 |
Дефекты кристаллической решетки металла
|
|
|
|
Кристаллическая решетка, в которой отсутствуют нарушения сплошности и все узлы заполнены однородными атомами называется идеальной кристаллической решеткой металла.
В решетке реального металла могут находиться различные дефекты.
Все дефекты кристаллической решетки принято делить на точечные, линейные, поверхностные и объемные.
Точечные дефекты соизмеримы с размерами атомов. К ним относятся вакансии, т.е. незаполненные узлы решетки, межузельные атомы данного металла, примесные атомы замещения, т.е. атомы, по диаметру соизмеримые с атомами данного металла и примесные атомы внедрения, имеющие очень малые размеры и поэтому находящиеся в междоузлиях.
Влияние этих дефектов на прочность металла может быть различным в зависимости от их количества в единице объема и характера.
Линейные дефекты имеют длину, значительно превышающую их поперечные размеры. К ним относятся дислокации, т.е. дефекты, образующиеся в решетке в результате смещений кристаллографических плоскостей.
Дислокации бывают двух видов.
Наиболее характерной является краевая дислокация (рис.7.5).
Рис.7.5. Схема краевой дислокации в идеальном кристалле
Она образуется в результате возникновения в решетке, так называемой полуплоскости или экстраплоскости.
Нижний ряд экстраплоскости собственно и принято называть дислокацией.
Другим типом дислокации является винтовая дислокация, которая представляет собой некоторую условную ось внутри кристалла, вокруг которой закручены атомные плоскости (рис.7.6).
В винтовой дислокации, так же как в краевой, существенные искажения кристаллической решетки наблюдаются только вблизи оси, поэтому такой дефект может быть отнесен к линейным.
|
|
|
Дислокации обладают высокой подвижностью, поэтому существенно уменьшают прочность металла, так как облегчают образование сдвигов в зернах-кристаллитах под действием приложенных напряжений.
Рис.7.6. Схема винтовой дислокация
Дислокационный механизм сдвиговой пластической деформации внутри кристаллов может привести к разрушению изделия. Таким образом, дислокации непосредственно влияют на прочностные характеристики металла.
Для оценки этого влияния используется плотность дислокаций, под которой принято понимать отношение суммарной длины дислокаций к объему содержащего их металла. Плотности дислокаций измеряется в см-2 или м-2.
Свойства металлов
Свойства черных металлов
Все металлы и сплавы характеризуются физическими, химическими, механическими и технологическими свойствами.
К физическим свойствам металлов относятся: цвет, среднюю плотность, температура плавления, электропроводность, теплопроводность, расширение металла при нагреве и магнитные свойства. Температура плавления сплавов имеет большое значение в литейном производстве.
Физические свойства объясняются особым строением кристаллической решетки - наличием свободных электронов ("электронного газа").
- пластичность - способность изменять форму при ударе, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы. В ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe уменьшается.
- блеск, обычно серый цвет и непрозрачность. Это связано с взаимодействием свободных электронов с падающими на металл квантами света.
- электропроводность объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. В ряду Ag, Cu, Al, Fe уменьшается.
При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение "электронного газа".
|
|
|
- теплопроводность обусловлена высокой подвижностью свободных электронов и колебательным движением атомов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность - у висмута и ртути.
- плотность, тем меньше, чем меньше атомная масса металла и чем больше радиус его атома (самый легкий - литий (r=0,53 г/см3); самый тяжелый – осмий (r=22,6 г/см3)).
Металлы, имеющие r < 5 г/см3 считаются, "легкими металлами".
- температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл – ртуть (т.пл. = -390C), самый тугоплавкий металл – вольфрам (t0пл. = 33900C).
Металлы с tпл выше 1000оC считаются тугоплавкими, ниже – низкоплавкими.
К химическим свойствам металлов относятся: окисляемость, растворяемость и коррозийная стойкость. Все перечисленные свойства важны для выбора литейных сплавов, применяемых для отливок деталей, работающих в окислительных средах (колосниковые решетки печей, насосы для перекачивания кислот и т. п.).
Сильные восстановители: Me0 – ne = Men+
I. Реакции с неметаллами
С кислородом:
2Mg+ O2 = 2MgO
С серой:
Hg + S = HgS
С галогенами:
Ni + Cl2 Ni+2Cl2
С азотом:
3Ca + N2 Ca3N2
С фосфором:
3Ca + 2P Ca3P2
С водородом (реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы):
2Li + H2 2LiH
Ca + H2 CaH2
II. Реакции с кислотами
Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H восстанавливают кислоты-неокислители до водорода:
Mg + 2HCl = MgCl2 + H2
2Al+ 6HCl = 2AlCl3 + 3H2
6Na + 2H3PO4 = 2Na3PO4 + 3H2
Восстановление металлами кислот-окислителей смотри в разделах: "окислительно-восстановительные реакции", "серная кислота", "азотная кислота".
III. Взаимодействие с водой
Активные (щелочные и щелочноземельные металлы) образуют растворимое основание и водород:
2Na0 + 2H2O = 2NaOH + H2
Ca0 + 2H2O = Ca(OH)2 + H2
К механическим свойствам металлов относятся: прочность, твердость, упругость, вязкость и пластичность. Эти свойства металлов и сплавов имеют большое значение при использовании их в машиностроении.
Механические свойства металлов и сплавов определяются тем, как они воспринимают внешние нагрузки, т.е. сопротивляются деформированию и разрушению. При их деформировании наблюдается два различных вида деформаций – упругие и пластические, – которые отличаются и внешними проявлениями и внутренними механизмами. Понятно, что свойства, определяющие упругое и пластическое состояние металлов, должны описываться разными характеристиками.
|
|
|
Упругие деформации происходят за счет изменения межатомных расстояний, они не изменяют структуру металла, его свойства и являются обратимыми. Обратимость означает, что после снятия нагрузки тело принимает прежние форму и размеры, т.е. остаточная деформация отсутствует.
Пластические деформации возникают за счет образования и движения дислокаций, они изменяют структуру и свойства металла. После снятия нагрузки деформации остаются, т.е. пластические деформации носят необратимый характер.
|
|
|
