомов в пространстве, образующим кристаллическую решетку.

Для большинства металлов наиболее характерны 3 типа кристаллических решеток: кубическая объемноцентрированная, кубическая гранецентрированная и гексоганальная с плотной упаковкой атомов. Кубическую объемноцентрированную имеют:хром, титан, вольфрам, молибден. Кубическую гранецентрированную: медь, аллюминий, никель, свинец. Гексагональная характерна для магния, цинка, осмия. Расстояние между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называется периодом решетки или параметром. Для измерения параметров решетки пользуются специальной единицей, называемой ангстремом (А). 1А=10 в минус 10 степени. Используются аткже другие измерения, такие как нанометры, 1нм=10 в минус 9 степени. Параметр кубических решеток колеблется в пределах 0,286/0,607нм, гексагональной 0,228/0,398нм, и 0,357/0,652нм. Кристаллы характеризуются координационным числом. Координационное число показывает, сколько ближайших равноудаленных соседних атомов в кристалле.

Читайте также: