Что называют структурой металлов


Структура - металл - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Структура - металл

Cтраница 1


Структура металла также в известной степени определяет его устойчивость против коррозии. Сплавы с однородной ( гомогенной) структурой устойчивее, чем неоднородные по структуре. Например, сплавы, содержащие две твердые фазы ( кристаллиты двух различных составов) ржавеют быстрее, чем сплавы, представляющие однородные твердые растворы. Устойчивость нержавеющих сталей против коррозии определяется их однородной структурой, в свою очередь обеспечивающей прочность и однородность поверхностной пленки окисей.  [2]

Структура металла является решающим фактором для определения его свойств. Из сказанного выше следует, что при напылении всегда образуется только скопление сравнительно слабо связанных между собой отдельных частиц. Препятствием для более тесного соединения служит то обстоятельство, что во время процесса напыления они покрываются окисной пленкой.  [3]

Структура металлов и сплавов имеет непосредственное отношение к их коррозионному поведению. Следует отметить, что, как правило, гетерогенные сплавы менее стойки в коррозионном отношении по сравнению с гомогенными в одинаковых условиях. Это обусловлено различием отдельных фаз сплава как по электрохимическим свойствам, так и по способности образовывать поверхностные защитные пленки.  [4]

Структура металла, видимая невооруженным глазом или при небольших увеличениях ( при помощи лупы), называется макроструктурой.  [5]

Структура металлов и сплавов зависит от химического состава, способа обработки и выплавки. Для определения структуры изготовляют микрошлиф, поверхность которого рассматривают под микроскопом. Такой метод исследования внутреннего строения называют металлографическим анализом металлов и сплавов. К способам контроля и исследования металлов и сплавов относят макро - и микроанализ, рентгеноскопию и другие виды анализов.  [7]

Структура металла, образующаяся в процессе кристаллизации, зависит от характера этого процесса. Кристаллизация сплава начинается у поверхности слитка ( рис. 2), соприкасающейся с формой. Кристаллы образуются вокруг центров кристаллизации. Такими центрами являются группы элементарных кристаллических решеток, мельчайшие шлаковые и неметаллические включения.  [8]

Структура металла вдоль линии реза отлична от структуры основного металла. В малоуглеродистых сталях в зоне перегрева наблюдается рост зерна, а у кромок реза видманштет-това структура. Участки более удаленные от линии реза, но расположенные в зоне термического влияния, приобретают сравнительно мелкозернистое строение, подобно структуре нормализованной ст

Структура металлов

Структура металлов


Структура Металлы и другие одноатомные твердые вещества

Структуры чистых металлов легко описать, поскольку атомы, образующие эти металлы, можно рассматривать как идентичные идеальные сферы. То же можно сказать и о структуре инертные газы (He, Ne, Ar и др.) при очень низких температурах. Все эти вещества кристаллизуются в одну из четырех основных структур: простая кубическая ( SC ), объемно-центрированная кубическая ( BCC ), гексагональная плотнейшая упаковка ( HCP ) и кубическая плотнейшая упаковка ( CCP ).


Простая кубическая упаковка

Когда твердое вещество кристаллизуется, частицы, образующие твердое тело упаковать как можно плотнее. Чтобы проиллюстрировать этот принцип, давайте попробуйте представить, как лучше всего укладывать шары, например, пинг-понг шары в пустую коробку.

Один из подходов включает в себя осторожную упаковку мячей для пинг-понга в образуют квадратную упакованную плоскость сфер, как показано на рисунке ниже.

Наклонив коробку в одну сторону, мы можем сложить вторую плоскость из сферы прямо поверх первой. Результат - регулярный структура, в которой простейшим повторяющимся элементом является куб из восьми сферы, как показано на рисунке ниже.

Эта структура называется простой кубической упаковкой . Каждый сфера в этой структуре касается четырех одинаковых сфер в тот же самолет. Он также касается одной сферы в плоскости выше и одной в самолете внизу.Каждый атом в этой структуре может образовывать связи с его шесть ближайших соседей. Поэтому говорят, что каждая сфера имеет координационный номер из 6.

Простая кубическая структура - неэффективный способ использования Космос. Только 52% доступного пространства фактически занято сферы в простой кубической структуре. Остальное пустое место. Поскольку такая структура неэффективна, кристаллизуется только один элемент - полоний. в простой кубической структуре.


Телоцентрированный кубический Упаковка

Другой подход начинается с разделения сфер для образования плоскость квадратной формы, в которой они не совсем касаются друг друга, как показано на рисунке ниже.

Сферы во второй плоскости упаковываются над отверстиями в первый самолет, как показано на рисунке ниже.

Сферы в третьей плоскости упаковываются над отверстиями во второй самолет. Сферы в четвертой плоскости упаковываются над отверстиями в третьей. самолет и так далее. В результате получается структура, в которой Плоскости атомов с нечетными номерами идентичны, а плоскости атомов с четными номерами самолеты идентичны.Это ABABABAB . . . повторение структура известна как объемно-центрированная кубическая упаковка .

