Строение металлов, типы кристаллических решёток, аллотропия

В технике под металлами понимают вещества, обладающие комплексов металлических свойств: характерным металлическим блеском, высокой электропроводностью, хорошей теплопроводностью, высокой пластичностью.

Кристаллические решетки. Все вещества в твердом состоянии могут иметь

кристаллическое или аморфное строение. В аморфном веществе атомы

расположены хаотично, а в кристаллическом — в строго определенном порядке.

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение.

Для описания кристаллической структуры металлов пользуются понятием

кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка — это воображаемая

пространственная сетка, в узлах которой расположены атомы. Наименьшая часть

кристаллической решетки, определяющая структуру металла, называется

элементарной кристаллической ячейкой.

На рис. 2 изображены элементарные ячейки для наиболее распространенных

кристаллических решеток. В кубической объемно-центрированной решетке(рис.

2,а) атомы расположены в узлах ячейки и один атом в центре куба. Такую решетку

имеют хром, вольфрам, молибден и др.

В кубической гранецентрированной решетке (рис. 2,б) атомы расположены в

вершинах куба и в центре каждой грани. Эту решетку имеют алюминий, медь,

никель и другие металлы. В гексагональной плотноупакованной решетке (рис.

2,в) атомы расположены в вершинах и центрах оснований шестигранной призмы и

три атома в середине призмы. Такой тип решетки имеют магний, цинк и некоторые

другие металлы.

Рис. 2. Основные виды кристаллических решеток.

Кристаллизация металлов. Процесс образования в металлах кристаллической

решетки называется кристаллизацией. Для изучения процесса кристаллизации

строят кривые охлаждения металлов, которые показывают изменение температуры

(t) во времени (τ). На рис. 3 приведены кривые охлаждения аморфного и

кристаллического веществ. Затвердевание аморфного вещества (рис. 3,а)

происходит постепенно, без резко выраженной границы между жидким и твердым

состоянием. На кривой охлаждения кристаллического вещества (рис. 3,6) имеется

горизонтальный участок с температурой tкр), называемой температурой

кристаллизации. Наличие этого участка говорит о том, что процесс сопровождается

выделением скрытой теплоты кристаллизации. Длина горизонтального участка —

это время кристаллизации.

Рис. 3. Кривые охлаждения аморфного и кристаллического тел

Кристаллизация металла происходит постепенно. Она объединяет два процесса,

происходящих одновременно: возникновение центров кристаллизации и рост

кристаллов. В процессе кристаллизации когда растущий кристалл окружен

жидкостью, он имеет правильную геометрическую форму. При столкновении

растущих кристаллов их правильная форма нарушается (рис. 4.)

Рис. 4. Схема процесса кристаллизации металла

После окончания кристаллизации образуются кристаллы неправильной формы,

которые называются зернами или кристаллитами. Внутри каждого зерна имеется

определенная ориентация кристаллической решетки, отличающаяся от ориентации

решеток соседних зерен.

Полиморфизм.Некоторые металлы в зависимости от температуры могут

существовать в различных кристаллических формах. Это явление называется

полиморфизм или аллотропия, а различные кристаллические формы одного

вещества называются полиморфными модификациями. Процесс перехода от одной

кристаллической формы к другой называется полиморфным превращением.

Полиморфные превращения протекают при определенной температуре.

Полиморфные модификации обозначают строчными греческими буквами α,

β, γ, δ и т. д., причем, α соответствует модификации, существующей при наиболее

низкой температуре. Полиморфизм характерен для железа, олова, кобальта,

марганца, титана и некоторых других металлов.

Важное значение имеет полиморфизм железа. На рис. 5 изображена кривая

охлаждения железа. Полиморфные превращения характеризуются

горизонтальными участками на кривой охлаждения, так как при них происходит

полная перекристаллизация металла. До 911° С устойчиво Fea, имеющее

кубическую объемно-центрированную решетку. В интервале 911-1392° С

существует Fey c кубической гранецентрированной кристаллической решеткой.

При 1392-1539° С вновь устойчиво Fea. Часто высокотемпературную модификацию

Fea обозначают Feδ. Остановка на кривой охлаждения при 768° С связана не с

полиморфным превращением, а с изменением магнитных свойств. До 768° С

железо магнитно, а выше — немагнитно.

1.

2. Рис. 5.