КОНСТРУКЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ, ЩО ЗАСТОСОВУЮТЬСЯ У ВИРОБНИЦТВІ НЕОРГАНІЧНИХ РЕЧОВИН

Метали і сплави

Метали – найбільш поширені та розповсюджені у виробництві і побуті матеріали. Метали у твердому і частково рідкому стані володіють рядом характерних властивостей:

високою тепло- і електропровідністю;

позитивним температурним коефіцієнтом електроопору (з підвищенням температури електроопір чистих металів зростає; велике число металів має надпровідність, у цих металів при температурі, близькій до абсолютного нуля, електроопір падає стрибкоподібно практично до нуля);

термоелектронною емісією (здатністю випускати електрони при нагріванні);

гарною відбивної здатністю; метали непрозорі і володіють металевим блиском;

підвищеною здатністю до пластичної деформації.

Наявність цих властивостей і характеризує так званий металевий стан речовини. Всі метали і металеві сплави – тіла кристалічні. У вузлах кристалічних граток металів знаходяться позитивно заряджені іони, а між ними вільно переміщуються електрони (електронний газ). Характерні властивості металів пояснюються специфічними властивостями металевого зв'язку.

Метали поділяються на дві групи: чорні – залізо та його сплави (більше 90 % всіх використовуваних металів) та кольорові – всі інші. Кольорові метали за різними ознаками діляться на підгрупи:

важкі, що мають щільність більше 5 г/см³ (цинк, мідь, олово, свинець, срібло, золото тощо);

легкі, що мають щільність до 5 г/см³ (літій, натрій, магній, калій, алюміній і ін.);

тугоплавкі, температура плавлення яких вища, ніж у заліза (ніобій, молібден, вольфрам і ін.);

легкоплавкі (цезій, галій, калій, натрій, олово, свинець і ін.);

рідкісні (молібден, вольфрам, ванадій і ін.);

благородні (золото, срібло, платина, паладій та ін.); та інші.

Властивості металів, що відрізняють їх від інших речовин, обумовлені особливостями їх внутрішньоатомної будови. Відповідно до сучасної теорії будови атомів, кожен атом представляє складну систему, яка складається з позитивно зарядженого ядра, навколо якого на різній відстані від нього рухаються негативно заряджені електрони. На відміну від неметалів, притягувальна дія ядра на зовнішні (валентні) електрони в металах у значній мірі скомпенсована електронами внутрішніх оболонок. Тому валентні електрони легко відриваються і вільно переміщаються між утвореними позитивно зарядженими іонами. Слабкий зв'язок окремих електронів з іншою частиною атома і є характерною особливістю атомів металевих речовин, що зумовлює їх хімічні та фізичні властивості.

Будь-який метал складається з великого числа атомів, в яких позитивно заряджені іони, що мають коливальний рух біля деяких центрів, оточені колективізованими валентними електронами. Електрони легко переміщуються з зовнішньої орбіти одного атома на орбіту іншого атома і своєю рухливістю нагадують переміщення частинок в газі. Наявністю «електронного газу» пояснюють і особливий тип зв'язку, властивий металам.

Кристалічна будова речовин характеризується закономірним розміщенням атомів у просторі з утворенням кристалічної гратки. Кристалічну гратку речовини слід представляти як мислено проведені у просторі в напрямку трьох осей координат прямі лінії, що з'єднують найближчі атоми і проходять крізь їх центри. Проведені зазначеним чином усередині кристалічного тіла лінії утворюють об'ємні фігури правильної геометричної форми. Ці фігури є кристалічними гратками розглянутого тіла. Для отримання просторового уявлення про кристалічні решітки виготовляють моделі або наочно зображують на площині правильні геометричні фігури. Якщо кристалічне тіло є простою речовиною, наприклад чистим металом, то в будь-якій досліджуваній частині його об’єму кристалічна гратка є ідентичною.

Для вивчення кристалічних граток можна скористатися системою координат. За початок координат приймають точку, в якій розташований будь-який атом. Осі координат проводять так, щоб вони проходили через центри атомів у таких напрямках, по яких атоми розташовані один до одного ближче всього.

У системі координат, що наведена на рис. 1, положення центрів атомів зазначено крапками. Відстань між усіма найближчими атомами в одному напрямку дотримується суворо визначеною. Так, у напрямку осі х всі атоми віддалені один від одного на відстань а. Відстань між атомами в напрямку осі у відповідає величині b і в напрямку осі z величині с. Відстані а, b і с називають параметрами або періодами кристалічної гратки і виражають їх у ангстремах. У металів параметри кристалічних граток знаходяться в межах 2-6 Å. Щоб повністю охарактеризувати кристалічну гратку будь-якої системи, достатньо вказати її параметри, а також три кути між осями [2,3].

