Кристаллическое строение металлов и сплавов

Строение металлов и сплавов

Свойства металла — его прочность, ковкость, способность пружинить — не берутся из ниоткуда. Их корни уходят в микромир, где атомы выстроены строго и упорядоченно. Стоит изменить этот порядок, и материал начинает вести себя иначе. Ниже пойдём от простого к сложному: сначала разберём одиночные металлы, затем сплавы, а закончим тем, что нарушает идеальный порядок, — дефектами.

С чего начинается металл

Что скрывается за этим определением? Прежде всего — строгая геометрия. Атомы металла не разбросаны хаотично, а собраны в кристаллическую решётку. Сам атом — это положительно заряженное ядро, вокруг которого держатся несколько отрицательно заряженных электронов. Электронов у атомов металла немного, и потому они по своей сути ведут себя как ионы.

Повторяющийся «кирпичик» такой решётки носит название элементарной кристаллической ячейки. Её узлы и грани заняты ионами, а связующим звеном служат металлические связи. Механизм их прост: электроны отрываются от атомов и движутся беспорядочно, и именно эти отрицательно заряженные частицы удерживают положительные ионы на одинаковом расстоянии один от другого.

Геометрия решёток: четыре варианта

У большинства металлов решётки высокосимметричные, с плотной упаковкой атомов. На практике сводится всё к четырём типам, и каждый удобнее рассматривать через его «фирменный» набор металлов.

• Тетрагональная решётка. Представьте куб, растянутый вдоль одной из осей, — вот и она. Существует в двух вариантах: объёмно-центрированном и гранецентрированном. Её носители — радий и индий.
• Гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Сверху и снизу — шестиугольники, собранные из атомов, в центре каждого лежит ещё один атом, а внутри фигуры размещаются три атома. Такое строение отличает кадмий, цинк, магний и другие металлы.
• Гранецентрированная кубическая (ГЦК). Обычный куб, к которому добавлены атомы в центре каждой грани. По этому типу построены железо, алюминий, медь, никель и золото.
• Объёмно-центрированная кубическая (ОЦК). Куб с одним-единственным дополнительным атомом ровно в центре. Так устроены железо, хром, вольфрам, молибден и ванадий.

Один металл — две решётки: аллотропия

Кристаллическая решётка металла не всегда постоянна. При смене температуры у ряда металлов она перестраивается, и это явление называют аллотропией, или полиморфизмом. Важна тут не сама перестройка, а её последствия: вслед за решёткой могут поменяться и свойства металла. К такому «превращению» склонны цинк, железо, олово и цирконий.

Сплавы: когда компонентов больше одного

Компоненты сплава — это как металлы, так и неметаллы. Вдобавок к основным элементам почти всегда присутствуют примеси, и роль у них двоякая: часть примесей улучшает свойства сплава, часть их портит.

По сравнению с чистым металлом строение сплава ощутимо сложнее. Определяет его характер взаимодействия компонентов: кристаллизуясь, они образуют однородные объёмы, между которыми пролегают поверхности раздела. Всего таких вариантов взаимодействия три.

Механическая смесь. Здесь компоненты вовсе не растворяются друг в друге и сохраняют собственные, непохожие кристаллические решётки. В итоге сплав оказывается смесью кристаллов исходных компонентов и плавится при постоянной температуре. Если смесь получилась при одновременной кристаллизации из расплава, её называют эвтектикой; если же она возникла при превращении уже в твёрдом состоянии — эвтектоидом. За примерами далеко ходить не нужно: ледебурит в белых чугунах — это эвтектика, а перлит в сталях и чугунах — эвтектоид.

Твёрдый раствор. Тут компоненты растворяются друг в друге. Один из них удерживает свою решётку, а второй отдельными атомами расходится внутри неё, так что форма решётки первого сохраняется, а размеры лишь чуть-чуть сдвигаются. Атомы растворяющегося элемента поступают двояко: либо занимают место части атомов растворителя, либо втискиваются между ними. Второй сценарий — твёрдые растворы внедрения — реализуется тогда, когда диаметр атомов растворённого компонента намного меньше диаметра атома растворителя, а строение валентной оболочки у них схоже.

Химическое соединение. В этом случае компоненты вступают в химическое взаимодействие, и на выходе рождается новая кристаллическая решётка, не совпадающая с решётками исходных компонентов. Обычно так соединяются элементы, у которых заметно различаются и электронное строение атомов, и типы решёток.

Там, где порядок нарушается: дефекты решётки

Идеальная решётка существует разве что в теории. В реальном кристалле всегда найдутся структурные несовершенства, и они способны серьёзно влиять на свойства.

Начинается всё с поверхности. У любого настоящего кристалла есть наружная, свободная поверхность, и на ней из-за поверхностного натяжения решётка искажена. Это искажение не остаётся локальным — оно может распространяться и на прилегающую к поверхности зону.

Внутри же кристалла дефекты разделяют на три категории:

• точечные — вакансии, дислоцированные атомы, примесные атомы и им подобные;
• линейные — цепочки вакансий, смещение атомных дислокаций и плоскостей;
• плоскостные.

Недооценивать эти несовершенства не стоит. Именно от них во многом зависит, как идут диффузия и самодиффузия, а через эти процессы дефекты управляют скоростью химических реакций и ионной проводимостью кристаллов.

Выходит, что поведение металла или сплава — это результат нескольких наложенных друг на друга уровней. Тип решётки закладывает основу, форма взаимодействия компонентов усложняет её в сплавах, а дефекты вносят финальные, порой решающие поправки. Разложив материал на эти уровни, куда легче понять, почему два внешне похожих образца ведут себя совершенно по-разному.