Свойства металлов обусловленные их атомно-кристаллическим строением

Свойства металлов обусловленные их атомно-кристаллическим строением

Правильное расположение атомов кристаллического вещества в пространстве обусловливает ряд его особенностей. Одной из них является векториальность — анизотропия, т. е. различие свойств в разных направлениях. Это объясняется тем, что вслед­ствие правильного расположения атомов в кристаллическом ве­ществе атомная плотность, или число атомов в кристаллографических плоскостях разного направления, различна.

Для обозначения плоскостей кристаллической решетки поль­зуются индексами Миллера h, k, l. Величина h, k, l обратна длине отрезков, отсекаемых данной плоскостью на осях координат. Длину отрезков принимают равной длине ребра элементарной ячейки.

В качестве примера рассмотрим обозначение плоскостей в объемноцентрированной кубической решетке (рис. 10).

Атомные плоскости в кубической объемноцетрированной кристаллической решетке

Атомные плоскости в кубической объемноцетрированной кристаллической решетке

В кубической решетке имеются плоскости: куба (рис. 10, а,) октаэдра (рис. 10, б) и ромбического додекаэдра (рис. 10, в).

Из рис. 10, а видно, что каждая плоскость куба пересекает толь­ко одну ось координат. Плоскость АВDC пересекает ось х; отрезки, отсекаемые ею на осях координат, равны 1, ∞, ∞. Плоскость FACE пересекает ось у; отрезки в этом случае равны ∞, 1, ∞. Плоскость FKBA пересекает ось z; отрезки равны ∞, ∞, 1. Величины, обрат­ные отсекаемым отрезкам, будут соответственно равны 1,0,0; 0,1,0; 0,0,1. Если индексы заключить в скобки, а запятые между ними опустить, получим обозначения: для плоскости ABDC — (100); FACE — (010); FKBA — (001). Соответственно плоскости октаэдра (рис. 10, б) обозначают (111), а ромбического додекаэдра — (110) (рис. 10, в).

Из рис. 10 видно, что наибольшее число атомов будет в плоскости куба (110), базис которой равен 2.

Вследствие векториальности химические и физико-механические свойства металлов в разных направлениях не одинаковы. Так, на­пример, в искусственно полученном монокристалле меди (образце, состоящем из одного кристалла) величина предела прочности σв колеблется от 343 до 143 Мн/м² (от 35 до 14,6 кГ/мм²), отно­сительного удлинения δ — от 55 до 10% и модуля упругости Е — от 67 до 187 Гн/м² (от 6800 до 19100 кГ/мм²) в зависимости от на­правления исследования этих свойств. Однако необходимо учесть, что анизотропия свойств проявляется только в монокристаллах металлов, которые состоят из одинаково ориентированных элемен­тарных кристаллических ячеек. В реальных поликристаллических (многокристальных) металлах величина свойств в разных направле­ниях одинакова. Например, σв поликристалла меди составляет 216 Мн/м² (22 кГ/мм²), а δ порядка 40% независимо от направле­ния исследования. Это объясняется тем, что поликристаллические металлы, какими являются все металлы, обычно применяемые в тех­нике, состоят из множества монокристаллов, ориентированных раз­лично по отношению друг к другу. Поэтому анизотропия свойств, присущая одному монокристаллу, уничтожается другими, и поли­кристаллические металлы имеют свойства, мало различающиеся в зависимости от направления исследования, т. е. обладают кажущей­ся изотропностью (квазиизотропностью). Яв­ление анизотропии свойств наблюдается у поликристаллических металлов только после обработки их давлением и иногда исполь­зуется на практике.

Другим отличительным свойством металла как кристалличес­кого вещества является его способность, не разрушаясь, изменять форму и размеры под действием внешней силы (способность пла­стически деформироваться). При деформировании происходит сколь­жение атомных слоев металла по определенным кристаллографи­ческим плоскостям решетки — плоскостям с наибольшей атомной плотностью.

Наконец, третьим признаком кристаллических веществ, харак­терным и для металлов, является особенность их перехода из жид­кого состояния в твердое — кристаллизация.

Кривые охлаждения веществ

Кривые охлаждения веществ

При помощи термического анализа можно построить кривые нагрев — охлаждение вещества, записывая его температуру через равные промежутки времени. Форма полученных кривых для кри­сталлического и аморфного вещества не одинакова. На рис.11, а приведена кривая охлаждения кристаллического вещества, пост­роенная в координатах температура — время. Эта кривая показы­вает, что переход кристаллического вещества из жидкого состояния в твердое происходит при определенной температуре, называемой температурой кристаллизации Ткр. Выше этой температуры ве­щество находится в жидком, а ниже — в твердом состоянии. Про­цесс перехода кристаллического вещества из жидкого состояния в твердое протекает в течение определенного промежутка времени и сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации. Поэтому температура его в течение процесса кристаллизации оста­ется неизменной и на кривой охлаждения появляется горизонталь­ная площадка. Затвердевание аморфного вещества (рис. 11, б), в отличие от кристаллического, происходит в интервале температур постепенно, без резко выраженной границы между жидким и твер­дым состоянием. Поэтому в настоящее время аморфные вещества относят не к твердым телам, а к переохлажденным, сильно загустев­шим жидкостям с таким же расположением частиц, как у послед­них. Твердыми телами считают только тела кристаллические.

Все перечисленные признаки кристаллических тел характерны и для металлов, которые являются кристаллическими телами. Раз­личают первичную и вторичную кристаллизацию металлов.

Переход металлов из жидкого состояния в твердое называют первичной кристаллизацией. Превращения, про­текающие в металлах в твердом состоянии, называют вторич­ной кристаллизацией, или перекристалли­зацией. Для чистых металлов перекристаллизацией является переход из одной аллотропической формы в другую. Таким образом, у металлов, не имеющих аллотропических превращений, проис­ходит только первичная кристаллизация, а у металлов, имеющих различные аллотропические формы, наблюдаются оба вида кри­сталлизации.