Кристаллическое строение и кристаллизация металлов

Металлы - вещества, обладающие в обычных условиях высокими электропроводностью и теплопроводностью, ковкостью, " металлическим" блеском, непрозрачностью и другими свойствами, обусловленными наличием вих кристаллической решетке большого количества не связанных с атомными ядрами подвижных электронов проводимости. Металлы можно представить в виде ионной кристаллической решетки, погруженной в " электронный газ", который, компенсируя электростатическое отталкивание ионов, связываетих в твердое тело. Металлическими свойствами обладают более 80 химических элементов и множество сплавов [27, с.796].

Вследствие кристаллического строения отдельно взятые кристаллы металлов и сплавов обладают свойством анизотропности (неодинаковость свойств в разных геометрических направлениях) в отличие от аморфных веществ, в которых атомы располагаются беспорядочно (смола, воск, стекло), и у которых свойства по всем геометрическим направлениям одинаковы (изотропность).

Соединяя воображаемыми линиями центры атомов металлов или сплавов, получают, в зависимости от расположения атомов, простые или сложные кристаллические решетки. Наиболее характерными для металлов являются: объемно-центрированная кубическая (ОЦК), состоящая из девяти атомов (рис.1); гранецентрированная кубическая (ГЦК), состоящая из 14 атомов (рис.2); гексагональная плотноупакованная (ГП), состоящая из 17 атомов (рис.3).

Расстояние между атомами называется параметром решетки и измеряется в ангстремах (1А = 10^-10 метра).

Металлы и сплавы могут находиться в твердом, жидком и газообразном агрегатном состоянии в зависимости от температуры и давления.

Процесс перехода металла (сплава) из жидкого в твердое состояние называется первичной кристаллизацией. В отличие от аморфных материалов, которые затвердевают при понижении температуры постепенно (см. кривую охлаждения аморфного вещества на рис.4), металлы кристаллизуются при постоянной температуре, называемой критической температурой фазового превращения или теоретической температурой кристаллизации Т_s. Практически же переход металла из жидкого состояния в твердое происходит при температуре Т_ф < Т_s, где Т_ф — фактическая температура кристаллизации. Разность температур Т_s – Т_ф = Δ Т называется степенью переохлаждения. Следовательно, фазовое превращение - это скачкообразный переход металла из одной фазы (твердой) в другую (жидкую) при постоянной температуре (горизонтальный участок кривой охлаждения металла на рис. 5). Температура не меняется потому, что отвод тепла охлаждения компенсируется теплотой, выделяемой самим металлом при кристаллизации.

Некоторые металлы при изменении температуры или давления меняют свою структуру (кристаллическую решетку) в твердом состоянии несколько раз. Это явление называется аллотропией или полиморфизмом (железо, марганец, никель, олово и др.).

Аллотропия заключается в том, что при определенных температурах в твердом металле возникают новые центры кристаллизации и одновременно происходит рост новых кристаллов, т.е. происходит процесс, аналогичный первичной кристаллизации. Формирование новой решетки сопровождается выделением тепла, поэтому на графиках будет наблюдаться еще один горизонтальный участок кривой охлаждения данного металла (см. диаграмму охлаждения чистого железа на рис. 6).

Рис. 6

Различные аллотропические формы одного и того же металла называются модификациями и обозначаются буквами греческого алфавита.