Почему одни металлы более пластичные, а другие – более хрупкие? Обсудим.
Во-первых, вспомним, что все металлы обладают той или иной пластичностью, то есть способностью деформироваться под нагрузкой без разрушения. Иначе говоря, гнуться, тянуться или плющиться, не разрушаясь.
Этим своим свойством они обязаны металлической связи, удерживающей атомы (ионы) металла в одной кристаллической решётке.
В металле все валентные электроны коллективизированы и свободно перемещаются по всему объёму материала, образуя «электронный газ», который удерживает положительно заряженные ионы друг с другом.
Однако у разных металлов различается электронная структура, в том числе число электронов, участвующих в металлической связи. Этот фактор может вносить вклад в пластичность.
У переходных металлов, таких как железо или хром, в связи активно участвуют d-электроны. Это делает связь более жёсткой и повышает прочность, но при этом не обязательно лишает металл пластичности полностью. В результате многие из них демонстрируют компромисс между прочностью и способностью к деформации.
Тем не менее одним числом свободных электронов дело не обходится. Важны и другие характеристики связи, и не только они. Так стоит взглянуть на особенности самих атомов металла.
Если атомы уложены в кубическую гранецентрированную решётку, то у них возникает множество плоскостей скольжения (двенадцать), по которым они могут… скользить. Такой металл будет ожидаемо более пластичным.
В кубической объемно-центрированной таких плоскостей меньше (ну или их тяжелее привести в действие), и металл, как правило, не настолько пластичный.
А в гексагональной плотноупакованной скольжение ограничено всего тремя направлениями, что делает такие металлы склонными к хрупкому разрушению.
В итоге пластичность – это баланс между силой связи и структурой решётки. Понимая это, инженеры пытаются «настроить» структуру, чтобы добиться нужных свойств под конкретную задачу, будь то гибкие провода или прочные лопатки турбин.