Рис.1. Схема кристалічної гратки

 

Найменша частина об'єму кристалічної гратки, яка визначає її систему, називається елементарною кристалічною коміркою. Будь-яке кристалічне тіло можна представити побудованим із елементарних кристалічних комірок в результаті багаторазового повторення (трансляції) в напрямках осей координат.

Кристалічні гратки різних речовин розрізняються за формою і розмірами елементарних комірок. Залежно від нахилу координатних осей та відносної довжини параметрів встановлено сім кристалічних систем (сингоній). Більшості металів властиве утворення високо симетричних граток з щільною упаковкою атомів, що можна також пояснити наявністю в них спільних електронів (чим щільніше атоми примикають один до одного, тим легший перехід електронів від одного атома до іншого). Суттєвою характеристикою кристалічної структури є також число атомів, що припадають на одну елементарну комірку, – базис решітки.

Елементарну кристалічну гратку простої кубічної форми утворюють вісім атомів, що знаходяться у всіх вершинах куба. Але кожен атом всередині тіла належить одночасно восьми кристалічним граткам, отже, на кожну кристалічну гратку від даного атома припадає 1/8 частина. Таким чином, на побудову однієї елементарної кубічної решітки витрачається один атом. На утворення кубічної об'ємноцентрованої (ОЦК) гратки необхідно два атоми, так як атом, розташований у центрі куба, належить повністю одній комірці. Кубічну гранецентровану (ГЦК) гратку утворюють чотири атоми: один з атомів розташований у вершинах куба, а три – посередині граней куба (в кубі шість граней, і кожен атом, що розташований в центрі грані, належить одночасно двом коміркам). На елементарну комірку гексагональної компактної гратки (ГК) припадають шість атомів – три лежать усередині призми і належать тільки даній комірці; два атоми, що лежать у центрі шестикутників, входять у дві сусідні комірки (2×1/2 = 1 атом) і два атоми з 12, що утворюють вершини призми і належать шести сусіднім коміркам, (12×1/6 = 2 атома).

Класифікація можливих видів кристалічних граток була проведена французьким вченим О. Браве, відповідно вони отримали назву "решітки Браве". Всього для кристалічних тіл існує 14 видів граток, що розбиті на чотири типи:

- примітивний – вузли гратки збігаються з вершинами елементарних комірок (рис. 2, а);

- об'ємноцентрований – атоми займають вершини комірок та її центр (рис. 2, б);

- базоцентрований – атоми займають вершини комірок та два місця в протилежних гранях (рис. 2, в);

- гранецентрований – атоми займають вершини комірок та центри всіх шести граней (рис. 2, г).

Рис. 2. Типи комірок Браве: а – примітивна; б – об'ємноцентрована;

в – базоцентрована; г – гранецентрована

 

Кристалічні гратки прийнято характеризувати також координаційним числом, яке вказує на число атомів, що розташовані на найближчій однаковій відстані від будь-якого атома в гратці. Координаційне число простої кубічної гратки дорівнює 6 (К6), кубічної об'ємноцентрованої 8 (К8), кубічної гранецентрованої і гексагональної щільноупакованої 12 (К12, Г12).

Чим вище координаційне число, тим більша щільність упаковки атомів в елементарній комірці [2,4].

Щільністю упаковки атомів у кристалічній гратці називають об’єм, що зайнятий атомами, які умовно розглядають як досить жорсткі кулі (рис. 3). Її визначають як відношення об’єму, що зайнятий атомами, до об’єму комірки. Щільність упаковки в ОЦК гратці 0,68; в ГЦК і ГК 0,74.

 

Рис. 3. Кристалічні гратки металів і схеми упаковки атомів:

а – кубічна об'ємноцентрована (ОЦК); б – кубічна гранецентрована (ГЦК);

в – гексагональна компактна (ГК)

 

З схем (див. рис. 3) видно, що атоми всередині твердого кристалічного тіла не можуть вільно переміщатися для того щоб при такій щільній упаковці будь-який атом перемістився з одного місця в інше, необхідно, щоб деяка частина оточуючих його атомів змістилася з своїх нормальних положень. Зміщенню останніх, в свою чергу, перешкоджають навколишні атоми. Це підтверджує добре відоме положення про малі швидкості дифузії в твердих тілах. Тільки при значному підвищенні температури, коли амплітуда коливань атомів сильно збільшується, можливий відрив атома зі свого місця і перехід на інше, звільнене іншим атомом.

Властивості кожного тіла залежать від природи атомів, з яких воно складається, і від сили взаємодії між цими атомами, яка в значній мірі визначається відстанню між ними. У аморфних тілах з неупорядкованим розташуванням атомів в просторі властивості в різних напрямках однакові, тобто аморфні тіла ізотропні. У кристалічних тілах атоми мають правильне розташування в просторі, але різні відстані між атомами в різних напрямках, що визначає істотні відмінності в силах зв'язку між ними і, в кінцевому результаті, різні властивості. Ця особливість кристалів, тобто залежність властивостей від напрямку, називається анізотропією.

