Строение реальных кристаллов, дефекты кристаллического строения

Общие сведения о металлах. Классификация металлов.

Общие сведения о металлах

В природе металлы существуют как в свободном, так и в связанном виде. В свободном виде существуют малоактивные металлы: платина, золото, серебро. Но в основном металлы встречаются в виде различных соединений. Многие металлы способны реагировать друг с другом. Продукты взаимодействия металлов между собой называются сплавами.

Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов. Они слабо связаны с ядром и могут легко отрываться от него. В результате в узлах кристаллической решетки появляются положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются электроны - образуется так называемый "электронный газ". Вид связи между положительными ионами, осуществляемой за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу, называется металлической.

Металлы имеют многие специфические свойства. Все они за исключением ртути при обычных условиях твердые вещества с характерным блеском, хорошо проводят электрический ток и тепло. Большинство металлов может коваться, тянуться и прокатываться. Электро- и теплопроводность металла объясняются наличием в нем свободных электронов.

Металлы делятся на легкие и тяжелые, отличаются друг от друга по твердости: самые мягкие - щелочные, их можно резать ножом; самый твердый - хром. Металлы делятся на легкоплавкие и тугоплавкие. В металлургии металлы делят на черные (железо, марганец, хром) и цветные (все остальные металлы).

Металлы всегда выступают в роли восстановителей. Способность отдавать электроны проявляется у металлов в разной степени. Чем легче металл отдает электроны, тем он активнее и тем более энергично взаимодействует с неметаллами и ионами других металлов. По активности все металлы располагаются в определенной последовательности, образуя электрохимический ряд напряжений.

Классификация металлов

Все металлы условно поделены на черные и цветные. Черные металл обычно имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Некоторые из них (железо, титан, кобальт, марганец, цирконий, уран и др.), обладают полиморфизмом (аллотропией). Наиболее типичным черным металлом является железо.

Цветные металлы имеют красную, желтую, белую окраску. Они обладаю большой пластичностью, малой твердостью, низкой температурой плавления. Известно, что олово имеет полиморфизм. Типичный представитель – медь.

К черным металлам относятся:

− железные металлы – железо, кобальт, никель, марганец;

− тугоплавкие металлы; имеют температуру плавления выше чем у железа, т.е. более 15390С

- титан, ванадий, хром, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам, технеций, гафний, рений;

− урановые металлы (актиноиды) – торий, актиний, уран, нептуний, плутоний и др. (с 89 до 103 элемента);

− редкоземельные металлы (с 57 -71 элементы), лантан, церий, ниодим и д.р.;

− щелочноземельные металлы

- литий, натрий, кальций, калий, рубидий, стронций, цезий, барий, франций, родий, скандий.

К цветным металлам относятся:

− легкие – бериллий, магний, алюминий;

− благородные металлы

- рутений, радий, палладий, осмий, иридий, платина, золото, серебро и полублогородная медь;

− легкоплавкие металлы – цинк, кадмий, ртуть, галлий, индий, талий, германий, олово, свинец, мышьяк, сурьма, висмут.

Понятие о кристаллической решетке. Простейшие типы кристаллических решеток твердых тел.

Кристаллическая структура характеризуется правильным (регулярным) расположением частиц в строго определенных местах в кристалле. При мысленном соединении этих точек линиями получаются пространственный каркас, который называют кристаллической решеткой. Точки, в которых размещены частицы, называются узлами кристаллической решетки. Как мы уже знаем, в узлах могут находиться ионы, атомы или молекулы. Эти частицы колеблются в узлах решетки около своего положения равновесия.

Различают четыре типа кристаллических решеток:

1, Ионные кристаллы - соли Na , Cl и другие, окиси металлов.

В узлах кристаллических решеток данных кристаллов размещают правильно чередующиеся положительные и отрицательные ионы. Между ними действуют главным образом силы электростатического взаимодействия, осуществляющие ионную связь.

2, Атомные кристаллы - кристаллические решетки полупроводников ( Te , Ge ), многие органические твердые тела.

В узлах кристаллических решеток - электрически нейтральные атомы, между которыми осуществляется, имеется ковалентная связь, имеющая квантомеханическое происхождение.

3, Металлические кристаллы.

В узлах кристаллической решетки - положительные ионы. Электронный газ образует электроны, ставшие собственностью всего кристалла.

4, Молекулярные кристаллы - нафталин, парафин.

В узлах кристаллической решетки - молекулы, сохраняющие свою индивидуальность.

Строение реальных кристаллов, дефекты кристаллического строения.

Локальные несовершенства (дефекты) в строении кристаллов присущи всем металлам. Эти нарушения идеальной структуры твердых тел оказывают существенное влияние на их физические, химические, технологические и эксплуатационные свойства. Без использования представлений о дефектах реальных кристаллов невозможно изучить явления пластической деформации, упрочнение и разрушение сплавов и др.

Дефекты кристаллического строения удобно классифицировать по их геометрической форме и размерам:

1) точечные (нульмерные) малы во всех трех измерениях, их размеры не больше нескольких атомных диаметров - это вакансии, межузельные атомы, примесные атомы;

2) линейные (одномерные) малы в двух направлениях, а в третьем направлении они соизмеримы с длиной кристалла - это дислокации, цепочки вакансий и межузельных атомов;

3) поверхностные (двумерные) малы только в одном направлении и имеют плоскую форму - это границы зерен, блоков и двойников, границы доменов;

4) объемные (трехмерные) имеют во всех трех измерениях относительно большие размеры - это поры, трещины;

Точечные дефекты - это вакансии, т. е. узлы решетки, в которых атомы отсутствуют в результате их перехода на поверхность кристалла, или атомы, внедрившиеся в межузлие решетки. Вышедший из равновесного положения атом называют дислоцированным, а оставшееся пустое место в узле решетки - вакансией.

Вакансии и дислоцированные атомы вызывают искажение решетки, распространяющееся примерно на пять параметров.

Дислоцированный атом и вакансии непрерывно перемещаются по решетке вследствие неравномерного распределения энергии между атомами. Количество такого рода дефектов очень велико, например, в 1 см³ кадмия при температуре 300 °С наблюдается 10¹³ вакансий, а время существования вакансии всего лишь 0,0004 с.

Перемещаясь беспорядочно по кристаллической решетке, вакансии встречаются и скапливаются, образуя другой вид дефектов решетки, который называется дислокация и относится уже к линейным дефектам. Наиболее распространены дислокации двух типов: линейные или краевые и винтовые или спиральные. Дислокации можно легко представить путем смещения одной части кристалла по отношению к другой, но не по всей плоскости, а только по ее части. При этом часть соседних атомов в плоскости смещается по отношению к своим соседям, а часть плоскости остается без нарушения взаимного расположения атомов.

В случае линейной дислокации сдвиг происходит по плоской поверхности, а в случае винтовой дислокации сдвиг идет по винтовой поверхности. Величина единичного смещения плоскостей характеризуется вектором Бюргере b, который отражает как абсолютную величину сдвига, так и его направление (правая и левая винтовая дислокация, положительная и отрицательная краевая дислокация). Чистые металлы получить технически очень трудно и по этой причине в металле присутствуют примеси различного происхождения. В зависимости от природы примесей и условий попадания их в металл они могут быть растворены в металле или находиться в виде отдельных включений. На свойства металла наибольшее влияние оказывают чужеродные растворенные примеси, атомы которых могут располагаться в пустотах между атомами основного металла (атомы внедрения) или в узлах кристаллической решетки основного металла (атомы замещения). Если атомы примесей значительно меньше атомов основного металла, то они образуют растворы внедрения, а если больше - то образуют растворы замещения . В том и другом случаях решетка становится дефектной и искажения ее влияют на свойства металла. Наличие дислокаций и несовершенство кристаллов, с одной стороны, оказывают ослабляющий эффект на металл, а при определенных условиях дефекты могут упрочнять металл. Упрочняющий эффект обусловлен взаимодействием дислокаций друг с другом и с различными несовершенствами кристаллического строения. Сущность процесса упрочнения состоит в торможении дислокаций, создании препятствий для их перемещения.

Взаимодействие дислокаций многообразно и сложно. Они могут взаимодействовать в одной или разных плоскостях, иметь одноименный или разноименный знак, но если искажение решетки в результате их взаимодействия увеличивается, то возрастает сопротивление деформации кристалла. Поверхностные дефекты наблюдаются прежде всего на границах зерен.

Граница зерен - это поверхность, по обе стороны от которой кристаллические решетки различаются пространственной ориентацией . Эта поверхность является двумерным дефектом, имеющим значительные размеры в двух измерениях, а в третьем - его размер соизмерим с атомным. Границы зерен - это области высокой дислокационной плотности и несогласованности строения граничащих кристаллов. Атомы на границе зерен имеют повышенную энергию по сравнению с атомами внутри зерен и, как следствие этого, более склонны вступать в различные взаимодействия и реакции. На границах зерен отсутствует упорядоченное расположение атомов. Каждое из зерен металла состоит из отдельных фрагментов, а последние - из блоков, образующих мозаичную структуру. Зерна металла взаимно разориентированы на несколько градусов, фрагменты разориентированы на минуты, а блоки, составляющие фрагмент, взаимно разориентированы всего лишь на несколько секунд. На границах зерен в процессе кристаллизации металла скапливаются различные примеси, образуются дефекты, неметаллические включения, оксидные пленки. В результате металлическая связь между зернами нарушается и прочность металла снижается. Состояние границ зерен металла оказывает большое влияние на их свойства.