Основы теории строения металлов и сплавов

Строение металлов

Все твердые вещества делятся на:

1. Кристаллические, к которым относятся сплавы и металлы в твердом состоянии.
2. Аморфные, к которым относятся смолы, стекло и т. п.

Атомы кристаллических веществ имеют располагаются в определенных местах, тем самым образуя систему, которая периодически повторяется в пространстве, а совокупность данных систем называется кристаллической решеткой. Чаще всего в металлах встречаются три типа расположения атомов:

1. В центре и в углах куба - кубическая гранецентрированная решетка.
2. В середине каждой грани куба и по его углам - кубическая гранепентрированная решетка.
3. В центре и в углах на шестигранных основаниях призмы и три атома внутри нее - плотно упакованная гексагональная решетка.

В узлах кристаллической решетки металлов располагаются положительно заряженные ионы, а пространство между данными атомами заполнено электронами - отрицательно заряженными частицами, которые свободно передвигаются в кристаллической решетке металла, образуя электронный газ. Поэтому металл моет рассматриваться как система положительно заряженных частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки окруженные электронным газом.

Атомы в узлах кристаллической решетки находятся в постоянном непрерывном тепловом движении - колебании. С увеличением температуры металла амплитуда колебаний атомов резко возрастает и наоборот. Когда металл плавится, то его кристаллическая решетка разрушается, а атомы начинают двигаться беспорядочно. Изменение параметров и строения кристаллической решетки металлов приводит к изменению его физико-химические свойств.

При температуре около 1539 градусов по Цельсию железо из жидкого состояния переходит в твердо. В результате этого образуется дельта - железо с кристаллической решеткой объемно центрированного куба. При охлаждении до температуры 1400 градусов по Цельсию дельта - железо принимает новую аллотропическую форму - гамма - железо с гранецентрированной кубической решеткой. Охлаждение с 910 до 768 градусов по Цельсию вызывает переход гамма-железа в бета-железо с объемноцентрированной кубической кристаллической решеткой. При температуре 768 градусов по Цельсию кристаллическая решетка больше не перестраивается, происходят только внутренние изменения. Ниже данной температуры железо становится магнитным. Получается, что самостоятельными кристаллическими решетками являются альфа - и гамма-железо. Кроме железа аллотропическим превращениям могут подвергаться марганец, олово, кобальт и некоторые другие металлы.

Строение сплавов

Строение металлического сплава зависит от того, в каких взаимодействия принимают участие компоненты, входящие в состав сплава. Практически все металлы в жидком состоянии растворяются в друг друге в разных соотношениях. В зависимости от характера взаимодействия составляющих сплава различают их следующие виды:

• твердые растворы,
• механические смеси,
• химические соединения.

Механические смеси образуются в том случае, когда компоненты не являются способными к взаимному растворению в твердом состоянии, а также не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Образуются такие соединения между составляющими, которые существенно различаются по свойствам и строению, в том случае, когда взаимодействие между однородными атомами больше, чем между разнородными. В сплавах сохраняются кристаллические решетки составляющих.

Химические соединения образуются в том случае, когда между компонентами сплава, которые существенно отличаются друг от друга по свойствам и строению, в том случае, если сила взаимодействия между разнородными сплавами больше, чем между однородными. К особенностям таких сплавов относятся: постоянство состава, образование кристаллической решетки с правильным упорядоченным расположением атомов, наличие ярко выраженных индивидуальных свойств и постоянство температуры кристаллизации.

Сплавы типа твердые растворы, представляют собой твердые фазы, в которых соотношение между составляющими сплава могут изменяться. Данные сплавы являются кристаллическими веществами. Особенность твердых растворов заключается в наличии разнородных атомов в кристаллической решетке, при сохранении ее типа. Сам твердый раствор состоит из однородных зерен. Сплавы типа твердые растворы классифицируются по следующим признакам:

1. Характер распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя. Согласно данному признаку различают твердые растворы вычитания, замещения и внедрения.
2. Степень растворимости. Согласно данному признаку различают твердые растворы с неограниченной и ограниченной растворимостью.