Bktp-omsk.ru

Делаем сами
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Металл с наименьшим металлическим блеском

Лекция № 1

Материаловедение – это наука, изучающая строение и свойства различных материалов и устанавливающая связь между составом , строением и свойствами.

Строение и свойства металлов

Почти 3/4 всех существующих в природе элементов являются металлами. Разумеется не все они находят широкое применение в технике. Некоторые из них встречаются очень редко, они чрезвычайно дороги. Это и редкие — берилий, ванадий, уран, драгоценные – серебро, золото, платина и др.

Многие металлы малопригодны к применению , т.к. обладают большой хрупкостью и твердостью ( хром, марганец, сурьма), их используют в качестве добавок к другим металлам.

Металлы, из которых изготавливают детали машин, приборов, называют конструкционными или машиностроительными.

Все металлы делятся на 2 большие группы:

Черные имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Наиболее типичным представителем является железо.

Цветные имеют характерную окраску – красную, желтую, белую. Они пластичны, обладают малой твердостью, имеют низкую температуру плавления. Типичным представителем является медь.

Первое научное определение металлов дал М.В.Ломоносов, который писал, что металлы суть светлые тела, которые ковать можно. Т.е. металлы обладают характерным металлическим блеском – светлые и пластичностью – ковать можно. По этому признаку можно отличить металл от камня, дерева, стекла.

Металлы в твердом и отчасти в жидком состояниях обладают рядом характерных свойств:

Высокой тепло и электропроводностью

Положительным температурным коэффициентом электросопротивления.

С повышением температуры электросопротивление чистых металлов возрастает. Большое число металлов (примерно 30%) обладает сверхпроводимостью. У этих металлов при температуре близкой к абсолютному нулю , электросопротивление падает скачкообразно до нуля.

Термоэлектронной эмиссией, т.е. способностью испускать электроны при нагреве.

Хорошей отражательной способностью, металлы непрозрачны и обладают характерным металлическим блеском

Хорошей отражательной способностью, металлы непрозрачны и обладают характерным металлическим блеском

Повышенной способностью к пластической деформации.

Перечисленные свойства металлов характерны для металлического состояния вещества, главным в котором является наличие свободных электронов.

Все металлы – тела кристаллические.

В природе существует два типа построения твердых тел их атомов – тела могут быть кристаллические и аморфные. они отличаются по своим свойствам.

Аморфные тела – это такие тела, в которых атомы расположены беспорядочно, хаотически. В отличие от жидкостей они имеют пониженную подвижность частиц.

Примерами аморфных тел могут служить стекло, смолы, воск.

Кристаллические тела – это такие тела, в которых атомы расположены в строго определенном порядке, в строго определенной последовательности.

Кристаллические тела остаются твердыми, т.е. сохраняют приданную им форму до вполне определенной температуры, при которой он переходит в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении .

Переход из одного состояния в другое происходит при определенной температуре.

Все металлы – тела кристаллические. Свойства кристаллов зависят от электронного строения атомов и характера взаимодействия их в кристалле, от пространственного расположения элементарных частиц, химического состава, размера и формы кристаллов.

Все эти детали строения кристаллов описывает понятие – СТРУКТУРА.

В зависимости от размеров структурных составляющих и методов их выявления различают:

тонкую структуру описывает расположение частиц в кристалле и электронов в атоме . Изучается дифракционными методами – рентгенографией и т.д.

микроструктуру –состоящую из мелких кристалликов, зерен, ее наблюдают с помощь. оптических или электронных микроскопов.

макроструктуру – изучаемую невооруженным глазом или при небольших увеличениях. Выявляет изломы, раковины, поры.

Под атомно-кристаллической структурой металлов понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле.

Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой расположены атомы.

Основными типами кристаллических реш¨ток являются:

Объемно — центрированная кубическая (ОЦК) , атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, )

Гранецентрированная кубическая (ГЦК) атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au)

Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинПериод решетки металлов находится в пределах от 0,1 до 0,7 нм

Плотность кристаллической решетки- объема, занятого атомами, характеризуется координационным числом – К.

К – число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома.

Чем выше К, тем больше плотность упаковки.

Для ОЦК К=8 для гцк к=12 для ГПУ К=12

Ряд металлов (железо, марганец, титан и др.) в зависимости от температуры и давления могут существовать в состояниях с различными кристаллическими решетками – это явление называется – полиморфизмом.

Учебные материалы

Из всех элементов Периодической системы Д.И. Менделеева 76 составляют металлы. Все металлы имеют общие характерные свойства, отличающие их от других веществ. Это обусловлено особенностями их внутриатомного строения.

Согласно современной теории строения атомов, каждый атом представляет сложную систему, которую схематично можно представить состоящей из положительно заряженного ядра, вокруг которого на разном расстоянии от него движутся отрицательно заряженные электроны.

Притягивающее действие ядра на внешние (валентные) электроны в металлах в значительной степени скомпенсировано электронами внутренних оболочек. Поэтому валентные электроны легко отрываются и свободно перемещаются между образовавшимися положительно заряженными ионами.

Слабая связь отдельных электронов с остальной частью атома и является характерной особенностью атомов металлических веществ, обусловливающей их химические, физические и механические свойства. Общее число не связанных с определенным атомом электронов в различных металлах неодинаково. Этим объясняется довольно значительное различие в степени ”металличности” отдельных металлов. Наличием электронного газа объясняют и особый тип межатомной связи, присущей металлам.

Металлический тип связи характеризуется тем, что между решеткой из положительно заряженных ионов и окружающими их свободными валентными электронами возникает электростатическое притяжение.

Наличие в металлах металлической связи придает им ряд характерных свойств: высокую тепло- и электропроводность; повышенную способность к пластической деформации; термоэлектронную эмиссию, т. е. способность испускать электроны при нагреве; хорошую отражательную способность, т.е. обладают металлическим блеском и непрозрачны; положительный температурный коэффициент электросопротивления, т.е. с повышением температуры электросопротивление металлов увеличивается.

