Загальна характеристика металів

Конспект Лекцій

З курсу: «Матеріалознавство»

 

 

Робота

Студенток ІІ курсу

Групи ХЕ-01

Рак Ольги

Чалої Інни

 

Київ 2011

Вступне заняття

Матеріалознавством називають науку, що вивчає зв’язок між змістом, будовою і властивостями матеріалів і закономірності їх змін під впливом зовнішніх факторів(теплові, механічні, електричні).

В останнє десятиліття у металів з’явилась конкуренція: пластмас, скло, кераміка. Тому синтетичні або полімерні матеріали замінюють більш ніж 20% металів.Хоча мтали досі головний конструкційний маетріал. Майже 3/2 хімічних елементів періодичної таблиці Менделеєва – метали. З багатьма корисними властивостями металів людство ознайомилось у глибоку давнину. Здавна цивілізації володіли майстерністю обробки металів, про що свідчать унікальні металічні вироби. Засоби праці з металів прискорили прогрес.

Археологічні розкопки свідчать-на території слов’янських поселень близько 2000 років тому добували залізо.

В середині XIV століття в Росії з’явились перші доменні печі, а в XVII ст. – перші заводи з виготовлення заліза(на Уралі). В часи Петра І стрімко розвивалась металургія. До 1725 року Росією виплавлялось близько 20000 т. Чавуну.

Перший в Росії підручник з гірничо – заводської справи був виданий Ломоносовим.

П.П.Аносов – поклав початок вчення про сталь і сформулював наукові принципи виплавки сталі. Йому належить розкриття секрету булатної сталі.

Д.Н.Чернов (1839-1941) – створив теорію виплавки і оброблення чавуну; Зв’язав в одне ціле три «С»: «Состав-Свойства-Строение», що лягли в основу сучасного металознавства.

Корнаков(1860-1941) – на початку ХХ століття приніс в металознавство застосування фізико – хімічних методів аналізу.

Англійські вчені Брег, Аустен, Дебай встановили кристалічну будову металічних фаз.

Лекція №1

Теоретична будова металів

Загальна характеристика металів

 

В природі існує два різновиди тердих тіл

• Кристалічні
• Аморфні

За своїми властивстями дані різновиди дещо відрізняються. Кристалічні тіла залишаються твердими (залишають свою форму) до певної температури, за якої вони переходять в рідину; зворотній процес(охолодження) проходить так само - з рідкого стану в твердий за певної температури.

Аморфні тіла при нагріванні розмякшуються в широкому температурному інтервалі, після чого переходять в рідину. При зниженні температури процес проходить в зворотному напрямку.

Кристалічний стан більш стабільний, ніж аморфний.

З відомих 106 елементів 76 – метали. 95% матеріалів, що застосовуються в житті, - метали та їх сплави.

Метали в твердому та рідкому стані мають ряд характерних властивостей:

1. Висока тепло- та електропровідність (ǽ).

2. Висока відбиваюча здатність (непрозорість, металічний блиск).

3. Метали мають позитивний температурний коефіцієнт електроопору. З підвищенням температури електроопір чистих металів підвищується. Про це свідчить існування металів з надпровідністю (Ge,Id,Gf). У цих металів при температурі, що наближається до абсолютного нуля, електроопір зменшується стрибкоподібно практично до 0.

4. Термоелектронна емісія (здатність металів віддавати електрони при нагріванні).

5. Всі метали володіють підвищеною здатністю до пластичної деформації. Чим чистіший метал, тим його пластичність краще, порівняно зі сплавами.

Наявність всіх цих властивостей і характеризує металічний стан речовини. Всі ці ластивості пояснюються будовою металів.

 

У вузлах кристалічної решітки містяться йони, навколо яких – електронний газ.

Атоми металів мають на зовнішньому енергетичному рівні невелику кількість електронів. Зв’язок внутрішніх електронів з атомом характеризується роботою виходу електрона (іонізаційний потенціал) – це та робота, яку необхідно використати, щоб видалити електрон із ізольованого атома. Для більості металів іонізаційний потенціал – 4-9 еВ; для неметалів – більш ніж 10 еВ. Стійкість металів, що являє собою йонно – електронну систему, визначається електричним притяжінням між позитивно зарядженими іонами і загальними електронами. Така взаємодія між іонним скелетом і електронним газом називають металічним зв’язком. Сила зв’язку в металах визначається силами відштовхування і притягання між іонами і електронами. Відсутня різко виявлена направленість цих процесів. Атоми розміщуються на такій відстані, щоб енергія взіємодії була мінімальною. Розглянемо залежність сил притягання і відштовхування від сил взаємодій.