Эта структура называется объемно-центрированной кубической , потому что каждая сфера касается четырех сфер в плоскости выше и еще четырех в плоскости ниже, расположенной по углам куба. Таким образом, повторяющееся звено в этой структуре - куб из восьми сфер с девятой одинаковой сферой в центре тела в другими словами, куб с центром тела, как показано на рисунке ниже.Координационный номер в данной структуре - 8.

Изучите кубический кристалл с центром тела ниже:

Нажмите левую кнопку мыши и перетащите конструкцию. Нажмите вправо кнопку мыши, чтобы просмотреть параметры.

Для этой страницы требуется MDL Chime плагин. Скачайте здесь.

Объемно-центрированная кубическая набивка - более эффективная способ использования пространства по сравнению с простой кубической упаковкой68% пространства в этой конструкции заполнено.Все металлы в Группа IA (Li, Na, K и т. Д.), Более тяжелые металлы в группе IIA (Ca, Sr и Ba) и ряд ранних переходных металлов (например, Ti, V, Cr, Mo, W и Fe) упаковываются в объемноцентрированный кубический состав.


Ближайшая упаковка Конструкции

Две структуры упаковывают сферы так эффективно, что называются плотноупакованными структурами .

Оба начинают с упаковки сфер в плоскости в каждая сфера касается шести других, ориентированных по углам шестиугольника, как показано на рисунке ниже.

Затем вторая плоскость образована упаковочными сферами. над треугольными отверстиями в первой плоскости, как показано на рисунок ниже.

Сферы в третьем самолете могли упаковываться непосредственно над сферами в первой плоскости, чтобы сформировать ABABABAB . . . повторяющаяся структура. Поскольку эта структура состоит из чередующиеся плоскости гексагональных плотноупакованных сфер, это называется гексагональной плотноупакованной структурой .Каждая сфера касается трех сфер в плоскости выше, трех сфер в плоскости ниже, и шесть сфер в той же плоскости, как показано на рисунок ниже. Таким образом, координационное число в гексагональной структура с плотной упаковкой - 12.

74% пространства в гексагональном плотно упакованном структура заполнена. Нет более эффективного способа упаковки сфер. известно, и важна гексагональная структура с плотнейшей упаковкой. для металлов, таких как Be, Co, Mg и Zn, а также инертного газа He при низких температурах.

Есть еще один способ укладки гексагональной плотнейшие плоскости сфер. Атомы в третьей плоскости могут быть упакованы над отверстиями в первой плоскости, которые были не используется для формирования второй плоскости. Четвертый шестиугольник плотно упакованная плоскость атомов затем упаковывается непосредственно над первый. В результате получается ABCABCABC . . . состав, который называется кубической плотностью . Каждая сфера в этом структура касается шести других в той же плоскости, трех в плоскости вверху, и три в плоскости внизу, как показано на рисунке ниже.Таким образом, координационный номер по-прежнему 12.

Разница между гексагональной и кубической структуры с плотной упаковкой можно понять, отметив, что атомы в первой и третьей плоскостях лежат непосредственно друг над другом в гексагональной плотноупакованной структуре. В кубической плотноупакованной структуры, атомы в этих плоскостях ориентированы в разные стороны.

Кубическая структура плотнейшей упаковки такая же эффективен как гексагональная плотноупакованная структура.(Оба используют 74% доступного пространства.) Многие металлы, включая Ag, Al, Au, Ca, Co, Cu, Ni, Pb и Pt кристаллизуются в кубических плотноупакованных состав. Так поступают все инертные газы, кроме гелия, когда они газы охлаждаются до достаточно низких температур, чтобы они затвердевали.

Гранецентрированная кубическая элементарная ячейка является наиболее простой повторяющееся звено в кубической плотноупакованной структуре. Фактически, наличие гранецентрированных кубических элементарных ячеек в этой структуре объясняет, почему структура известна как кубическая наиболее плотно упакованный.


Координационные номера и Конструкции из металлов

Координационные числа четырех структур металлов приведены в таблице ниже. Это легко понять, почему металлы упаковываются в гексагональную или кубическую упаковку максимально плотно конструкции. Мало того, что эти конструкции используют пространство так же эффективно по возможности, они также имеют максимально возможную координацию числа, что позволяет каждому атому металла образовывать связи с наибольшее количество соседних атомов металла.

Координационные числа для общего кристалла Конструкции

Структура Координация
Номер
Укладка
Шаблон
простая кубическая 6 АААААААА .. .
объемно-центрированная кубическая 8 АБАБАБАБ . . .
Гексагональный плотноупакованный 12 АБАБАБАБ . . .
куб. Плотнейшей упаковки 12 ABCABCABC .. .

Менее очевидно, почему треть металлов упаковать в объемно-центрированную кубическую структуру, в которой Координационный номер всего 8. Популярность данной конструкции можно понять, обратившись к рисунку ниже.

Координационное число для объемно-центрированной кубической структуры, приведенные в таблице выше, учитывают только атомы, которые фактически касаться данного атома в этой структуре.Рисунок выше показывает, что каждый атом также почти касается четырех соседей в тот же самолет, пятый сосед двумя самолетами выше, а шестой два самолета внизу. Расстояние от каждого атома до ядер эти соседние атомы всего на 15% больше, чем расстояние до ядра атомов, которых он действительно касается. Каждый атом в объемно-центрированная кубическая структура, таким образом, может образовывать в общей сложности 14 облигации восемь сильных связей с атомами, которых он касается, и шесть более слабых связывается с атомами, которых почти касается.

Это помогает понять, почему металл может предпочесть объемно-центрированную кубическую структуру гексагональной или кубическая плотноупакованная структура. Каждый атом металла в плотноупакованные структуры могут образовывать прочные связи с 12 соседними атомы. В объемно-центрированной кубической структуре каждый атом образует всего 14 связей с соседними атомами, хотя шесть из них облигации несколько слабее остальных восьми.


Физические свойства что результат из структуры металлов

Структуры металлов могут быть использованы для объяснения многие из характерных физических свойств металлов.

На вопрос, почему металлы имеют характерный металлический блеск или блеск, многие скажут что металлы отражают (буквально отбрасывают) свет, который сияет на их поверхности. По сути, они могут возразить, что свет отражается от поверхности металла, как ракетка отскакивает от стен площадки для ракетбола. С этим что-то не так аналогия, однако. Металлы фактически поглощают значительную долю света, попадающего на их поверхность.

Часть энергии, улавливаемой, когда металл поглощает свет, превращается в тепловую энергию. (Вы можете легко Продемонстрируйте это, положив руку на поверхность автомобиля который провел несколько часов на солнце.) Остальная энергия переизлучается металлом как «отраженный» свет. Серебряный лучше любого другого металла в отражении света, и все же только 88% света, попадающего на поверхность серебряного зеркала, составляет переизлучен. Это поднимает важный вопрос: почему металлы поглощают свет, когда другие вещества, такие как стекло в окна машины, не так ли? Свет поглощается, когда энергия этого излучение равно энергии, необходимой для возбуждения электрона до возбужденное состояние с более высокой энергией или когда энергия может быть использована для перемещать электрон через твердое тело.Поскольку электроны делокализован в металлах и поэтому свободно перемещаться через твердые металлы легко впитывают свет. Другие твердые тела, например стекло, не имеют электроны, которые могут двигаться через твердое тело, поэтому они не могут поглощать свет, как металлы. Эти твердые вещества бесцветны и могут только быть окрашенным путем добавления примеси, в которой энергия, связанная при возбуждении электрона с одной орбитали на другую попадает в видимая часть спектра. Стекло обычно окрашивается добавление небольшого количества одного из переходных металлов.Кобальт дает синий цвет, хром делает стекло зеленым, а следы золота придают темно-красный цвет.

Почему металлы твердые? Неметаллы, такие как водород и кислород являются газами при комнатной температуре, потому что эти элементы может получить заполненную оболочку валентных электронов, разделив пары электронов с образованием относительно небольших молекул, таких как H 2 и O 2 , которые движутся достаточно быстро в комнате температура выхода из жидкости в газовую фазу.Металлы этого не могут. На металле недостаточно электронов атом, чтобы позволить ему заполнить свою валентную оболочку, разделяя пары электроны с одним или двумя ближайшими соседями. Единственный способ металл может получить эквивалент заполненной оболочки валентных электронов заключается в том, что эти электроны могут быть разделены между несколькими соседние атомы металла. Это возможно только при большом количестве атомы металлов находятся близко друг к другу, поэтому металлы твердые вещества при комнатной температуре.

Почему металлы податливы и пластичны? Большинство металлов упаковывать в объемно-центрированные кубические, гексагональные плотноупакованные или кубические структуры с плотнейшей упаковкой. Теоретически изменение формы металл - это просто приложение силы, которая заставляет атомы в одной из плоскостей скользят мимо атомов в соседней плоскости, как показано на рисунке ниже. На практике легче сделайте это, когда металл горячий.

Почему металлы являются хорошими проводниками тепла и электричество? Как мы уже видели, делокализация валентные электроны в металле позволяют твердому телу проводить электрический ток.Чтобы понять, почему металлы проводят тепло, вспомните эта температура является макроскопическим свойством, которое отражает кинетическая энергия отдельных атомов или молекул. Плотный упаковка атомов в металле означает, что кинетическая энергия может быть переносится от одного атома к другому быстро и эффективно.


Твердые решения и Интерметаллические соединения

Большинство растворов, с которыми работают химики, включают газ (например, HCl) или твердое вещество (например, NaCl), растворенное в жидкость (например, вода).Также возможно приготовление растворов в котором газ, жидкость или твердое вещество растворяются в твердом теле. В наиболее важным классом твердых растворов являются те, в которых один твердое вещество растворяется в другом. Два примера твердых растворов медь растворена в алюминии и углерод растворен в железе.

Растворимость одного твердого вещества в другом обычно зависит от температуры. При комнатной температуре, например, медь не растворяется в алюминии. Однако при 550C алюминий может формируют решения, содержащие до 5.6% меди по весу. Алюминий металл, который был пропитан медью при 550C, будет пытаться отвергать атомы меди, когда она остывает до комнатной температуры. В теории, раствор может отклонять атомы меди, образуя поликристаллическая структура, состоящая из мелких кристаллов более или менее чистый алюминий с вкраплениями мелких кристаллов меди металл. Вместо этого атомы меди соединяются с алюминием. атомов по мере охлаждения раствора с образованием интерметаллида с формулой CuAl 2 .

CuAl 2 - прекрасный пример разница между смесью (например, раствор меди растворенный в алюминии) и соединение. Решение может содержать различное количество меди и алюминия. Например, при 550 ° C раствор может содержать от 0 до 5,6% металлической меди по вес. Интерметаллид имеет фиксированный состав CuAl 2 всегда 49,5% алюминия по весу.

Интерметаллические соединения, такие как CuAl 2 являются ключом к процессу, известному как дисперсионное твердение .Металлические алюминиевые пакеты в кубической структуре плотнейшей упаковки, в которой одна плоскость атомов может проскользнуть мимо другой. В результате чистый металлический алюминий слишком слаб, чтобы его можно было использовать в качестве конструкционного металла в автомобили или самолеты. Дисперсионное упрочнение дает сплавы, которые в пять-шесть раз прочнее алюминия, и отличный конструкционный металл.

Первый этап дисперсионного твердения алюминий предполагает нагрев металла до 550С. Медь тогда добавляется до образования раствора, который гасят холодной водой.В раствор остывает так быстро, что атомы меди не могут собраться вместе для образования микрокристаллов металлической меди.

Сравнение монолитной стены с кирпичной имеет одно важное недостаток. Это наводит на мысль, что атомы не могут двигаться через металл. Это не совсем так. Распространение через металл может появиться, хотя и медленно. За период время, атомы меди могут двигаться через закаленный раствор с образованием микрокристаллы интерметаллида CuAl 2 , которые настолько малы, что их трудно увидеть в микроскоп.

Эти частицы CuAl 2 обе твердые и сильный. Так сильно они препятствуют течению металлического алюминия что их окружает. Эти микрокристаллы CuAl 2 укрепить алюминиевый металл, мешая плоскости пути атомы скользят мимо друг друга. В результате получается металл, который одновременно тверже и прочнее чистого алюминия.

Медь растворяется в алюминии при высокой температуре является примером раствора замещения , в котором медь атомы упаковываются в позиции, обычно занимаемые атомами алюминия.Есть еще один способ приготовления твердого раствора. Атомы одного элемента можно упаковать в отверстия, или пустот, , между атомами основного элемента, потому что даже самые эффективные кристаллические структуры используют только 74% доступного пространства в кристалл. В результате получилось межстраничное решение .

Сталь при высоких температурах является хорошим примером межстраничный раствор. Сталь образуется путем растворения углерода в железо. При очень высоких температурах железо упаковывается в кубический плотно упакованная структура, которая оставляет достаточно места для атомы углерода помещаются в отверстия между атомами железа.Ниже 910C, железо-металлические пакеты в объемно-центрированной кубической структуре, в отверстия слишком малы, чтобы удерживать атомы углерода.

Это имеет важные последствия для свойства стали. При температуре выше 910 ° С углерод легко растворяется в железе с образованием твердого раствора, содержащего столько же как 1% углерода по весу. Этот материал одновременно податлив и пластичный, и его можно раскатывать в тонкие листы или забивать различные формы. Когда этот раствор остынет ниже 910 ° C, утюг превращается в объемно-центрированную кубическую структуру, а атомы углерода отбраковываются из металла.Если раствору дать остыть постепенно атомы углерода мигрируют через металл, образуя соединение с формулой Fe 3 C, которое осаждает из раствора. Эти кристаллы Fe 3 C служат тому же роль в стали, которую кристаллы CuAl 2 играют в алюминии, они препятствуют потоку плоскостей атомов металлов и тем самым делают металл прочнее.


Отверстия в наиболее плотно упакованных и простые кубические структуры

Металлы - не единственные твердые частицы, которые упаковываются в простые кубический, объемно-центрированный кубический, гексагональный плотноупакованный и кубический плотноупакованные структуры.Использование большого количества ионных твердых веществ эти структуры тоже.

Хлорид натрия (NaCl) и сульфид цинка (ZnS), например, формировать кристаллы, которые можно представить себе как кубические плотно упакованные массивы отрицательных ионов (Cl - или S 2-), с положительными ионами (Na + или Zn 2+ ), упакованные в дырки между наиболее плотноупакованными плоскостями отрицательных ионов. Там это тонкое различие между этими структурами, однако, потому что ионы Na + в NaCl упаковываются в разные отверстия от тех, которые используются ионами Zn 2+ в ZnS.

Есть два вида отверстий в плотно упакованном состав. Так называемые тетраэдрические отверстия показаны на рисунок ниже. Сплошные линии на этом рисунке представляют одну плоскость. наиболее плотно упакованных атомов. Пунктирные линии обозначают второй плоскость атомов, которые упаковываются над отверстиями в первой плоскости. Каждое из отверстий, отмеченных цифрой t , касается трех атомов в первая плоскость и один атом во второй плоскости. Они называются тетраэдрические отверстия, потому что положительные ионы, которые упаковываются в эти отверстия окружены четырьмя отрицательными ионами, расположенными по углам тетраэдра.