Щоб зрозуміти явище анізотропії необхідно виділити кристалографічні площини і кристалографічні напрямки в кристалі.

Положення будь-яких вузлів, вузлових рядів або вузлових площин у просторовій гратці або кристалографічних напрямків і площин у кристалічній гратці відносно деяких координатних осей (незалежно від того, прямокутні вони або косокутні, мають однакові або різні осьові одиниці) однозначно визначаються кристалографічними символами, тобто деякими наборами кристалографічних індексів.

Під кристалографічними індексами вузла просторової гратки розуміють три числа m, n, р – його координати, що виражені в осьових одиницях. Сукупність цих чисел [[mnр]], записану в подвійних квадратних дужках, називають символом вузла. Очевидно, що символ вузла, розташованого на початку координат, [[000]] (рис. 4).

Під кристалографічними індексами напрямку розуміють три взаємно простих цілих числа u, v, w, які пропорційні координатам будь-яких вузлів або часток, що лежать на даному ряді або напрямку, і виміряні в вісьових одиницях. Сукупність цих чисел [uvw], записану в квадратних дужках, називають символом напрямку.

 

Рис. 4. Кристалографічні символи деяких вершин, центру об’єму і деяких центрів граней куба

 

Для визначення символу будь-якого напрямку необхідно:

1) думкою перенести його паралельно самому собі в початок координат;

2) визначити координати будь-якого вузла або частки, що лежать на цьому напрямі, прийнявши за одиниці вимірювання відповідні вісьові одиниці;

3) привести відношення знайдених координат до відношення взаємно простих цілих чисел.

Очевидно, що символами координатних вісей x, y і z є відповідно [100], [010], [001] (рис. 5).

Рис. 5. Кристалографічні символи деяких напрямків куба

 

Якщо потрібно позначити не окремий напрям, а сукупність всіх кристалографічних еквівалентних напрямів (тобто непаралельних напрямків з однаковими періодами ідентичності), то кристалографічні індекси вказують в кутові дужки [і,v,w].

Під кристалографічними індексами площини розуміють три взаємно простих цілих числа h, k, l, зворотно пропорційних числам осьових одиниць, відсікаємих нею на координатних осях. Сукупність цих чисел (h,k,l), записану в круглих дужках, називають символом площині.

Для визначення символу будь-якої площині необхідно:

1) визначити величини відрізків, які ця площина відсікає на координатних вісях, прийнявши за одиниці вимірювання відповідні вісьові одиниці;

2) скласти відношення величин, зворотних величинам цих відрізків;

3) привести отримане відношення до відношення взаємно простих цілих чисел.

Очевидно, що у площині, паралельній якій-небудь координатній вісі, відрізок, що відтинається на цій вісі, дорівнює нескінченості, а відповідний кристалографічних індекс – нулю. Тому, наприклад, площина, що відтинає на вісях x, y по рівному числу вісьових одиниць і паралельна вісі z, має символ (110) (рис. 6, а), а площина, що перетинає вісь x паралельна вісям y і z, символ (100) (рис. 6, б). Площини, що відсікають на координатних вісях по рівному числу вісьових одиниць, мають, очевидно, символ (111) (рис. 6, в).

Рис. 6. Кристалографічні символи деяких площин куба

 

Якщо потрібно позначити не окрему площину, а сукупність всіх кристалографічних еквівалентних площин (тобто непаралельних площин з однаковими міжплощинними відстанями), то кристалографічні індекси записують у фігурних дужках – {hkl}.

Слід пам'ятати, що у випадку прямокутної системи координат кристалографічні індекси площин і перпендикулярного до неї напрямку збігаються [2,6].

Кристалографічні індекси вузлів, кристалографічних напрямів і площин можуть бути і негативними числами; знак "мінус" ставиться над індексами: [[0¯1¯2¯]], [1¯3¯3¯], (1¯0¯1¯).

Якщо хоча б один із кристалографічних індексів є двозначним числом, то їх відділяють один від одного крапками: [[10.1.1]], [0.11.12], (13.13.15) і т.п.

Кристалографічні індекси в символах читаються роздільно, наприклад: [[01¯2]] – "нуль, один з мінусом, два"; [133¯] – "один, три, три з мінусом"; (1¯01¯) – "один з мінусом, нуль, один з мінусом" і т.п. [5,6].

Сталі

Сталі широко застосовуються у всіх сферах життєдіяльності людини. У промисловості сталь є основним матеріалом, широко застосовуваним у машинобудуванні, а також для виготовлення різного інструменту. Вона порівняно недорога; володіє комплексом цінних механічних, фізико-хімічних та технологічних властивостей; виробляється в великих кількостях.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: