Вступ

Метали прості речовини, що мають у звичайних умовах характерними властивостями: високою електро- та теплопровідністю, негативним температурним коефіцієнтом електропровідності, здатністю добре відображати електромагнітні хвилі (блиск і непрозорість), високою міцністю та пластичністю.

Властивості металів можуть значно змінитись при дуже високих тисках. Багато металів залежно від температури та тиску можуть існувати у вигляді кількох кристалічних модифікацій.

Подібні металеві властивості мають більше 80 хімічних елементів і безліч металевих сплавів. Число металевих сплавів, що застосовуються в техніці, обчислюється тисячами і постійно зростає відповідно до нових і різноманітних вимог, що виникають багатьма галузями промисловості.

Властивості металів обумовлені їх кристалічною будовою та наявністю в їх кристалічній решітці численних не пов'язаних з атомними ядрамирухомих електронів провідності.

Металеві сплави за властивостями мають багато спільного з металами, тому їх часто відносять до металів.

Метали (сплави) у промисловості поділяють на дві основні групи: чорні та кольорові метали.

Чорні метали - сплав заліза з вуглецем, в якому можуть міститися у більшій чи меншій кількості та інші хімічні елементи. Кобальт, нікель, також близький до них за властивостями марганець часто відносять до темних металів. Чорні метали набули найбільшого поширення, що обумовлено відносно високим вмістом заліза в земній корі, його низькою вартістю, високими механічними та технологічними властивостями.

Кольорові метали за властивостями поділяють такі групи:

легкі (Be, Mg, Al, Ti), що мають порівняно малу щільність - до 5000 кг/м 3 ;

тугоплавкі (Ti, Сг, Zr, Nb, Mo, W, V та ін) з температурою плавлення вище, ніж у заліза (1539°С);

благородні (Ph, Pd, Ag, Os, Pt, Аі та ін), що мають хімічну інертність:

уранові (U, Th, Pa) - актиноїди, що використовуються в атомній техніці;

рідкісноземельні метали (РЗМ), лантаноїди (Се, Рг, Nd, Sm та ін) і подібні з ними ітрій і скандій, що застосовуються як присадки до різних сплавів;

лужноземельні метали (Li, Na, К), що використовуються як теплоносії в ядерних реакторах.

Класифікація металевих сплавів по хімічного складу, заснована на вказівці головного компонента сплаву (залізо, мідь, алюміній та ін), має традиційний характер, і набула найбільшого поширення.

Макро-, мікро-і атомну структуру металів та сплавів вивчає металографія.

Макроструктура - це будова металу, видиме неозброєним оком або за допомогою лупи у зламі або на протравленому шліфі. Мікроструктура будови металу, що спостерігається під оптичним або електронним мікроскопами, що дозволяють збільшити ділянку, що розглядається, від десяти разів до сотень тисяч разів.

Атомна структура металів - це просторове розташування атомів у кристалічній решітці. Цей вид структури досліджується за допомогою рентгенографічного структурного аналізу.

Будова металу

Усі метали мають кристалічну будову. Розташовуючись тим чи іншим способом, атоми утворюють елементарну комірку просторової кристалічної решітки. Тип осередку залежить від хімічної природи та стану металу. Кристалічний стан, насамперед, характеризується певним, закономірним розташуванням атомів у просторі. Це зумовлює те, що в кристалі кожен атом має одну й ту саму кількість найближчих атомів - сусідів, розташованих на однаковій відстані. У процесі кристалізації позитивно заряджені іони, розташовуючись послідовно як елементарних кристалічних решіток, утворюють кристали як зерен чи дендритів. Усі метали та сплави мають кристалічну будову. Кристали, що утворюються, кристалізуються з рідкого розплаву спочатку вільно, не заважають один одному, потім вони стикаються і зростання кристалів триває тільки в тих напрямках, де є вільний доступ рідкого металу. В результаті початкова геометрично правильна форма кристалів порушується. Після затвердіння зерна та дендрити мають неправильну, геометрично спотворену форму.

Малюнок 1. Схема кристалізації: а - як зерен; б - як дендритів.

Прагнення атомів (іонів) металу розташуватися, можливо, ближче один до одного, щільніше, призводить до того, що кількість комбінацій, що зустрічаються взаємного розташування атомів металу в кристалах невелика.

Існує ряд схем та способів опису варіантів взаємного розташування атомів у кристалі. Взаємне розташування атомів в одній із площин показано на схемі розміщення атомів (рисунок 2).

Малюнок 2. Елементарний кристалічний осередок (простий кубічний).

Уявлювані лінії, проведені через центри атомів, утворюють ґрати, у вузлах яких розташовуються атоми (позитивно заряджені іони); це так звана кристалографічна площина. Багаторазове повторення кристалографічних площин, розташованих паралельно, відтворює просторову кристалічну решітку, вузли якої є місцем розташування атомів (іонів). Відстані між центрами сусідніх атомів вимірюються ангстремами (1 А = 1 * 10 -8 см) або кілісках - kX (1kX = 1,00202 А). Взаємне розташування атомів у просторі та величину між атомними відстанями визначають рентгеноструктурним аналізом. Розташування атомів у кристалі дуже зручно зображати як просторових схем, як так званих елементарних кристалічних осередків. Під елементарним кристалічним осередком мається на увазі найменший комплекс атомів, який при багаторазовому повторенні в просторі дозволяє відтворити просторову кристалічну решітку. Найпростішим типом кристалічного осередку є кубічні грати. У простій кубічній решітці атоми розташовані (упаковані) недостатньо щільно. Прагнення атомів металу зайняти місця, найбільш близькі один до одного, призводить до утворення решіток інших типів: об'ємноцентрованої кубічної (рисунок 3, а), кубічної гранецентрованої (рисунок 3, б) і гексагональної щільноупакованої (рисунок 3, в).

Рисунок 3. Елементарні кристалічні осередки: а - кубічний об'ємноцентрований; б - кубічна гранецентрована; в - гексагональна щільноупакована.

метал теплопровідність електромагнітний температурний

Гуртки, що відображають атоми, розташовуються в центрі куба і за його вершинами (куб об'ємноцентрований), або в центрах граней і по вершинах куба (куб гранецентрований), або у вигляді шестигранника, всередину якого наполовину вставлений також шестигранник, три атоми верхньої площини якого знаходяться всередині шестигранної призми (гексагональні грати).

Метод зображення кристалічних ґрат, наведений малюнку 3, є умовним (як і будь-який інший). Можливо, правильніше зображення атомів у кристалічній решітці як дотичних куль (ліві схеми малюнку 3). Однак таке зображення кристалічних ґрат не завжди зручне, ніж прийняте (праві схеми на малюнку 3).

Розміри кристалічної решітки характеризуються параметрами або періодами решітки. Кубічну решітку визначає один параметр - Довжина ребра куба а (рисунок 3, а, б). Параметри мають величини порядку атомних розмірів та вимірюються в ангстремах.

Так, наприклад, параметр решітки хрому, що має структуру об'ємноцентрованого куба, дорівнює 2,878 А, а параметр решітки алюмінію, що має структуру гранецентрованого куба, 4,041 А.

Параметр решітки – надзвичайно важлива характеристика. Сучасні методи p align="justify"> рентгенівського дослідження дозволяють виміряти параметр з точністю до четвертого або навіть п'ятого знака після коми, тобто однієї десятитисячної - однієї стотисячної частки ангстрему.

З розгляду схем кристалічних грат (рисунок 3), якщо вважати, що атоми є хіба що пружними, що стосуються одне одного кулями, випливає, що параметр решітки і атомний діаметр d пов'язані простими геометричними співвідношеннями.

Для об'ємноцентрованого куба

Для гранецентрованого куба

Приймаючи для атома форму кулі, можна підрахувати, що в кубічній об'ємноцентрованій решітці атоми займають 68% об'єму, а в кубічній гранецентрованій (як і гексагональної щільноупакованої) 74%, тобто. у другому випадку атоми розташовуються щільніше, компактніше.

Для металів поширені гексагональні грати (рисунок 3, в).

Якщо шари атомів стосуються один одного, тобто три атоми, зображені всередині решітки (рисунок 3, в), стосуються атомів, розташованих на верхній та нижній площинах, то маємо так звану гексагональну щільноупаковану решітку.

Розміри гексагональної щільноупакованої решітки характеризуються постійним значенням с/а=1,633. При інших значеннях с/а виходить неплотлоупаковані гексагональні грати.

Кубічна гранецентрована і гексагональна решітки являють собою найщільніший спосіб укладання куль одного діаметра.

Деякі метали мають тетрагональну решітку (рисунок 4); вона характеризується тим, що ребро з не дорівнює ребру а. Відношення цих параметрів характеризує так званий ступінь тетрагональності. При с/а = 1 виходить кубічна решітка. Залежно від просторового розташуванняатомів тетрагональна решітка (як і кубічна) може бути простою, об'ємноцентрованою та гранецентрованою.

Малюнок 4. Тетрагональні грати

p align="justify"> Істотне значення для властивостей даного металу або сплаву має число атомів, що знаходяться у взаємному контакті. Це визначається кількістю атомів, рівновіддалених на найближчій відстані будь-якого атома.

Число атомів, що знаходяться на найближчій і рівній відстані від даного атома, називається координаційним числом. Так, наприклад, атом у простій кубічній решітці має шість найближчих рівновіддалених сусідів, тобто координаційне число цих ґрат дорівнює 6.

Центральний атом в об'ємноцентрованій решітці має вісім найближчих рівновіддалених сусідів, тобто координаційне число цієї решітки дорівнює 8. Координаційне число для гранецентрованої решітки дорівнює 12. У разі гексагональної щільноупакованої решітки координаційне число дорівнює 12? 1,633 кожен атом має шість атомів на одній відстані та шість на іншій (координаційне число 6).

Для короткого позначення кристалічних ґрат із зазначенням у цьому позначенні типу кристалічних ґрат і координаційного числа була прийнята одна з наступних систем (таблиця 1).

Таблиця 1

Кожен метал має певні кристалічні грати.

Істотною характеристикою кристалічної структури є число атомів, що припадають на елементарну комірку.

У о. ц. к. решітці атоми, що у вершині, належать восьми елементарним осередкам. Отже, кожен атом вносить у цю елементарну комірку лише одну восьму частину свого обсягу. Центральний атом повністю належить цій елементарній комірці. Отже, на один елементарний осередок припадають 1/8*8+1=2 атоми.

У гранецентрованому кубі на одну елементарну комірку припадають чотири атоми (1/8 ? 8 атом від числа розташованих у вершинах куба + 1/2 ? 6=3 атома з числа центруючих грані).

Типово металеві елементи, розташовані в лівій частині таблиці Д. І. Менделєєва, кристалізуються в щільній упаковці, тобто в прості кристалічні осередки з великим координаційним числом. Типово металевими ґратами є, як зазначалося, решітки о. ц. к., р. ц. к. і р. п. в. Дійсно, майже всі метали, починаючи від цинку, кадмію і ртуті і лівіше мають здебільшого прості ґрати.

Для неметалевих елементів характерно мале значення координаційного числа (К4 і менше). Неметали мають меншу щільність і меншу питому вагу, ніж метали.

Висновок

Метали - прості речовини, що мають вільні, не пов'язані з певними атомами електронами, які здатні переміщатися по всьому об'єму тіла. Ця особливість стану металевої речовини визначає властивості металів.

Атоми металів легко віддають зовнішні (валентні) електрони, перетворюючись при цьому на позитивно заряджені нони. Віддані атомами вільні електрони безперервно хаотично, тобто безладно, переміщаються по всьому об'єму металу. Такі вільні електрони часто називають електронним газом. Позитивно заряджені іони при зіткненні з вільними електронами на деякий час можуть перетворюватися на нейтральні атоми.

Таким чином, метали складаються з упорядковано розташованих у просторі позитивно заряджених іонів, що переміщуються серед них електронів та невеликої кількості нейтральних атомів. Металами є алюміній, залізо, мідь, нікель, хром та ін.

Сплави є системи, що складаються з двох або декількох металів або металів і неметалів. Сплави мають всі характерні властивості металів. Наприклад, сталь та чавун - сплави заліза з вуглецем, кремнієм, марганцем, фосфором та сіркою; бронза – сплав міді з оловом або іншими елементами; латунь – сплав міді з цинком та іншими елементами.

У промисловості широко застосовують сплави, одержувані сплавленням складових із наступною кристалізацією з рідкого стану, значно менше - сплави, які одержують спіканням.

У процесі кристалізації з розплавленого (рідкого) стану металу або сплаву позитивно заряджені іони та нейтральні атоми групуються в строго певній послідовності, утворюючи кристалічні решітки - правильне впорядковане розташування атомів елементарному осередку. Кристалічні грати у металів і сплавів можуть бути різних типів: об'ємно-концентровані кубічні (о. ц. к.), гранецентровані кубічні (м. ц. к.), гексагональні щільноупаковані (м. п. у.). Об'ємно-концентровані кубічні грати утворюють залізо, мідь, алюміній, свинець та ін; гексагональну щільноупаковану-цинк, магній, кобальт та ін.

Для характеристики кристалічної решітки необхідно знати періоди решітки - відстань а і між центрами атомів або іонів, що знаходяться у вузлах решітки. Період ґрат вимірюється в ангстремах (1А=10 -8 см).