октаэдрических отверстий в плотно упакованном структура показана на рисунке ниже. Еще раз твердый линии представляют одну плоскость наиболее плотно упакованных атомов, а штриховые линии соответствуют второй плоскости, которая набивается над отверстиями. в первом самолете. Каждое отверстие отмечено знаком o касается трех атомов в первой плоскости и трех атомов в второй самолет. Их называют октаэдрическими отверстиями, потому что положительные ионы, которые занимают эти дырки, окружены шестью отрицательными ионами расположены к углам октаэдра.

Тетраэдрические отверстия очень маленькие. Самый большой атом, который может поместиться в тетраэдрическое отверстие, не искажая тетраэдр имеет радиус всего 0,225 радиуса атомов которые образуют отверстие. Октаэдрические отверстия почти вдвое больше, чем четырехгранные отверстия. Самый большой атом, который может поместиться в октаэдрическая дыра имеет радиус 0,414 радиуса атомов которые образуют отверстие. Относительный размер атомов или ионов, которые образуют кристалл, поэтому определяет, будет ли тетраэдрический или используются октаэдрические отверстия.

Иногда положительные ионы слишком велики для упаковки тетраэдрические или октаэдрические отверстия в плотноупакованном структура отрицательных ионов. Когда это происходит, отрицательные ионы упаковывать в простую кубическую структуру, а положительные ионы - в кубических отверстия между плоскостями отрицательных ионов.


Правила соотношения радиусов

Обсуждение тетраэдрических, октаэдрических и кубических отверстий в предыдущем разделе предполагает, что структура ионного твердого тела зависит от относительного размера ионов, которые сформировать твердое тело.Относительный размер этих ионов определяется радиусом отношение , которое представляет собой радиус положительного иона, деленный на радиус отрицательного иона.

Связь между координационным числом положительных ионов в ионных твердых телах и отношение радиусов ионы приведены в таблице ниже. По мере увеличения отношения радиусов количество отрицательных ионов, которые могут упаковываться вокруг каждого положительного ион увеличивается. Когда коэффициент радиуса находится между 0.225 и 0,414, положительные ионы стремятся упаковываться в тетраэдрические отверстия между плоскостями отрицательные ионы в кубической или гексагональной плотноупакованной структуре. Когда отношение радиусов составляет от 0,414 до 0,732, положительное значение ионы стремятся упаковываться в октаэдрические отверстия между плоскостями отрицательных ионы в плотноупакованной структуре.

Правила соотношения радиусов

Радиус
Передаточное отношение
Координация
Номер
Отверстия, в которых
Пакет положительных ионов
0.225 - 0,414 4 четырехгранные отверстия
0,414 - 0,732 6 восьмигранные отверстия
0,732 - 1 8 кубических отверстий
1 12 Плотноупакованная структура

Из приведенной выше таблицы следует, что четырехгранные отверстия не используются, пока положительный ион не станет достаточно большим, чтобы коснуться всех четыре отрицательных иона, образующих это отверстие.Поскольку радиус увеличивается с 0,225 до 0,414, положительный ион искажает структура отрицательных ионов к структуре, которая пуристы могут описать его как плотно упакованный

Как только положительный ион станет достаточно большим, чтобы коснуться всех шести отрицательных ионов в октаэдрическом отверстии, положительный ионы начинают упаковываться в октаэдрические дырки. Эти отверстия используются пока положительный ион не станет настолько большим, что он не сможет поместиться даже в искаженное восьмигранное отверстие.

В конце концов точка достигнута при котором положительный ион больше не может вписываться ни в тетраэдрические или октаэдрические дырки в кристалле с плотной упаковкой. когда отношение радиусов составляет от 0,732 до 1, ионные твердые частицы имеют тенденцию кристаллизоваться в простой кубический массив отрицательных ионов с положительные ионы, занимающие некоторые или все кубические дырки между эти самолеты. Когда отношение радиусов составляет около 1, положительные ионы могут быть включены непосредственно в позиции плотноупакованная структура.

Практическая задача 1:

следующие соединения имеют аналогичные эмпирические формулы. Использовать правила отношения радиусов и таблица ионных радиусов в приложение, чтобы объяснить, почему у них разные конструкции.

(а) NaCl

(б) ZnS

(в) CsCl

Нажмите здесь, чтобы проверить свой ответ на практическую задачу 1

На структуру ионных твердых тел также влияют различия в количестве тетраэдрических и октаэдрических дырок в максимально плотно упакованной структуре.Столько же восьмигранных дыр, так как есть сферы, которые образуют наиболее плотно упакованные состав. Таким образом, если NaCl представляет собой соль 1: 1, в которой Na + ионы занимают октаэдрические дырки в плотноупакованном массиве Cl - ионов, все октаэдрические дырки в этой структуре должны быть заполнен.

Тетраэдрических отверстий в два раза больше. плотноупакованная структура. Ионы Zn 2+ в ZnS поэтому занимают только половину тетраэдрических отверстий в плотноупакованный массив ионов S 2-.

.

Вопросы металлургии: Структура металла

Когда вы думаете о расплавленном металле, имейте в виду пару моментов. Во-первых, тепло перетекает в холод - всегда. И это становится более понятным, если учесть, что теплые атомы движутся быстрее, чем холодные. И эти быстро движущиеся атомы натыкаются на другие атомы, заставляя их двигаться быстро.

