Кристаллографическое описание структуры металлов и расчет их параметров

Кристаллография металлов

Каждый металл в твердом состоянии имеет кристаллическое строение. Для такого вида строения характерна упорядоченность расположения атомов. Кристаллическая решетка образуется посредством периодического повторения в пространстве элементарных ячеек. Внутри кристаллических решеток находятся атомные ядра - заряженные ионы. Вокруг ионов располагаются отрицательно заряженные частицы - электроны, постоянно двигающиеся. Число таких электронов определяется теплопроводностью металла. Ионы в кристаллических решетках находятся в постоянном тепловом колебании. Когда температура увеличивается, амплитуда колебаний атомов стремительно возрастает, а при снижении температуры уменьшается. Плавление металла способствует разрушению его кристаллической решетки, а ионы начинают беспорядочно двигаться в пространстве. Самыми распространенными кристаллическими решетками у металлов являются:

1. Объемно-центрированная кристаллическая решетка. Восемь атомов такой кристаллической решетки находятся в углах куба, а один в центре. Такой тип решетки свойственен свинцу, литию, натрию, вольфраму и т.п.
2. Гранецентрированная кристаллическая решетка. Восемь атомов данной кристаллической решетки находятся в углах куба, а в центре каждой грани, которых шесть, располагается еще под ному атому. Гранецентрированная кристаллическая решетка свойственна алюминия, серебра, золота, меди и т.п.
3. Гексагональная кристаллическая решетка. При данном типе кристаллической решетки атомы находятся в центре основана и углах призмы. Три атома размещаются в средней плоскости призмы. Гексагональная кристаллическая решетка свойственна для таких металлов, как бериллий, титан, магний, цинк и т. п.

Расчет параметров металлов

К основным параметрам металлов относятся:

1. Цвет. Большинство известных металлов светло-серого цвета с голубоватым оттенком.
2. Теплопроводность. Тепловодность металла зависит от подвижности его свободных электронов. По этой причине ряд теплопроводности схож с рядом электропроводности, наилучшим проводником электричества и тепла является серебро. Широко применение в качестве проводника тепла нашел натрий. Самая низкая теплопроводность у ртути и висмута.
3. Электропроводность Хорошая электропроводность металлов обусловлена наличием в кристаллических решетках подвижных электронов, которые перемещаются под действием электрического поля. Самая высокая электропроводность у меди, серебра и алюминия.
4. Пластичность. Подавляющее большинство металлов пластичны благодаря смещению слоев атомов металла без разрыва связи между ними. Самыми пластичными металлами являются серебро, золото, а также медь.
5. Плотность. В зависимости от плотности металлы делятся на тяжелые и легкие. Самым тяжелым металлом являются иридий и осмий, а самым легким литий.
6. Температура плавления. Температура плавления известных металлов находится в диапазоне от - 39 до 3410 градусов по Цельсию.
7. Твердость. Все металлы, кроме ртути и франция, обладают различной твердостью.

Твердость металла может быть рассчитана следующими методами: по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу. Метод заключается в внедрении закаленного стального шарика в поверхность испытуемого образца металла. В результате эксперимента на поверхности образца появляется отпечаток. Формула для расчета твердости металла по Бринеллю выглядит следующим образом:

$НВ(HBW) = F/А = (2*F) / ((п*D)*(D-\/D^2-d^2))$

где: НВ - при использовании шарика из стали, твердость которого не более 450 единиц; НВW - при использовании шарика из сплава твердостью более 450 единиц; F - нагрузка, которая действует на шарик; А - площадь поверхностного отпечатка; D - диаметр шарика; d - диаметр отпечатка.

Измерение твердости методом Роквелла заключается в погружении закаленного шарика в образец и измерении глубины отпечатка. Формула выглядит следующим образом:

$HR = 100 - ((H-h)/0.002)$

где H - глубина внедрения после снятия нагрузки; h - глубина внедрения до приложения нагрузки.

Измерение по Вескеру заключается в плавном внедрении пирамиды из алмаза в образец, с последующим измерение диагонали отпечатка и расчета образца по таблицам ГОСТ 2999-75. Формула выглядит следующим образом:

$HV = F/M = ((2*Fsina/2)/(d^2)) / d^2$

где F - нагрузка испытания; М - площадь отпечатка; а - наклон алмазного наконечника; d - средняя линия диагонали отпечатка.

Плотность металла рассчитывается по стандартной площади:

$р=m*V$

где m - масса образца; V - объем образца.

Показателями пластичности металла являются относительное удлинение после разрыва и относительное сужение. Удлинение после разрыва рассчитывается по формуле:

$j = ((Lk-L0)/L0)*100%$

где (Lk-L0) - приращение расчетной длины образца; L0 - начальная расчетная длина образца.

Формула для расчета относительного сужения выглядит следующим образом:

$w = ((F0-Fk)/F0)*100$%

где F0 и Fk - площади поперечного сечения образца до и после испытания.