Что такое структура металла
Металлы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.
Большая часть металлов присутствует в природе в виде руд и соединений. Они образуют оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические соединения. Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят легирование и другую обработку металлов. Изучением этого занимается наука металлургия. Металлургия различает руды чёрных металлов (на основе железа) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 элементов).
Все металлы и сплавы подразделяются на две группы: черные металлы и цветные.
Черные металлы представляют собой сплав железа с небольшим количеством углерода. Наряду с углеродом черные металлы могут содержать кремний, марганец, фосфор, серу и другие химические элементы, попадающие в металлы из руд или добавляемые в них в процессе плавки. Для улучшения качества или придания специфических свойств в состав черных металлов вводят легирующие добавки — медь, никель, хром, кремний.
В зависимости от содержания углерода черные металлы подразделяются на чугуны и стали.
В сталях содержится до 2% углерода, а в чугунах содержится от 2 до 6,7% углерода.
Цветные металлы представляют собой сплавы на основе алюминия, магния, меди, никеля, хрома, цинка, олова, свинца.
Металлы состоят из зерен, тесно прилегающих друг к другу. Эти зерна можно заметить на свежем изломе металлического стержня невооруженным глазом. Более четко структура металла видна под микроскопом при сильном увеличении.
В зависимости от химического состава структурные составляющие железоуглеродистых сплавов носят следующие наименования:
- аустенит — твердый раствор углерода в гамма-железе (гамма-железо — одна из форм кристаллов чистого железа); предельная концентрация углерода в аустените 1,7%; аустенит немагнитен, характеризуется большой вязкостью, хорошей сопротивляемостью истиранию и химической стойкостью;
- феррит — технически чистое железо, которое характеризуется малой твердостью, небольшой прочностью и высокой пластичностью; феррит магнитен; свойства феррита в значительной степени зависят от размера его зерна; в структуре стали феррит располагается в виде отдельных светлых зерен, перемежающихся с темными участками перлита, или в виде светлых окаймлений вокруг зёрен перлита;
- цементит — химическое соединение железа с углеродом; обладает высокой твердостью, но в, то, же время хрупок; форма цементита в стали оказывает влияние на ее механические свойства, особенно на ударную вязкость;
- перлит — смесь цементита и феррита; содержание углерода в перлите 0,83 %', чем мельче зерна перлита в металле, тем выше его механические свойства.
Химический состав и структура металла предопределяет его физические и механические свойства: прочность, твердость, плотность. Механические свойства в значительной степени позволяют определить, насколько хорошо будет работать деталь в эксплуатационных условиях.
Строение и структура металлов
Металлы относятся к твердым телам кристаллического строения.
Твердое тело —это агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и объема.По своему внутреннему строению твердые тела разделяются на кристаллические и аморфные.
Кристаллы - это твёрдые тела, частицы которых располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры.
Точнее, частицы колеблются около определенных положений равновесия. Если их мысленно соединить прямыми линиями, то получается своего рода «скелет» кристалла. Такое изображение кристалла называется кристаллической решеткой.
Теоретически доказано, что всего может существовать 230 различных пространственных кристаллических структур.
Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно.
Рис. 7.1. Виды кристаллического строения металлов
На рис. 7.1. приведены примеры простых кристаллических решеток: 1 – простая кубическая решетка; 2 – гранецентрированная кубическая решетка; 3 – объемно-центрированная кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка.
Металлы имеют относительно сложные типы кубических решеток - объемно центрированная (ОЦК) и гранецентрированная (ГЦК) кубические решетки.
Рис. 7.2. Объемно-центрированная кристаллическая решетка
Основу ОЦК-решетки составляет элементарная кубическая ячейка (рис.7.2.), в которой положительно заряженные ионы металла находятся в вершинах куба, и еще один атом в центре его объема, т. е. на пересечении его диагоналей. Такой тип решетки в определенных диапазонах температур имеют железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. металлы.
Рис.7.3. Гранецентрированная кристаллическая решетка
В гранецентрированной кристаллической решетке (ГЦК-решетки) (рис.7.3) элементарной ячейкой служит куб с центрированными гранями. Подобную решетку имеют железо, алюминий, медь, никель, свинец и др. металлы.
Рис.7.4. Гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка
Третьей распространенной разновидностью плотноупакованных решеток является гексагональная плотноупакованная (ГПУ, рис.7.4). ГПУ-ячейка состоит из отстоящих друг от друга на параметр с параллельных центрированных гексагональных оснований. Три иона (атома) находятся на средней плоскости между основаниями.
В гексагональных решетках отношение параметра с/а всегда больше единицы. Такую решетку имеют магний, цинк, кадмий, бериллий, титан и др.
Компактность кристаллической решетки или степень заполненности ее объема атомами является важной характеристикой. Она определяется такими показателями, как параметр решетки, число атомов в каждой элементарной ячейке, координационное число и плотность упаковки.
Параметр решетки – это расстояние между атомами по ребру элементарной ячейки. Параметры решетки измеряются в нанометрах (1 нм = 10 -9 м = 10 Å). Параметры кубических решеток характеризуются длиной ребра куба и обозначаются буквой а.
Для характеристики гексагональной решетки принимают два параметра – сторону шестигранника а и высоту призмы с. Когда отношение с/а = 1,633, то атомы упакованы наиболее плотно, и решетка называется гексагональной плотноупакованной (рис. 7.4). Некоторые металлы имеют гексагональную решетку с менее плотной упаковкой атомов (с/а > 1,633). Например, для цинка с/а = 1,86, для кадмия с/а = 1,88.
Параметры кристаллических решеток металлов могут быть измерены с помощью рентгеноструктурного анализа.
При подсчете числа атомов в каждой элементарной ячейке следует иметь в виду, что каждый атом входит одновременно в несколько ячеек. Например, для ГЦК-решетки, каждый атом, находящийся в вершине куба, принадлежит 8 ячейкам, а атом, центрирующий грань, двум. И лишь атом, находящийся в центре куба, полностью принадлежит данной ячейке.
Таким образом, ОЦК - и ГЦК-ячейки содержат соответственно 2 и 4 атома.
Под координационным числом понимается количество ближайших соседей данного атома.
Структура (строение металла)
Структура (строение металла) Структура металла, строение металла (сплава). С. можно наблюдать невооруженным глазом или при небольших увеличениях (см. Макроструктура ) , чтобы установить присутствие и распределение по объёму изделия раковин, пор, неметаллических включений и т.п. дефектов металлов , а также расположение и форму крупных зёрен (рис.). С помощью светового и электронного микроскопов изучают микроструктуру , характеризуемую размерами, формой и взаимным расположением кристаллитов (зёрен) разных фаз, а также их относительным количеством (см. Структурная составляющая ) . Ещё более тонкие детали строения металла, определяемые расположением дислокаций и их скоплений, а также субграниц внутри зёрен (см. Субструктура ) , наблюдают с помощью электронной и рентгеновской дифракционной микроскопии. Иногда под С. понимают строение кристаллической решётки металла или фаз сплава. См. также Металлография .
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .
Смотреть что такое "Структура (строение металла)" в других словарях:
Структура металла — – строение металла, сплава. Основные методы изучения структуры металла – световая и электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, а также изучение изломов и микрошлифов невооружённым глазом и с помощью лупы. [Новый… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Структура — [structure] собирательное название характеристик макро и микростроения вещества. В металловедении под структурой понимают особенности строения металлов и сплавов, характеризующих природу (состав), морфологию и расположение разных фаз, а также их… … Энциклопедический словарь по металлургии
Структура — I Структура (лат. structura строение, расположение) определённая взаимосвязь, взаиморасположение составных частей; строение, устройство чего либо. II Структура совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность … Большая советская энциклопедия
СТРУКТУРА — (1) определённое сочетание составных частей целого; строение, устройство чего либо; особенности машин, устройств, материалов, определяемые в первую очередь типом элементов, из которых они состоят, их количеством и порядком соединения между собой; … Большая политехническая энциклопедия
структура — ы, ж. structure f., нем. Structure <, лат. structura. Взаимное расположение и связь составных элементов чего л.; строение чего л. Структура металла. Зернистая структура почвы. БАС 1. Структура храма сего от внешния страны, сиречь архитектуры,… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
СТРУКТУРА — СТРУКТУРА, структуры, жен. (лат. structura). То же, что строение в 3 знач. Структура металла. Структура гранита. Структура административного управления. Организационная структура. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
структура — ы, ж. 1) (чего или какая) Строение вещества, обусловленное способами сочетания, связями зерен, атомов и т. п. Структура почвы. Структура металла. Древесная структура. Кристаллическая структура. Известняк, например, и мрамор имеют одинаковый… … Популярный словарь русского языка
структура — ы; ж. [лат. structura] 1. чего. Взаиморасположение и связь частей, составляющих что л. целое; устройство, строение чего л. С. металла. С. почвы. С. языка. Различная с. сходных явлений. Исследовать структуру вещества. Нарушения в структуре чего л … Энциклопедический словарь
структура — ы; ж. (лат. structura) см. тж. структурный 1) чего Взаиморасположение и связь частей, составляющих что л. целое; устройство, строение чего л. Структу/ра металла. Структу/ра почвы. Структу/ра языка … Словарь многих выражений
АТОМА СТРОЕНИЕ — раздел физики, изучающий внутреннее устройство атомов. Атомы, первоначально считавшиеся неделимыми, представляют собой сложные системы. Они имеют массивное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого в пустом пространстве движутся… … Энциклопедия Кольера
СТРУКТУРА МЕТАЛЛА
СТРУКТУРА МЕТАЛЛА - собирательное название характеристик макроструктуры, микроструктуры, субструктуры и строения кристаллической решетки. Основные методы изучения структуры металла - световая и электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, а также изучение изломов и макрошлифов невооруженным глазом и с помощью лупы.
Металлургический словарь . 2003 .
Смотреть что такое "СТРУКТУРА МЕТАЛЛА" в других словарях:
структура металла — metalo struktūra statusas T sritis chemija apibrėžtis Metalo mikrostruktūros, makrostruktūros, postruktūrio ir kristalinės gardelės struktūros bendras pavadinimas. atitikmenys: angl. metal structure rus. структура металла … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
структура металла — metalo sandara statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. metal structure vok. Metallgefüge, n; Metallstruktur, f rus. структура металла, f pranc. structure du métal, f … Fizikos terminų žodynas
СТРУКТУРА МЕТАЛЛА — собирательное назв. хар к макроструктуры, микроструктуры, субструктуры и строения кристаллической решётки. Осн. методы изучения С. м. световая и электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, а также изучение изломов и макрошлифов невооруж … Большой энциклопедический политехнический словарь
аустенитная структура (металла) — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN austenitic structure … Справочник технического переводчика
Структура (строение металла) — Структура металла, строение металла (сплава). С. можно наблюдать невооруженным глазом или при небольших увеличениях (см. Макроструктура), чтобы установить присутствие и распределение по объёму изделия раковин, пор, неметаллических включений и т.п … Большая советская энциклопедия
собирательное назв. хар-к макроструктуры, микроструктуры, субструктуры и строения кристаллической решётки. Осн. методы изучения С. м. - световая и электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, а также изучение изломов и макрошлифов невооруж. глазом и с помощью лупы.
Большой энциклопедический политехнический словарь . 2004 .
СТРУКТУРА МЕТАЛЛА — собирательное название характеристик макроструктуры, микроструктуры, субструктуры и строения кристаллической решетки. Основные методы изучения структуры металла световая и электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, а также изучение… … Металлургический словарь
Строение металлов и сплавов, их кристаллизация
Внутренним строением металлов называется строение и взаимное расположение их атомов, а также более крупная структура, видимая в микроскоп или невооруженным глазом.
Металлы по внутреннему строению представляют собой совокупность нейтральных атомов, положительно или отрицательно заряженных ионов и свободных электронов, образующих так называемый «электронный газ». Наличие «электронного газа» обусловливает высокую электро- и теплопроводность металлов, а взаимосвязь свободных электронов между собой и с ионами создает прочную связь, называемую металлической. Специфика металлической связи делает металлы пластичными (ковкими).
Кроме природы атомов на свойства металлов влияют характер связи между атомами, расстояние между ними и порядок их расположения.
Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, т.е. их атомы (ионы) расположены в строгом, периодически повторяющемся порядке, образуя в пространстве атомно-кристаллическую решетку (в противоположность аморфным твердым телам, атомы которых расположены в пространстве хаотично).
Порядок расположения атомов у различных металлов неодинаков. Обычно он определяется простыми характерными для большинства металлов (рис. 6) или сложными кристаллическими решетками. Линии на рис. 6 условные Атомы в действительности колеблются возле положений равновесия, т. е. в узлах кристаллической решетки. Расстояние между атомами в кристаллической решетке измеряется в ангстремах (1 Å=10 -9 нм). У большинства металлов расстояние между атомами находится в пределах 0,28—0,8 нм.
Рис 6. Порядок расположения атомов в простых решеткаха — объемная центрированной кубической (9 атомов), б — гранецентрированной кубической (14 атомов), в — гексагональной плотноупакованной (17 атомов)
Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, называется элементарной кристаллической ячейкой.
Получаемые обычным способом металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из множества элементарных ячеек, ориентированных относительно друг друга самым различным образом. Ячейки имеют неправильную форму и называются кристаллитами, или зернами. Если сочетание элементарных ячеек правильное, по расположению атомов повторяющее элементарную ячейку, то образовавшееся тело называется монокристаллом.
Металлические сплавы, как и металлы, имеют кристаллическое строение. При этом в зависимости от взаимодействия компонентов они подразделяются на твердые растворы, химические соединения и механические смеси.
Твердые растворы образуются тогда, когда при сплавлении атомы одного элемента в разных количествах входят в кристаллическую решетку другого элемента, не изменяя в значительной мере ее формы. Элемент, сохранивший форму своей решетки, называется растворителем, а элемент, атомы которого вошли в эту решетку,— растворенным. По размещению атомов растворенного элемента в решетке растворителя различают твердые растворы замещения (атомы растворенного элемента располагаются в узлах решетки растворителя) и твердые растворы внедрения (атомы растворенного элемента находятся между атомами растворителя и узлами его решетки).
Если входящие в состав твердого раствора замещения компоненты имеют близкое строение решеток и атомов, то такие элементы могут образовывать непрерывный ряд твердых растворов, т. е. количество замещенных атомов может изменяться от 0 до 100 %.
При этом считается, что растворителем является тот элемент, содержание которого в сплаве более 50 %.
Растворы внедрения образуются элементами, сильно отличающимися строением решетки и размерами атомов.
Твердые растворы являются гомогенными (однородными) сплавами, так как их структура представляет собой одинаковые по составу и свойствам зерна. Свойства твердых растворов в значительной степени могут отличаться от свойств входящих в него компонентов. Все металлы в той или иной степени могут растворяться один в другом, образуя твердые растворы.
Химические соединенияобразуются при химическом взаимодействии атомов компонентов сплава, сопровождающемся значительным тепловым эффектом. При этом кристаллическая решетка химического соединения и все его свойства могут резко отличаться от решетки и свойств компонентов. В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов. Типичными примерами химических соединений являются соединения магния с оловом, свинцом, сурьмой, висмутом, серой, селеном, теллуром и др. По своей структуре они гомогенны.
Химические соединения металлов называются интерметаллическими (интерметаллидами), а соединения металлов с неметаллами (нитридами, гидридами, боридами, карбидами), обладающие металлической связью, — металлическими соединениями.
Механические смесиобразуются тогда, когда при затвердении расплава атомы его компонентов не перемешиваются, а кристаллизуются в характерную каждому решетку. Структура таких сплавов гетерогенна (неоднородна) и представляет собой смесь кристаллов компонентов сплава, сохранивших свою структуру.
Рис. 7. Кривые охлаждения аморфного (а), кристаллического тела (б) и металлов (в), где tк tп — температура кристаллизации и переохлаждения, °C; (T1-T2) — время кристаллизации, с.
Строение кристаллического тела обусловливает следующие особенные их свойства по сравнению с аморфными:
§ различие свойств монокристаллов в различных направлениях, т. е. анизотропность, или векториальность, свойств;
§ наличие плоскостей скольжения, приложение внешних сил приводит к скольжению (сдвигу) одной плоскости относительно другой;
§ существование критической температуры при затвердевании или плавлении, при которой происходит переход из жидкого (расплавленного) состояния в твердое или наоборот.
Переход металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией, а из твердого в жидкое — плавлением. Если образование кристаллов происходит из жидкости при ее охлаждении, то этот процесс называется первичной кристаллизацией, если образование кристаллов идет в твердом состоянии тела, — вторичной кристаллизацией.
Процессы кристаллизации графически изображают кривыми, строящимися в координатах температура — время (рис. 7).
Явление переохлаждения в кристаллизующемся металле объясняется тем, что в период затвердевания происходит резкое снижение подвижности атомов, вследствие чего скачкообразно изменяется его внутренняя энергия. Это сопровождается выделением тепла, которое подогревает жидкую ванну и некоторое время (T1—Т2) удерживает ее температуру постоянной, пока жидкость полностью не закристаллизуется.
Степень переохлаждения тем больше, чем больше скорость охлаждения.
Русский ученый-металлург Д. К. Чернов в 1878 г. установил, что процесс кристаллизации состоит из нескольких стадий. Первая стадия — образование зародышей (центров) кристаллизации. На последующих стадиях из этих центров образуются дендриты (древовидные образования), которые, срастаясь, образуют зерна (кристаллиты). При этом они не имеют правильной геометрической формы, так как в местах соприкосновения растущих кристаллов рост граней прекращается.
Величина зерна металла — важнейшая характеристика, которая определяет все основные его свойства. Мелкозернистый металл имеет более высокие характеристики твердости, прочности, ударной вязкости, но у него пониженная электропроводность, хуже магнитные свойства.
Размер зерна зависит от количества центров кристаллизации и скорости роста кристаллов (скорости охлаждения). Чем больше центров кристаллизации и меньше скорость их роста, тем меньше будет зерно.
Образование центров кристаллизации может происходить самопроизвольно или на имеющихся в жидком металле частицах примесей, что используется при модифицировании — введении в жидкий металл примесей (модификаторов).
На образование центров кристаллизации, а следовательно, и величину зерна влияет степень переохлаждения tк—tп (см. рис. 7). Чем больше степень переохлаждения, тем больше центров кристаллизации и мельче образующееся зерно.
Читайте также: