Различные агрегатные состояния и кристаллическое строение металлов
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Все вещества в зависимости от температуры и давления могут нахо- диться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

В чистых металлах при повышении температуры происходит измене- ние агрегатного состояния: при превышении температуры плавления твер- дое состояние сменяется жидким, при превышении температуры кипения жидкое состояние переходит в газообразное. Эти температуры перехода зависят от давления.

Температура плавления – особенно важная константа свойств метал- ла – колеблется для различных металлов в весьма широких пределах: от минус 38,9 °С для ртути, самого легкоплавкого металла, находящегося при комнатной температуре в жидком состоянии, до 3390 °С – для самого ту- гоплавкого металла – вольфрама.

При постоянном давлении температуры плавления, плотность и неко- торые теплофизические характеристики вполне определенны и для наибо- лее распространенных в технике металлов приведены в таблице 1.1.

В газообразном состоянии частицы вещества не связаны между собой молекулярными силами притяжения и хаотически движутся, заполняя весь возможный объем. При обычных давлениях и температурах среднее рас- стояние между молекулами в газах примерно в десять раз больше, чем в твердых телах и жидкостях. Поэтому газы имеют значительно меньшие


плотности, чем твердые тела и жидкости. При обычных температурах газы

– хорошие диэлектрики, так как их атомы и молекулы электрически ней- тральны.

При нагреве газа до высоких температур происходит его ионизация: концентрация заряженных частиц увеличивается, причем объемные плот- ности положительных и отрицательных электрических зарядов заряжен- ных частиц становятся практически одинаковыми. Термически ионизиро- ванный газ отличается от обычного газа рядом особенностей, позволяю- щих считать его четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) со- стоянием вещества – плазмой. В технике широкое применение получила

«холодная» или низкотемпературная плазма (~103–104 К).

Таблица 1.1

Плотность, теплоемкость, температура плавления и теплота плавления некоторых металлов

 

Металл Плотность, 103 кг/м3 Теплоемкость, кДж/(кг*град) при 20 °С Температура плавления, qпл , °С Теплота плавления, L, кДж/кг
Алюминий 1,738 0,88 658,7 0,32–0,39
Вольфрам 19,35 0,24 3420
Железо 7,874 0,45 1539 0,293
Кобальт 8,90 0,45 1493
Магний 1,848 1,3 651 0,373
Медь 8,96 0,39 1083 0,214
Никель 8,91 0,46 1453 0,24–0,30
Олово 7,29 0,23 231,9 0,059
Свинец 11,35 0,13 327,3 0,0225
Сталь 7,7–7,9 0,46 1300–1400 0,205
Чугун 7,0 0,5 1100–1200 0,096–0,14

 

Жидкости представляют собой вещества в конденсированном агрегат- ном состоянии, промежуточном между твердым и газообразном. Жидко- сти подобно твердым телам обладают малой сжимаемостью и большой плотностью, но в то же время подобно газам не обладают упругостью формы и легко текут.

В жидкостях среднее расстояние между молекулами сравнимо с раз- мерами самих молекул (~10 Нм = 10–10 м), поэтому силы межмолекуляр- ного взаимодействия весьма значительны. Подобно частицам твердого те- ла молекулы жидкости совершают тепловые колебания около некоторых положений равновесия. Однако если в твердых телах эти положения рав- новесия неизменны (т. е. имеет место дальний порядок), то в жидкостях


они время от времени изменяются: по истечении некоторого времени мо- лекула жидкости перескакивает в новое положение равновесия, перемеща- ясь на расстояние, сравнимое с расстоянием между молекулами.

Эти перемещения молекул жидкости обусловливают ее текучесть. Та- ким образом, несмотря на то, что в жидкостях не соблюдается дальний по- рядок, как у твердых тел, для них имеет место «ближний порядок»: в среднем для каждой молекулы жидкости число ближайших соседей и их взаимное расположение одинаковы. Ψσρδ см3

В твердом состоянии физические тела характеризуются стабильно- стью формы. При изменении формы в твердых телах возникают упругие силы, препятствующие этому изменению. В твердых телах элементарные частицы (атомы, молекулы или ионы) совершают малые тепловые колеба- ния около некоторых фиксированных положений равновесия, т. е. имеет место «дальний порядок», вследствие которого элементарные частицы твердого тела могут располагаться по узлам кристаллических решеток.

Правильное регулярное расположение атомов в твердом теле, характе- ризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях, образует кристаллическую решетку, а тела, имеющие кристаллическую решетку, на- зывают твердыми телами. Металлы являются телами кристаллическими.

Наиболее простой кристаллической решеткой у металлов является ку- бическая, имеющая две разновидности: кубическую объемноцентрирован- ную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК).

а

b
с
а                      а

с

а)                     б)                                      в)

Рис. 1.3. Кристаллические решетки:

а) кубическая объемно–центрированная (ОЦК), б) кубическая гранецентрированная (ГЦК),

в) гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

 

У обоих типов этих решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы нахо- дятся или в центре объема куба (1 атом на пересечении диагоналей в ре- шетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (6 атомов в решетке ГЦК). Кристаллические решетки ОЦК имеют альфа-железо (Feα), хром, ванадий, вольфрам и другие металлы. Решетку ГЦК имеют гамма-железо (Feγ), алюминий, медь, никель и другие металлы.


Другой разновидностью кристаллических решеток у металлов являет- ся гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ). Ячейка этой решет- ки представляет собой шестигранную призму с центрированными основа- ниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. ГПУ решетку имеют магний, цинк, бериллий и другие металлы (рис. 1.3).

Плоскости, параллельные координатным плоскостям и находящиеся на расстоянии а, в, с, разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед на- зывают элементарной ячейкой. Вершины параллелепипеда называют уз- лами пространственной решетки. Размер элементарной ячейки оценива- ют отрезками а, в, с. Их называют периодами решетки. Дополнительными характеристиками кристаллической решетки являются координационное число и коэффициент компактности.

Координационное число К – число ближайших равноудаленных частиц (атомов) от любого атома в кристаллической решетке (для ОЦК – К8, для ГЦК – К12). Коэффициент компактности – отношение объема всех частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки (для ОЦК – 0,68, для ГЦК – 0,74).

Упорядоченность расположения атомов в кристаллической решетке позволяет четко выделить кристаллографические направления и плоскости (рис. 1.4). Кристаллографические направления – лучи, выходящие из ка- кой-нибудь точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы.

Точками отсчета могут служить вершины куба, при этом кристалло- графическими направлениями являются его ребра и диагонали грани.

z
(111)
(110)
(010)
y
]
x
z      (001)


(010)

[ 010 ]

x


 

(100)


 

y

[110


Рис. 1.4.Основные кристаллографические направления и плоскости

 

Кристаллографические плоскости – плоскости, на которых лежат атомы, например, грани куба или его диагональной плоскости. Кристалло- графические направления и плоскости принято обозначать индексами Миллера. Для определения индекса какого–либо направления следует най- ти координаты ближайшего к точке отсчета атома, лежащего на этом на- правлении, выраженные через параметр решетки.


Пример. Координаты ближайшего атома вдоль оси ох выразятся  через

100. Этими цифрами принято обозначать индекс направления вдоль оси ох и параллельных ему направлениях [100]. Индексы направлений вдоль оси оу и оz и параллельных им направлений выразятся соответственно через

[010] и [001], а направления вдоль диагонали грани хоz, хоу, уоz и диаго- нали куба получат индексы соответственно [101], [110], [011], [111].

Для определения индекса кристаллографической плоскости следует вначале найти координаты ближайших точек ее пересечения с осями коор- динат, проведенными из точки отсчета 0. Затем обратные величины най- денных координат следует записать в обычной последовательности в круглых скобках. Использование понятий о кристаллографических на- правлениях и плоскостях и об их индексах позволяет описывать различные явления, происходящие в кристаллических телах, а также особенности свойств кристаллических тел вдоль различных направлений и плоскостей.

Физические и прочностные свойства металлов вдоль различных кри- сталлографических направлений зависят от числа атомов, расположенных на этих направлениях. В действительности в кристаллической решетке на различных направлениях находится разное число атомов. Например, в ку- бических решетках (рис. 1.4) вдоль диагонали куба ОЦК решетки [111] или диагонали грани решетки ГЦК [110], [101], [011] размещается больше атомов, чем по направлениям вдоль ребер кубов [100], [010], [001].

Из этого следует, что в кристаллических веществах должна наблю- даться анизотропия, т. е. неодинаковость свойств вдоль различных кри- сталлографических направлениях.

Анизотропия – это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая в результате упорядоченного расположения атомов в про- странстве. Анизотропия механических и других свойств наблюдается при испытании образцов, вырезанных вдоль различных кристаллографических направлений. Не всем свойствам кристаллических тел присуще явление анизотропии, так, например, теплоемкость, от направления не зависит.

Анизотропия проявляется только в пределах одного кристаллического зерна. Реальные металлы являются телами поликристаллическими, со- стоящими из огромного числа зерен, произвольно ориентированных друг к другу своими кристаллографическими направлениями и плоскостями.

В связи с этим, недостаток какого-либо свойства по одному из направ- лений приложения силы в одних зернах компенсируется избытком этого свойства по этому же направлению в других зернах. Поэтому реальные металлы являются изотропными телами, т. е. телами с примерно одинако- выми свойствами по всем направлениям.











Дата: 2018-12-21, просмотров: 370.