Із 107 відомих на сьогодні хімічних елементів понад 85-метали

Металами називають хімічні елементи, які мають загальні спільні властивості: «металевий» блиск, пластичність, тепло- й електропровідність.

Ці властивості металів залежать від їх чистоти. У чистіших металах електропроводність і пластичність більші, але міцність менша.

Метали в твердому стані можуть мати як кристалеву, так і аморфну

будову. Кришталева будова металів грунтується на закономірному розміщенні атомів у просторі з утворенням елементарних комірок.

^^^/метали і сплави називають кришталевими. В аморфних металах комірки відсутні.

Для металів найхарактерніші три типи елементарних комірок: кубічна об'ємоцентрована (к.о.ц.), кубічна гранецентрована (к.г.ц.) і гексагональна щільно упакована (г.щ.у.). Схеми цих комірок зображено на рис. 21.

Комірки кожного типу утворені певною кількістю атомів. Так, кубічна об'ємоцентрована комірка побудована з дев'яти атомів:

вісім з них розміщені в вершинах куба, а дев'ятий - у центрі на однаковій відстані від шести граней. Таку комірку мають хром,

молібден, вольфрам, ванадій, залізо (за температур: 0-911; 1392-1539°С) та інші.

Кубічна гранецентрована комірка побудована з 14 атомів, розташованих так: вісім - у вершинах куба, шість - у центрах граней. Саме таку комірку мають нікель, мідь, алюміній, залізо (за температур 911-1392°С) та інші.

Гексагональна щільно упакована комірка побудована з 17 атомів:

12 з них розміщені у вершинах верхньої та нижньої основ шестигранної призми, 2-у центрі цих основ і 3 - усередині призми. Така комірка характерна для берилію, кадмію, цинку тощо.

Відстань між найближчими паралельними атомними площинами, які утворюють елементарну комірку називають параметром комірки, її вимірюють у нанометрах (1 нм = 10"⁹ м). Для прикладу: параметр комірки хрому дорівнює 0,288 нм, алюмінію - 0,404 нм, міді - 0,36 нм.

Комірки об'єднуються в кристаліти. Метали - тіла полікристалітні. Місце дотику кристалітів один до одного називають межею кристалітів.

Реальні кристали, на відміну від ідеальних, будову яких описано раніше, мають багато дефектів: точкових, лінійних і поверхневих.

До точкових дефектів (рис. 22,а) належать вакансії І; атоми 2, зміщені зі свого основного положення в міжвузля, і атоми домішок 3.

Вакансіями називають вільні від атомів вузли кришталевої комірки.

Домішками можуть бути атоми металів і неметалів.

Основним видом лінійних дефектів є дислокації. Крайову дислокацію показано на рис. 22,6

Навколо дислокації комірка втрачає ідеальність. У разі іншого характеру зміщення атомів може утворитися гвинтова дислокація. Дислокації утворюються в процесі кристалізації. Цьому сприяють домішки, які є в росплаві. Існують також інші причини утворення дислокацій.

Експериментальне встановлено, що межі кристалітів мають велику густину дислокацій. Утворенню дислокацій сприяють термічна обробка. і особливо деформування. Наявність лінійних дефектів впливає на механічні властивості металів.

Наочним прикладом поверхневих дефектів є межі кристалітів. Через недосконалість меж кристалітів між кристалітами збираються домішки. Межі кристалітів істотно впливають на всі властивості металів.

Сплави

Чисті метали застосовують обмежено, в основному в електро- та радіотехніці. Основними конструкційними матеріалами є сплави. Порівняно з чистими металами сплави мають ліпші властивості.

Сплавами називають складні конструкційні матеріали, які отримують сплавленням або спіканням (можна й іншими способами) двох або більше металів чи металів з неметалами.

Прикладом сплавів є латунь - сплав міді та цинку, чавун - сплав заліза й вуглецю.

Сплави є складними системами. Елементами у системі сплав є компоненти і фази. Компонентами (від лат. «сотролепз» (сотропепііз) – т ой що складає) можуть бути окремі хімічні елементи або їх сполуки.

За кількістю компонентів сплави поділяються на подвійні, потрійні тощо.

Фаза може складатися з двох і більше компонентів і виступати як підсистема або окрема система.

Фазою називають окрему однорідну складову частину сплаву, яка відмежована від інших частин (фаз) поверхнею розділу, у разі переходу через яку хімічний склад або структура змінюються.

Наприклад, у процесі кристалізації сплаву є дві фази: розплав (рідинний розчин) і утворені кристаліти.

Після кристалізації в твердих сплавах можуть утворитися кілька фаз. Такими фазами можуть бути кристаліти чистого металу, твердого розчину та хімічної сполуки.

За характером взаємодії компонентів сплаву за умов кристалізації та охолодження розрізняють три види простих сплавів: тверді розчини, хемічні сполуки та механічні суміші.

1. Тверді розчини. Твердим розчином називають сплав, компоненти якого розчиняються в комірці одного з них.

У процесі утворення твердих розчинів атоми розчиненого компонента стають на місце (заміщують) атомів розчинника в його комірці або втілюються у міжвузля. У першому випадку утворюються тверді розчини заміщення, а в другому - втілення.

Тверді розчини заміщення утворюють срібло й золото, нікель і мідь, молібден і вольфрам тощо.

Тверді розчини втілення утворюються в разі взаємодії металів з неметалами, які мають малі атомні радіуси, наприклад, сплав заліза та вуглецю. Утворені тверді розчини називаються ферит й аустеніт (див. § 19.1,2).

Тверді розчини не мають постійного хімічного складу, а відповідно й властивостей. Тверді розчини залежно від складу мають різні властивості. Вони менш пластичні, твердіші та міцніші за чисті метали. Тверді розчини не мають постійної температури плавлення та кристалізації: починають плавитися за нижчої температури, а закінчують за вищої; у процесі кристалізації навпаки (див. § 19.1.3, Сплав!).

2. Хімічні сполуки. При кристалізації сплавів деякі компоненти взаємодіють між собою з утворенням сполук, які мають постійну температуру плавлення (дисоціації) й особливий (відмінний від компо­нентів) тип комірки. Такі сполуки називають хімічними. Хімічні сполуки утворюються в разі взаємодії як металів з неметалами, так і самих металів. Прикладом взаємодії металів з неметалами є взаємодія заліза з вуглецем: ЗFе + С —> FезС, а металів з металами - міді з алюмінієм: Cu + 2Al -> СиАl 2. Отже FезС (цементит - див. § 19.1.2) і СиАl2 - хімічні сполуки. Хімічні сполуки мають певний хімічний склад, а також характерні фізико-механічні властивості: велику твердість і крихкість. У сплавах хімічні сполуки виділяються у вигляді включень, розміщених у кристалітах або по їх межах.

3. Механічні суміші. Механічною сумішшю називають сплав, який склад ається із кристалітів різних фаз: чистих компонентів, твердих розчинів, хімічних сполук.