Более того, чем теплее металл - или любой другой материал, тем быстрее движутся атомы, составляющие этот металл.Да, есть внутренние притяжения, которые помогают удерживать атомы в луже, не позволяя им просто испаряться, но факт в том, что если они будут двигаться достаточно быстро, то есть достаточно нагреются, они в конечном итоге испарятся, как водород и кислород. делать, когда вода закипает.

Когда тепловая энергия передается другой части, атомы отдают энергию, замедляясь и остывая. При испарении остается вода в виде пара.

Когда расплавленный металл охлаждается, атомные силы начинают притягивать или заставлять атомы превращаться в твердые частицы, называемые ядрами, которые принимают определенные и идентифицируемые кристаллические структуры.Поскольку ядра имеют кристаллическую структуру металла, к ядрам присоединяются дополнительные атомы. По мере того, как эти ядра становятся больше, они образуют зерна. Такое упорядоченное расположение атомов называется решеткой.

Но по мере того, как металл затвердевает и зерна растут, они растут независимо друг от друга, что означает, что в конечном итоге эти разные области растущих зерен должны встретиться. Когда они это делают, расположение атомов в зеренной структуре нарушается в этой точке встречи. Это называется границей зерен.Границы зерен образуют непрерывную сеть по всему металлу, и из-за нарушенной структуры на границе металл часто действует по-разному в местах границ.

Помимо границ зерен, каждое зерно в чистом металле имеет такую ​​же кристаллическую структуру, как и любое другое зерно, при той же температуре. Эта структура, которую можно идентифицировать под микроскопом, оказывает огромное влияние на характеристики металла.

Общие кристаллические структуры

Для наших целей все металлы и сплавы являются твердыми кристаллическими веществами, хотя некоторые металлы были сформированы в лаборатории без кристаллической структуры.И большинство металлов принимают одну из трех различных решетчатых или кристаллических структур по мере их образования: объемно-центрированную кубическую (ОЦК), гранецентрированную кубическую (ГЦК) или гексагональную плотноупакованную (ГЦП). Расположение атомов для каждой из этих структур показано на рис. 1 .

Рисунок 1
Три кристаллические структуры, которым отдают предпочтение металлы: (а) объемно-центрированная кубическая (ОЦК), (б) гранецентрированная кубическая (ГЦК) и (в) гексагональная плотноупакованная. (HCP).

Ряд металлов показан ниже с указанием их кристаллической структуры при комнатной температуре. И для справки: да, есть вещества без кристаллической структуры при комнатной температуре; например, стекло и силикон.

Алюминий - FCC
Хром - BCC
Медь - FCC
Железо (альфа) - FCC
Железо (гамма) - BCC
Железо (дельта) - BCC
Свинец - FCC
Никель - FCC
Серебро - FCC
Титан - HCP
Вольфрам - BCC
Цинк - HCP

Сплавы и атомное расположение

Все, что описано до сих пор, относится к чистым металлам, что вызывает вопрос: что происходит, когда вы добавляете сплав или два? В конце концов, наиболее распространенные металлы - это сплавы, содержащие остаточные и добавленные металлические и неметаллические элементы, растворенные в основном металле.

Конечно, эти добавленные элементы могут существенно повлиять на свойства получаемого сплава. Но то, как эти элементы растворяются, или, другими словами, как они соединяются с существующими атомами в кристаллической решетке исходного металла, также может сильно влиять как на физические, так и нефизические свойства конечного продукта.

В принципе, существует два способа соединения легирующего элемента (элементов), называемого растворенными веществами, с основным или исходным металлом, который также называют растворителем. Атомы сплава могут объединяться либо путем прямого замещения, создавая твердый раствор замещения, либо они могут объединяться между собой, образуя твердый раствор внедрения.

Замещающий твердый раствор. Когда атомы сплава похожи на атомы исходного металла, они просто заменяют некоторые из атомов исходного металла в решетке. Новый металл растворяется в основном металле с образованием твердого раствора. Примеры включают медь, растворенную в никеле, золото, растворенное в серебре, и углерод, растворенный в железе (феррит).

Промежуточный твердый раствор. Когда атомы сплава меньше, чем атомы исходного металла, они будут помещаться между атомами в решетке исходного металла.Атомы сплава не занимают узлы решетки и не заменяют ни один из исходных атомов. Конечно, это вызывает напряжение в кристаллической структуре, потому что соответствие не идеальное: есть атомы, занимающие пространство, которое изначально было незанятым.

Конечным результатом обычно является увеличение прочности на разрыв и уменьшение удлинения. Примеры включают небольшие количества меди, растворенной в алюминии и углероде, и азота, растворенного в железе и других металлах.

Фазы, микроструктуры и фазовые изменения

Часто ни прямой раствор, ни раствор внедрения не могут полностью растворить все добавленные атомы.И когда это происходит, результат - смешанные атомные группировки. Другими словами, в одном и том же сплаве существуют разные кристаллические структуры. Каждая из этих различных структур называется фазой, а сплав, который представляет собой смесь этих различных кристаллических структур, называется многофазным сплавом.

Эти различные фазы можно различить под микроскопом при полировке и травлении сплава. Перлит - хороший пример многофазного сплава из семейства углерод-железо.

Фазы, присутствующие в сплаве, наряду с общим расположением зерен и границами зерен, объединяются, чтобы сформировать микроструктуру сплава.И микроструктура сплава имеет решающее значение, поскольку в значительной степени отвечает как за физические, так и за механические свойства этого сплава.

Например, поскольку граничные области замерзают последними при охлаждении сплава, границы зерен содержат атомы с более низкой температурой плавления по сравнению с атомами внутри зерен. Эти инородные атомы вызывают искажение микроструктуры и упрочняют сплав при комнатной температуре. Но с повышением температуры прочность сплава снижается, потому что эти атомы с более низкой температурой плавления начинают плавиться раньше, позволяя проскальзывать между зернами.

Кроме того, посторонние атомы или атомы нестандартного размера имеют тенденцию скапливаться на границах зерен, поскольку атомная структура нерегулярна. Это может привести к образованию фаз, которые снижают пластичность и приводят к растрескиванию во время сварки.

Подумайте об этом: холодная обработка металла искажает всю его микроструктуру. Конечным результатом в большинстве случаев является то, что металл становится тверже. Атомы легирующего элемента искажают микроструктуру металла, и металл снова становится тверже. То же самое верно для атомов сплава, которые растворяются в основном металле, а затем выпадают в осадок.Атомы уходят, но искажение остается, и металл тверже.

Размер зерна также важен. Вообще говоря, мелкозернистые металлы обладают лучшими свойствами при комнатной температуре. А размер определяется скоростью охлаждения. Быстрое охлаждение приводит к уменьшению зерен, и наоборот. Но факт в том, что размер зерна, структура границ зерен и присутствующие фазы важны. В целом, эти характеристики в совокупности определяют возможности и полезность металла.

Короче говоря, общая микроструктура металла определяет его характеристики.Сегодня почти каждый металл, который мы используем, представляет собой сплав с одним или несколькими элементами, добавленными для модификации, корректировки, исправления или изменения микроструктуры основного металла, создавая многофазную систему, которая может лучше удовлетворить наши потребности. И каждый раз, когда мы прикладываем резак к металлу, мы вызываем фазовый переход и влияем на его микроструктуру.

Это должно дать вам общее представление о структуре металлов и о том, что происходит, когда мы плавим их, чтобы сварить вместе. В следующий раз мы рассмотрим фазовые превращения, содержание углерода, упрочнение, взаимосвязь между аустенитом и мартенситом и влияние сварки на металлургическую структуру.

.

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Некоторые химические элементы называются металлами . Они являются большинством элементов периодической таблицы. Эти элементы обычно обладают следующими свойствами:

  1. Они могут проводить электричество и тепло.
  2. Их легко сформировать.
  3. У них блестящий вид.
  4. Они имеют высокую температуру плавления.

Большинство металлов остаются твердыми при комнатной температуре, но это не обязательно.Ртуть жидкая. Сплавы - это смеси, в которых хотя бы одна часть смеси представляет собой металл. Примеры металлов: алюминий, медь, железо, олово, золото, свинец, серебро, титан, уран и цинк. Хорошо известные сплавы включают бронзу и сталь.

Изучение металлов называется металлургией.

Признаки сходства металлов (свойства металлов) [изменить | изменить источник]

Большинство металлов твердые, блестящие, они кажутся тяжелыми и плавятся только при очень высоких температурах.Куски металла издают звон колокольчика при ударе чего-то тяжелого (они звонкие). Тепло и электричество могут легко проходить через металл (он проводящий). Кусок металла можно разбить на тонкий лист (он ковкий) или растянуть на тонкую проволоку (он пластичный). Металл трудно разорвать (у него высокая прочность на разрыв) или разбить (у него высокая прочность на сжатие). Если надавить на длинный тонкий кусок металла, он согнется, а не сломается (он эластичный). За исключением цезия, меди и золота, металлы имеют нейтральный серебристый цвет.

Не все металлы обладают этими свойствами. Ртуть, например, жидкая при комнатной температуре, свинец очень мягкий, а тепло и электричество не проходят через железо так, как через медь.

Мост в России металлический, вероятно, железный или стальной.

Металлы очень полезны людям. Их используют для изготовления инструментов, потому что они могут быть прочными и легко поддающимися обработке. Из железа и стали строили мосты, здания или корабли.

Некоторые металлы используются для изготовления таких предметов, как монеты, потому что они твердые и не изнашиваются быстро.Например, медь (блестящая и красного цвета), алюминий (блестящая и белая), золото (желтая и блестящая), а также серебро и никель (также белые и блестящие).

Некоторые металлы, например сталь, можно делать острыми и оставаться острыми, поэтому их можно использовать для изготовления ножей, топоров или бритв.

Редкие металлы с высокой стоимостью, такие как золото, серебро и платина, часто используются для изготовления ювелирных изделий. Металлы также используются для изготовления крепежа и шурупов. Кастрюли, используемые для приготовления пищи, могут быть сделаны из меди, алюминия, стали или железа.Свинец очень тяжелый и плотный, и его можно использовать в качестве балласта на лодках, чтобы не допустить их опрокидывания или защитить людей от ионизирующего излучения.

Многие изделия, сделанные из металлов, на самом деле могут быть изготовлены из смесей по крайней мере одного металла с другими металлами или с неметаллами. Эти смеси называются сплавами. Некоторые распространенные сплавы:

Люди впервые начали делать вещи из металла более 9000 лет назад, когда они обнаружили, как получать медь из [] руды. Затем они научились делать более твердый сплав - бронзу, добавляя к ней олово.Около 3000 лет назад они открыли железо. Добавляя небольшое количество углерода в железо, они обнаружили, что из них можно получить особенно полезный сплав - сталь.

В химии металл - это слово, обозначающее группу химических элементов, обладающих определенными свойствами. Атомы металла легко теряют электрон и становятся положительными ионами или катионами. Таким образом, металлы не похожи на два других вида элементов - неметаллы и металлоиды. Большинство элементов периодической таблицы - металлы.

В периодической таблице мы можем провести зигзагообразную линию от элемента бора (символ B) до элемента полония (символ Po). Элементы, через которые проходит эта линия, - это металлоиды. Элементы, расположенные выше и справа от этой линии, являются неметаллами. Остальные элементы - это металлы.

Большинство свойств металлов обусловлено тем, что атомы в металле не очень крепко держатся за свои электроны. Каждый атом отделен от других тонким слоем валентных электронов.

Однако некоторые металлы отличаются. Примером может служить металлический натрий. Он мягкий, плавится при низкой температуре и настолько легкий, что плавает на воде. Однако людям не следует пробовать это, потому что еще одно свойство натрия состоит в том, что он взрывается при соприкосновении с водой.

Большинство металлов химически стабильны и не вступают в реакцию легко, но некоторые реагируют. Реактивными являются щелочные металлы, такие как натрий (символ Na) и щелочноземельные металлы, такие как кальций (символ Ca). Когда металлы действительно вступают в реакцию, они часто реагируют с кислородом.Оксиды металлов являются основными. Оксиды неметаллов кислые.

Соединения, в которых атомы металлов соединены с другими атомами, образуя молекулы, вероятно, являются наиболее распространенными веществами на Земле. Например, поваренная соль - это соединение натрия.

Кусок чистой меди, найденной как самородная медь

Считается, что использование металлов отличает людей от животных. До того, как стали использовать металлы, люди делали инструменты из камня, дерева и костей животных. Сейчас это называется каменным веком.

Никто не знает, когда был найден и использован первый металл. Вероятно, это была так называемая самородная медь, которую иногда находят большими кусками на земле. Люди научились делать из него медные инструменты и другие вещи, хотя для металла он довольно мягкий. Они научились плавке, чтобы получать медь из обычных руд. Когда медь плавили на огне, люди научились делать сплав под названием бронза, который намного тверже и прочнее меди. Из бронзы делали ножи и оружие.Это время в истории человечества примерно после 3300 г. до н.э. часто называют бронзовым веком, то есть временем бронзовых инструментов и оружия.

Примерно в 1200 году до нашей эры некоторые люди научились делать железные орудия труда и оружие. Они были даже тверже и прочнее бронзы, и это было преимуществом на войне. Время железных инструментов и оружия теперь называется железным веком. . Металлы были очень важны в истории человечества и цивилизации. Железо и сталь сыграли важную роль в создании машин. Золото и серебро использовались в качестве денег, чтобы люди могли торговать, то есть обмениваться товарами и услугами на большие расстояния.

В астрономии металл - это любой элемент, кроме водорода или гелия. Это потому, что эти два элемента (а иногда и литий) - единственные, которые образуются вне звезд. В небе спектрометр может видеть признаки металлов и показывать астроному металлы в звезде.

В организме человека некоторые металлы являются важными питательными веществами, такими как железо, кобальт и цинк. Некоторые металлы могут быть безвредными, например рутений, серебро и индий. Некоторые металлы могут быть токсичными в больших количествах. Другие металлы, такие как кадмий, ртуть и свинец, очень ядовиты.Источники отравления металлами включают горнодобывающую промышленность, хвостохранилища, промышленные отходы, сельскохозяйственные стоки, профессиональные воздействия, краски и обработанную древесину.

.

Введение в неорганическую химию / металлы и сплавы: структура, связь, электронные и магнитные свойства

Из Wikibooks, открытые книги для открытого мира

Перейти к навигации Перейти к поиску
Ищите Введение в неорганическую химию / металлы и сплавы: структура, связь, электронные и магнитные свойства в одном из родственных проектов Wikibooks: Викиучебник не имеет страницы с таким точным названием.

Другие причины, по которым это сообщение может отображаться:

  • Если страница была создана здесь недавно, она может еще не отображаться из-за задержки обновления базы данных; подождите несколько минут и попробуйте функцию очистки.
  • Заголовки в Викиучебниках чувствительны к регистру , за исключением первого символа; пожалуйста, проверьте альтернативные заглавные буквы и подумайте о добавлении перенаправления здесь к правильному заголовку.
  • Если страница была удалена, проверьте журнал удалений и просмотрите политику удаления.
.

Смотрите также