Кристаллическое строение металлов

У металлов  электроны на внешних оболочках имеют слабую связь с ядром, легко отрываются и могут свободно перемещаться между положительно заряженными ядрами. Следовательно, в металле положительно заряженные ионы окружены коллективизированными электронами. Так как эти электроны подвижны аналогично  частицам  газа,  то используется  термин «электронный газ».

Металлургический тип связи характерен тем, что нет непосредственного соединения атомов друг с другом,  нет между ними прямой связи. Атомы в металлах размещаются закономерно, образуя кристаллическую решетку.

Кристаллическая решетка - это мысленно проведенные в пространстве прямые линии, соединяющие ближайшие атомы и проходящие через их центры, относительно которых они совершают колебательные движения. В итоге образуются фигуры правильной геометрической формы - кристаллическая решетка (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема кристаллической решетки

Расстояния (а,b,с) между атомами , т.е. параметры кристаллической решетки, находятся в пределах 2… 6  A^o  (1 A^o=10^-8 см). Каждый атом принадлежит 8  кристаллическим решеткам. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве, свойства в различных направлениях одинаковы, а  в кристаллических телах расстояния между атомами в различных направлениях неодинаковы, поэтому различны и свойства. Тип кристаллической решетки (рис. 1.2) зависит от металла, температуры и давления. Это используется при термообработке металлов для   упрочнения их.

Реальные металлы состоят из большого количества кристаллов, различно ориентированных в пространстве относительно друг друга. На границах зерен атомы кристаллов не имеют правильного расположения, здесь скапливаются примеси,  дефекты и включения. Экспериментально установлено , что внутреннее  кристаллическое  строение зерен не является правильным. В решетках имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связь между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.

Имеются следующие несовершенства в кристаллических решетках:

1. Точечные (рис. 1.3):
       а) Наличие вакансий, т. е. мест в решетке, не занятых атомами. Это происходит из-за смещения атомов от равновесного состояния. Число вакансий увеличивается с ростом температуры.
       б) Дислоцированные атомы, т. е. атомы вышедшие из узла решетки и  занявшие место в междоузлии.
       в) Примесные атомы, т.е. в основном металле имеются чужеродные примеси. Например,  в чугуне основными атомами являются атомы железа, а примесными- атомы углерода, которые или занимают место основного атома, или внедряются внутрь ячейки.
2. Поверхностные несовершенства, имеющие небольшую толщину при значительных размерах в двух других направлениях.    
3. Линейные несовершенства (цепочки вакансий, дислокаций и т. д.). Линейные дефекты малы в двух  направлениях и значительно большего размера в третьем.

Рис. 1.2. Виды кристаллических решеток

Рис. 1.3. Дефекты кристаллической решетки.

Количество дефектов в металле оказывает существенное влияние на его прочность.

Повышение прочности с увеличением  плотности дислокаций выше их критического значения объясняется тем, что имеются не только параллельные, но и взаимопересекающиеся  (объемные) дислокации. Они препятствуют взаимному перемещению металла и, как результат, приводят к увеличению прочности металла.

Все современные способы упрочнения металлов (легирование, закалка, прокатка, ковка, штамповка, волочение и т.д.)  – это  увеличение количества дефектов в металле. Наивысшая  прочность,  которую можно получить путем увеличения  количества дефектов в металле , составляет около 1/3  от теоретически возможной (идеальной)  прочности.

Российские ученые и практики  сделали много открытий    в металловедении и технологии обработки металлов. Так, основы научной металлургии и геологии заложил еще Михаил  Васильевич  Ломоносов, об этом свидетельствует написанный им в 1763 году    труд  «Первые основания металлургии или рудных дел».

Дмитрий  Иванович  Менделеев систематизировал в  периодической  таблице химические элементы, что способствовало развитию многих вопросов металловедения (из известных  в то время  63 химических элемента 50 были  металлами). Родоначальником металлургии является и русский горный инженер Павел Петрович Аносов (1797…1851 г.), работающий  в городе Златоусте на Урале. Он впервые применил световой микроскоп для изучения микроструктур металлов и нашел  секрет булатной стали, заложил основы легирования стали  (исследовал добавки золота, платины, хрома, марганца и других элементов  к стали).

Дмитрий Константинович Чернов (1839…1921 г.) - основоположник теории и строения стального слитка. Работал на Обуховском заводе г. Санкт-Петербурга.

Источник: Н.В. Храмцов. Металлы  и сварка (лекционный курс)