Как связана пластичность металлов с особенностями металлической кристаллической решетки

Взглянув вокруг себя, вы наверняка заметите парочку вещиц с содержанием металлов. Из-за повсеместного использования данных элементов, знать базовую информацию по ним обязан каждый.

В сегодняшней статье я расскажу, что такое металлическая кристаллическая решетка + предоставлю исчерпывающую информацию в отношении кристаллической классификации металлических веществ вообще.

Понятие кристаллической решетки + классификация

Перед углублением в сложные темы по химии и физике школьной программы, я хотел бы выдать вам исчерпывающую информацию в отношении терминологии и классификации металлических элементов сквозь призму промышленности.

1) Промышленное подразделение металлов + их атомно-кристаллическое строение

Начало эры металлов началось в 20 веке. Медь, железо, серебро и прочие элементы стали неотъемлемой частью быта и промышленности населения большинства развитых стран. Базовые характеристики металлов, такие как упругость, пластичность и прочность, определяются их атомным + кристаллическим строением.

2 единицы измерения, какова температура кипения железа

Знание этих свойств позволит умело оперировать свойствами и применять их для получения эталонных комбинаций элементов. В индустриальном плане металлы подразделяют на 5 больших коопераций. Детальнее по каждой из них я расскажу в отдельной таблице.

ГруппаОписаниеРаспространение (из 5 ★)

Черные	В категории расположилось большинство распространенных металлов планеты, такие как хром и железо. Сюда же включены и сплавы из комбинаций черных металлов по типу ферросплавов. Мировое использование черных металлов составляет 88% всей мировой потребности.	★★★★★
Цветные (легкие)	Магний, титан и прочие элементы с низким показателем плотности. По добыче дороже черных + встречаются в природе по залежам реже. Применяются в точном строительстве, и для деталей, где их применение финансово обосновано.	★★★★
Цветные (тяжелые)	Отличительная черта – повышенный удельный вес + превосходная проводимость электрического тока. Применяются в качестве реакционных катализаторов при производстве плат и прочей электронике.	★★★
Благородные	Защита от коррозии и малый удельный вес. В современном обществе, приоритетно, используются как инструмент для накопления финансов странами и украшения. Яркие представители –платина и золото.	★★
Редкоземельные	Итрий, лантан и прочие химические элементы редкоземельного типа из группы металла. Имеют весомый удельный вес и очень активны химически, что обуславливает их использование в приборостроении и смежных направлениях.	★★★

Выделяют еще и щелочные металлы, но обычно их предпочитают относить в одну группу с редкоземельными, ибо по базовым характеристикам они весьма похожи между собой. Натрий, литий и прочие элементы группы при химических реакциях с водой образуют щелочи – отсюда и название группы. Используются при производстве всяческих моющих.

Обратите внимание: атомно-кристаллическое строение металлов напрямую влияет на их физические и химические свойства. Особенно важную роль в промышленности отыгрывает параметр электропроводимости.

Кристаллическое строение характерно металлическим элементам, которые пребывают в твердой фазе состояния. Атомы самостоятельно располагаются в четкой (иногда расплывчатой) геометрической фигуре объемного типа.

Получаемые соединения и местоположения атомов принято называть кристаллической решеткой. С научной точки зрения термин подается практически также.

Кристаллическая решетка (КР) – сетчатый геометрический образ для исследований структуры кристаллов. Состоит из узлов, в которых могут располагаться молекулы/ионы/атомы, и соединений этих элементов.

Какие параметры используют при исследовании:

• ЕКР;
• константа КР;
• плотность упаковки;
• значение координации.

Металлическая кристаллическая решетка – это совокупность из элементарных ячеек, определяющая симметричные свойства всей структуры в целом. Признаки по структурным частям кристаллической решетки описываются за счет 3 правил Бреве.

2) Классификация кристаллических решеток

Распределение по типам кристаллических решеток производится на основании природного происхождения частиц + типам химических связей между базовыми элементами структуры.

Беря в учет оговоренное, можно выделить 4 типа КР.

Детальнее по 3-м из них предоставлю информацию в отдельной таблице, а что собой представляет металлическая кристаллическая решетка разберем отдельным пунктом статьи чуть ниже.

Тип КРОсобенности

Ионная	По названию понятно, что узловыми элементами структуры являются ионы. Связываются между собой ячейки за счет электростатики, что придает ИКР электронейтральность. Отсутствие насыщенности с направленностью характеризует решетку крупными числами координации. По физике — — большая твердость, тугоплавкость и нелетучесть. Также ионные соединения характеризуются повышенной ломкостью. Даже мелкие сдвиги приводят к разрушению огромной площади КР.
Атомная	Ячейки КР соединяются между собой за счет связи ковалентного типа. Здесь идет подразделение на 3 категории в зависимости от структуры – каркас (алмаз), слоистость (графит) и цепочка (асбест). К базовым физическим свойствам атомных кристаллических решеток отнесу высокий запас твердости, тугоплавкость, нерастворимость в воде и отсутствие летучести. В своем большинстве, АКР характерная для сложных веществ по типу оксида алюминия или оксида кремния.
Молекулярная	По узлам структуры располагаются молекулы, а их соединение образуется за счет все тех же сил молекулярного типа. Их часто называют водородными или вандерваальсовскими связями. Простейшими примером веществ с молекулярной кристаллической решёткой является лед и йод.

Кристаллическая структура характерна не только для чистых веществ, но и разнообразных соединений неорганики. Особенно это актуально для металлических соединений по типу сплавов. Учитывая распространение металлов в промышленности и бытовой сфере, разбору понятия металлической кристаллической решетки нужны уделить особое внимание. Чем я дальше и займусь.

Что такое металлическая кристаллическая решетка: обобщенная терминология и свойства

Если ранее описанные КР имели по узлам только один компонент, то металлическая кристаллическая решетка состоит из структур множественного повторения, в точках соединения которых имеется 2 типа ячеек.

Первые – ионы с положительным зарядом, а вторые – нейтральные атомы. Между узлами КР свободно передвигаются относительно свободные электроны. Со схемой металлической решетки можете ознакомиться на рисунке выше.

1) Особенности строения и классификация металлической кристаллической решетки

В зависимости от межатомного расстояния, кристаллические соединения в сплавах и чистых структурах металлов могут разбиваться на 2 подвида – изотропные и анизотропные. В первом случае расстояние между ионами и атомами в узлах структуры равно.

Колебания могут составлять от 0.1% до 3%, не более. Если расстояние между узлами кристаллической решетки вдоль и вверх различается, получаемый кристалл относят к анизотропному.

Четкое представление об параметрах таких КР можно получить только после изучения направления.

Важно: на практике практически нереально встретить металлы либо их сплавы, которые будут располагать четкой однородной структурой. В 95%+ случаев, металлический элемент из множества кристаллов имеет разнобойной кристаллической решетке. По данной причине была создана еще одна категория в кристаллическом строении, именуемая квазиизотропная.

Классификация КР по типу:

1. Куб. Решетка имеет правильную форму с объемным центрированием. Число содержащихся узлов соединения – 9. Пример металла с кубической кристаллической решеткой является железо.
2. Куб с центрированными гранями. Здесь уже число узлов соединения увеличено до четырнадцати. Гранецентрированная КР имеется у золота, свинца и прочих цветных + драгоценных металлах.
3. Гексагональ. Кристаллическая решетка содержит уже целых 17 узлов с крайне плотным размещением друг к другу. Актуальна такая геометрия цинку, магнию и так далее.

Особенно поражает железо, ведь при нагревании выше температуры в 920 градусов по Цельсию, его кристаллическая решетка преобразуется из обычной кубической в кубическую с центрированными гранями.

2) Свойства металлической кристаллической решетки

Свойства металлов напрямую зависят от кристаллической структуры, а это значит, что большинство характеристик элементов равны параметрам КР. Как и в других направлениях, свойства металлической кристаллической решетки квалифицируются на 2 категории – физические и химические.

К общим физическим свойствам металлов я отнесу:

• ковкость;
• пластичность;
• тягучесть;
• характерный металлический отблеск;
• теплопроводимость;
• электропроводимость.

Отмечу, что физические свойства для различных чистых элементов в металлах могут иметь большую разницу. К примеру, ряд «Ag Cu Au Al Mg Zn Fe РЬ Hg» имеет меньшее значение проводимости тепла и тока.

Сюда же отнесу разделение на цветные и черные металлы, а также классификацию в зависимости от плотности (легкие и тяжелые), твердости (мягкие и твердые) и температуры плавления (легкоплавкие и тугоплавкие).

12 физ. и хим. характеристик металла, что плавится в руках

К общим химических свойствам металлов отнесу:

• являются восстановителями;
• взаимодействие с кислородом и образование в результате оксидов;
• взаимодействие с галогенами;
• активные металлы могут вступать в реакцию с водородом;
• получение сульфидов при химических реакциях с серой;
• часть элементов среди металлов могут сотрудничать с азотом, выделяя нитриды;
• получение карбидов при контакте с углеродом;
• фосфиды – результат связей с фосфором;
• получение интерметаллических соединений за счет взаимодействия между металлическими компонентами.

Особенно интересным химическим взаимодействием я считаю соитие металлов при воздействии температур. В процессе нагрева элементы растворяются друг в друге, и, как результат, мы получаем металлический сплав. О них я далее также скажу пару слов.

3) Металлическая кристаллическая решетка в сплавах

Сплавом считается соединение сразу нескольких химических элементов. В большинстве случаев – это металлы, но нельзя сбрасывать со счетов и соединения, в которых имеются вкрапления неметаллов. Простейший пример сплава металла и неметалла, — это углерод.

Обратите внимание: если вкрапливаемый элемент в сплав приносит ему практическую пользу (например, улучшает коррозийную стойкость), такую присадку называют легирующей, в обратном случае получаем вредную примесь.

В металлургии имеется такое понятие как механическая смесь – это разновидность сплава, у которого кристаллические решетки компонентов не способны взаимно раствориться. Получаемое соединение мало используется в металлургии, но как явление все же существует.

6 шагов, как отличить медь от латуни в домашних условиях

Качественная взаимосвязь компонентов характерна для:

• твердых растворов. Когда атомы элемента-помощника внедряются внутрь кристаллической решетки базового компонента соединения;
• химические сплавы. Наиболее качественные метод соединения металлов. Результатом становится новая кристаллическая решетка, образованная из молекул обоих компонентов в более-менее равной мере.

Конечный этап процесса химического соединения металлических элементов называют первичной кристаллизацией.

После нагрева элемента до нужной температуры (температура плавления), наступает этап смешивания и последующее остывание.

На последней стадии происходит образование центральных элементов кристаллизации, вокруг которых и собирается полноценная кристаллическая решетка сплава из повторяющихся ячеек центра.

Центральными элементами могут быть:

• ячейки вдоль каемки литейного оборудования, где остывание происходит быстрее всего;
• неметаллические элементы, попавшие в сплав;
• легирующие элементы с высоким запасом тугоплавкости.

Рост кристаллов в 90% случаев протекает вдоль температурного градиента. Наткнувшись на препятствие, структура приобретает древовидный вид. При стыке двух таких элементов, происходит образование зерен, из которых и образуется тело поликристаллического типа.

Отдельные кристаллы, которые встретили препятствие на поздних стадиях своего роста, могут вырастать до 8 000 – 11 000 микрон. Их пространственное положение не имеет четкого направления, а подается вразброс.

Вся совокупность мелких + крупных зерен и составляет новое образование, именуемое сплавом.

7 областей применения самого легкоплавкого металла

Разбор терминологии и свойств по металлической кристаллической решетке:

Металлическая кристаллическая решетка в контексте сварки

Фактически, сварочный процесс — это ручное производство сплава, цель которого соединить независимое элементы в единое целое. Задача не из простых, особенно если приходится работать с разными типами металлов, у которых слишком большой разрыв по температуре плавления.

Проблемы возникают на этапе остывания сварочного шва. Думаю, с явлением возникновение трещин знаком каждый сварщик. Основа данного явления кроется как раз в свойствах металлической решетки металла. О классификации дефектов детальнее в таблице ниже.

ДефектОписание

Точечный	Изменения в структуре кристаллической решетки, которые по размерам соизмеримы с атомом. Типичными точечными дефектами является безатомные узлы, элементы вне узлов КР и замещаемые элементы неметаллов, которые становятся на место основного атома.
Линейный	Основная проблематика заключается в одном измерении, когда как остальные два остаются практически неизменными. Подобные дефекты принято назвать дислокационными.
Поверхностные	Здесь проблема уже состоит на 90% в двух измерениях. Третье измерение не затрагивается вовсе, либо проблематика является незначительной (менее 5 размеров атомов).
Объемные	Очевидные для сварщика проблемы – поры, трещины и прочие повреждения поверхности свариваемой области.

Полностью избавиться от дефектов нереально физически даже самому опытному мастеру. Единственное, что может сделать сварщик – это придерживаться технологии + обращать внимание на свойства свариваемых металлов.

На этом сегодня все. Надеюсь, инфа по металлической кристаллической решетке вам пригодилась. Удачи и крепкого здоровья!

Влияние типов кристаллической решётки на пластичность материалов

Свойства металлов, применяемых в строительстве, определяются в основном механическими и технологическими характеристиками.

Металлы имеют характерные общие свойства.

К ним относятся: — высокая пластичность; — высокие тепло и электропроводность; — положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, означающий рост сопротивления с повышением температуры и сверхпроводимость многих металлов (около 30) при температурах, близких к абсолютному нулю; хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск); — термоэлектронная эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве; кристаллическое строение в твердом состоянии.

Общее свойство металлов и сплавов — их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве [9].

ДЕФОРМАЦИЯ (от лат .

deformatio — искажение)- изменение взаимного расположения точек твердого тела, при котором меняется расстояние между ними, в результате внешних воздействий или различных физико-механических процессов, возникающих в самом теле (например, изменение объёма кристаллов при изменении температуры). Деформация называется упругой, если она исчезает после удаления воздействия, и пластической, если она полностью не исчезает. Наиболее простые виды деформации — растяжение, сжатие, изгиб, кручение.

• С понятием деформации связаны два механических свойства металла :
• — Прочность- сопротивление металла (сплава) деформации и разрушению.
• — Способность металла под воздействием внешних сил деформироваться без разрушения и сохранять остаточную деформацию называют пластичностью.
• Многочисленные исследования изменения структуры поверхности твердых тел при пластической деформации свидетельствуют о том, что пластическая деформация происходит путем послойного смещения одной части кристалла относительно другой.
• Материалы с плотноупакованными кристаллическими решетками — металлы — обладают высокой пластичностью [1].

