Строение металлов

05.10.2019

Все вещества в природе делятся на простые и сложные. Простыми веществами называют такие, которые при химических реакциях не могут быть разложены на составные части. Эти вещества называют также химическими элементами. Сложные вещества состоят из двух или нескольких простых веществ.

Мельчайшей частицей химического элемента является атом. Каждый атом представляет собой систему, состоящую из ядра и движущихся вокруг него электронов. Ядро имеет положительный электрический заряд, а электроны — отрицательный. Ядра в свою очередь имеют более сложное строение, чем электроны. В их состав входят положительно заряженные частицы — протоны и не имеющие электронного заряда — нейтроны. Ядра различных химических элементов имеют различное число протонов и нейтронов.

Наименьшей частицей вещества, обладающей его основными химическими свойствами и способной к самостоятельному существованию, является молекула. Молекулы состоят из одинаковых или различных атомов. Число атомов, входящих в состав молекул, колеблется в очень широких пределах.

В настоящее время насчитывают всего 104 элемента Число же сложных веществ огромно — свыше миллиона

Ниже приводятся данные о распространении главных элементов в земной коре, %:

Элементы являются составными частями природных тел. Вода, например, состоит из кислорода и водорода; песок — из кремния и кислорода; глина — из алюминия, кремния и кислорода; поваренная соль — из натрия и хлора; сахар — из углерода, водорода и кислорода. В состав растительных и животных организмов преимущественно входят: углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, кальций и железо.

Все элементы по основным свойствам делятся на две большие группы: металлы и неметаллы (металлоиды). Большинство металлов обладает рядом свойств: относительно большой плотностью, теплопроводностью, прочностью, пластичностью, характерным металлическим блеском, способностью давать с кислородом соединения и т. д. Неметаллы, наоборот, часто не имеют этих свойств, но дают прочные летучие соединения с водородом. К числу неметаллов относятся: углерод, водород, кислород, сера, фосфор, кремний и др.

Многие металлы, находясь в расплавленном состоянии, легко смешиваются между собой, образуя однородную жидкость — раствор. При застывании этого раствора образуется твердое вещество — сплав. В сплав могут входить два, три и больше металлов и неметаллов.

Основные вещества, входящие в сплав, называют компонентами сплава.

Из сказанного становится ясной разница между металлом и сплавом: металл — это простое вещество, а сплав — сложное вещество, состоящее из двух или нескольких компонентов. Сплавы обладают основными свойствами, присущими металлам.

В зависимости от расположения атомов все вещества делятся на аморфные и кристаллические.

Атомы в аморфных веществах расположены беспорядочно, а сами аморфные тела имеют блестящий раковистый излом. Примерами аморфных веществ являются стекло, эбонит, канифоль, целлулоид и т. п.

В кристаллических веществах атомы расположены в строго определенном порядке. В изломе многие кристаллические вещества имеют характерное кристаллическое строение, хотя этот признак наблюдается не всегда. Примерами кристаллических веществ могут служить все металлы.

Кристаллическое строение металлов доказывается многими методами, из которых рентгеновский анализ является наиболее совершенным. Просвечиванием металлов рентгеновскими лучами удалось установить форму и размер ячеек, образованных атомами.

На рис. 1 показаны отдельные ячейки расположенных в пространстве атомов меди, алюминия и магния. Совокупность правильно уложенных ячеек представляет собой кристаллическую решетку.

Образование кристаллов, или, как говорят, кристаллизация, начинается в момент охлаждения жидкого металла до определенной температуры. В местах наибольшего охлаждения жидкого металла появляются отдельные мельчайшие кристаллики. От них, как от центров кристаллизации, начинают расти кристаллические оси в строго определенном направлении. От осей растут новые оси, образуя как бы скелет кристалла. При охлаждении жидкого металла одновременно возникает большое число центров кристаллизации. Поэтому рост отдельного кристалла продолжается до тех пор, пока его ветви не встретятся с соседними растущими кристаллами. Образование новых центров кристаллизации и рост кристаллов прекращаются, как только застынет вся масса жидкого металла.

Наглядным примером кристаллизации может служить замерзание воды на открытых местах.

Обычно кристаллы принимают округлые очертания, и поэтому их называют зернами. Кристаллы, сохранившие ветвистую форму (рис. 2), называются дендритами (от греческого слова «дендрон», что означает «дерево»).

Форма, размеры и расположение кристаллов определяют строение — структуру металла. Она зависит от природы и чистоты металла и условий его обработки.

На рис. 3 показана макроструктура алюминиевого сплава, отлитого двумя различными методами. При отливке по методу погружения изложницы в воду охлаждение металла шло снизу вверх и поэтому кристаллы расположились вертикально. При отливке же в обычную чугунную изложницу охлаждение металла шло от стенок изложницы к центру слитка, поэтому кристаллы расположены горизонтально; только в центре слитка направленность кристаллизации нарушается.

С изменением структуры изменяются многие свойства металлов, в частности механические, например прочность и пластичность. Из производственной практики известно, что одни и те же металлы с мелкозернистой структурой прочнее, чем с крупнозернистой. Во многих случаях изучение структуры позволяет определять причины низкого качества металла и намечать пути его улучшения.

Кристаллическое строение, образовавшееся при охлаждении расплавленного металла и перехода его в твердое состояние, может изменяться. Путем соответствующего нагрева и охлаждения, а также обработкой давлением — прокаткой, ковкой, прессованием, волочением и т. п. — можно изменить форму и размеры кристаллов. Одновременно с этим, как это будет показано дальше, изменяется прочность, пластичность и другие свойства.

Существует несколько методов определения структуры металлов. Наиболее прост и доступен излом образца металла. Наблюдаемые при этом степени измельчения зерен во многих случаях бывают достаточны для определения качества металла. Этим методом часто пользуются в литейном деле.

Другой метод состоит в приготовлении из металла специального образца — шлифа. Для этой цели шлифованную и полированную поверхность образца в зависимости от его материала травят тем или иным растворителем, обычно слабым раствором кислоты. Так, например, для выявления структуры меди и ее сплавов применяют аммиак с небольшой добавкой перекиси водорода; алюминий и его сплавы травят водным раствором фтористоводородной кислоты. Вследствие того, что растворимость отдельных элементов структуры в кислоте различна, на шлифе создается рельеф (см рис. 2 и 3). Во многих случаях структура на шлифах после травления видна невооруженным глазом, но чаще для изучения строения металлов применяют микроскоп.

Шлифы, рассматриваемые невооруженным глазом, называют макрошлифами, в отличие от микрошлифов, изучаемых при помощи микроскопа (греческое «макро» — большой, «микро» — малый).

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна