Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Характерные свойства металлов

Строение

Накопленный опыт и разносторонние исследования показали, что пространственное расположение атомов в металлах и материалах из них соответствует строго определенным закономерностям. Это закономерное и математически описываемое расположение атомов, специфичное для отдельных металлов, называется кристаллической решеткой (см. также гл. «Высокочистые кристаллические материалы в природе и технике»).

Большинство металлов обладает кубической или гексагональной кристаллическими системами. На  21 показаны объемно- и гранецентрированная кубические и гексагональная ячейки решетки, причем следует иметь в виду, что черными точками отмечены пункты лишь наиболее вероятного расположения атомов. В действительности области действия отдельных атомов постоянно соприкасаются и проникают друг в друга.

Из множества таких элементарных ячеек и образуются кристаллы металлических материалов. Они очень редко состоят из монокристаллов, чаще всего мы встречаемся с состоящими из огромного числа кристаллов поликристаллическими образованиями. Поэтому в дальнейшем будут рассматриваться именно материалы с такой структурой.

В случае, когда атомы в пространственной решетке расположены в строгом соответствии с их математически обоснованной периодичностью, мы говорим об идеальной кристаллической структуре. Однако в природе и технике мы постоянно сталкиваемся с отклонениями от нее. К примеру, может случиться так, что в кристаллах какого-либо металлического материала будут заняты не все теоретически предсказанные места расположения атомов: кое-где атомы отсутствуют-это называется дефектом кристаллической решетки. В решетке чистого, состоящего из одинаковых атомов металла могут появиться атомы другого вещества, как металла, так и неметалла. Тогда говорят о смешанных кристаллах. Если чужой атом находится на месте, принадлежащем атому вещества, образовавшего кристаллическую решетку, то возникает так называемый твердый раствор замещения. Если же чужой атом занимает место, ранее не предусмотренное ни для какого другого атома, то образуются твердые растворы внедрения. Остальные дефекты в кристаллических решетках будут описаны в гл.

«Высокочистые кристаллические материалы в природе и технике».

В заключение хотелось бы отметить, что существование такой реальной кристаллической структуры ни в коей мере не является недостатком, наоборот, природа дает нам возможность перерабатывать и использовать материалы. Многие особо важные свойства металлов обусловлены как раз дефектами в их решетках.

Упругие и пластические деформации

Из многочисленных свойств металлов, уже тысячелетиями используемых человечеством, важнейшими являются механические свойства. При этом в первую очередь речь идет о прочности, под которой в широком смысле слова понимают сопротивление материала разрыву его на части. Предметы из металлических материалов могут, однако, не только разрушаться на отдельные части под действием внешних сил, но и менять форму, не меняя своего внутреннего строения. Благодаря этому большинство металлических материалов может быть подвергнуто пластическому формованию.

Проще всего пояснить связь между прочностью и пластичностью на примере диаграммы напряжение-растяжение ( 22). Все явления мы будем рассматривать не только с чисто физической точки зрения, но учтем и технические аспекты. Такую диаграмму можно получить в опыте, где цилиндрический образец растягивается аксиальной силой, которая медленно меняет свое значение от нуля до момента разрыва образца. Действующая при этом сила в каждый момент времени должна быть отнесена к поперечному сечению образца в начале опыта. Критерием служит величина силы, отнесенной к единице поверхности- напряжение. Относительным удлинением называют отношение удлинения образца в процессе опыта к его начальной длине.

Из графика зависимости растяжения от напряжения можно теперь определить некоторые очень важные характеристики механических свойств.

Прежде всего отметим, что в области действия закона Гука напряжение и растяжение пропорциональны друг другу. Если к образцу приложить напряжение, значение которого ниже предела упругости, и снова снять нагрузку, то он вернется к своим первоначальным размерам. Материал ведет себя в этих условиях упруго. После достижения предела упругости и прежде всего при напряжениях больших предела текучести поведение материала меняется. Если теперь разгрузить испытуемый образец, то он больше не вернется к своей первоначальной форме. Появляются остаточные деформации, и материал ведет себя как пластическое тело. Напряжение в высшей точке кривой соответствует пределу прочности на растяжение. Вследствие воздействия силы и предшествующих деформаций при больших напряжениях (в конце кривой) происходит разрыв растягиваемого образца.

Пластические свойства материалов важны прежде всего при их формовании, в то время как прочность и, конкретно, предел текучести помогают конструкторам правильно рассчитать размеры элементов конструкций. При расчетах в основу кладется то допустимое напряжение, которое не должно быть превышено при воздействии силы на какую-либо строительную деталь. Это допустимое напряжение находится на графике ниже предела текучести, то есть в области упругого поведения материала, что обеспечивает безопасность.

Электроны транспортируют электричество и тепло

Специфические свойства металлов более глубоко объясняются специальным видом связи между атомами, так называемой металлической связью. Каждый атом металла отдает из своего внешнего электронного облака в среднем один электрон, а сам заряжается положительно. Таким образом, исходя из атомных представлений, металлы состоят не из нейтральных атомов, а из положительно заряженных их остатков, потерявших свои валентные электроны. Отданные электроны могут свободно двигаться между ионами металла и в качестве «электронного газа» удерживать вместе всю совокупность атомов. Ввиду высокой подвижности электронов внешнего облака, они не могут быть отнесены к какому-либо отдельному атому.

