В Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, неметаллические элементы, например: Азот (N), Фосфор (P). Сера (S) – расположены в правой части. Некоторые элементы, такие как кремний (Si), германий (Ge), мышьяк (As), селен (Se) и теллур (Te), рассматриваются как промежуточные между металлами и неметаллами. Остальные 76 элементов из 106 являются металлами.
Металлы в твердом и частично жидком состояниях обладают характерными свойствами:
- Прежде всего, они обладают высокой теплопроводностью и электропроводностью;
- Металлы обладают положительным температурным коэффициентом электросопротивления. То есть, с увеличением температуры электросопротивление чистых металлов возрастает. Кроме того, интересной особенностью многих металлов, а именно чистых, около 30 элементов, является сверхпроводимость. При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю, электросопротивление данных металлов падает скачкообразно, практически до нуля.
- Еще одним свойством металлов является их способность к термоэлектронной эмиссии. Они способны испускать электроны при нагреве.
- Наблюдая за металлическими предметами, мы отмечаем их хорошую отражательную способность – металлический блеск. Металлы обладают металлическим блеском и являются непрозрачными.
- И наконец, последнее, но не менее важное свойство металлов – их повышенная способность к пластической деформации. Они хорошо поддаются изменению формы при воздействии внешних сил.
Все металлы и металлические сплавы являются кристаллическими материалами, где атомы (ионы) имеют упорядоченное расположение в виде кристаллической решетки.
Присущие им свойства характерны для металлического состояния, которое определяется наличием свободных электронов.
Металлическое состояние возникает при сближении атомов в комплекс, когда внешние электроны теряют связь с отдельными атомами и становятся общими. Эти электроны коллективизируются и свободно перемещаются по определенным энергетическим уровням (зонам Бриллюэна) между положительно заряженными и периодически распределенными в пространстве ионами.
Таким образом, устойчивость металла, характеризующейся ионно-электронной системой, определяется электрическим взаимодействием между положительно заряженными ионами и коллективизированными электронами. Это взаимодействие между ионным скелетом и электронным газом определяется как металлическая связь.
Сила связи в металлах определяется соотношением между силами отталкивания и притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на определенном расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной. Этому положению, как видно из схемы, представленной ниже, соответствует расстояние r₀.
Сближение атомов (ионов) на расстояние меньше r₀ или их удаление на расстояние больше r₀ возможны только с совершением определенной работы против сил отталкивания или притяжения.
При закономерном расположении атомов. В металле с образованием правильной кристаллической решетки будет реализовано состояние с наименьшей энергией атомов в кристаллической решетке.
Атомы (ионы), занимающие положение с минимальной потенциальной энергией, находятся на поверхности и обладают повышенной потенциальной энергией из-за наличия несбалансированных сил взаимодействия (принимая силовое поле вокруг атома (иона) как сферическую форму).
Обычно металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из множества мелких (размером от 1000 микрометров до 0,1 микрометра) кристаллитов, различно ориентированных по отношению друг к другу. Из-за условных параметров кристаллизации у них неправильная форма, и они называются кристаллитами, а иногда зернами.
Чистые металлы (1) в обычном структурном состоянии обладают низкой прочностью и часто не имеют необходимых свойств, в виду этого их применение в промышленности крайне редко, поэтому, как правильно, чаще используются сплавы. Сплавы получают замешиванием или спеканием (редко осаждением (2)) двух или более металлов или металлов с неметаллами. Сплавы обладают характерными свойствами, присущие металлическому состоянию.
Химические элементы, входящие в сплав, называются компонентами. Сплав может состоять из двух или более компонентов.
Для изучения строения, превращений и свойств металлов и сплавов в металловедении используют понятия фазы и структуры. Система – это совокупность фаз, находящихся в равновесном состоянии.
(1) Понятие чистый металл весьма условно. Любой чистый металл в большем или меньшем количестве содержит примеси и, следовательно, должен рассматриваться как сплав. В дальнейшем под термином чистый металл мы будем понимать металл, содержащий 99,99—99,999 % основного металла. Во всех остальных случаях подразумевается технически чистый металл с малым количеством примесей (99,5—99,9 %), получаемый обычными промышленными способами.
(2) Некоторые сплавы получают без расплавления, т. е. без перевода в жидкое состояние, а в твердом виде — спеканием металлических порошков или химических соединений, а также путем осаждения из газовой фазы.
Фазой называется однородная часть системы, которая обладает определенным составом, кристаллической структурой и свойствами, а также имеет одно и то же агрегатное состояние и отделена от остальных частей системы поверхностями раздела.
Например, однородный чистый металл или сплав является однофазной системой. Состояние, когда одновременно присутствуют жидкий сплав (металл) и кристаллы, будет представлять двухфазную систему. Если в твердом сплаве будут, например, зерна металлической матрицы и частицы карбидов, то этот сплав также будет двухфазным.
Под структурой понимается форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах или сплавах.
Структурными составляющими сплава называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.
Различают макроструктуру – это структура металла или сплава, которую можно видеть невооруженным глазом или при небольшом увеличении (в 30-40 раз), и микроструктуру – это структура металла или сплава, которую можно наблюдать с помощью микроскопа при больших увеличениях. Макроструктуру изучают на макрошлифах.
Для получения макрошлифов из крупных заготовок (слитков, поковок и т. д.) или изделий вырезают темплеты, поверхность которых шлифуют, а затем обрабатывают специальными реактивами для травления.
При исследовании макрошлифа можно определить:
- форму и расположение зерен в литом металле;
- направление волокна (деформированных кристаллитов) в поковках и штамповках;
- дефекты, которые нарушают сплошность металла (усадочная рыхлость, газовые пузыри, раковины, трещины и т. д.);
- химическую неоднородность сплава, вызванную кристаллизацией или созданную термической, а также химико-термической обработкой (цементация, азотирование, силицирование и др.).
Микроструктура показывает взаимное расположение фаз, их форму и размеры.
Микроструктуру изучают на микрошлифах. Для этого из исследуемого полуфабриката или детали вырезают в определенном направлении небольшой образец, одну из плоскостей которого шлифуют, полируют и обрабатывают специальными реактивами для травления.
Так же для оценки качества металла в металлургии и изучения процесса его разрушения, влияния структурных, технологических и других факторов на разрушение широко используются методы фрактографии. Фрактография представляет собой область знания, посвященную изучению строения изломов.
Изломом называется поверхность, образующаяся в результате разрушения металла. Вид излома зависит от условий нагружения, кристаллографического строения и микроструктуры металла (либо сплава), а также от технологии его производства, обработки давлением, термической обработки, температуры и среды, в которой конструкция работает.
Изломы изучаются на макро- и микроуровне, с применением увеличений до 50 тысяч и выше. Визуальное изучение изломов, а также исследование при помощи светового микроскопа при небольших увеличениях называется фрактографией. Изучение особенностей тонкой структуры изломов под электронным микроскопом называется микрофрактографии.
Источник: "Металловедение и термическая обработка металлов" М.Ю. Лахтин.
В следующей статье приглашаю вас изучить вопрос атомно-кристаллической структуры в металлах, кристаллографические обозначения атомных плоскостей, анизотропию свойств металлов.