З графіку: крива результуюча сили перетинає вісь абсцис в точці А, де Е_{відштовх} і Е_притяг урівноважуються. Величина а_о відповідає рівноважному стану між атомами – найбільш енергетично вигідний стан. Зближення атомів на відстань, меншу за а_о , чи віддалення на більшу за нього відстань, можливе тільки при виконанні роботи або проти Е_{відштовх}, або проти Е_притяг Тому в металах атоми розміщуються закономірно, утворюючи правильну кристалічну решітку, що відповідає мінімальній енергії взаємодії атомів. Для кожної речовини а_о оптимальне та індивідуальне.

 

Кристалічна решітка

Елементарні частки (атоми, іони, молекули), з яких побудовано кристал, розміщуються різноманітно, але закономірно в різних напрямках в трьох вимірах. По 2 напрямках розміщення часточок однакове, тому під атомно-кристалічною структурою металів розуміють взаємне розташування атомів в кристалах.

Для опису атомно-кристалічної структури користуються поняттям кристалічної решітки, яка є просторовою і уявною. Кристалічна решітка – просторово-уявна сітка,в узлах якої розміщуються атоми чи іони, утворює метал. Якщо в кристалі провести x, y,z,

 

то відстань між часточками, розміщеними за цими напрямками, неоднакові. а, в, с – відстані між атомами по кожній з осей.

Найменший паралелепіпед називають елементарною коміркою. Це є однією з властивостей будови решітки. Існують також і кутові параметри ά, β, γ. Вершини називають вузлами просторової решітки. З цими вузлами співпадають центри тяжіння елементарних чістинок, з яких побудовано кристал. Просторово – кристалічна решітка повністю визначає будову решітки. Елементарна комірка характеризується параметрами:

1. Лінійні(а,в,с)– відрізки, що відображують відстань до найближчих елементарних часточок по осям координат, називаються періодами решітки, знаючи які можна визначити іонний чи атомний радіус, який рівний половині найменшої відстані між часточками в ній. Періоди вимірюються або в нанометрах (10^-9 ), або в ангстремах (10^-10 ). 1 нм= 10 А.
2. Кутовий параметр. Кути між періодами решіток.

В залежності від двох параметрів існує 7 систем (7 сингоній):

• Кубічна: а=в=с, ά=β=γ=90°
• Ромбоендрична: а=в=с, ά=β=γ≠90°
• Тетрагональна: а=в≠с, ά=β=γ=90°
• Гексагональна: а=в=с, ά=β=90°, γ=120°
• Ромбічна: а≠в≠с, ά=β=γ=90°
• Моноклінна: а=в=с, ά=β=90º,γ≠90°
• Триклінна: а≠в≠с, ά≠β≠γ

Кристалічні решітки бувють простими та складними:

· Прості-решітки, в яких на долю однієї елементарної комірки припадає 1 атом.

· Складні- решітки, в яких на долю однієї елементарної комірки припадає більш ніж 1 атом.

Кількість атомів, що приходиться на 1 елементарну чарунку називають базисом.

 

С.Р. Типи зв’язку

Ковалентний зв’язок утровюється, коли різниця електронегативності атомів-партнерів по зв’язку невелика, як правило такими партнерами є неметали. Якщо електрони мають прота ктилежний спін, вони можуть розташовуватись на одній орбіталі, тоді між ядрами виникає зона підвищеної електронної густини, до якої ці ядра притягуються.

Розглянутий ковалентний зв’язок був у 1927 році на прикладі атома водню.

Основними характеристиками зв’язку є:

· lзв’язку – відстань між ядрами атомів, що утворюють зв’язок.

· Еенергія зв’язку(залежить від довжини та кратності зв’язку.

Донорно-акцепторний зв’язок – вид ковалентного зв’язку, коли атом-донор дає електронну пару, а атом-акцептор дає вільну орбіталь.

Йонний зв’язок утворюється між атомами зі значною різницею електронегативностей (>1,9), як правилами атомами-партнерами такого типу зв’язку є метал та неметал. Речовини з йонним зв’язком не мають молекулярної будови, а складаються з окремих йонів, що оточують себе атомами протилежного знаку. Це число йонів називають координаційним і залежить від співвідношення йонів катіона і аніона.

Міжмолекулярна взаємодія(сили Ван-дер-Ваальса)-діє між окремими молекулами. Чим вища їх енергія, тим вищі температури плавлення та кипіння. Сили міжмолекулярної взаємодії бувають орієнтаційними, індукційними, дисперсійними. Сили Ван-дер-Ваальса носять електростатичний характер і перешкоджають вільному руху молекул.

Орієнтаційна взаємодія – має місце між двома полярними молекулами, заважає орієнтації молекул.

Еор=-(2/3kT)*(μ²₁ μ²₂/d⁶); k=R/N_A

Індукційна взаємодія має місце між полярною та неполярною молекулами.

Дисперсійна взаємодія – присутня у всіх молекулах, хоча в чистому вигляді-лише у неполярних.

Лекція №2

Якби атоми розміщувались тільки в вершинах вузлів комірок, то в кожна з сингоній комірки речоаини відрізнялась би лише кутовим та лінійним параметром, але в деяких кристалічних решітках атоми можуть розташовуватись також і в центрах елементарних комірок, граней, тому, враховуючи це, з 7 сингоній може бути утворено 14 типів решіток Браве (просторових решіток, елементарних комірок).

 

Решітки Браве

1. Триклінна.
2. Моноклінна проста.
3. Моноклінна об’ємно центрована.
4. Ромбічна проста.
5. Ромбічна з центрованими атомами.
6. Ромбічна об’ємно центрована.
7. Ромбічна гранецентрована.
8. Тетрагональна проста.
9. Тетрагональна об’ємно центрована.
10. Гексагональна.
11. Ромбоендрична
12. Кубічна проста.
13. Кубічна об’ємно центрована (ОЦК).
14. Кубічна гранецентрована (КГЦ).

 

ОЦК

 

Атоми розміщуються у вузлах комірки і 1 атом в центрі куба. Такого типу решітку мають наступні елементи: Rb, K, Na, Li_β , Zr_β, Zn, W, Cr, Nb, Ba, Vd, Fe_ά.

Базис такої решітки дорівнює двом.

 

 

КГЦ

Базис=4

Атоми розміщуються у вузлах куба і в центрі кожної грані.

 

 

Гексагональна щільно упакована (ГЩУ)

Атоми розміщуються у вузлах і центрі шестигранних основ призми, а також три атоми у середній її площині.

Базис ГПУ дорівнює3.

 

Таким чином система(сингонія), а також період, число частинок, що припадають на 1 елементарну комірку, повністю визначає положення елементарних часточок в кристалі. В ряді випадків використовують додаткові характеристики кристалічної решітки, які відображають щільність упакування елементарних часточок в кристалі. Такими характеристиками є коордикаційне число і коефіцієнт компактності.

Координаційне число – число найближчих рівновіддалених елементарних часточок. Наприклад, в решітці ОЦК для кожного атома число таких сусідів рівне 8, тому координаційне число дорівнює 8.Для простої кубічної решітки КЧ=6.

Коефіцієнт компактності – відношення об’єму всіх елементарних часточок, що припадає на одну комірку до всьому об’єму елементарної решітки:

ή=Vат/V

для простої кубічної решітки ή =0, 5

дл ОЦК ή =0, 68

для ГЩУ ή =0, 74

 

Поліморфізм

Для однієї і тієї ж підгрупи системи Менделєєва метали кристалізуються, як правило, з утворенням елементарних комірок однакового типу. Більшість лужних металів утворюють ОЦК решітку, лужно-земельні – ГЩУ(за виключенням Ва, який має ОЦК решітку).Однак для багатьох металів існує 2 або 3 типи решітки. Залізо при низьких температурах має ОЦК решітку – зілізо в α модифікації. При підвищенні температури до 919°С (точка Кюрі) ОЦК решітка перебудовується в ГЩУ – залізо в γ модифікації. А при t=1327ºС Fe утворює ОЦК решітку - Fe_β . Але в β модифікації залізо має більш складний період, порівняно з низькотемпературною модифікацією.Це явище, яке називають поліморфізмом, було відкрито в 1867 році.

До температури точки Кюрі залізо має магнітні властивості, при більшій температурі воно немагнітне. Приблизно 20 технічно важливих металів також мають декілька модифікацій.

Перехід з одного типу решітки в інший називають поліморфічним перетворенням, воно пов’язане з тим, що у елементів відбувається перерозподіл атомів з огляду на те, що, починаючи з певної температури, термодинамічно більш вигідне розміщення атомів в іншій, новій решітці. Поліморфічні перетворення можуть відбуватись в разі зміни тиску.

 

 

Крива охолодження заліза