Кристаллическое строение металлов
Металлы – это группа элементов периодической таблицы Менделеева, которые являются восстановителями с положительной степенью окисления, обладают твердостью, пластичностью и упругостью, обусловленными их кристаллическим строением.
Кристаллические решетки металлов представляют собой атомы, упорядоченные определенным образом. В состав каждого атома входят несколько отрицательно заряженных электронов и положительно заряженное ядро. Атомы металлов мало электронов, поэтому они являются ионами. Единица кристаллической решетки представляет собой элементарную кристаллическую ячейку, в гранях и узлах которой находятся ионы. Вместе их удерживают металлические связи, которые возникают в результате беспорядочного движения отделившихся от атомов электронов. Отрицательно заряженные электроны держат на равном расстоянии положительно заряженные электроны.
Подавляющему большинству металлов свойственно образование высокосимметричных кристаллических решеток с плотной упаковкой атомов. Самыми распространенными типами кристаллических решеток атомов являются:
- Объемно-центрированная кубическая кристаллическая решетка, которая представляет собой куб с дополнительными атомами, которые находятся в центре. Такая решетка имеется у железа, хрома, вольфрама, молибдена и ванадия.
- Гранецентрированная кубическая кристаллическая решетка, которая представляет собой куб с дополнительными атомами, находящиеся центре каждой грани. Такая решетка имеется у железа, алюминия, меди, никеля, а также золота.
- Гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка с шестиугольниками в нижнем и верхнем основаниях, которые образованы расположенными там атомами, а также одним атомом в центре каждого шестиугольника. Внутри каждой фигуры находится три атома. Такая решетка имеется у кадмия, цинка, магния и других металлов.
- Тетрагональная кристаллическая решетка получается в результате растягивания куба вдоль одной оси. Данный тип решетки может быть гранецентрированным и объемноцентрированным. Такую решетку имеют радий и индий.
У некоторых видов металлов кристаллическая решетка изменяется в результате изменения температуры. Данное явления называется аллотропией или полиморфизм. Такое явления может быть причиной изменения свойств металла, а характерно оно для цинка, железа, олова и циркония.
Кристаллическое строение сплавов
Сплав – это вещество, которое получается в результате сплавления двух и более элементов.
Составляющими сплава могут быть неметаллы и металлы. Кроме основных элементов в сплаве могут присутствовать примеси. Примеси могут улучшать и ухудшать свойства сплава. Кристаллическое строение сплава значительно сложнее нежели, чем у металла. Его кристаллическое строение напрямую зависит от взаимодействия компонентов сплава, которые образуют в процессе кристаллизации однородные объемы, которые разграничены поверхностями раздела. Компоненты в сплаве могут образовывать:
- Химическое соединение. В данном случае компоненты сплава химически взаимодействуют, в результате чего образуется новая кристаллическая решетка, которая отличается от решеток компонентов. В большинстве случаев, химические соединения образуются из тех компонентов, которые имеют существенные различия в электронном строении атомов и в типах кристаллических решеток.
- Твердый раствор. В данном случае компоненты сплава взаимнорастворимы. Один из компонентов твердого раствора сохраняет свою кристаллическую решетку, а второй компонент в виде отдельных атомов распределяется внутри кристаллической решетки первого, при этом форма решетки первого компоненты не изменяется, а размеры изменяются незначительно. Атомы растворяющегося элемента либо замещают в кристаллической решетке часть атомов растворителя, либо размещаются между атомами металла растворителя. Твердые растворы внедрения могут образовываться в том случае, когда диаметры атомов растворенного компонента значительно меньше диаметра атома металла растворителя, а также имеют близкое строение валентной оболочки.
- Механическая смесь. В данном случае составляющие сплава обладают полной взаимной нерастворимостью и имеют различные кристаллические решетки. Таким образом сплав будет состоять из смеси кристаллов составляющих его компонентов. У механической смеси постоянная температура плавления. Механическая смесь, которая образовалась в результате одновременной кристаллизации из расплава называется эвтектикой, а та, которая образовалась в процессе превращения в твердом состоянии, - эвтектоид. Примером эвтектики в белых чугунах является ледебурит, а примером эвтектоида - перлит в чугунах и сталях.
Для кристаллических решеток характерны разнообразные структурные несовершенства, которые могут значительно изменять свойства. У реального единичного кристалла всегда есть наружная (свободная) поверхность, на которой из-за поверхностного натяжения кристаллическая решетка искажена. Данное искажение может распространиться на зону, которая прилегает к свободной поверхности. Дефекты внутреннего строения делятся на линейные (цепочки вакансий, смещение атомных дислокаций и плоскостей) плоскостные и точечные (дислоцированные атомы, вакансии, примесные атомы и т.п.). Дефекты кристаллической решетки оказывают существенное влияние на протекание таких процессов, как самодиффузия и диффузия, которыми определяются скорости химических реакций и ионная проводимость кристаллов.