У процесі кристалізації позитивно заряджені іони, розташовуючись послідовно як елементарних кристалічних решіток, утворюють кристали як зерен чи дендритів. Усі метали та сплави мають кристалічну будову. Кристали, що утворюються, кристалізуються з рідкого розплаву спочатку вільно, не заважають один одному, потім вони стикаються і зростання кристалів триває тільки в тих напрямках, де є вільний доступ рідкого металу. В результаті початкова геометрично правильна форма кристалів порушується. Після затвердіння зерна та дендрити мають неправильну, геометрично спотворену форму.

При нагріванні поглинається металами тепло витрачається на коливальні рухи атомів і внаслідок цього теплове розширення металу. При плавленні обсяг металів зростає на 3-4%. З підвищенням температури коливальні рухи атомів або іонів зростають, кристалічні зерна розпадаються і сплав, проходячи через твердо-рідкий стан, перетворюється на розплав.

Перехід у рідкий стан не призводить до повного знищення кристалічної структури. У розплаві металів і сплавів завжди знаходяться дрібні ділянки, в яких зберігається початкова спадкова будова металу, близька до кристалічного. Крім того, завжди присутні тугоплавкі частинки (залишки футерування печі, домішки інших елементів), які можуть утворювати додаткові центри кристалізації та викликати початок кристалізації. На штучному створенні центрів кристалізації в розплаві з одночасним зміною швидкості охолодження засноване управління кристалізації сплаву з метою отримання заданої структури сплаву в твердому стані.

Література

1. Гуляєв А.П. Металознавство. - 5-те вид., перераб. та дод. - М: Видавництво "металургія", 1977.

2. Матеріалознавство для слюсарів-сантехніків, слюсарів-монтажників, машиністів будівельних машин: Підручник для середовищ. проф.-тих. училищ / Ю.Г.Виноградов, К.С.Орлов, Л.А.Попова. - М: Вищ. школа, 2-ге вид., 1989.

3. Матеріалознавство. Лекція 5. З.О.

4. Мойзберг Р.К. Матеріалознавство, 1991.

5. Ханапетов М.В. Зварювання та різання металів. - 3-тє вид., перероб. та дод. - М.: Будвидав, 1988.

У виготовленні машин та робочих установок, найбільш застосовуваними стали метали та їх сплави.
Метали– це речовини, які мають високу електропровідність і теплопровідність, блиск, ковкість та інші властивості, які легко і не дуже піддаються металообробці.

У промисловості всі метали та сплави ділять на дві категорії: кольоровіі чорні. Так звані чорні метали– це чисте залізо та сплави на основі його матеріалу. До кольоровим- Належать інші види металів. Для правильного вибору металу для виготовлення конструкцій механізмів з подальшим аналізом її використання, механічних та інших властивостей, які впливають на надійність та працездатність машин – потрібно знати внутрішню будову, механічні, фізико-хімічні та технологічні властивості, а також яким методом робити обробку металу та потребує чи матеріал у різанні металу (якщо матеріал потрібно обробити різкою, то краще це зробити за допомогою плазмового різання металу).

У твердому стані всі метали та сплави мають кристалічну будову. Молекули металів (атоми, іони) у просторі розташовуються у строго певному порядку і між собою утворюють кристалічні ґрати.
Утворюється кристалічні грати у вигляді обробки металу , тобто. переходу його стану з рідкого до твердого. Такий процес має назву - кристалізація. Вперше ці процеси були вивчені вченим із Росії - Д.К. Чорновим.

Процес кристалізації :
Сам процес складається із двох частин. У металу, що у рідкому стані, атоми безперервно рухаються. Якщо знизити температуру, то швидкість пересування атомів зменшується, вони зближуються і групуються в кристали (тому щоб змінити форму і структуру вироби, його піддають металообробці з допомогою нагрівання) – це частина, у ній утворюються центри кристалізації.
Потім відбувається зростання навколо центрів кристалізації – це вже друга частина процесу. На самому початку зростання кристалів протікає вільно, але потім, зростання одних – заважає зростанню іншим, у результаті формується неправильна формагрупи кристалів, що називаються зернами. Розмір отриманих зерен значно впливає на подальшу металообробку виробів. Метал, що складається з великих зерен - має низьку опірність до удару, якщо виробляється різання металу, то з'являється труднощі в отриманні низької шорсткості на поверхні такого металу. Розміри зерен залежать від умов кристалізації та властивостей самого металу.

Способи вивчення металевої структури :
Дослідження структури металів і сплавів проводиться у вигляді макро і мікро – аналізів, і навіть іншими способами. За допомогою макро-аналізу вивчається будова металу, яку можна побачити неозброєним оком або за допомогою лупи. Ця структура визначається за макрошліфами або зламами. Макрошліф– це зразок металу, одна із сторін якого травлена ​​кислотою та відшліфована.
При мікро-аналізі вивчається розміри та форми зерен, їх структурні складові, виявляють мікродефекти та якість термічної обробки металу. Цей аналіз проводиться по мікрошліфа за допомогою мікроскопа. Мікрошліф- це якийсь зразок металу, який має плоску поверхню, що відполірована, травлену слабким розчином кислоти.