Последнее свойство присуще только металлам, поэтому:

Металл это вещество, имеющее металлический тип связи и положительный температурный коэффициент электросопротивления.

Сила связи в металлах определяется соотношением между силами отталкивания и притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии один от другого, чтобы энергия взаимодействия была минимальной (рис. 1). Сближение атомов (ионов) на расстояние меньше R0 или удаление их на расстояние больше R0 осуществимо лишь при совершении определенной работы против сил отталкивания или притяжения.

В качестве модели такого взаимодействия (рисунок 1, б) можно принять два шара (ионы), между которыми находится пружина (сила взаимодействия). В состоянии равновесия расстояние между шарами R0. Если расстояние уменьшить и сжать пружину, то между шарами появится сила отталкивания (F), которая будет стремиться вернуть их в равновесное состояние. При увеличении расстояния появится сила притяжения (-F).

Рисунок 1 — Силы взаимодействия двух атомов в кристаллической решетке (а) и модель такого взаимодействия (б)

В связи с этим атомы в металлах располагаются закономерно на определенном расстоянии друг от друга, образуя правильную кристаллическую решетку.

Ее следует представлять как мысленно проведенные в пространстве в направлении трех осей координат прямые линии, соединяющие ближайшие атомы и проходящие через их центры, около которых они совершают колебательные движения. Проведенные линии образуют объемные фигуры правильной геометрической формы.

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме называется элементарной кристаллической ячейкой.

Размеры кристаллической решетки характеризуются параметрами или периодами решетки. Расстояние между центрами соседних атомов измеряется ангстремами (1 Å=10 -10 м), килоиксами (1 кХ=1,00202 Å), нанометрами

(1 нм=10 -9 м). Период решетки металлов находится в пределах 1…7 Å.

Половину наименьшего расстояния между центрами атомов называют атомным радиусом.

Плотность кристаллической решетки, объем занятого атомами, характеризуется координационным числом.

Число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома, называется координационным числом.

Чем выше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов. Для кубической ячейки координационное число обозначается буквой ”К”, а гексагональной — ”Г“.

Число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку, называется базисом.

Базис решетки обозначается буквой ”n“. Основными видами ячеек (рисунок 2), которые имеют металлы, являются: кубическая объемноцентрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

На одну элементарную ячейку ОЦК приходятся два атома (n=2): один в центре куба, а другой вносят атомы, располагающиеся в вершинах куба. Каждый атом в вершине куба одновременно принадлежит восьми сопряженным элементарным ячейкам, и на данную ячейку приходится лишь 1/8 часть, а на всю ячейку (1/8)х8=1 атом. Координационное число считается для центрального атома и соответствует К8.

На одну элементарную ячейку ГЦК приходится четыре атома (n=4): из них один вносят атомы в вершинах куба, а три суммарно вносят атомы, находящиеся на середине грани, так как каждый из таких атомов принадлежит одновременно двум ячейкам: (1/2)х6=3. Координационное число считается для атома, расположенного в центре грани, и соответствует К12.

На одну элементарную ячейку ГПУ приходится шесть атомов (n=6): из них три находятся внутри ячейки. Два атома в центре граней дают один атом: (1/2)х2=1, а двенадцать вершинных атомов — два атома: (1/6)х12=2. Координационное число считается для атома, расположенного внутри ячейки, и соответствует Г12.

Образовательный блог — всё для учебы

Строение и свойства металлов

Характерными свойствами металлов являются наличие металлического блеска и пластичности, высокая электро- и теплопроводность. Характерные свойства металлов обусловлены их строением.

Атомы металлов не однородны. Атом состоит из положительно заряженного тяжелого ядра, и окружающих ядро отрицательно заряженных электронов. Число электронов равно порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева. В ядре атома находятся положительно заряженные элементарные частицы, называемые протонами. Количество протонов равно количеству окружающих ядро электронов. Кроме протонов, в ядре находятся тяжелые электрически нейтральные частицы – нейтроны. Масса электрона в 1840 раз меньше массы протона или нейтрона. Таким образом, вся масса атома сосредоточена в его ядре.

Электроны быстро вращаются вокруг ядра. Внешние, так называемые валентные, электроны у всех металлов относительно слабо связаны с ядром. Слабой связью внешних валентных электронов с ядром и объясняются характерные металлические свойства.

Замечание
Между понятием «металл» как химический элемент и как вещество есть некоторая разница. Химия делит все элементы на металлы и неметаллы по их поведению в химических реакциях. Теория металлического состояния рассматривает крупные скопления атомов металлов, в котором они обладают характерными металлическими свойствами: пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью, металлическим блеском. Эти свойства характерны для больших групп атомов. У отдельных атомов таких свойств нет.

Атомы в металле находятся в ионизированном состоянии. Атомы металлов, отдавая часть внешних валентных электронов, превращаются в положительно заряженные ионы. Свободные электроны непрерывно перемещаются между ними, образуя подвижный электронный газ.

При комнатной температуре все металлы, кроме ртути, представляют собой твердые тела, имеющие кристаллическое строение. Для кристаллов характерно строго определенное расположение в пространстве ионов, образующих кристаллическую решетку.

Металлы имеют кристаллические решетки различных типов. Каждая кристаллическая решетка может быть охарактеризована элементарной кристаллической ячейкой.

Элементарная кристаллическая ячейка – наименьший комплекс атомов, повторяя который многократно, можно построить весь кристалл.

У металлов чаще всего встречаются три типа элементарных кристаллических ячеек:
В кубической объемноцентрированной (ОЦК) решетке восемь ионов располагаются по вершинам и один в центре куба, на пересечении диагоналей. Объемноцентрированную кубическую решетку имеют кристаллы железа при комнатной температуре, хрома, вольфрама, молибдена, ванадия и др. Эта решетка характеризуется всего одним параметром решетки – расстоянием между центрами двух ионов, расположенных по одному ребру, обозначенным на рисунке а.

