СТРУКТУРА МЕТАЛІВ

Вивчивши матеріали цього розділу, учні знатимуть:

• стани, в яких може перебувати речовина;

• ознаки, за якими характеризуються метали у твердому стані;

• типи основних кристалічних решіток металів залежно від схеми розміщення атомів;

• поняття «анізотропії» і як вона впливає на властивості металу.

1. Відомо, що речовина при звичайних температурах і тиску може перебувати у твердому, рідкому і газоподібному станах. За певних умов - у плазмовому (частково або повністю іонізований газ) або надгустому станах.

2. Розрізняють тіла аморфні, в яких атоми розташовані хаотично, й тіла кристалічні, в яких атоми розташовуються в певному геометрично правильному порядку. Метали - тіла кристалічні.

3. Метали у твердому стані характеризуються такими ознаками: високою теплопровідністю і електропровідністю; позитивним коефіцієнтом електричного опору; термоелектронною емісією; високим альбедо (відбивною здатністю); підвищеною здатністю до пластичної деформації (ковкістю).

4. Найпоширенішим є використання металів та їх сплавів у твердому полікристалічному стані. Метали, якщо їх отримують звичайним способом, є полікриста-лічними тілами, які складаються з великої кількості дрібних кристалів, по-різному орієнтованих щодо один одного.

5. Основною ознакою, за якою тіло вважають кристалічним, є не зовнішня форма тіла, а його внутрішня будова. Кристалічне тіло у твердому стані характеризується певним закономірним розміщенням -має кристалічну решітку, що складається з ряду паралельних кристалографічних площин, розташованих на певній відстані одна від одної. У вузлах кристалічної решітки містяться атоми або позитивно заряджені іони.

6. Кожна кристалічна решітка складається з багатьох елементарних кристалічних комірок, які мають різну кількість атомів або іонів. Під елементарною кристалічною коміркою розуміють найменший комплекс атомів, який при багаторазовому повторенні в просторі дає змогу відтворити кристалічну решітку.

7. Для більшості чистих металів і їх сплавів найбільш характерними є три типи кристалічних решіток:

- кубічна об'ємноцентрована решітка (ОЦК), в елементарній комірці якої міститься дев'ять атомів (вісім у вершинах куба і один - у центрі). Такий тип решітки мають літій, натрій, калій, ванадій, молібден, вольфрам, ніобій, тантал, хром, титан (p-фаза) при температурі 885-1720 °С, а-залізо при температурі нижче ніж 910 °С і вище ніж 1401 °С тощо;

- кубічна гранецентрована решітка (ГЦК), в елементарній комірці якої розташовані 14 атомів (вісім - у вершинах і шість - на гранях куба). Таку решітку мають мідь, золото, срібло, алюміній, свинець, платина, нікель, кальцій, у-залізо при температурі 910-1401 °С тощо;

- гексагональна решітка зі щільним пакуванням атомів (ГПУ), в елементарній комірці якої містяться 17 атомів. Таку решітку мають магній, цинк, кадмій, титан (a-фаза) до 885 °С, телур, берилій гафній, осмій та ін.

8. Утворення кристалічної решітки атомами металів зумовлюється металічним зв'язком. Суть його полягає в тому, що, згідно з теорією металічного стану, у всіх або в деяких атомів із вузлів кристалічної решітки є окремі валентні електрони, розташовані на зовнішній електронній оболонці, які відриваються і вільно переміщуються між позитивно зарядженими іонами й атомами, що залишилися, утворюючи «електронний газ».

Ці електрони в умовах неперервного руху в кристалічній решітці одночасно притягуються до декількох позитивно заряджених іонів, що і забезпечує металічний зв'язок між ними.

9. Залежно від того, скільки атомів металу втрачають електрони, стаючи позитивно зарядженими іонами, загальна кількість вільних електронів може бути різною, що і зумовлює різні властивості в різних металах: тепло- і електропровідність, пластичність тощо.

10. Атоми металів перебувають у коливальному русі біля точок, які називають «вузлами» решітки. Чим вища температура, тим більша амплітуда цих коливань.

11. Елементарні кристалічні решітки заповнені атомами з різною щільністю, тобто мають різну компактність. Наприклад, в ОЦК-решітці один атом перебуває в центрі куба і у восьми вершинах розташовані вісім атомів, що одночасно належать восьми сусіднім елементарним коміркам. Отже, на кожну елементарну ОЦК-решітку припадає 1 + (1/8) -8 = 2 атоми. Цю кількість атомів для ОЦК-решітки називають базисною.

12. Решітка ГЦК має базисне число (1/8) • 8 + (1/2) • б = 4, а ГПУ- 6.

Щільність елементарної комірки в різних кристалічних решітках різна, тобто об'єм, який займають атоми, неоднаковий.

13. Щільність кристалічної решітки позначається координаційним числом К, яке вказує на кількість атомів, що розташовані на однаковій і найменшій відстані від певного атома; воно характеризує розподіл сил взаємного зв'язку між атомами.

14. Чим вище координаційне число, тим більша щільність пакування атомів. Якщо провести площини в решітках у певних напрямках, то в різних площинах виявиться різна кількість атомів. Неоднакова щільність атомів у різних напрямках викликає в них різні механічні й фізичні властивості кристала.

15. Різницю властивостей металів залежно від напрямку прикладення дії на зразок називають анізотропією, а самі метали - анізотропними тілами. Наприклад, якщо з монокристала заліза вирізати в різних напрямках кілька зразків, то залежно від напрямку вирізання модуль пружності цих зразків може змінюватися з 290 000 до 135 000 МПа.

16. Метали, які затверділи за звичайних умов, складаються з великої кількості по-різному орієнтованих кристаликів, тому властивості цих металів будуть приблизно однаковими за всіма напрямками, однак варто лише на заготовку якось подіяти (наприклад куванням, прокаткою або волочінням), як кристалики орієнтуються приблизно в напрямку дії і заготовка набуває анізотропних властивостей.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. У яких станах може перебувати речовина?

2. Чим відрізняються кристалічні тіла від аморфних?

3. Які ознаки мають метали?

4. Як ви розумієте словосполучення «полікристалічні тіла»?

5. За якими ознаками тіло вважають кристалічним?

6. Що таке елементарна кристалічна решітка?

7. Назвіть три характерні кристалічні решітки металів.

8. У чому полягає суть металевого зв'язку утворення кристалічної будови металів?

9. Чим зумовлені різні властивості металів?

10. Як амплітуда коливань атомів залежить від температури?

11. Як визначають кількість атомів, що припадають на одну елементарну решітку?

Д/з: ст. 58-62,скласти конспект.