Пластическими называют деформации, при которых происходит необратимое смещение атомов в кристаллической решётке под действием предельных значений касательных напряжений ф.

Необратимое смещение атомов в решётке происходит за счёт сдвига части атомов при их скольжении по плоскостям сдвига в направлениях наиболее плотной упаковки.

Сдвигу атомов по плоскостям скольжения явно способствуют искажения решётки, вызванные дислокациями.

Дислокации принадлежат к линейным несовершенствам кристалла. Они являются особым типом несовершенств в решетке, резко отличным по своей природе от других, в том числе, и линейных несовершенств. Первоначально представления о дислокациях были введены в физику кристаллов (Орован, Поляни, Тэйлор, 1934 г.

) для того, чтобы объяснить несоответствие между наблюдаемой и теоретической прочностью и описать атомный механизм скольжения при пластической деформации кристаллов. Впоследствии теория дислокаций получила широкое развитие и стала применяться для анализа самых разнообразных явлений в металлах и сплавах [7].

Дислокации под действием касательных напряжений легко перемещаются в направлении действия сил, облегчая тем самым пластическое (остаточное) деформирование.

При пластическом (остаточном) деформировании после снятия внешней нагрузки в деформируемом теле наблюдается остаточное изменение формы и размеров при сохранении сплошности тела.

При дальнейшем развитии пластического деформирования может произойти пластичное (вязкое) разрушение путём сдвига.

Как было сказано ранее, сдвиг в кристаллической решётке сопровождается скольжением одной части решётки относительно другой в направлении наиболее плотной упаковки атомов.

Эти плоскости называются плоскостями скольжения или сдвига и зависят от типа кристаллической решётки. Чем больше элементов сдвига в решётке, тем выше пластичность металла. Заштрихованные плоскости являются плоскостями скольжения.

По этим плоскостям смещаются атомы вещества при пластическом деформировании кристалла [3].

Реальные металлы состоят из большого числа кристаллов и имеют большое число дефектов, которые получаются при кристаллизации из расплава. К линейным дефектам относятся дислокации. Дефекты в металлах снижают его прочность, но например, бездефектное железо невозможно подвергнуть пластическому деформированию, а следовательно затруднена его обработка в холодном состоянии.

Итак: Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться скольжением и двойникованием. Скольжение- это смещение частей кристалла друг относительно друга и зависит от вида кристаллической решётки. Чем больше направлений в кристалле вдоль которых происходит скольжение, тем пластичнее металл.

Процесс скольжения не нужно представлять, как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций т.е перемещение атомов.

Дислокации могут двигаться по плоскости скольжения в кристаллической решетке при очень малых напряжениях сдвига. Подтверждением этого служат небольшие напряжения при которых происходит пластическая деформация у монокристаллов чистых металлов.

При больших деформациях движение дислокаций вызывает появление или размножение большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.

Двойникование.

Пластическая деформация некоторых металлов, имеющих плотноупакованные решётки, помимо скольжения, может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентировке части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования. Двойникование подобно скольжению сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл.

Пластичность металла очень важное свойство, кот учитывается и при проектировании деталей механизмов и в машине, что особенно важно при изготовлении этих деталей давлением, резанием и т.д. По показаниям пластичности можно дать частичную оценку свойств различных металлов, а также произвести контроль качества их изготовления [5].

Свойства металлов, влияющих на прочность металла, определяют с помощью испытаний.

Для пластичных металлов предел прочности ув. характеризует сопротивление металла значительным пластическим деформациям.

На пластичность материала влияют различные факторы:

1)Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации.

Металлы, имеющие кубическую кристаллическую решётку (например, алюминий, медь) обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них происходит во многих направлениях.

Металлы с гексагональной плотноупакованной структурой(цинк, магний) менее пластичны и поэтому труднее, чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим способам деформации.

2)С увеличением плотности дислокаций происходит взаимодействие между ними, что тормозит их перемещение и уменьшает пластичность. В металле, упрочённом деформацией, при нагреве обычно повышается пластичность (напр., у меди, никеля).

3)Перспективными являются волокнистые (композиционные материалы). Высокая прочность и пластичность в них достигается путём армирования мягкой металлической матрицы (медь, алюминий, серебро и т.д.) бездефектными нитевидными кристаллами или волокнами неметаллов (напр., углеродные волокна)

4)Деформация бывает горячая- при температуре выше температуры рекристаллизации. Её в зависимости от состава сплава обычно проводят при Т=0,7-0,75 Т пл. При такой темп снижается сопротивление металла пластической деформации и повышается пластичность.

5)Снижение температуры повышает сопротивление пластической деформации уменьшается пластичность. Поэтому металлы, вязкие при сравнительно высоких температурах, могут при низких температурах разрушаться хрупко.