Диаграмма состояния показывает устойчивые состояния, которые при данных условиях обладают минимальным уровнем свободной энергии. Поэтому диаграмма состояния может также называться диаграммой равновесия, поскольку показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы. Следовательно, и изменения в состоянии, которые отображены на диаграмме, относятся к равновесным условиям, т.е. при отсутствии перенагрева или переохлаждения. Так как превращения в отсутствии перенагрева или переохлаждения в действительности не могут совершаться, поэтому диаграмма состояния представляет собой теоретический случай.

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условиям равновесия, описываются правилом фаз или законом Гиббса.

Закон Гиббса дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз и компонентов.
Фазой называется однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.

Однородная жидкость – однофазная система.
Смесь двух видов кристаллов – двухфазная система.
Компонентами называются вещества, образующие систему.
Чистый металл – однокомпонентная система.
Сплав двух металлов – двухкомпонентная система.

Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы железо-углерод. Это объясняется наиболее широким применением в технике железоуглеродистых сплавов.

Диаграмма железо-углерод относится к диаграммам состояния для сплавов с ограниченной растворимостью. Диаграмма железо-углерод, как ясно из названия, должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом ряд химических соединений, но надежно установлено лишь одно Fe3C – карбид железа или цементит. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму изучать по частям.

Таким образом, геометрические соображения подсказывают, что α-железо не растворяет, а γ-железо растворяет углерод. В действительности α-железо растворяет углерод, но в очень небольшом количестве ≈ 0.02%.

Диаграмма железо-цементит имеет двойную концентрационную ось абсцисс. Содержание углерода и содержание цементита.
Линия ABCD является ликвидусом. Это линия – геометрическое место точек начала кристаллизации. Линия AHJECF – солидус. Геометрическое место точек конца кристаллизации.

Металлы, это группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность, ковкость и металлический блеск. В данной статье все свойства металлов будут представлены в виде отдельных таблиц.

Свойства металлов

Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.

Физические свойства металлов

К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании.

Удельный вес металла — это отношение веса однородного тела из металла к объему металла, т.е. это плотность в кг/м 3 или г/см 3 .

Плавкость металла — это способность металла расплавляться при определенной температуре, называемой температурой плавления.

Электропроводность металлов — это способность металлов проводить электрический ток, это свойство тела или среды, определяющее возникновение в них электрического тока под воздействием электрического поля. Под электропроводностью подразумевается способность проводить прежде всего постоянный ток (под воздействием постоянного поля), в отличие от способности диэлектриков откликаться на переменное электрическое поле колебаниями связанных зарядов (переменной поляризацией), создающими переменный ток.

Магнитные свойства металлов характеризуются: остаточной индукцией, коэрцетивной силой и магнитной проницаемостью.

Теплопроводность металлов — это их способность передавать тепло от более нагретых частиц к менее нагретым. Теплопроводность металла определяется количеством теплоты, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1см 2 , длиной 1см в течение 1сек. при разности температур в 1°С.

Теплоемкость металлов — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус. Отношение количества теплоты, поглощаемой телом при бесконечно малом изменении его температуры, к этому изменению единицы массы вещества (г, кг) называется удельной теплоёмкостью, 1 моля вещества — мольной (молярной).

Расширяемость металлов при нагревании.Все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Степень увеличения или уменьшения первоначального размера металла при изменении температуры на один градус характеризуется коэффициентом линейного расширения.

Химические свойства металлов

К химическим — окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.

Механические свойства металлов

К механическим — прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.

Прочностью металла называется его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.

Твердостью металлов называется способность тела противостоять проникновению в него другого, более твердого тела.

Упругость металлов — свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших изменение формы (деформацию).

Вязкость металлов — это способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) внешним силам. Вязкость — свойство обратное хрупкости.

Пластичность металлов — это свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность—свойство обратное упругости.

Технологические свойства металлов

К технологическим — прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.

Прокаливаемость металлов – это их способность получать закаленный слой определенной глубины.

Жидкотекучесть металлов — это свойство металла в жидком состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить ее очертания в отливке.

Ковкость металлов —это технологическое свойство, характеризующее их способность к обработке деформированием, например, ковкой, вальцеванием, штамповкой без разрушения.

Свариваемость металлов — это их свойство образовывать в процессе сварки неразъемное соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией производимого изделия.

Обрабатываемость металлов резанием — это их способность изменять геометрическую форму, размеры, качество поверхности за счет механического срезания материала заготовки режущим инструментом. Обрабатываемость металлов зависит от их механических свойств, в первую очередь прочности и твердости.

Современными методами испытания металлов являются механические испытания, химический анализ, спектральный анализ, металлографический и рентгенографический анализы, технологические пробы, дефектоскопия. Эти испытания дают возможность получить представление о природе металлов, их строении, составе и свойствах, а также определить качество готовых изделий.

Таблицы свойств металлов

Таблица «Свойства металлов: Чугун, Литая сталь, Сталь»

  1. Предел прочности на растяжение
  2. Предел текучести (или Rp 0,2);
  3. Относительное удлинение образца при разрыве;
  4. Предел прочности на изгиб;
  5. Предел прочности на изгиб приведен для образца из литой стали;
  6. Предел усталости всех типов чугуна, зависит массы и сечения образца;
  7. Модуль упругости;
  8. Для серого чугуна модуль упругости уменьшается с увеличением напряжения растяжения и остается практически постоянным с увеличением напряжения сжатия.

Таблица «Свойства пружинной стали»

  1. Предел прочности на растяжение,
  2. Относительное уменьшение поперечного сечения образца при разрыве,
  3. Предел прочности на изгиб;
  4. Предел прочности при знакопеременном циклическом нагружении при N ⩾ 10 7 ,
  5. Максимальное напряжение при температуре 30°С и относительном удлинении 1 2% в течение 10 ч; для более высоких температур см. раздел «Способы соединения деталей»;
  6. 480 Н/мм 2 для нагартованных пружин;
  7. Приблизительно на 40% больше для нагартованных пружин
Читать еще:  Как правильно собрать стеллаж металлический?

Таблица «Свойства кузовных тонколистовых металлов»

Таблица «Свойства цветных металлов»

  1. Модуль упругости, справочные данные;
  2. Предел прочности на растяжение;
  3. Предел текучести, соответствующий пластической деформации 0,2%;
  4. Предел прочности на изгиб;
  5. Наибольшая величина;
  6. Для отдельных образцов

Таблица «Свойства легких сплавов»

  1. Предел прочности на растяжение;
  2. Предел текучести, соответствующий пластической деформации 0,2%;
  3. Предел прочности на изгиб;
  4. Наибольшая величина;
  5. Показатели прочности приведены для образцов и для отливок;
  6. Показатели предела прочности на изгиб приведены для случая плоского нагружения

Таблица «Металлокерамические материалы (PM) 1) для подшипников скольжения»

  1. В соответствии со стандартом DIN 30 910,1990 г. издания;
  2. Применительно к подшипнику 10/16 г 10;
  3. Углерод содержится, главным образом, в виде свободного графита;
  4. Углерод содержится только в виде свободного графита

Таблица «Свойства металлокерамических материалов (РМ) 1 для конструкционных деталей»

  1. В соответствии со стандартом DIN 30 910,1990 г. издания;

Магнитные материалы

Таблица «Свойства магнитомягких материалов»

  1. Данные относятся только к магнитным кольцам.

Магнитомягкие металлы

Таблица «Свойства магнитной листовой и полосовой стали»

Материалы для преобразователей и электрических реакторов

Магнитная проницаемость листового сердечника для классов сплавов С21, С22, Е11, Е31 и Е41 для секции тонколистового сердечника EY11

Материалы для реле постоянного тока

Таблица «Свойства материалов для реле постоянного тока»

  1. Нормируемые величины

Металлокерамические материалы для магнитомягких компонентов

Таблица «Свойства металлокерамических материалов для магнитомягких компонентов»

Магнитомягкие ферриты

Таблица «Свойства магнитомягких ферритов»

  1. Нормируемые величины;
  2. Потеря материалом магнитных свойств в зависимости от частоты при низкой плотности магнитного потока (В Эта статья размещена в главе Материалы для автомобилестроения и называется Свойства металлов. Добавьте в закладки ссылку.

Добавить комментарий Отменить ответ

Главы

  • Энциклопедия техники (19)
  • История автомобиля (20)
  • Полезные советы (3)
  • Действующие единицы (1)
  • Законы физики в автомобиле (15)
  • Математическое моделирование в автомобилестроении (3)
  • Материалы для автомобилестроения (10)
  • Рабочие жидкости (5)
  • Детали машин (6)
  • Способы соединения деталей (8)
  • Физика автомобиля (10)
  • Двигатели внутреннего сгорания (24)
  • Диагностика двигателя (8)
  • Нормы контроля и диагностики токсичности отработавших газов (17)
  • Системы управления бензиновыми двигателями (11)
  • Работа двигателя на альтернативных видах топлива (2)
  • Системы управления дизельными двигателями (9)
  • Альтернативные виды приводов (3)
  • Трансмиссия (47)
  • Системы шасси (18)
  • Управление шасси и активная безопасность (6)
  • Кузова автомобилей (10)
  • Пассивная безопасность (1)
  • Системы охраны автомобилей (1)
  • Охранные автомобильные системы (1)
  • Электрооборудование автомобилей (11)
  • Свечи зажигания автомобилей (6)
  • Автомобильная электроника (21)
  • Системы комфорта и удобства (2)
  • Пользовательские интерфейсы (3)
  • Системы повышения безопасности дорожного движения (7)

О справочнике

За последние время автомобилестроение превратилось в чрезвычайно сложную отрасль. Все труднее и труднее становится представить всю отрасль в целом, и еще сложнее постоянно следить за направлениями, которые важны для автомобилестроения. Многие из этих направлений подробно описаны в специальной литературе. Тем не менее, для тех, кто впервые сталкивается с данными темами, имеющаяся специальная литература не представляется легкой и тяжело усваивается в ограниченные сроки. В этой связи этот «Автомобильный справочник» будет очень кстати. Он структурирован таким образом, чтобы быть понятным даже для тех читателей, которые впервые встречаются с каким-либо разделом. Наиболее важные темы, относящиеся к автомобилестроению, собраны в компактном, простом для понимания и удобном с практической точки зрения виде.

НИОБИЙ — СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ И СПЛАВЫ НИОБИЯ

Химические элементы ниобий и тантал неразрывно связаны между собой еще со времени открытия. Их взаимосвязь проявляется даже мифологически: название первого, происходит от имени Ниоба, которая в древнегреческой мифологии была дочерью царя Тантала. Генрих Розе приложил свою «легкую руку» к тому, чтобы наименование Nb крепко закрепилось в научных кругах и таблице Менделеева. Исследования немецкого химика в области изучения свойств минерала колумбита позволили выделить окислы двух металлов (1844 год). Первый относился к уже известному тогда танталу, второй оказался оксидом нового элемента — ниобия.

Что на сегодня известно о Nb

Ниобий – химический элемент, занимает место в V группе таблицы Менделеева, атомный номер – 41, атомная масса 92,9. Как и многие металлы, он характеризуется серо-стальным блеском. Формула элемента электронно выглядит как 4d45sl, графическая интерпретация оболочек ниобия следующая: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 4d 4 5s 1.

Тугоплавкость считается самым важным физическим свойством металла, именно благодаря ей ниобий стал востребованным во многих областях промышленности. Плавится и кипит при температурах 2468 и 4927 0С, соответственно. Плотность вещества при комнатных условиях оценивается как 8.57 грамм в кубическом сантиметре. Металл обладает парамагнитностью. Имеет ОЦК кристаллическую решетку с радиусом 3.294 ангстрем.

Химические свойства ниобия и танталу также достаточно близки. Металлы отличаются высокой устойчивостью к воздействию отрицательных температур и большинства агрессивных сред. Например, заметное окисление Nb на воздухе наблюдается только при нагреве вещества свыше 200 0С. Список кислот, не воздействующих на ниобий, достаточно широк и включает:

  • соляную;
  • серную;
  • хлорную;
  • фосфорную.

Также металл устойчив к водным растворам аммиака. Уникальное свойство элемента образовывать диэлектрическую оксидную пленку в составе кислых электролитов нашло применение в изготовлении миниатюрных высокоемкостных конденсаторов, где элемент заменяет более дорогостоящий тантал.

Производство ниобия

Несмотря на то, что запасы Nb-содержащих руд превосходят аналоги для тантала, первые характеризуются очень скудным содержанием элемента. Как правило, концентраты содержат пятиокись ниобия – Nb2O5, процентное вхождение которое определяется типом руды:

  • пирохлоровая – до 37%;
  • лопаритовая — 8%;
  • колумбитовая – от 30 до 60%.

Обычно, руда ниобия проходит цикл термического восстановления с участием алюминия или кремния. Результат процесса – соединения феррониобий и ферротанталониобий. Металлический ниобий добывают из аналогичного сырья, но сама технология более сложная и состоит из трех стадий:

  1. Добыча руды, его содержащей, переработка до состояния концентратов их вскрытие.
  2. Получение химических соединений Nb и Та с привлечением методов порошковой металлургии.
  3. Рафинирование позволяет получать металлический ниобий высокой пробы.

Так выглядит феррониобий

На сегодня, наиболее развиты такие методики получения Nb, как алюмино-, натрие- и карботермическая. Различными оказываются и прекурсоры для высокотемпературного восстановления ниобия. При натриетермическом способе – это K2NbF7, тогда как в алюминотермической методике используется пятиокись ниобия. Карботермическая технология подразумевает смешивание оксида Nb с сажей в высокотемпературной водородной среде, чтобы получить карбид ниобия. На следующем этапе, водородная среда заменяется вакуумом, и при тех же температурах, смешав карбид ниобия с его оксидом, получают сам металл.

Фольга из ниобия

Бестигельная электроннолучевая зонная плавка дает возможность вести производство монокристаллов Nb. Методами порошковой металлургии, пользуются для получения сначала сплавов, а после и чистого металла ниобий. Поэтому ничего удивительного, что «куплю ниобий» — частое содержание объявлений, публикуемых на страницах интернета. Ведь в таких ситуациях, вполне можно использовать вторичное сырье, а не руду или концентрат из нее.

Среди форм выпускаемого металла распространен ниобий в слитках. Они предназначены на изготовление сплавов на базе металла и прочих полуфабрикатов. Альтернативно выпускается штабик ниобия, классифицируемый соответственно чистоте химического состава. Наименьшее содержание примесей соответствует марке НБШ-00. Штабик ниобия НБШ-0 отличается повышенным вхождением железа, кремния тантала и титана. Наиболее легированная марка штабика ниобия — НБШ-1.

Альтернативная форма выпуска – прокат ниобия. В частности, большинство организаций предпочитает покупать листовой металл, пруток, проволоку. Еще одна разновидность проката ниобий фольга.

Магнитные и другие сплавы с Nb

Феррониобий представляет собой соединение, базовый состав которого определяют элементы: железо с одной стороны, а также смесь ниобия с танталом – с другой. Источником для соединения выступает техническая пятиокись ниобия из которой вещество производят электропечным алюминотермическим способом. Суммарное содержание Nb и Ta в сплаве составляет 40 – 65% и зависит от конкретной марки феррониобия, детальная информация по которым сведена в ГОСТ 16773-2003. Остальные составляющие соединения:

  • углерод;
  • кремний;
  • алюминий;
  • титан;
  • сера;
  • фосфор.

Наибольшим содержанием, кроме ниобия с танталом, в сплаве представлены Si и Al. При этом, феррониобий с минимальным процентным вхождением Nb и Ta, характеризуется высоким вхождением кремния до 20%. Напротив, в сплаве с максимальным содержанием ниобия и тантала, среди легирующих добавок преобладает алюминий.

Свое применение феррониобий нашел сталеплавильной – производство конструкционной стали и литейной отраслях индустрии, а также в изготовлении электронных покрытий. Основной производитель соединения Вишневогорский металлургический завод «Северный ниобий». Предприятие расположено в Челябинской области, вблизи одноименного населенного пункта. В сферу деятельности ООО «Северный ниобий» также входит изготовление ферросплавов других металлов, включая молибден, вольфрам и титан.

Альтернативой соединения феррониобий, оказывается деформируемый сплав 5ВМЦ, где легирующими металлами выступают: цирконий, молибден и вольфрам. Применение 5ВМЦ, в основном, ограничено изготовлением полуфабрикатов.

Окислы металла

Наибольшее распространение среди этого вида соединений получила пятиокись ниобия. Это неорганическое вещество представлено белым кристаллическим порошком, обладающим кремовым оттенком и нерастворимым в воде, большинстве кислот. Пентаоксид ниобия характеризуется химической формулой Nb2O5 и подразделяется на три марки, в зависимости от чистоты: 99 – 97% исходного вещества.

Основные свойства пятиокиси ниобия:

  • аморфные способности;
  • повышенная прочность;
  • тугоплавкость – температура плавления 1490 0С;
  • окисляется при нагревании;
  • реагирует с хлором, восстанавливается водородом.

Пятиокись ниобия получают разнообразными методиками, среди которых присутствуют: сжигание Nb в кислороде и проколка различных форм ниобия:

  • нитрида на воздухе;
  • более низкого оксида;
  • NbC;
  • Гидрида.

Основная сфера использования пятиокиси ниобия – производство высоколегированных марок сталей, изготовление сплавов.

Изделия из ниобия

Ассортимент продукции, как и формы выпускаемого металла достаточно разнообразны. Популярность элемента ниобий применение и производство его, обусловлены следующими свойствами элемента:

  • тугоплавкость;
  • устойчивость к разным видам коррозии;
  • малая эффективность от столкновения с нейтронами;
  • образование сплавов с жаропрочными и сверхпроводящими качествами;
  • легкость сваривания;
  • сохранение работоспособности при отрицательных температурах;
  • геттерные свойства.

Аноды из ниобия

Среди отраслей, эксплуатирующих металл, следует выделить технику для авиации и космонавтики, где на базе Nb выпускают детали самолетов, ракет. Дополнительно, ниобий востребован радиотехникой, где из него изготавливают сдлелующее:

  • детали электрических конденсаторов;
  • элементы радарных установок;
  • аноды из фольги, катоды, сетки для работы внутри мощных генераторных ламп.

Чтобы изготовить оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов, в атомной энергетике также применяют ниобий и его сплавы. Из соединения изготавливают контейнеры, трубы для транспортировки жидких металлов.

Альтернативная сфера, где цена продукции определяется не только содержанием элемента – монеты из ниобия и тантала. Так металл используют Австрийский монетный двор и Национальный банк Латвии, где активно развита чеканка ниобиевых монет в сочетании с серебром. Уже выпущено шесть разновидностей, общий вид которых: сердцевина – ниобий различных цветов и внешнее кольцо – серебро 900-й пробы.

Конспект к уроку «Общие свойства металлов»

специалист в области арт-терапии

ОБЩИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.

Перед тем, как вступить к уроку, я хочу показать вам фрагмент фильма «Олох кыьата», в переводе «Кузница жизни». Фильм посвящен известному в народе мастеру-кузнецу Неустроеву Б.Ф. — Мандар Уус. (3 мин.) В фильме мы видим зарождение кузнечного дела в Якутии. Сегодня я держу в руках творение мастера – якутский нож. Посмотрите, рукоять сделана из капа, который образуется на корнях березы, ножны обтянуты кожей из бычьего хвоста. А клинок – из какого материала? Да, это металл. Как вы думаете, что особенно ценно в этом ноже? Конечно же, качество клинка, то есть качество стали, металла.

Итак, вы наверное догадались, о чем мы сегодня будем говорить? Конечно, о металлах. Наша цель: повторить общие свойства металлов, связать физические свойства металлов с особенностями их строения, обобщить химические свойства.

Для себя ставлю следующие задачи: углубить ваши знания о металлах, развить ваши познавательные интересы, творческие способности. Надеюсь, в выполнении этих задач на вашу помощь.

Изучение нового материала.

Игра «Из истории металлов»

Металлы составляют одну из основ цивилизации на планете Земля. С ними человек познакомился приблизительно за 7000-5000 лет до н.э., когда стали использовать огонь для обработки руд, отделения металлов от примесей. Первыми металлами, с которыми столкнулся человек, были золото, серебро, ртуть, медь, олово и свинец. Первый металл, нашедший широкое применение – это медь. Первый сплав, полученный человеком, — бронза. Люди изучали состав сырья, исследовали пропорции веществ, совершенствовали методы формовки, литья, улучшали печи.

Впоследствии был найден металл, который дал название целому веку – железо. Из него получали сплавы – чугун и сталь. Эти сплавы вознеслись ввысь Эйфелевой башней, пересекли реки красивыми мостами. В XIX веке стал широко внедряться алюминий, подготавливая почву для будущего авиастроения. Позже были созданы другие многочисленные сплавы.

Вот какая интересная история у металлов.

II . Повторение сведений о металлах.

Беседа по интерактивной периодической таблице

— В какой части таблицы располагаются металлы?

— На какие группы, в зависимости от положения, можно разделить металлы? (А-подгрупп, В-подгрупп, лантаноиды, актиноиды, металлы, образующие амфотерные соединения)

III . Повторение строения металлов. Показываю образец Ме.

— Из каких частиц состоит кусок этого Ме? Из атомов и ионов. Как заряжены ионы металлов? Положительно. Как называются положительно заряженные ионы? Катионы.

— Как вы думаете, у них есть свободное движение? В жидкостях и газах частицы свободно двигаются. Оказывается, атомы и катионы металлов занимают строго определенное место в пространстве. Если мысленно соединить частицы линиями, то получается кристаллическая решетка.

Давайте, посмотрим на схему металлической кристаллической решетки. (фильм)

Делаем вывод: в узлах металлической кристаллической решетки находятся катионы металлов, между ними свободно двигаются электроны. Их называют электронным газом.

Повторили строение металлов, а теперь, давайте, вспомним физические свойства металлов.

На столах образцы 3 материалов: металла, стекла, дерева.

— Давайте подержите по очереди каждый образец на висок. С

каким материалом вы ощутили наибольший холод? С металлическим. Почему? Потому что, он хорошо проводит тепло.

— Представьте, что будет, если ударить по образцам молотком. Деревянный и стеклянный образцы сломаются, а металлический образец станет тоньше. Это свойство называют пластичностью. Благодаря пластичности из металла можно ковать любую форму, даже прокатывать в тончайшие листы. (фольга)

— Теперь, проверим электропроводность. (стеклянная, деревянная, металлическая палочки). Конечно, лампочка загорелась от металлической палочки, так как металлы обладают электропроводностью.

Задание на соответствие: Посмотрите на эту таблицу. Здесь даны самые важные физические свойства металлов. Внизу названы предметы быта, в которых эти свойства воплощаются. Надо сортировать их. Кто выйдет к доске?

Когда вы были маленькие, на переменах бегали хаотически по коридору, вы были электронами. Выходит из класса учитель и всех зовет в класс. И вы, сломя голову, мчитесь на зов учителя. Чем является для вас учитель? Он будет электрическим током.

Вывод: наличие свободно перемещающихся электронов обеспечивает проводниковые свойства металлов и металлический блеск, а слабая связь между ионами и атомами – ковкость и пластичность.

Давайте, выполним тестовые задания.

Самым распространенным металлом в земной коре является:

Вольфрамовая нить электроламп обладает наибольшей:

Физические свойства металлов

Тест предназначен для проверки знаний учащихся по темам «Физические свойства металлов», «Сплавы». 19 заданий теста имеют различные формы ( тестовые с выбором ответа, задания на соотнесение, с открытой формой ответа), что позволяет оценить не только знания учащихся, но и их умения работать с различными типами заданий

Просмотр содержимого документа
«Физические свойства металлов»

1. К металлам не относятся элементы ряда:

А)B, As, Te; б). Ca, Na, Mg

В)Cu, Zn, Au; г). W, Ag, Os

Как изменяются металлические свойства в ряду элементов

Si Al Mg Na:

а) изменяются периодически б) не изменяются

в) ослабевают г) усиливаются

3. Наименьшее число электронов на наружном энергетическом уровне содержит:

а) Ca б) Сr в) Na г) Al

4. Какой металл не относится к щелочным?

Какой элемент не входит в условную границу между металлами и неметаллами?

Какие частицы находятся в узлах кристаллической решетки металлов:

а. только катионы металлов б. нейтральные атомы

в. катионы и нейтральные атомы г. анионы и катионы

С каким космическим телом ассоциировалось в древности золото:

в. Солнце г. Марс

8.Какой металл наименее электропроводен:

Вольфрам 2. Цинк 3. Хром 4. Серебро

Для металлов характерен вид связи:

А) ковалентная Б) металлическая В) донорно-акцепторная.
10. К физическим свойствам металлов не относят

а) пластичность б) электропроводность

в) металлический блеск г) растворимость в воде

Металл, находящийся в жидком агрегатном состоянии при н.у. – это

12. Все металлы и их сплавы делятся на

А)Чёрные, цветные и драгоценные Б) Железо и цветные

В) Железо и драгоценные Г) Чёрные и цветные

13. За счёт чего металлы проводят электрический ток?
14. Выберите из предложенных металлов легкий металл.

а) Mg (ρ = 1,74 г/см 3 ) б) V (ρ = 5,7 г/см 3 )

в) Hg (ρ = 13,54 г/см 3 ) г) Ag (ρ = 10,5 г/см 3 )

15. Сплав меди и олова

1) бронза 2) чугун 3) сталь 4) дюралюминий

16. Содержание углерода в чугуне

1) 1 — 1,5% 2) 1 — 3% 3) 2 — 4,5% 4) 3 – 6%

17. К черным сплавам относится

1) латунь 2) мельхиор 3) дюралюминий 4) сталь

18. Используется при производстве литых деталей

1) цементит 2) серый чугун 3) белый чугун 4) все выше перечисленные

Два электрона на внешнем энергетическом уровне содержит

а) Ca б) Li в) Al г) K

Выберите строку, содержащую только типичные металлы:

a) Na, Sc, N б) Mg, Ba, K в) O, Al, Mn г) F, O, Cl

Какая характеристика не относится к строению типичных металлов?

а) на внешнем энергетическом уровне 1-3 ē б) относительно большой радиус атома

в) заряд ядра положительный г) заряд образованного им иона отрицательный

3. Сколько электронов находится на внешней энергетической орбитали у металлов:
А) от 2 до 4 В)от1 до З С) от 1 до 8 Д) от 4 до 8
4. Какое место занимают металлы в ПСХЭ:

а) слева в нижней части; б) справа в верхней части в) по центру; г) слева в верхней части

5. Металлическая кристаллическая решетка содержит а) только ионы металлов б) атомы и ионы металлов в) электроны, атомы и ионы металлов г) электроны и атомы металлов.

Сколько электронов содержит на внешнем энергетическом уровне атом магния:

Один 2. Два 3. Три 4. Четыре

Какова электронная конфигурация атома калия?

2.

3. 4.

8. Самый тугоплавкий металл:

А) осмий В) вольфрам С) железо Д) литий
9.Самый пластичный металл:

А) платина С) Алюминий Д) никель

Для всех металлов характерны:

а) мет.блеск, ковкость, пластичность; б) легкоплавкость, сверхпроводимость, твердость

в)электропроводность, хрупкость, тугоплавкость; г)теплопроводность, высокая электропроводимость, твердость

Назовите самый легкоплавкий металл.

а) W б) Al в) Hg г) Ga

12. Чугун это:

А) Сплав железа с углеродом, содержащий более 2% углерода

б) Сплав железа с углеродом, содержащий менее 2%

в)сплав железа с углеродом с добавлением хрома, никеля, вольфрама

13. Укажите, чем объясняется электропроводность металлов.

а) движением «электронного газа» б) притяжением электронов к ядру;

в) способностью отражать световые лучи; г) смещением слоев атомов и ионов.

14. Выберите из ниже предложенного перечня- физические свойства меди.

а) жидкость; б) плотность выше 5,0 г/см 3 ; в) красный цвет; г)электропроводность.

15. Укажите, чем объясняется ковкость металлов.

а) притяжением электронов к ядру; б) смещением слоев атомов и ионов; в) наличием «свободных» электронов; г) способностью отражать световые лучи.

16. Как изменяются металлические свойства атомов элементов главных групп с ростом порядкового номера?

а) усиливаются; б) не изменяются; в) вначале усиливаются, а затем ослабевают; г) ослабевают.

Выберите металл, обладающий наименьшей электропроводностью.

а) W б) Ag в) Cu г) Al

Какой металл не относится к щелочным?

19. В каких сплавах основным компонентом является медь? а) латунь ; б) бронза; в) мельхиор; г) дюралюминий

Металл с наименьшим металлическим блеском

ГЛАВА I. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

§ 1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ

Типы кристаллических решеток. Твердые тела делят на кристаллические и аморфные. Кристаллические тела при нагреве остаются твердыми до определенной температуры (температуры плавления), при которой они переходят в жидкое состояние. Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале; сначала они становятся вязкими и лишь затем переходят в жидкое состояние.
Все металлы и их сплавы — тела кристаллические. Металлами называют химические элементы, характерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая электро- и теплопроводность, пластичность, а для многих металлов также способность свариваться. Не потеряло своего научного значения определение металлов, данное более 200 лет назад великим русским ученым М. В. Ломоносовым: «Металлы суть светлые тела, которые ковать можно». Для металлов характерно то, что, вступая в химические реакции с элементами, являющимися неметаллами, они отдают последним свои внешние, валентные электроны. Это объясняется тем, что у атомов металла внешние электроны непрочно связаны с его ядром. Металлы имеют на наружных оболочках всего 1-2 электрона, тогда как у неметаллов таких электронов много (5-8).
Чистые химические элементы металлов (например, железо, медь, алюминий и др.) могут образовывать более сложные вещества, в состав которых могут входить несколько элементов-металлов, часто с примесью заметных количеств элементов-неметаллов. Такие вещества называют металлическими сплавами. Простые вещества, образующие сплав, называют компонентами сплава.
Для описания кристаллической структуры металлов пользуются понятием кристаллической решетки. Кристаллическая решетка — это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл. Частицы вещества (ионы, атомы), из которых построен кристалл, расположены в определенном геометрическом порядке, который периодически повторяется в пространстве. В отличие от кристаллов в аморфных телах (стекло, пластмассы) атомы располагаются в пространстве беспорядочно, хаотично.
Формирование кристаллической решетки в металле происходит следующим образом. При переходе металла из жидкого в твердое состояние расстояние между атомами сокращается, а силы взаимодействия между ними возрастают. Характер взаимодействия атомов определяется строением их внешних электронных оболочек. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках, теряют связь со своими атомами вследствие отрыва валентного электрона одного атома положительно заряженным ядром другого и т. д. Происходит образование свободных электронов, так как они не принадлежат отдельным атомам. Таким образом, в твердом состоянии металл представляет собой структуру, состоящую из положительно заряженных ионов, омываемых свободными электронами.
Связь в металле осуществляется электростатическими силами. Между ионами и свободными электронами возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают ионы. Такую связь между частицами металла называют металлической.
Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Ионы находятся на таком расстоянии один от другого, при котором потенциальная энергия взаимодействия минимальна. В металле ионы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Такое расположение ионов обеспечивается взаимодействием их с валентными электронами, которые связывают ионы в кристаллической решетке.
Типы кристаллических решеток у различных металлов различны. Наиболее часто встречаются решетки: объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом его объеме, называют элементарной кристаллической ячейкой (рис. 1). Кристаллическая решетка характеризуется ее параметрами, например длиной ребра куба для ОЦК и ГЦК, которая составляет для разных металлов 2,8610 -8 см.

Дефекты в кристаллах. В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обусловленные нарушением правильного расположения атомов кристаллической решетки. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные.
Атомы совершают колебательные движения возле узлов решетки, и с повышением температуры амплитуда этих колебаний увеличивается. Большинство атомов данной кристаллической решетки имеют одинаковую (среднюю) энергию и колеблются при данной температуре с одинаковой амплитудой. Однако отдельные атомы обладают энергией, значительно большей средней энергии, и перемещаются из одного места в другое. Наиболее легко перемещаются атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находился такой атом, называется вакансией (рис. 2, а). На это место через некоторое время перемещается один из атомов соседнего слоя и т. д. Таким образом вакансия перемещается в глубь кристалла. С повышением температуры количество вакансий увеличивается и они чаще перемещаются из одного узла в другой. В диффузионных процессах, протекающих в металлах, вакансии играют определяющую роль. К точечным дефектам относят также атом, внедренный в междоузлие кристаллической решетки (рис. 2, б), и замещенный атом, когда место атома одного металла замещается в кристаллической решетке другим, чужеродным атомом. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки.
Линейные дефекты являются другим важнейшим видом несовершенства кристаллической решетки, когда в результате сдвига на одно межатомное расстояние одной части решетки относительно другой вдоль какой-либо плоскости число рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в нижней. В данном случае в верхней части решетки появилась как бы лишняя атомная плоскость (экстраплоскость). Край экстраплоскости, перпендикулярный направлению сдвига, называется краевой, или линейной, дислокацией (рис. 2, в), длина которой может достигать многих тысяч межатомных расстояний. Шириной дислокации считают расстояние от центра дефекта до места решетки без искажения. Ширина дислокации мала и составляет несколько атомных расстояний.
Кристаллическая решетка в зоне дислокаций упруго искажена, поскольку атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного состояния. Для дислокаций характерна их легкая подвижность. Это объясняется тем, что атомы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное состояние. Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов (см. гл. 1, § 2), а также при пластической деформации, термической обработке и других процессах.
Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между отдельными кристаллами (рис. 2, г). На границе раздела атомы кристалла расположены менее правильно, чем в его объеме. Кроме того, по границам раздела скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются примеси, что еще больше нарушает порядок расположения атомов. При этом сами кристаллы разориентированы, т. е. могут быть повернуты относительно друг друга на десятки градусов. Прочность металла может либо увеличиваться вследствие искажений кристаллической решетки вблизи границ, либо уменьшаться из-за наличия примесей и концентрации дефектов. Дефекты в кристаллах существенно влияют на свойства металлов.

Анизотропия кристаллов. Неодинаковость физических свойств среды в разных направлениях называют анизотропией. Анизотропия кристаллов обусловлена различием плотности упаковки атомов в решетке в различных направлениях. Все кристаллы анизотропны, а аморфные тела (стекло, смола) изотропны, т. е. имеют одинаковую плотность атомов в различных направлениях.
Анизотропия свойств важна при использовании монокристаллов — одиночных кристаллов, частицы которых расположены единообразно по всему их объему. Монокристаллы имеют правильную кристаллическую огранку (в форме естественных многогранников), анизотропны по механическим, электрическим и другим физическим свойствам. Так, для монокристалла меди предел прочности σв изменяется от 120 до 360 МПа в зависимости от направления приложения нагрузки.
Металлы и сплавы, применяемые в технике, обычно имеют поликристаллическую структуру, т. е. состоят из множества мелких и различно ориентированных кристаллов, не имеющих правильной кристаллической огранки и называемых кристаллитами (или зернами). В каждом зерне поликристалла наблюдается анизотропия. Однако вследствие разнообразной, беспорядочной ориентировки кристаллографических плоскостей в различных зернах поликристалл может иметь одинаковые свойства по разным направлениям и не обнаруживать анизотропию (когда размеры зерен значительно меньше размеров поликристалла и количество их весьма велико). Это обстоятельство во многих случаях позволяет рассматривать поликристаллическое тело как подобное изотропному, несмотря на анизотропию свойств отдельных составляющих его зерен.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector