Атомно-кристалічна будова металів

Під атомно-кристалічною будовою розуміють упорядковане розміщення атомів, які утворюють кристалічну решітку. Кристалічна решітка являє собою уявну просторові сітку, у вузлах якої розміщені атоми (іони), що утворюють тверде кристалічне тіло.

У металі, який знаходиться у твердому стані, атоми фіксовані у відповідному положенні один відносно одного, проте вони не є нерухомими, а безперервно коливаються відносно певного середнього положення.

Найменший об’єм кристалічних решіток, який дає уявлення про атомну структуру металу, називається елементарною кристалічною коміркою. Для опису елементарних кристалічних комірок використовують шість величин: ребра комірки - a, b, c (параметри комірки, періоди решітки); кути між ребрами - α, β, γ. Густина кристалічної решітки характеризується координаційним числом і базисом. Координаційне число - число атомів, розташованих на рівній і найменшій відстані від даного атома. Базис - число цілих атомів на одну комірку.

Багато металів залежно від температури можуть існувати в різних кристалічних формах, або модифікаціях. Перетворення кристалічної решітки одного типу на кристалічну решітку іншого типу називається поліморфним перетворенням.

Методичні рекомендації

В цьому розділі необхідно розглянути типи хімічного зв'язку у твердих тілах. Основну увагу зверніть на особливий тип металевого зв'язку. Металевий тип зв'язку обумовлює відмінні властивості металів: високу електропровідність і теплопровідність, високу пластичність і металевий блиск. Розгляньте основні типи кристалічних решіток. Визначте періоди, координаційне число та базис решітки. Визначте дефекти кристалічної будови: точкові, лінійні і просторові. Проаналізуйте явища анізотропії і поліморфізму.

Питання для самоперевірки

1. У чому сутність металевого, іонного і ковалентного типів зв’язку?        2. Наведіть характерні властивості металів і поясніть чим вони визначаються? 3. Дайте характеристику явищу анізотропії властивостей кристалів. 4. Дайте характеристику явищу поліморфізма? 5. Визначте основні типи кристалічних решіток.  6. Визначте дефекти кристалічної будови і дайте їм характеристику. 

КРИСТАЛІЗАЦІЯ МЕТАЛІВ І СПЛАВІВ

 

Кристалізацією називають перехід металів з рідкого стану в твердий кристалічний. Відбувається вона внаслідок переходу системи до термодинамічно більш стійкого стану з меншою вільною енергією або термодинамічним потенціалом. Вільна енергія системи, що має величезне число охоплених тепловим рухом частинок, становить F = U - TS, де U - повна енергія системи;  T - абсолютна температура; S - ентропія (характеризує тепловий стан тіла). З підвищенням температури вільна енергія зменшується.

 процес кристалізації складається з двох стадій6

- утворення центрів кристалізації (зародків кристалів);

- розростання кристалів навколо цих центрів.

Утворений центр кристалізації стає стійким лише при досягненні достатнього (критичного розміру). Критичним називається мінімальний розмір зародка, здатного до росту при даних температурних умовах.

Гомогенне виникнення зародків у рідкому металі може відбуватися тільки в дуже чистому металі. В технічних металах завжди присутня велика кількість домішок, які за певних умов полегшують виникнення зародків, оскільки фактично є готовими центрами кристалізації. Таке виникнення зародків на основі сторонніх центрів кристалізації називають гетерогенним.

 

Методичні рекомендації

В цьому розділі необхідно розглянути залежність вільної енергії металу в рідкому та твердому станах від температури. Визначити рівноважну температуру кристалізації (плавлення). Розглянути криві охолодження при кристалізації металу з різними швидкостями. Механізм і параметри процесу кристалізації.

Питання для самоперевірки

1. Визначте енергетичні і температурні умови процесу кристалізації. 2. Що називається ступенем переохолодження і як на нього впливає швидкість охолодження? 3. Визначте стадії процесу кристалізації. Визначте вплив   ступеню  переохолодження    на  розмір  критичного        зародка. 4. Проаналізуйте способи регулювання розмірів зерен в процесі кристалізації. 5. Визначте фактори, які впливають на форму кристалів. Дайте характеристику зонам металевого зливка.