Если теперь приложить внешнее электрическое поле, то эти электроны начнут перемещаться, то есть по материалу пойдет ток. При наличии идеальной кристаллической структуры электроны могут двигаться почти беспрепятственно. Однако фактическое сопротивление движению электронов больше теоретического, так как в решетках реальных металлов протекают еще и процессы, тормозящие электроны, а именно: электроны рассеиваются дефектами кристаллической решетки. Кроме того, при передаче электрического заряда в кристаллах можно наблюдать, что полностью занятые электронами энергетические уровни атома не проводят электрический ток. Этой способностью обладают атомы, орбиты которых неполностью заняты. Металлы, в отличие от неметаллов, имеют такие орбиты. Соответственно способности проводить электрический ток различные вещества можно разделить на изоляторы и проводники. Проводники, в свою очередь, по механизму переноса заряда делятся на ионные и электронные, а последние-на полупроводники и металлические проводники.

Металлы и металлические материалы известны как очень хорошие проводники электрического тока. Решающими для электропроводимости металлов являются три фактора: число свободных электронов в единице пространства, концентрация носителей заряда п, подвижность носителей заряда Ъ и транспортируемый одним носителем заряд q.

Эти три фактора связаны между собой соотношением y, = qnb (где и-удельная электропроводимость).

Из металлов, используемых в технике, наибольшей удельной электропроводимостью обладают серебро, медь и алюминий, поэтому они и применяются в электротехнике как проводники.

Перенос тепловой энергии в твердых телах называют теплопроводностью. В зависимости от состава, вида связи и структуры твердых тел теплопроводность их различна. В то время, как металлические материалы обладают очень высокой теплопроводностью, у неметаллических она мала. Как правило, хорошей электропроводимости сопутствует и хорошая теплопроводность. Предполагают, что в металлических твердых телах при переносе тепла преимущественную роль играют также имеющиеся там свободные электроны. Но наряду с переносом энергии электронами имеется еще один механизм, объясняющий теплопроводность совместными колебаниями атомов в решетке твердых тел. Теплопроводность материала складывается таким образом из двух частей: электронной проводимости и проводимости решетки.

Диа-, пара- и ферромагнетики

Если какое-то вещество внести в однородное магнитное поле, то плотность магнитных силовых линий по сравнению с вакуумом изменится. Диамагнетик ослабляет магнитное поле, «раздвигая» магнитные силовые линии, пара- и ферромагнитные материалы, напротив, усиливают магнитное поле за счет возникновения внутри них собственного сильного магнитного поля ( 23).

Особенно широко используются ферромагнитные свойства металлов. К ферромагнетикам относятся железо, никель и кобальт.

Магнитное поведение атома определяется вращением электронов вокруг своей оси (спин электрона). В зависимости от характера вращения спин может быть положительным или отрицательным. Если число электронов с положительными и отрицательными спинами в атоме не совпадает, то, значит, создана решающая предпосылка для ферромагнитного поведения, так как появляются собственные атомные магнитные моменты. Кроме этого, еще необходимо определенное взаимодействие между атомами, которое ведет к выравниванию    атомных    магнитных    моментов и появлению целых областей, где спины направлены параллельно. Эти элементарные магнитные области при наложении внешнего магнитного поля меняют свою величину, вращаются в направлении магнитного поля и таким образом усиливают его. При достаточно большой силе внешнего магнитного поля намагничивание будет происходить до тех пор, пока все элементарные участки не выстроятся в этом направлении. Это приведет к необратимым изменениям внутри материала - металл или металлический материал станет постоянным магнитом.

О химических свойствах

Химическое поведение металлов и их окислов совпадает в том, что они растворяются в кислотах, образуя при этом соли. Имеются также амфотерные металлы, которые растворяются как в кислотах, так и в щелочах. Благородные металлы обладают чрезвычайно малой склонностью к соединению с кислородом и другими газами. Они, кроме того, либо совсем нерастворимы, либо растворяются с большим трудом в кислотах и щелочах. К таким благородным металлам относятся прежде всего серебро и золото. Платиновые металлы также можно отнести к благородным. Ввиду малой склонности к образованию соединений благородные металлы существуют в природе и в чистом, самородном состоянии, в то время как все остальные металлы встречаются в природе только в виде химических соединений.

Металлы образуют сплавы

Свойства чистых металлов не удовлетворяют требованиям, предъявляемым в технике. Чистые металлы обладают очень высокой пластичностью, но их прочность очень мала для конструктивных целей (табл. 5). Путем добавки дополнительных компонентов свойства металлов можно существенно улучшить. Из металлов получают сплавы, или металлические материалы. Способность металлов к образованию сплавов является одной из важнейших предпосылок их применения в технике. Добавляемые к основному металлу вещества называются компонентами сплава. В качестве компонентов сплава пригодны как другие металлы, так и неметаллы.

Если компоненты сплава не реагируют друг с другом, то в поликристаллическом материале соседствуют кристаллы этих элементов, то есть образуется смесь кристаллов. В большинстве случаев все же возникает взаимодействие между компонентами, которое приводит к образованию смешанных кристаллов или соединений металлов. Возникающие таким образом фазы образуют структуру сплава, зависящую от числа, размера, формы и положения фаз относительно друг друга. Эта структура может быть изменена в довольно широких границах как при кристаллизации сплава из расплавленного состояния, так и при его тепловой обработке или переработке путем формования.