Властивості металів :
Металеві властивості поділяються на фізико-хімічні, технологічні та механічні. Під механічними властивостями розуміється опір металу до впливу нього зовнішньої сили. До механічних властивостей відносяться в'язкість, міцність, стійкістьта інші.
Міцність– це властивості металу у певних умовах не руйнуватись, але сприймати вплив зовнішніх сил. Ця властивість є важливим показником при виборі методу обробки металу.
В'язкість- Опір матеріалу при ударному навантаженні.
Твердість– властивості матеріалу до опору застосування нього іншого материала.

До основних технологічних властивостей відносяться - ковкість, зварюваність, властивості плавлення, оброблюваність різаннямта інші.
Ковкість– це властивості матеріалу піддаватися металообробці куванням та іншим методам обробки тиском.
Зварюваність- властивості матеріалу створювати міцні зварні з'єднання.
Властивості плавлення- властивості матеріалу в розплавленому вигляді заповнювати ливарні форми та створювати щільні виливки з необхідною конфігурацією.
Оброблюваність різанням– властивості матеріалу піддаватися різанню металу для того, щоб надати деталі потрібну форму, розмір та шорсткість поверхні. Найкращим методомрізання металів є плазмове різання металу. Після цього процесу металу практично не потребує подальшої металообробки.
Для того, щоб отримувати якісний виріб із гарною зовнішньою та внутрішньою будовою, потрібно добре розбиратися у будові металів, адже тільки так можна отримати відмінний результат.

Більшість сплавів одержують сплавленням компонентів у рідкому стані. Компоненти, з яких складаються сплави, у твердому стані можуть по-різному взаємодіяти один з одним, утворюючи механічні суміші, тверді розчини та хімічні сполуки.

Механічна суміш двох компонентів утворюється тоді, коли вони у твердому стані не розчиняються один в одному і не вступають у хімічну взаємодію. Сплави – механічні суміші (наприклад, свинець-сурма, олово-цинк) неоднорідні за своєю структурою і є сумішшю кристалів даних компонентів. При цьому кристали кожного компонента сплаву повністю зберігають свої індивідуальні властивості. Ось чому властивості таких сплавів (наприклад, електроопір, твердість та ін) визначаються як середнє арифметичне від величини властивостей обох компонентів.

Сплави – тверді розчини характеризуються утворенням загальної просторової кристалічної решітки атомами основного металу-розчинника та атомами розчинного елемента. Структура таких сплавів складається з однорідних кристалічних зерен, подібно до чистого металу. Існують тверді розчини заміщення (міднонікелеві, залізохромисті та ін. сплави) та тверді розчини впровадження (наприклад, розчин заліза та вуглецю) (рис. 5).

Сплави – тверді розчини є найпоширенішими. Їхні властивості відрізняються від властивостей складових компонентів. Так, наприклад, твердість та електроопір у твердих розчинів значно вищі, ніж у чистих компонентів. Завдяки високій пластичності вони добре піддаються куванню та іншим видам обробки тиском. Оброблюваність різанням у твердих розчинів низькі.

Хімічні сполуки, подібно до твердих розчинів, є однорідними сплавами. Важливою особливістю їх є те, що при затвердінні утворюється зовсім нова кристалічна решітка, відмінна від ґрат складових сплав компонентів. Тому властивості хімічної сполуки самостійні і залежить від властивостей компонентів. Хімічні сполуки утворюються при певному кількісному співвідношенні сплавлюваних компонентів. Склад сплаву хімічної сполуки виражається хімічною формулою. Ці сплави мають зазвичай високий електроопір, великий твердістю, малою пластичністю. Так, хімічна сполука заліза з вуглецем – цементит (Fe 3 C) твердіша за чистий залізо в 10 разів.

Кристалізація сплавів

Сплави мають складнішу структуру, ніж прості метали. У зв'язку з цим процеси кристалізації сплавів протікають значно складніше металів.

Сплави на відміну від чистих металів при твердінні або плавленні мають не одну, а дві критичні точки - температури, при яких у металах чи сплавах відбуваються якісь перетворення (рис. 6).

Для полегшення вивчення сплавів їх поєднують у системи.

До систем відносяться всі ті сплави, які складаються з тих самих компонентів і відрізняються один від одного лише кількісним співвідношенням цих компонентів, тобто концентрацією. Так, наприклад, до системи сплавів свинець-сурма ставляться всі сплави, що складаються з свинцю і сурми і відрізняються один від одного лише кількісним складом цих компонентів.

Кількість сплавів однієї системи, але різної концентрації настільки велика, що вивчати по кривим охолодження або нагрівання всі перетворення, що відбуваються в кожному з них, практично неможливо, та й нераціонально. Для вивчення стану сплавів обраної системи в залежності від температури та концентрації будують діаграму стану.

У речовин у твердому стані будова кристалічна або аморфна. У кристалічній речовині атоми розташовані за геометрично правильною схемою і на певній відстані один від одного, а в аморфному (склі, каніфолі) атоми розташовані безладно.

У всіх металів та їх сплавів будова кристалічна. на рис.12показано структуру чистого заліза. Кристалічні зерна невизначеної формине схожі на типові кристали – багатогранники, тому їх називають кристаллітами, зернамиабо гранулами. Проте будова кристаллітів так само закономірно, як і в розвинених кристалів.

Рис.12. Мікроструктура чистого заліза (х – 150)

Види кристалічних грат . При затвердінні атоми металів утворюють геометрично правильні системи, які називаються кристалічними ґратами. Порядок розташування атомів у ґратах може бути різним. Багато найважливіших металів утворюють грати, найпростіші (елементарні) осередки яких представляють форму центрованого куба (  - І  - Залізо, хром, молібден, вольфрам, ванадій, марганець), куба з центрованими гранями (  - залізо, алюміній, мідь, нікель, свинець) або гексагональну, як у шестигранної призми, комірку (магній, цинк,  - титан,  - Кобальт).

Елементарний осередокповторюється безперервно у трьох вимірах, утворюючи кристалічну решітку, тому положення атомів в елементарному осередку визначає структуру всього кристала.

Елементарний осередок центрованого куба ( рис.13) складається з дев'яти атомів, з яких вісім розташовані по вершинах куба, а дев'ятий – у його центрі.

Рис.13.Елементарний осередок Рис.14.Частина просторової решіт-

центрованого куба центрованого куба

Для характеристики кристалічних ґрат (атомної структури кристала) застосовують просторові ґрати, Що є геометричною схемою кристалічної решітки і складається з точок (вузлів), закономірно розташованих в просторах.

Рис.15.Елементарний осередок куба Рис.16.Частина просторової ре-

із центрованими гранями шетки куба із центрованими

на Мал.14 наведено частину просторових ґрат центрованого куба. Тут взято вісім суміжних елементарних осередків; вузли, розташовані по вершинах і в центрі кожного осередку, відзначені кружками. Елементарний осередок куба з центрованими гранями ( рис.15) Складається з 14 атомів, з них 8 атомів розташовані по вершинах - куба і 6 атомів - по граням.

на рис.16наведено частину просторових грат куба з центрованими гранями (гранецентрованого куба). На схемі є вісім елементарних осередків; вузли розташовані по вершинах та по центрах граней кожного осередку. Гексагональний осередок ( рис.17) складається з 17 атомів, з них 12 атомів розташовані по вершинах шестигранної призми, 2 атоми - в центрі основ і 3 атоми - всередині призми. Для вимірювання відстані між атомами кристалічних ґрат користуються спеціальною одиницею, званою ангстремомдив.

Рис.17.Гексагональний осередок

Параметр грат (сторона або шестигранника) у міді 3,6 А, а алюмінію 4,05 А, цинку 2,67 А і т. д.

Кожен атом складається з позитивно зарядженого ядра і декількох шарів (оболонок) негативно заряджених і електронів, що рухаються навколо ядра. Електрони зовнішніх оболонок атомів металів валентнимилегко відщеплюються, швидко рухаються між ядрами і називаються вільними. Внаслідок наявності вільних електронів атоми металів є позитивно зарядженими іонами.

Таким чином, у вузлах грат, позначених кружками рис.14і 16 , знаходяться позитивно заряджені іони Іони, однак, не перебувають у спокої, а безперервно коливаються положення рівноваги. З підвищенням температури амплітуда коливань збільшується, що викликає розширення кристалів, а при температурі плавлення коливання частинок посилюються настільки, що кристалічні грати руйнуються.

У всіх кристалах спостерігаються невеликі відхилення від ідеальної решітки - незайняті вузли та різного роду зміщення атомів.