6)На пластичность влияют различные соединения и примеси. В стали, например, количество цементита прямо пропорционально содержанию углерода и чем его больше, тем больше сопротивление деформации и уменьшение пластичности.

Марганец повышает прочность и практически не влияет на пластичность. Сера снижает пластичность( особенно в поперечном направлении вытяжки при прокате и ковке) Фосфор сильно уменьшает пластичность.

7) Скорость и степень деформации зависят от приложенной силы. у = P / F кгс/ммІ [10].

кристаллическая решетка пластичность материал

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Cтраница 1

Пластичность металлов также объясняется специфическими свойствами металлической связи.

При механическом воздействии на твердое тело отдельные слои его кристаллической решетки смещаются относительно друг друга.

Р’ силу высшей степени делокализации электронов РїСЂРё смещении отдельных слоев кристаллической решетки РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ лишь некоторое перераспределение электронной плотности, связывающей РґСЂСѓРі СЃ РґСЂСѓРіРѕРј атомы металла, РЅРѕ разрыва химических связей РЅРµ РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ — металл деформируется, РЅРµ разрушаясь.  [1]

Пластичность металла определяется способностью металла не разрушаясь деформироваться так, что деформации остаются и после окончания действия нагрузки.

Пластичность металлов имеет очень большое практическое значение. Благодаря этому свойству металлы поддаются ковке, прокатке, вытягиванию в проволоку ( волочению), штамповке.

Смещение заполненных атомами металла плоскостей в кристалле в определенных пределах не приводит к разрушению металлической связи. Механизм образования смещений связан с появлением и движением дислокаций.

РҐСЂСѓРїРєРёРјРё определенное время считались титан, вольфрам, С…СЂРѕРј, молибден, тантал, РІРёСЃРјСѓС‚, цирконий. Очищенные РѕС‚ примесей эти металлы — высокопластичные материалы, которые можно ковать, прессовать, прокатывать. Р’ табл.

11.3 приведены значения относительного удлинения некоторых металлов, характеризующего РёС… пластичность.  [3]

Пластичность металлов, как Рё прочность, РїРѕ-РІРёРґРёРјРѕРјСѓ, должна быть обусловлена РґРІСѓРјСЏ вкладами — решеточным Рё примесным ( СЃРј. РіР».

Второй вклад оказывается настолько большим, что зависимости пластичности РѕС‚ температуры Рё скорости деформации металлов СЃ примесями сильно отличаются РѕС‚ зависимостей, относящихся Рє чистым металлам. Эти различия имеют место Рё для соответствующих зависимостей прочностных характеристик, РЅРѕ РІ этом случае РѕРЅРё выражены значительно слабее. Возможно, наиболее важными факторами, которые следует учитывать РїСЂРё обсуждении закономерностей пластичности, являются подвижность дислокаций Рё скорость релаксации напряжений, причем первый влияет собственно РЅР° пластичности, Р° второй скорее РЅР° некоторую функцию ее относительного изменения.  [4]

Пластичность металлов характеризуют следующие величины.  [5]

Пластичность металла оценивается РїРѕ углу загиба, образующемуся РїСЂРё испытании РґРѕ момента появления первой трещины.  [6]

Пластичность металла существенно зависит РѕС‚ схемы деформирования. РџСЂРё стыковой сварке металл деформируется РїРѕ схемам всестороннего неравномерного сжатия ( фиг.  [7]

Пластичность металлов характеризуется сужением Рё удлинением. Сужение определяют РїСЂРё испытании РЅР° растяжение как уменьшение площади поперечного сечения образца.  [8]

Пластичность металла характеризуют РґРІРµ величины, которые определяются РїСЂРё испытании металла РЅР° растяжение — относительное удлинение Рё относительное сужение.  [9]

Пластичность металла определяется РїРѕ относительному удлинению Рё относительному сужению образцов РІ момент разрыва.  [10]

Пластичность металлов определяют также РїСЂРё испытании РЅР° растяжение. РџРѕРґ действием нагрузки образцы металлов удлиняются, Р° РёС… поперечное сечение становится меньше.  [11]

Пластичность металлов характеризуется относительным удлинением Р± образца РїСЂРё разрыве РїРѕ сравнению СЃ его первоначальной длиной.  [13]

Пластичность металлов также объясняется специфическими свойствами металлической связи.

При механическом воздействии на твердое тело отдельные слои его кристаллической решетки смещаются относительно друг друга.

В кристаллах с атомной структурой это приводит к разрыву ковалектных связей между атомами, принадлежащими различным слоям, и кристалл разрушается.

Р’ случае же металла РїСЂРё смещении отдельных слоев его кристаллической решетки РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ лишь некоторое перераспределение электронного газа, связывающего РґСЂСѓРі СЃ РґСЂСѓРіРѕРј атомы металла, РЅРѕ разрыва химических связей РЅРµ РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ — металл деформируется, РЅРµ разрушаясь.  [15]

Страницы:      1    2    3    4    5

Общая характеристика металлов. Строение кристаллической решетки. Физические свойства металлов. Основные руды

Общие свойства металлов: Металлы — это ковкие, пластичные, тягучие вещества, имеющие металлический блеск и способны проводить тепло и электрический ток.

Атомы элементов-металлов отдают электроны внешнего электронного слоя, превращаясь в положительные ионы.

Это свойство атомов металлов, определяется тем, что они имеют сравнительно большие радиусы и малое число электронов. Всвязи с этим атомы металлов сравнительно легко отдают наружные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы.

Оторвавшиеся от атомов электроны располагаются между положительными ионами и относительно свободно перемещаются между ними. Между положительными ионами металлов и этими электронами возникает связь.

Так как электроны находятся в непрерывном движении , то при их столкновении с положительными ионами последние могут на некоторое время превратится в нейтральные атомы. Эти кристаллические решетки – металлические.

Физические свойства: металлический блеск. электрическая проводимость и теплопроводность. Ковкость и пластичность.

металлы так же имеют ряд других Свойств: плотность, твердость, температура.

Билет № 51

Общая характеристика элементов II А группы. Щелочноземельные металлы. Физические и химические свойства. Кальций. Биологическая роль. Применение соединений кальция в медицине и фармации.

Ко II Агруппе периодической системы элементов относятся бериллий, щелочноземельные металлы: магний, кальций, стронций, барий и радий

На внешнем электронном уровне элементов главной и побочной подгрупп находятся по 2 электрона (s2), которые они отдают, образуя соединения со степенью окисления +2.

Для всех элементов II группы характерны сравнительно низкая температура плавления и высокая летучесть. У щелочноземельных элементов растворимость гидроксидов увеличивается от магния к барию: гидроксид магния почти не растворяется в воде, гидроксид кальция растворяется слабо, а гидроксид бария — хорошо.

Растворимость многих солей уменьшается от магния к радию.

Бериллий был открыт Л. Н. Вокленом в 1798 г.

Стронций впервые был выделен в виде оксида А. Крофордом в 1790 г., а в чистом виде получен Г. Дэви в 1808 г

Барий был открыт К. В. Шееле в 1774 г. и Г. Деви в 1808 г.

Радий открыт М. и П. Кюри совместно с Ж. Белебном в 1898 г.

Кадмий открыл Ф. Штромейер в 1817 г.

Физические свойства:

Все щёлочноземельные металлы — серые, твёрдые при комнатной температуре вещества. В отличие от щелочных металлов, они существенно более твёрдые, и ножом преимущественно не режутся (исключение — стронций). Плотность щёлочноземельных металлов с порядковым номером растёт

Химические свойства:Имея два валентных электрона, щёлочноземельные металлы легко их отдают, и во всех соединениях имеют степень окисления +2 .

Бериллий в компактном виде не реагирует ни с кислородом, ни с галогенами. Магний защищён оксидной плёнкой. Кальций медленно окисляется и сгорает при небольшом нагревании в кислороде, но устойчив в сухом воздухе. Стронций, барий и радий быстро окисляются на воздухе, давая смесь оксидов и нитридов

Ка́льций — элемент главной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы, с атомным номером 20.— мягкий, химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.

Кальций — распространенный макроэлемент в организме растений, животных и человека. В организме человека и других позвоночных большая его часть находится в скелете и зубах. Ионы кальция участвуют в процессах свертывания крови.

• • CaCl – противоаллергическое,
• • CaCO3 – антацидное, противоязвенное
• • Ca3(PO4)2 – для реминерализации зубной ткани, как наполнитель таблеток.
• Билет №52

Пластичность и прочность металлов

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение материала под действием приложенных внешних механических сил.

Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость, вязкость, твердость.

Зная их, конструктор при проектировании обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность машин и конструкций при их минимальной массе.

В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, то есть значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.

Наличие металлической связи придает металлу способность к пластической деформации и к самоупрочнению в результате пластической деформации.

Поэтому если внутри материала есть дефект или имеются концентраторы напряжений, то в этих местах напряжения достигают большой величины и даже может возникнуть трещина.

Но так как пластичность металла высока, то в таком месте, в том числе в устье трещины, металл пластически деформируется, упрочняется, и процесс разрушения приостанавливается.

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений. Напряжения и вызываемые ими деформации могут возникать при воздействии на тело внешних сил растяжения, сжатия и т.д., а также в результате фазовых (структурных) превращений, усадки и других протекающих в металле физико-химических процессов, связанных с изменением объема.

Деформация под действием напряжения может быть упругой и пластической (остаточной). Пластическая деформация происходит только под действием касательных напряжений, достаточных для необратимого перемещения атомов в кристаллической решетке.

Упругой называется деформация, полностью исчезающая после прекращения действия (снятия) вызвавших ее напряжений.

При упругой деформации происходит незначительное изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке. С увеличением межатомных расстояний существенно возрастают силы взаимного притяжения атомов. При снятии напряжения под действием этих сил атомы возвращаются в исходное положение.

Если нормальные напряжения достигнут значения сил межатомной связи, то произойдет хрупкое разрушение путем отрыва одной части объекта от другой. Упругую деформацию вызывают также и небольшие касательные напряжения.

Пластической или остаточной называется деформация, остающаяся после прекращения действия вызвавших ее напряжений. При пластической деформации в кристаллической решетке металла под действием касательных напряжений происходит необратимое перемещение атомов.

При небольших напряжениях атомы смещаются незначительно и после снятия напряжений возвращаются в исходное положение. При увеличении касательного напряжения наблюдается необратимое смещение атомов, то есть происходит пластическая деформация, причем сплошность тела не нарушается.

В результате развития пластической деформации может произойти пластическое (вязкое) разрушение путем сдвига.

В кристаллической решетке сдвиг (скольжение) происходит по плоскостям и в направлениях с наиболее плотной упаковкой атомов. Эти плоскости, называемые плоскостями сдвига или скольжения, зависят от типа кристаллической решетки. Чем больше элементов сдвига в решетке, тем выше пластичность.

Деформация двойникованием представляет собой перестройку части кристалла в новое положение, зеркально симметричное по отношению к недеформированной части кристалла (рис. 5.1). Плоскость, по отношению к которой выполняется зеркальная симметрия, называется плоскостью двойникования.

При двойниковании атомные плоскости сдвигаются параллельно плоскости двойникования на разные расстояния. По сравнению со скольжением двой- никование занимает второстепенное положение, деформация за счет двойникования всегда меньше деформации скольжения.

Роль двойникования возрастает, если скольжение невозможно или сильно за-

Рис. 5.1. Перемещение атомов при сдвиге (слева) и двойниковании (справа).

Положение атомов до (7) и после (2) деформации

труднено. В металлах с ОЦК- и ГЦК-решетками двойникование наблюдается лишь при низких температурах и высоких скоростях деформации. В металлах с ГПУ-решеткой, где немного систем скольжения, деформирование при нормальных условиях сопровождается двойникованием.

Дислокационный механизм пластической деформации. Атомы, расположенные в поле дислокации, возбуждены, их энергия повышена, они уже выведены из регулярных положений с минимальной свободной энергией. Такое состояние кристалла нестабильно.

Достаточно приложить существенно меньшие напряжения, чем при синхронном сдвиге, чтобы ограниченная группа атомов, слегка сместившись, заняла новые устойчивые положения.

Так совершается элементарный акт пластической деформации с затратой минимума энергии (рис. 5.2).

Рассмотренная схема пластической деформации позволяет сделать вывод, что процесс сдвига в кристалле будет происходить тем легче, чем больше дислокаций будет в металле.

Когда дислокации отсутствуют, сдвиг возможен только за счет одновременного смещения всей части кристалла. Как доказано выше, реальная прочность металлов зависит от плотности дислокации при деформации.

Достигнув минимального значения при некоторой плотности дислокации, реальная прочность начинает возрастать.

Техническая (реальная) прочность металлов в 10—1000 раз меньше, чем их теоретическая прочность, определяемая силами межатомного сцепления. Так, для железа теоретически вычисленное зна-

Рис. 5.2. Схема сдвига на один параметр решетки верхней части зерна относительно его нижней части при движении дислокации через всю плоскость скольжения

чение сопротивления отрыву SQ7 = 21 • 103 МПа. Техническая же прочность 5от = 700 МПа.

Такое большое различие объясняется тем, что теоретическая прочность соответствует идеальной бездефектной структуре металла. В реальных металлах всегда имеются дислокации и другие дефекты кристаллической решетки, включения, микротрещины, понижающие прочность и инициирующие разрушение (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Зависимость прочности от количества дислокаций и других дефектов кристаллической решетки (схема И.А. Одинга):

7 — чистые отожженные металлы; 2 — сплавы, упрочненные легированием, термической обработкой, пластической деформацией (наклеп) и т.п.

Минимальную прочность имеют чистые отожженные металлы при плотности дислокаций около 107—108 см-2. С уменьшением количества дислокаций прочность возрастает и может достигать теоретического значения.

Так, например, у нитевидных металлических кристаллов-«усов» толщиной 0,5—2 мкм и длиной до 10 мм структура практически бездефектна. Они имеют прочность, почти равную теоретической: ов = 13 500 МПа.

Увеличение размеров «усов» приводит к появлению дислокаций и резкому снижению прочности.

Наклепом называется изменение свойства металла в результате холодной пластической деформации. С увеличением степени пластической деформации повышаются прочность и твердость. Одновременно понижаются пластичность и вязкость металла, то есть происходит его охрупчивание.

Наиболее высокопрочным материалом в современной технике является нагартованная стальная проволока, получаемая в результате холодного волочения при степени деформации 80—90% и имеющая временное сопротивление 3000—4000 МПа. Такая прочность не может быть достигнута легированием и термообработкой.

В результате наклепа существенно изменяются физические и химические свойства металлов (например, повышаются электросопротивление, растворимость в кислотах, уменьшается теплопроводность).

Упрочнение при наклепе объясняется прежде всего тем, что с увеличением степени пластической деформации на несколько порядков возрастает число дислокаций. Особо эффективными «барьерами» для дислокаций являются границы зерен и блоков. Дислокации могут тормозиться дисперсионными частицами, выделяющимися из твердого раствора при деформировании.

Сверхпластичность. В общем случае способность металла к значительной равномерной деформации без упрочнения называется сверхпластичностью.

Состояние сверхпластичности может быть достигнуто в специальных сплавах при соответствующей термообработке и особых условиях деформирования.

1.Металлы. Строение и свойства металлов. Металлическая связь. Типы кристаллических решёток металлов. Полиморфизм и анизотропия

• Металлы
  – один из классов конструкционных
  материалов, характеризующийся определённым
  набором свойств:
• «металлический
  блеск» (хорошая отражательная способность);
• пластичность;
• высокая
  теплопроводность;
• высокая
  электропроводность.

Данные
свойства обусловлены особенностями
строения металлов. Согласно теории
металлического состояния, металл
представляет собой вещество, состоящее
из положительных ядер, вокруг которых
по орбиталям вращаются электроны. На
последнем уровне число электронов
невелико и они слабо связаны с ядром.

Эти электроны имеют возможность
перемещаться по всему объёму металла,
т.е. принадлежать целой совокупности
атомов.

Таким
образом, пластичность, теплопроводность
и электропроводность обеспечиваются
наличием «электронного газа».

Все
металлы, затвердевающие в нормальных
условиях, представляют собой кристаллические
вещества, то есть укладка атомов в них
характеризуется определённым порядком
– периодичностью, как по различным
направлениям, так и по различным
плоскостям. Этот порядок определяется
понятием кристаллическая
решётка.

Рис.
1.1.-Схема кристаллической решетки

Основными
типами кристаллических решёток являются:

1. Объемно — центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1.2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti)

2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1.2б), атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au,)

3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

1. простая
   – атомы располагаются в вершинах ячейки
   и по центру 2 оснований (углерод в виде
   графита);
2. плотноупакованная
   (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома
   в средней плоскости (цинк).
3. Металлическая
   связь — химическая связь, которая
   обусловлена взаимодействием положительных
   ионов металлов, составляющих кристаллическую
   решётку, с электронным газом из валентных
   электронов.

  Особенностью металлов является анизотропия свойств кристаллов, т. е. различие свойств кристаллов в разных направлениях.

• В
  кристаллических телах атомы правильно
  располагаются в пространстве, причем
  по разным направлениям расстояния между
  атомами неодинаковы, что предопределяет
  существенные различия в силах
  взаимодействия между ними и, в конечном
  результате, разные свойства. Зависимость
  свойств от направления называется
  анизотропией
• Чтобы
  понять явление анизотропии необходимо
  выделить кристаллографические плоскости
  и кристаллографические направления в
  кристалле.
• Плоскость,
  проходящая через узлы кристаллической
  решетки, называется кристаллографической
  плоскостью.
• Прямая,
  проходящая через узлы кристаллической
  решетки, называется кристаллографическим
  направлением.

Для
обозначения кристаллографических
плоскостей и направлений пользуются
индексами
Миллера.
Чтобы установить индексы Миллера,
элементарную ячейку вписывают в
пространственную систему координат
(оси X,Y, Z – кристаллографические оси).
За единицу измерения принимается период
решетки.

Рис.
1.2. Основные типы кристаллических
решеток: а – объемно-центрированная
кубическая; б– гранецентрированная
кубическая; в – гексагональная
плотноупакованная

Другими
словами, кристаллическая решетка это
воображаемая пространственная решетка,
в узлах которой располагаются частицы,
образующие твердое тело.

Элементарная
ячейка
– элемент объёма из минимального числа
атомов, многократным переносом которого
в пространстве можно построить весь
кристалл.

Полиморфизм.
Способность одного и того же металла
образовывать несколько разных
кристаллических структур называется
полиморфизмом.

Различные структурные
модификации одного и того же металла
называют еще аллотропическими
модификациями, а такие превращения под
воздействиями температуры или давления
называют аллотропическими
превращениями.

Полиморфизмом обладают
железо, кобальт, титан олово, марганец,
ванадий, стронций, кальций, цирконий и
др.

Железо
имеет объемно-центрированную кубическую
решетку до температуру 911° С в интервале
1392 – 1539° С, а от температуры 911° С до
1392° С имеет гранецентрированную
кубическую решетку. При температуре
768° С происходит изменение магнитных
свойств: ниже 768° С железо магнитно, выше
768° С немагнитно.