Етали, як і всі оточуючі нас тіла, складаються з окремих невидимих навіть найсильніший мікроскоп частинок, званих атомами. Але атоми у свою чергу побудовані з ще дрібніших частинок: протонів, електронів і нейтронів. Протони і електрони мають електричні заряди: протон - позитивний заряд, а електрон - негативний, нейтрон не має ніякого електричного заряду.
Якщо два протони «знаходяться близько, вони відштовхуються один від одного, оскільки вони заряджені однойменною електрикою. Так само поводяться і два електрони. Навпаки, протон і електрон притягуються один до одного, причому сили взаємного тяжіння протона і електрона рівні між собою, тобто протон має елементарний електричний заряд, рівний заряду електрона.
Атом у нормальному стані, тобто коли він містить однакову кількість протонів та електронів, не має електричного заряду. Але бувають такі стани атома, коли він набуває чи втрачає електрони. Тоді атом стає електрично зарядженим. При надлишку електронів атом заряджений негативною електрикою, а за нестачі електронів він заряджений позитивною електрикою. Ось такі атоми, у яких є надлишок чи нестача електронів, називаються іонами.
Які ж розташовуються елементарні частки в атомі?
Нині вважають, що атом побудовано так. Протони і нейтрони становлять ядро, що у центрі атома. Навколо ядра звертаються електрони, що утворюють електронну оболонку атома. У кожному атомі кількість електронів дорівнює кількості протонів.
Електрони в електронній оболонці розташовані шарами. У кожному шарі може поміститися лише певна кількість електронів. Перший шар, що оточує безпосередньо ядро, може вмістити лише два електрони, другий шар - 8, третій - від 8 до 18 електронів. Кожен новий шар електронів при переході від одного атома до іншого утворюється звичайно після заповнення внутрішнього шару, що прилягає до ядра.
Наприклад, ядро атома натрію, як встановлено, має 11 протонів, а його 11 електронів розподілено у трьох оболонках: у першій - 2, у другій - 8 та у третій -
1 електрон. Ядро атома рубідія містить 37 протонів і оточене 37 електронами, які розташовані в п'яти оболонках: у першій - 2, у другій - 8, у третій-18, у четвертій - 8, у п'ятій - 1 електрон. Ще складніша будова має атом урану. Його ядро містить 92 протони, а в електронній оболонці є 92 електрони.
Протон і нейтрон майже однакові за вагою, а електрон майже в 1840 разів легший за протон. Отже, переважна більшість атома міститься у його ядрі. Чим більша кількість нейтронів і протонів міститься в ядрі, тим більшу вагу має атом.
Вага атома, наприклад, у грамах висловлювати дуже незручно: потрібно було писати десятки нулів після коми. Тому ввели поняття про відносну вагу атомів, про атомну вагу. Спочатку за одиницю було прийнято атомну вагу водню; з ним порівнювали атомні ваги всіх інших елементів.
Струнку систему хімічних елементів створив великий російський хімік Д. І. Менделєєв у 1869 році, на основі відкритого ним періодичного закону.
Сутність закону Менделєєва у тому, що це хімічні елементи, розташовані одне одним у порядку зростання атомних ваг, утворюють ряд, у якому хімічні властивості елементів через певну кількість елементів періодично повторюються.
Д. І. Менделєєв розташував хімічні елементи в своїй таблиці так, що елементи, поміщені в одних і тих же вертикальних стовпцях, мають подібні хімічні властивості. Знаючи місце елемента у таблиці, можна визначити більшість хімічних властивостей елемента та його сполук. Кожен хімічний елемент у таблиці Менделєєва має порядковий номер. Його тепер називають числом Менделєєва. Цей номер вказує кількість протонів у ядрі. В ті самі вертикальні стовпці таблиці потрапляють атоми з однаковим числом електронів у зовнішній оболонці.
Залежно від числа електронів у зовнішній оболонці змінюються хімічні та фізичні властивості елемента.
Атоми одного і того ж елемента, що відрізняються один від одного лише числом нейтронів у ядрі, називаються ізотопами. "Ізотоп" - грецьке слово. Воно означає «що займає одне й те саме місце». Ізотопи кожного елемента розташовуються в одній і тій же клітині таблиці Менделєєва, оскільки заряд ядра (кількість прогонів) в ізотопів одного й того самого елемента однаковий. Метали на відміну рідких і газоподібних тіл у звичайних умовах є кристалічними тілами. Кристал – це правильна фігура, обмежена плоскими поверхнями.
Внутрішню будову кристалів нині вивчено досить добре за допомогою рентгенівських променів. Висвітлюючи ними кристали, отримують рентгенограму, тобто картину на фотопластинці, за якою визначають розташування атомів у кристалічній решітці та відстані між ними. Рентгенограми показали, що іони металів «укладаються» в кристалі приблизно так, як розташовуються в ящику тверді кулі.
Атоми різних металів утворюють різні кристалічні решітки. Найчастіше зустрічаються три типи ґрат.
Перший тип - кубічні об'ємноцентровані грати (рис. 1). Атоми металу в таких ґратах знаходяться у вершинах та центрі куба. Кожен атом оточений
Вісім атомів. Такі грати мають метали ванадій, вольфрам, молібден, літій, хром та інші.
Другий тип грати - кубічна гранецентрована - іая (рис. 2). Атоми металу у ній розташовані по вершинах граней куба. Такі грати мають, наприклад, алюміній, свинець, золото, срібло, нікель, торій.
Третій тип - гексагональні (шестикутні) щільно упаковані грати (рис. 3). Вона зустрічається у цинку, магнію, кадмію, берилію.
На рис. 1-3 атоми умовно зображені як кульок. Залежно від типу ґрат атоми займають у ній більше або менше місця. Наприклад, у кубічних об'ємноцентрованих гратах атоми займають 68% простору, а в кубічних гранецентрованих-74%.
Розташування атомів в кристалічній решітці дуже впливає на властивості металу.
У деяких металів кристалічні грати можуть перебудовуватися з одного типу до іншого. Наприклад, чисте залізо при температурах нижче 910° має кубічну
об'ємноцентровані грати, а вище 910° грати стає гранецентрованим. Властивістю змінювати кристалічну решітку мають такі метали, як олово, уран, титан, талій, цирконій, лантан, церій.
Властивість речовин утворювати ґрати різної форми називають алотропією; у перекладі з грецької
Мова це слово означає "інший поворот", "інша властивість". Загальновідома алотропія у кристалічного вуглецю. Він може бути у вигляді графіту і у вигляді алмазу. Графіт та алмаз побудовані з атомів вуглецю; відмінність їх лише у будові кристалічної решітки. А яка величезна різниця у властивостях! Графіт - м'який,
Непрозорий мінерал чорного кольору, алмаз, навпаки, прозорий, безбарвний і твердий.
Атоми в кристалічній решітці металів розташовані настільки близько один до одного, що їх зовнішні електрони мають можливість рухатися не тільки навколо одного атома, а й навколо багатьох атомів. Отже, зовнішні електрони, що розподіляються у металі рівномірно, вільно переміщаються по всьому шматку металу, утворюючи своєрідний електронний газ.
Таким чином, будь-який метал є гратами з правильно розташованих позитивних іонів, заповненими електронним газом. Висока міцність металів і пояснюється наявністю електронного газу, що обволікає всі іони, перетворюючи металевий кристал як би на одне ціле.
Іони, що знаходяться в певних місцях (вузлах) кристалічних ґрат, можуть здійснювати, однак, рух - коливання. У ненагрітому металі коливання іонів уповільнені, у нагрітому - іони зазнають сильного коливання. Що температура, то сильніше розгойдуються іони. Нарешті, настає момент, коли сили взаємодії вже не можуть утримати іони у вузлах кристалічних ґрат і вона руйнується; метал із твердого стану переходить у рідкий. Це і є температура плавлення.
Якщо два розплавлені метали ретельно перемішати, то після затвердіння вийде сплав цих металів. Сплави виходять і при сплавленні металу з неметалом, наприклад заліза з вуглецем, алюмінію з кремнієм і т. д. . Сплав є також кристалічним тілом.
Будова сплавів може бути по-різному. Складові частини сплаву можуть утворити або механічну суміш, або твердий розчин, або хімічну сполуку. Але є сплави, в яких є одночасно механічні суміші, і тверді розчини, і хімічні сполуки.
Механічна суміш виходить у тому випадку, коли складові не взаємодіють хімічно, а знаходяться у сплаві у вигляді самостійних дрібних кристалів.
Ліков. Їх можна спостерігати під час розгляду відполірованої поверхні мікроскоп. Механічні суміші утворюються, наприклад, при сплавленні свинцю з сурмою, вісмуту з кадмієм та ін.
Кожен знає розчин цукру чи кухонної солі в иоде. Розчиняючи цукор або кухонну сіль у воді, можна отримати однорідну речовину - рідкий розчин. У склянці води можна розчинити різну кількість цукру
Виявляється, що подібні однорідні системи змінного складу утворюються у твердих тілах. Їх називають твердими розчинами. Вони атоми розчиненої речовини і розчинника «розсіяні», перемішані між собою. У кристалічній решітці речовини, яка є розчинником, деякі його атоми заміняються атомами розчиненої речовини (рис. 4). Такі розчини називаються твердими розчинами заміщення. Їх утворюють при сплавленні, наприклад, метали мідь та нікель, залізо та хром, золото та мідь, срібло та золото, мідь та платина та ін.
Заміщення одних атомів іншими в кристалічній решітці відбувається в тому випадку, якщо атоми металу, що розчиняється, близькі за своїми розмірами атомам розчинника. Якщо різниця у розмірі атомів перевищує 15%, твердий розчин заміщення утворитися не може.
За дуже великої різниці у розмірах атомів утворюються тверді розчини застосування. Вони найчастіше виходять тоді, коли метал розчиняє у собі неметалеві елементи, атоми яких значно менше атомів металу. Найпоширенішим металом, побудованим на кшталт твердих розчинів застосування, є метал заліза з вуглецем; цей метал називається сталлю. При утворенні твердого розчину впровадження атоми елемента, що впроваджується, розташовуються
у проміжках кристалічних ґрат між атомами розчинника. Кристалічна решітка твердого розчину застосування показана на рис. 5.
А чи можна багато розчинити одного металу в іншому? Необмежена розчинність притаманна далеко не всім металам. У міді, наприклад, може розчинитися скільки завгодно нікелю, так само і в нікелі можна розчинити будь-яку кількість міді. Розчинником вважають той метал, якого більше у сплаві за вагою.
Багато металів мають обмежену розчинність. Наприклад, в алюмінії можна розчинити трохи більше 5,5% міді за вагою. При більшій кількості мідь перебуває у сплаві як окремих нераст - ворённых частинок. Чим вище температура твердого розчину, тим більше міді можна розчинити в алюмінії (але не більше 5,5%).
Яка природа цих частинок? Виявляється - це не чиста мідь, а її хімічне з'єднання з алюмінієм. Надлишок міді у сплаві взаємодіє з алюмінієм хімічно. Кристаліки будь-якої хімічної сполуки у сплаві мають цілком певний склад. Так, наприклад, при утворенні хімічних сполук: заліза з вуглецем, званого карбідом заліза, три атоми заліза хімічно пов'язані з одним атомом вуглецю; алюмінію з міддю-два атоми алюмінію з'єднані з одним атомом міді. Для утворення карбідів вольфраму або ванадію потрібно, щоб співвідношення атомів цих металів і атомів вуглецю дорівнювало 1: 1, а в карбіді 23 хрому атома хрому взаємодіють з шістьма атомами вуглецю.
Кристалічні ґрати хімічних сполук дуже складні. При сильному розігріванні сплаву кристали хімічних сполук можуть розчинятися в твердих хімічних сполук.
Будинок розчині сплаву, а при зниженні температури нагрівання утворюватися знову.
Сплави, що застосовуються у техніці, мають складний хімічний склад. Високоміцні сталі, наприклад, мають у своєму складі до десятка різних хімічних елементів. Чим складніший склад і будова сплаву, тим різноманітніше його властивості.
Рідкісні метали, що вводяться до складу сталей і сплавів, покращують їхню якість, докорінно змінюють початкові властивості сплавів, оскільки вони часто утворюють кристали хімічних сполук, що зміцнюють твердий розчин.
Металурги користуються рідкісними металами для того, щоб виплавлені сталі і сплави були більш міцні, більш тверді, мали потрібну пластичність, пружність, жаростійкість, хімічну стійкість і т. д. Про те, які це властивості і як вони змінюються при додатку рідкісних металів, буде розказано нижче.
Внутрішньою будовою металівназивається будова та взаємне розташування їх атомів, а також більша структура, видима в мікроскоп або неозброєним оком.
Метали за внутрішньою будовою є сукупністю нейтральних атомів, позитивно або негативно заряджених іонів і вільних електронів, що утворюють так званий «електронний газ». Наявність «електронного газу» обумовлює високу електро- та теплопровідність металів, а взаємозв'язок вільних електронів між собою та з іонами створює міцний зв'язок, званий металевим. Специфіка металевого зв'язку робить метали пластичними (ковкими).
Крім природи атомів на властивості металів впливають характер зв'язку між атомами, відстань між ними та порядок їх розташування.
Усі метали у твердому стані мають кристалічну будову, тобто. їх атоми (іони) розташовані в строгому порядку, що періодично повторюється, утворюючи в просторі атомно-кристалічну решітку (на противагу аморфним твердим тілам, атоми яких розташовані в просторі хаотично).
Порядок розташування атомів у різних металів неоднаковий. Зазвичай він визначається простими характерними більшість металів (рис. 6) чи складними кристалічними гратами. Лінії на рис. 6 умовні Атоми насправді коливаються біля положень рівноваги, тобто у вузлах кристалічних ґрат. Відстань між атомами в кристалічній решітці вимірюється в ангстремах (1 = 10 -9 нм). Більшість металів відстань між атомами перебуває у межах 0,28-0,8 нм.
Рис 6. Порядок розташування атомів у простих ґратаха- об'ємнаяцентрованої кубічної (9 атомів), б - гранецентрованої кубічної (14 атомів), в - гексагональної щільноупакованої (17 атомів)
Найменший обсяг кристала, що дає уявлення про атомну структуру металу у всьому обсязі, називається елементарним кристалічним осередком.
Одержувані звичайним способом метали є полікристалічні тіла, що складаються з безлічі елементарних осередків, орієнтованих відносно один одного різним чином. Осередки мають неправильну форму і називаються кристаллітами, або зернами. Якщо поєднання елементарних осередків правильне, за розташуванням атомів повторює елементарну комірку, то тіло, що утворилося, називається монокристалом.
Металеві сплави, як і метали, мають кристалічну будову. При цьому залежно від взаємодії компонентів вони поділяються на тверді розчини, хімічні сполуки та механічні суміші.
Тверді розчини утворюються тоді, коли при сплавленні атоми одного елемента в різних кількостях входять до кристалічних грат іншого елемента, не змінюючи значною мірою її форми. Елемент, що зберіг форму своїх ґрат, називається розчинником, а елемент, атоми якого увійшли в цю решітку, - розчиненим. За розміщенням атомів розчиненого елемента у решітці розчинника розрізняють тверді розчини заміщення(атоми розчиненого елемента розташовуються у вузлах решітки розчинника) та тверді розчини застосування(Атоми розчиненого елемента знаходяться між атомами розчинника і вузлами його решітки).
Якщо компоненти, що входять до складу твердого розчину заміщення, мають близьку будову решіток і атомів, то такі елементи можуть утворювати безперервний ряд твердих розчинів, тобто кількість заміщених атомів може змінюватися від 0 до 100 %.
При цьому вважається, що розчинником є той елемент, вміст якого у сплаві понад 50%.
Розчини застосування утворюються елементами, що сильно відрізняються будовою решітки та розмірами атомів.
Тверді розчини є гомогенними (однорідними) сплавами, тому що їх структура є однаковими за складом і властивостями зерна. Властивості твердих розчинів значною мірою можуть відрізнятися від властивостей компонентів, що входять до нього. Всі метали тією чи іншою мірою можуть розчинятися один в іншому, утворюючи тверді розчини.
Хімічні сполукиутворюються при хімічній взаємодії атомів компонентів сплаву, що супроводжується значним тепловим ефектом. При цьому кристалічна решітка хімічної сполуки та всі її властивості можуть різко відрізнятися від решітки та властивостей компонентів. На відміну від твердих розчинів, хімічні сполуки зазвичай утворюються між компонентами, що мають велику відмінність в електронній будові атомів. Типовими прикладами хімічних сполук є сполуки магнію з оловом, свинцем, сурмою, вісмутом, сіркою, селеном, телуром та ін. За своєю структурою вони гомогенні.
Хімічні сполуки металів називаються інтерметалевими(інтерметалідами), а сполуки металів з неметалами (нітридами, гідридами, боридами, карбідами), що володіють металевим зв'язком, - металевими сполуками.
Механічні сумішіутворюються тоді, коли при затвердінні розплаву атоми його компонентів не перемішуються, а кристалізуються в характерну решітку. Структура таких сплавів гетерогенна (неоднорідна) і є сумішшю кристалів компонентів сплаву, що зберегли свою структуру.
Мал. 7. Криві охолодження аморфного ( а), кристалічного тіла (б)та металів (в),де t до tп - температура кристалізації та переохолодження, °C; (T 1 -T 2) – час кристалізації, с.
Будова кристалічного тіла обумовлює наступні особливі їх властивості порівняно з аморфними:
§ відмінність властивостей монокристалів у різних напрямках, тобто анізотропність, або векторіальність, властивостей;
§ наявність площин ковзання, додаток зовнішніх сил призводить до ковзання (зсуву) однієї площини щодо іншої;
§ існування критичної температури при твердінні або плавленні, при якій відбувається перехід з рідкого (розплавленого) стану в твердий або навпаки.
Перехід металу з рідкого стану в тверде називається кристалізацією, та якщо з твердого в рідке - плавленням. Якщо утворення кристалів походить з рідини при її охолодженні, цей процес називається первинною кристалізацією, якщо утворення кристалів йде в твердому стані тіла, - вторинною кристалізацією.
p align="justify"> Процеси кристалізації графічно зображують кривими, що будуються в координатах температура - час (рис. 7).
Явище переохолодження в металі, що кристалізується, пояснюється тим, що в період затвердіння відбувається різке зниження рухливості атомів, внаслідок чого стрибкоподібно змінюється його внутрішня енергія. Це супроводжується виділенням тепла, яке підігріває рідку ванну та деякий час (T 1-Т 2)утримує її температуру постійної, поки рідина повністю закристалізується.
Ступінь переохолодження тим більше, чим більша швидкість охолодження.
Російський учений-металург Д. К. Чернов у 1878 р. встановив, що процес кристалізації складається з кількох стадій. Перша стадія – утворення зародків (центрів) кристалізації. На наступних стадіях із цих центрів утворюються дендрити (деревоподібні утворення), які, зростаючись, утворюють зерна (кристаліти). При цьому вони не мають правильної геометричної форми, тому що в місцях зіткнення кристалів, що ростуть, зростання граней припиняється.
Величина зерна металу - найважливіша характеристика, що визначає всі його основні властивості. Дрібнозернистий метал має більш високі характеристики твердості, міцності, ударної в'язкості, але в нього знижена електропровідність, гірші магнітні властивості.
Розмір зерна залежить кількості центрів кристалізації і швидкості зростання кристалів (швидкості охолодження). Чим більше центрів кристалізації і менше їх зростання, тим менше буде зерно.
Утворення центрів кристалізації може відбуватися мимовільно або на наявних у рідкому металі частинках домішок, що використовується при модифікації- Введення в рідкий метал домішок (модифікаторів).
На освіту центрів кристалізації, отже, і величину зерна впливає ступінь переохолодження t до -t п. Чим більший ступінь переохолодження, тим більше центрів кристалізації і дрібніше зерно, що утворюється.
Мітки:
Будова металів 4.33 /5 (86.67%) проголосувало 3
Будова металів
Метали під мікроскопом
Усі метали складаються з величезної кількості кристалічних зерен, що з'єднуються між собою. Таку зернисту кристалічну будову речовини можна побачити, застосовуючи спеціальні мікроскопи, що отримали назву металографічних. Вони відрізняються від звичайних тим, що тут застосовується бічне освітлення металу, тому що метали непрозорі та їх неможливо висвітлювати знизу. У таких мікроскопах джерело світла розташовується так, щоб частина променів відбивалася від поверхні металів та потрапляла в об'єктив.
Мал. 1. Металомікроскоп.
Справа зверху - промені світла, відбиті від поверхні шліфу, йдуть в об'єктив мікроскопа. Праворуч унизу — поверхня чистого заліза, видима за допомогою металомікроскопа.
На малюнку 1 представлений один із таких мікроскопів. Перш ніж розглядати в ньому зразок, поверхню металу ретельно очищають наждачним папером, шліфують та полірують до дзеркального блиску. Такий приклад називають шліфом. Потім поверхню шліфу піддають так званому травленню, для чого він змочується протягом 2-3 хв розчином, що найчастіше містить азотну кислоту та етиловий спирт. Застосовують інші розчини для травлення шліфів. Роблять це ось для чого: різні зерна сплаву неоднаково розчиняються кислотою, внаслідок чого на поверхні металу виступають окремі грані кристалів, і коли протруєну частину шліфу висвітлюють, то частина зерен відображає світло, що падає на них, прямо на об'єктив. Ці місця під мікроскопом здаються світлими. Інші зерна відбивають світло убік, тому здаються темними. Інший відтінок і навіть забарвлення набувають під мікроскопом місця зчеплення окремих кристалічних зерен, звані міжкристалітні ділянки (рис. 2).
Мал. 2. Шліфована пластинка під мікроскопом (травлення сталі 2-відсотковим спиртовим розчином азотної кислоти).
Застосування металломикроскопа дало можливість встановити, яке будову мають метали, як у сплаві окремі зерна, які неметалеві включення містять сплави, відбиток тріщин лежить на поверхні сплавів тощо. буд. На малюнку 3 наведена мікрофотографія чавуну, де ясно видно окремі включення графіту.
/>
Мал. 3. Графіт у чавуні (темні включення):
а-великопластинчастий графіт у звичайному сірому чавуні; б-дрібнопластинчастий графіт у модифікованому сірому чавуні (модифікація 0.15%); в-кулясті графітові включення в чавуні, модифікованому магнієм (×100).
Металомікроскоп в даний час є одним із приладів будь-якої лабораторії, де вивчають властивості різних металів та сплавів.
Кристалічні грати металів
Із кристалами ви вже знайомі. Так, наприклад, вивчаючи кухонну сіль, ви знаєте, що вона складається з 8 окремих кристалів кубічної форми. Саме слово «кристал» походить від грецького слова «кристаллос», що означає «лід». У майбутньому так стали називати всі тверді тіла, які мають певну геометричну форму. У природі переважна більшість твердих тіл знаходиться у кристалічному стані. Залізо як одне із твердих тіл при застиганні також утворює кристали. Кристал заліза має кубічні грати. Проте, розглядаючи під мікроскопом поверхню металу, ми побачимо цієї правильної кубічної форми кристалів. Неправильна форма кристалів виникає тому, що в розплаві при його затвердінні виникає багато найдрібніших зародків, які утворюють великі кристали. Ці великі кристали, зіштовхуючись, починають тіснити, здавлювати один одного. Отже, в затвердіваючому злитку металу одночасно знаходиться величезна кількість кристалів. Порушення їхньої форми сприяє як те, що вони тіснять одне одного, але й неоднакова температура у різних місцях охолодження. Окремі кристалічні зерна в застиглий метал мають різну форму і величину. Вони відокремлені один від одного прошарком, який складається з різних неметалевих включень. Ці неметалеві включення завжди присутні в тій чи іншій кількості металу.
Будова металів
На малюнку 4 представлена схема утворення зернистої структури металу під час його застигання.
Мал. 4. Схема зростання кристалів у застигаючому розплаві:
а-утворюються зародки; б-ростуть кристали; в-кристали починають тіснити один одного; г-окремі зерна зрощуються.
Речовини, що входять до складу сталі, мають різну температуру плавлення, а отже, і затвердіння. Наприклад, чисте залізо стає твердим вже при температурі 1539 ° С, а в поєднанні з сіркою або іншими елементами температура затвердіння нижча. Тому шар металу, що твердне в першу чергу, складається з найбільш тугоплавких елементів, наприклад, заліза та вуглецю. Такі домішки, як сірка і фосфор, дають легкоплавкі сплави і тверднуть в останню чергу. Сірка і фосфор - шкідливі домішки тому що їхня присутність значно зменшує міцність сплаву, робить його крихким і малопридатним для виробів.
При затвердінні сплаву легкоплавкі сполуки заліза з сіркою і фосфором концентруються у верхній частині зливка і застигають в останню чергу, тому сплав заліза з фосфором і сіркою збирається у верхній частині злитка.
У кристалах атоми кожного металу розподіляються в певному порядку. Вони утворюють так звану просторову решітку, яку не можна побачити в жодному з існуючих мікроскопів. Однак за допомогою рентгенівських установок та інших сучасних приладів можна вивчити розташування атомів у кристалічній решітці.
Типи кристалічних грат металів
Серед металів найчастіше зустрічаються три типи грат, першимз них відносяться об'ємноцентричні кубічні. Вони характерні тим, що атоми в них знаходяться у вершинах і центрі куба, наприклад, у літію, хрому, ванадію та інших металів (рис. 5,а).
Рис.5. Типи кристалічних грат металу:
а-кубічна об'ємноцентрована;
б-кубічна гранецентрована;
в-гексагональна (щільна упаковка).
До другого типувідносять грати кубічну гранецентровану (рис. 5,6), атоми (якої розташовані у вершинах куба і його гранях (наприклад, у алюмінію, міді, свинцю, нікелю, золота, срібла і платини).
Третій тип- це гексагональні, або шестикутні, щільно запаковані решітки (рис.5, в). Вони зустрічаються у магнію, цинку, кадмію та берилію.
Як видно зі схеми, наведеної на малюнку 6, найбільш щільні упаковки атомів мають гранецентровані та гексагональні грати.
Рис.6. Схема будови металу.
У вузлах ґрат позитивно заряджені іони. У проміжку знаходяться вільні електрони.
Цікаво відзначити, що деякі метали, зокрема залізо, цинк та нікель, можуть існувати в кількох кристалічних формах, переходячи з однієї в іншу. Цей перехід відбувається за різних температур. Такі видозміни, коли одна і та речовина може перебувати у різних кристалічних формах, називаються алотропічними, а самі речовини алотропними. Назва «алотропія» походить від грецьких слів «алос»-інший, «тропос»-властивість.
Вуглець може зустрічатися в природі у вигляді графіту та алмазу, причому, як ви пам'ятаєте, графіт є м'якою речовиною, що залишає слід на папері, тоді як алмаз є однією з найбільш твердих природних речовин. Температури плавлення алмазу та графіту різні.
Відомо алотропічне видозміна сірки (ромбічна та призматична). Ромбічна сірка утворюється при температурі нижче 96°, вище цієї температури вона перетворюється на призматичну. Залежно від зміни кристалічної будови змінюються властивості речовини.
Такі самі алотропічні зміни спостерігають і в заліза. Воно має решітку центрованого куба то температури 910° З, а інтервалі температур 910-1390° З відбувається перехід у гранецентрированную.
Алотропічні перетворення металу легко спостерігати з прикладу олова. Звичайне сріблясто-біле олово має складну кристалічну решітку, яка стійка при температурі вище 18°, при більш низькій температурі атоми олова в кристалах починають перебудовуватися. Упаковка їх (атомів) стає менш міцною, блискуче олово втрачає блиск, ковкість і перетворюється на тендітне сіре олово, що має іншу кристалічну решітку.
Це явище було давно помічене і отримало назву «олов'яної чуми», оскільки олов'яні вироби – тарілки з олова, кубки, органи у церкві – іноді раптом починали руйнуватися. «Олов'яна чума» була великою бідою. Як боротися з нею, не знали, бо не знали причин її походження. Зараз нам ясно, що якщо нагрівати виріб з олова, який «захворів на олов'яну чуму», то кристали сірого олова будуть перебудовуватися в кристали білого олова, і він знову набуває ковкості і білого кольору.
Будова металів
На схемах кристалів (рис. 5) умовно в кристалічній решітці проведені лінії, що з'єднують один атом металу з іншим. Насправді жодних ліній, що з'єднують атоми, у вузлах ґрат немає. Вони покладені щільно, стикаючись один з одним. У вузлах ґрат знаходяться позитивно заряджені іони, оточені електронами. Валентні електрони атомів металів так само, як і самі атоми, перебувають у безперервному коливанні. Але зовні електрони (валентні) можуть легко залишити свій атом і перейти до сусіднього. Отже, в кристалічній решітці є звані вільні електрони, чи вільний електронний «газ», властивий всьому комплексу атомів. Таким чином виникає взаємодія електронів зовнішніх оболонок атомів металу. Завдяки цій зовнішній взаємодії електронів створюється зв'язок між атомами металу, виникають сили зчеплення, що міцно утримують атоми металу в кристалічній решітці (рис. 6). Іони атомів металів у кристалічних ґратах, оточені рухомими (незакріпленими) електронами, отримали назву іон-атомів, на відміну від звичайних іонів.
Те, що ми говорили про кристалічні ґрати металів, відноситься до чистих металів, але ми знаємо, що в практиці застосовують переважно сплави.
До машинобудівних матеріалів відносяться метали та їх сплави, деревина, пластмаси, гума, картон, папір, скло та ін. Найбільше застосування при виготовленні машин отримали метали та їх сплави.
Металами називаються речовини, що мають високу теплопровідність та електричну провідність; ковкістю, блиском та іншими характерними властивостями.
У техніці всі метали та сплави прийнято ділити на чорні та кольорові. До чорних металів відносяться залізо та сплави на його основі. До кольорових - всі інші метали та сплави. Для того щоб правильно вибрати матеріал для виготовлення деталей машин з урахуванням умов їх експлуатації, механічних навантажень та інших факторів, що впливають на працездатність та надійність машин, необхідно знати внутрішню будову, фізико-хімічні, механічні та технологічні властивості металів.
Метали та їх сплави у твердому стані мають кристалічну будову. Їхні атоми (іони, молекули) розташовуються в просторі в строго визначеному порядку і утворюють просторову кристалічну решітку.
Найменший комплекс атомів, який при багаторазовому повторенні у просторі відтворює грати, називається елементарним кристалічним осередком.
Форма елементарного кристалічного осередку визначає сукупність властивостей металів: блиск, плавкість, теплопровідність, електропровідність, оброблюваність та анізотропність (відмінність властивостей у різних площинах кристалічних ґрат).
Просторові кристалічні решітки утворюються під час переходу металу з рідкого стану у тверде. Цей процес називається кристалізацією. Процеси кристалізації вперше були вивчені російським ученим Д. К-Чорновим.
Кристалізація складається з двох стадій. У рідкому стані металу його атоми перебувають у безперервному русі. При зниженні температури рух атомів уповільнюється, вони зближуються і групуються кристали. Утворюються звані центри кристалізації (перша стадія). Потім йде риє кристалів навколо цих центрів (друга стадія). Спочатку кристали ростуть вільно. При подальшому зростанні кристали відштовхуються, зростання одних кристалів заважає зростанню сусідніх, у результаті утворюються неправильної форми групи кристалів, які називають зернами.
Розмір зерен суттєво впливає на експлуатаційні та технологічні властивості металів. Крупнозернистий метал має низьку опір удару, при його обробці різанням виникає труднощі в отриманні малої шорсткості поверхні деталей. Розміри зерен залежить від природи самого металу та умов кристалізації.
Методи вивчення структури металу. Дослідження структур металів та сплавів проводиться за допомогою макро- та мікроаналізу, а також іншими способами.
Методом макроаналізу вивчається макроструктура, т. е. будова металу, видиме неозброєним оком чи з допомогою лупи. Макроструктуру визначають за зламами металу або макрошліфами.
Макрошліф є зразком металу або сплаву, одна зі сторін якого відшліфована і протруєна кислотою або іншим реактивом. Цим методом виявляються великі дефекти: тріщини, усадкові раковини, газові бульбашки, нерівномірність розподілу домішок у металі тощо.
Мікроаналіз дозволяє визначити розміри та форму зерен, структурні складові, якість термічної обробки, виявити мікродефекти.
Мікроаналіз проводиться за мікрошліфами за допомогою мікроскопа (сучасні металографічні мікроскопи дають збільшення до 2000, а електронні – до 25 000).
Мі крошліф-це зразок металу, що має плоску поліровану поверхню, піддану травленню слабким розчином кислоти або лугу для виявлення мікроструктури. Властивості металів. Властивості металів зазвичай поділяють на фізико-хімічні, механічні та технологічні. Фізико-хімічні та механічні властивості твердих тіл, у тому числі і металів, вам знайомі з курсів фізики та хімії. Зупинимося на розгляді деяких механічних та технологічних властивостей, важливих з погляду обробки металів.
Під механічними властивостями, як відомо, розуміють здатність металу або сплаву чинити опір впливу зовнішніх сил. До механічних властивостей відносять міцність, в'язкість, твердість та ін.
Міцність характеризує властивість металу або сплаву в певних умовах і межах, не руйнуючись, сприймати ті чи інші дії зовнішніх сил.
Важливою властивістю металу є ударна в'язкість – опір матеріалу руйнуванню при ударному навантаженні.
Під твердістю розуміють властивість матеріалу чинити опір впровадженню до нього іншого, твердішого тіла.
Механічні властивості матеріалів виражаються через ряд показників (наприклад, межі міцності при розтягуванні, відносне подовження та звуження тощо)
Межею міцності при розтягуванні, або тимчасовим опором розриву, називається умовна напруга, що відповідає максимальному навантаженню, яке витримує зразок у процесі випробування до руйнування
Твердість металів і сплавів визначають переважно за допомогою трьох методів, названих за іменами їх винахідників: метод Брінелля, метод Роквелла та метод Віккерса. I Вимірювання твердості за методом Брінелля полягає в тому, що за допомогою твердоміра ТШ в поверхню випробуваного металу вдавлюється сталева загартована кулька діаметром 2,5 5 або 10 мм під дією статичної навантаження Р. Відношення навантаження до площі поверхні відбитка (лунки) дає значення твердості , Що позначається НВ.
Вимірювання твердості за Роквеллом здійснюється за допомогою приладу ТК вдавлюванням в випробуваний метал кульки діаметром 1,59 мм (1/16 дюйма) або алмазного конуса з кутом при вершині 120 ° (для особливо твердих сталей і сплавів). Показання твердості визначаються за індикатором.
Вимірювання твердості за Віккерсом проводиться за допомогою приладу ТП вдавлюванням в метал алмазної чотиригранної піраміди з кутом при вершині а = 136 °. По довжині діагоналі одержаного відбитка з допомогою таблиці знаходять число твердості HV.
Застосування того чи іншого методу залежить від твердості випробуваного зразка, його товщини або товщини випробуваного шару. Наприклад, методом Віккерса використовують для вимірювання твердості загартованих сталей, матеріалів деталей товщиною до 0,3 мм і тонких зовнішніх цементованих, азотованих та інших поверхонь деталей.
До основних технологічних властивостей металів та сплавів
відносяться такі:
ковкість-властивість металу піддаватися ковці та іншим видам обробки тиском;
рідина - властивість розплавленого металу заповнювати ливарну форму у всіх її частинах і давати щільні виливки точної конфігурації;
зварюваність – властивість металу давати міцні зварні з'єднання;
оброблюваність різанням- властивість металів піддаватися обробці різальними інструментами для надання деталям певної форми, розмірів і шорсткості поверхні.