Анізотропність та спайність кристалів . В окремих кристалах властивості різні у різних напрямках. Якщо взяти великий кристал (існують лабораторні і навіть виробничі методи вирощування великих кристалів) вирізати з нього кілька однакових за розміром, але по-різному орієнтованих зразків, і випробувати їх властивості, то іноді спостерігається дуже значна різниця у властивостях між окремими зразками. Наприклад, при випробуванні зразків, вирізаних з кристала міді, відносне подовження змінювалося в межах від 10 - 50%, а межа міцності від 14 до 35 кг/мм 2 для різних зразків. Цю властивість кристалів називають анізотропністю. Анізотропність кристалів пояснюється особливостями розташування атомів у просторі.

Наслідком анізотропності кристалів є спайністьяка виявляється при руйнуванні. У місцях зламу кристалів можна спостерігати правильні площини, що вказують на зміщення частинок під впливом зовнішніх сил не безладне, а правильними рядами, у певному напрямку, відповідно до розташування частинок у кристалі. Ці площини називаються площинами спайності.

Аморфні тіла ізотропні, тобто всі їхні властивості однакові в усіх напрямках. Злам аморфного тіла завжди має неправильну викривлену, так звану, раковисту поверхню.

Метали, що затверділи у звичайних умовах, складаються не з одного кристала, а з безлічі окремих кристалітів, по-різному орієнтованих один до одного, тому властивості литого металу приблизно однакові у всіх напрямках; це явище називають квазіізотропністю(Здається ізотропністю).

Алотропія металів (або поліморфізм) - їхня властивість перебудовувати грати при певних температурах у процесі нагрівання або охолодження. Алотропію виявляють всі елементи, що змінюють валентність при зміні температури: наприклад, залізо, марганець, нікель, олово та ін. Кожне алотропічне перетворення відбувається за певної температури. Наприклад, одне з перетворень заліза відбувається при температурі 910°С, нижче за яку атоми складають грати центрованого куба (див. рис.14), а вище - ґрати гранецентрованого куба (див. рис.16).

Та чи інша структура називається алотропічною формою чи модифікацією. Різні модифікації позначають грецькими літерами  ,  ,  і т. д., причому буквою  позначають модифікацію, що існує при температурах нижче першого алотропічного перетворення. Алотропічні перетворення супроводжуються віддачею (зменшенням) чи поглинанням (збільшенням) енергії.

Кристалізація металів . Кристалізацією називається утворення кристалів у металах (і сплавах) при переході з рідкого стану в твердий ( первинна кристалізація). Перекристалізації з однієї модифікації в іншу при остиганні еатверділого металу називають ( вторинною кристалізацією). Процес кристалізації металу найлегше простежити за допомогою лічильника часу і термоелектричного пірометра, який є мілівольтметром, підключеним до термопари. Термопару (два різнорідні дроти спаяні кінцями) занурюють у розплавлений метал. Термострум, що виникає при цьому, пропорційний температурі металу і стрілка мілівольтметра відхиляється, вказуючи цю температуру за градуйованою шкалою.

Показання пірометра автоматично записуються в часі та за отриманими даними будують криві охолодження в координатах «температура – ​​час» (такі криві викреслює самописець).

Температура, що відповідає будь-якому перетворенню в металі, називається критичною точкою.

на рис.18, анаведено криву нагрівання металу. Тут крапка а- Початок плавлення, точка b- Закінчення плавлення.

Рис.18.Криві нагрівання ( а) та охолодження ( б- без петлі,

в- з петлею) металу

Ділянка аbвказує на незмінність температури в часі при нагріванні, що триває. Це показує, що теплова енергія витрачається на внутрішнє перетворення на металі, у разі. на перетворення твердого металу на рідкий (прихована теплота плавлення).

Перехід з рідкого стану в твердий при охолодженні супроводжується утворенням кристалічних ґрат, тобто кристалізацією. Щоб викликати кристалізації, рідкий метал потрібно переохолодититрохи нижче за температуру плавлення. Тому майданчик на кривій охолодження ( рис.19,6) знаходиться трохи нижче t плпри температурі переохолодження t пр .

У деяких металів переохолодження ( t пл - t пр) може виявитися дуже значним (наприклад, у сурми до 40 ° С) і при температурі переохолодження t пр (Мал.18 , в) відразу бурхливо починається кристалізація, внаслідок чого температура стрибком підвищується майже до t пл. В цьому випадку на графіку викреслюється петля теплової гістерези.

При затвердінні та при алотропічному перетворенні в металі спочатку виникають зародки кристала (центри кристалізації), навколо яких групуються атоми, утворюючи відповідну кристалічну решітку.

Таким чином, процес кристалізації складається з двох етапів: утворення центрів кристалізації та зростання кристалів.

У кожного з кристалів, що виникають, кристалографічні площини орієнтовані випадково, крім того, при первинній кристалізації кристали можуть повертатися, так як вони оточені рідиною. Суміжні кристали ростуть назустріч один одному і точки їхнього дотику визначають межі кристалітів (зерен).

Кристалізація заліза. Розглянемо як приклад кристалізацію та критичні точки заліза.

Рис.19. Криві охолодження та нагрівання заліза

на рис.19наведено криві охолодження та нагрівання чистого заліза, яке плавиться при температурі 1539 0 С. Наявність критичних точок при менших температурах вказує на алотропічні перетворення у твердому залозі.

Критичні точки позначаються буквою А, при нагріванні позначають Аcта при охолодженні Arіндекси 2, 3, 4 служать для відмінності алотропічних перетворень (індекс 1 означає перетворення на діаграмі стану Fe - Fe 3 C.

При температурах нижче 768 0 С залізо є магнітним і має кристалічну решітку центрованого куба. Цю модифікацію називають  -Залізо; при нагріванні вона у точці Ас 2 переходить у немагнітну модифікацію  -Залізо. Кристалічна структура у своїй не змінюється.

У точці Ас 3 при температурі 910 0 С  -Залізопереходить у  -Залізоз кристалічними гратами гранецентрованого куба.

У точці Ас 4 при температурі 1401 0 С  -Залізопереходить у  -Залізо, причому кристалічні грати знову перебудовується з гранецентрованого куба в центрований куб.

При охолодженні відбуваються самі переходи, лише у зворотній послідовності.

З перерахованих перетворень найбільше практичне значеннямають перетворення А 3 як при нагріванні ( Ас 3 ), і при охолодженні ( Аr 3 ).

Перетворення на точці А 3 супроводжується зміною об'єму, оскільки щільність кристалічних ґрат  -залізабільше щільності решітки  -заліза, у точці Ас 3 обсяг зменшується, у точці Ar 3 - Збільшується.

§ 2. Будова металів та сплавів та методи його вивчення

Кристалічна будова металів. Вивченням внутрішньої будови та властивостей металів та сплавів займається наука, звана металознавством.

Усі метали та сплави побудовані з атомів, у яких зовнішні електрони слабо пов'язані з ядром. Електрони заряджені негативно і якщо створити незначну різницю потенціалів, то електрони попрямують до позитивного полюса, утворюючи електричний струм. Цим і пояснюється електропровідність металевих речовин.

Усі метали та сплави у твердому стані мають кристалічну будову. На відміну від некристалічних (аморфних) тіл, у металів атоми (іони) розташовані в строго геометричному порядку, утворюючи просторові кристалічні грати. Взаємне розташування атомів у просторі та відстані між ними встановлюються рентгеноструктурним аналізом. Відстань між вузлами в кристалічній решітці називається параметром ґрат і вимірюється в ангстремах Å (10 -8 см). Параметри грат різних металів коливаються від 2,8 до 6 Å (рис. 23).

а - кубічна об'ємноцентрована; б - кубічна гранецентрована; в-гексагональна

Для наочного уявлення розташування атомів в кристалі використовують просторові схеми як елементарних кристалічних осередків. Найбільш поширеними типами кристалічних ґрат є кубічна об'ємноцентрована, кубічна гранецентрована і гексагональна.

У кубічних об'ємноцентрованих ґратах розташовано дев'ять атомів. Такі грати мають хром, вольфрам, молібден, ванадій і залізо при температурі до 910°.

У кубічних гранецентрованих гратах розташовано 14 атомів. Такі ґрати мають: мідь, свинець, алюміній, золото, нікель та залізо при температурі 910—1400°С.

У гексагональних щільноупакованих ґратах розташовано 17 атомів. Такі грати мають: магній, цинк, кадмій та інші метали.

Взаємне розташування атомів у просторі, кількість атомів у решітці та міжатомні простори характеризують властивості металу (електропровідність, теплопровідність, плавність, пластичність тощо).

Відстань між атомами в кристалічній решітці може бути різним у різних напрямках. Тому й властивості кристала з різних напрямів не однакові. Таке явище називається анізотропією. Усі метали — кристалічні тіла, тому вони є тілами анізотропними. Тіла, у яких властивості у всіх напрямках однакові, називаються ізотропними.

Шматок металу, що складається з безлічі кристалів, має в середньому властивості, однакові у всіх напрямках, тому він називається квазіізотропним (уявна ізотропність).

Анізотропність має велике практичного значення. Наприклад, шляхом кування, штампування, прокатки в деталях отримують правильну орієнтацію кристалів, внаслідок чого вздовж і впоперек деталі досягаються різні механічні властивості. За допомогою холодної прокатки досягають високих магнітних та електричних властивостей у певному напрямку деталі.