Что такое структура металла


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 стали. При резке малоуглеродистой стали структурные изменения, как правило, не оказывают существенного влияния на качество металла.  [10]

Структура мета

металлоконструкций

Точки плавления и кипения

Металлы имеют тенденцию к высоким температурам плавления и кипения из-за прочности металлической связи. Прочность связи варьируется от металла к металлу и зависит от числа электронов, которые каждый атом делокализует в море электронов, и от упаковки.

Металлы группы 1, такие как натрий и калий, имеют относительно низкие температуры плавления и кипения, главным образом потому, что каждый атом имеет только один электрон, вносящий вклад в связь, но есть и другие проблемы:

  • Элементы группы 1 также неэффективно упакованы (с 8 координатами), поэтому они не образуют столько связей, сколько большинство металлов.

  • У них относительно большие атомы (это означает, что ядра находятся на некотором расстоянии от делокализованных электронов), что также ослабляет связь.

 

Электропроводность

Металлы проводят электричество. Делокализованные электроны могут свободно перемещаться по структуре в трехмерном пространстве. Они могут пересекать границы зерен. Несмотря на то, что узор может быть нарушен на границе, пока атомы соприкасаются друг с другом, металлическая связь все еще присутствует.

Жидкие металлы также проводят электричество, показывая, что, хотя атомы металла могут свободно перемещаться, делокализация остается в силе до тех пор, пока металл не закипит.

 

Теплопроводность

Металлы - хорошие проводники тепла. Тепловая энергия улавливается электронами в качестве дополнительной кинетической энергии (это заставляет их двигаться быстрее). Энергия передается по всему остальному металлу движущимися электронами.

 

Прочность и работоспособность

Ковкость и пластичность

Металлы описываются как ковкий (можно разбивать на листы) и пластичный (можно вытягивать на проволоку).Это происходит из-за способности атомов перемещаться друг по другу в новые позиции без разрыва металлической связи.

Если приложить небольшое напряжение к металлу, слои атомов начнут катиться друг по другу. Если напряжение снова будет снято, они вернутся в исходное положение. В этих условиях металл считается эластичным на единиц.

Если приложить большее напряжение, атомы перекатываются друг на друга в новое положение, и металл навсегда изменяется.

Твердость металлов

Этому катанию слоев атомов друг на друга препятствуют границы зерен, потому что ряды атомов не выстраиваются должным образом. Отсюда следует, что чем больше имеется границ зерен (чем меньше отдельные кристаллические зерна), тем тверже становится металл.

В противоположность этому, поскольку границы зерен - это области, где атомы не находятся в таком хорошем контакте друг с другом, металлы имеют тенденцию к разрушению на границах зерен.Увеличение количества границ зерен не только делает металл тверже, но и делает его более хрупким.

Контроль размера кристаллических зерен

Если у вас чистый кусок металла, вы можете контролировать размер зерен с помощью термической обработки или обработки металла.

Нагрев металла имеет тенденцию приводить атомы в более правильное расположение - уменьшая количество границ зерен и тем самым делая металл более мягким.Если стучать по металлу в холодном состоянии, образуется много мелких зерен. Поэтому холодная обработка делает металл более твердым. Чтобы восстановить его работоспособность, вам необходимо повторно нагреть его.

Вы также можете нарушить регулярное расположение атомов, вставив в структуру атомы немного другого размера. Сплавы , такие как латунь (смесь меди и цинка), тверже, чем исходные металлы, поскольку неоднородность структуры помогает предотвратить скольжение рядов атомов друг по другу.

.

Первичные металлические кристаллические структуры

Первичные металлические кристаллические структуры
(BCC, FCC, HCP)

Как указывалось на предыдущей странице, в природе существует 14 различных типов структур кристаллических элементарных ячеек или решеток. Однако большинство металлов и многие другие твердые тела имеют структуры элементарных ячеек, описываемые как кубический центр тела (ОЦК), гранецентрированный кубический (ГЦК) или гексагональный плотноупакованный (ГПУ). Поскольку эти конструкции наиболее распространены, о них будет рассказано более подробно.

Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) структура
Объемно-центрированная кубическая элементарная ячейка имеет атомы в каждом из восьми углов куба (как и кубическая элементарная ячейка) плюс один атом в центре куба (левое изображение ниже). Каждый из угловых атомов является углом другого куба, поэтому угловые атомы разделяются между восемью элементарными ячейками. Считается, что она имеет координационное число 8. Элементарная ОЦК-ячейка состоит всего из двух атомов; один в центре и восемь восьмых от углов атомов, как показано на среднем изображении ниже (среднее изображение ниже).На изображении ниже выделена элементарная ячейка в большей части решетки.

Расположение ОЦК не позволяет атомам упаковываться вместе так же тесно, как расположение ГЦК или ГПУ. ОЦК-структура часто представляет собой высокотемпературную форму металлов, которые плотно упакованы при более низких температурах. Объем атомов в ячейке от общего объема ячейки называется коэффициентом упаковки . Элементарная ячейка с ОЦК имеет коэффициент упаковки 0,68.

Некоторые из материалов со структурой ОЦК включают литий, натрий, калий, хром, барий, ванадий, альфа-железо и вольфрам.Металлы с ОЦК-структурой обычно тверже и менее пластичны, чем плотноупакованные металлы, такие как золото. При деформации металла плоскости атомов должны скользить друг по другу, а это сложнее в ОЦК-структуре. Следует отметить, что существуют другие важные механизмы упрочнения материалов, такие как появление примесей или дефектов, затрудняющих скольжение. Эти механизмы упрочнения будут рассмотрены позже.

Гранецентрированная кубическая структура (FCC)
Гранецентрированная кубическая структура имеет атомы, расположенные в каждом из углов и в центре всех кубических граней (левое изображение ниже).Каждый из угловых атомов является углом другого куба, поэтому угловые атомы разделяются между восемью элементарными ячейками. Кроме того, каждый из его шести атомов с центрированной гранью является общим с соседним атомом. Поскольку 12 его атомов являются общими, считается, что оно имеет координационное число 12. Элементарная ячейка с ГЦК состоит всего из четырех атомов; восемь восьмых от угловых атомов и шесть половинок лицевых атомов, как показано на среднем изображении выше. На изображении ниже выделена элементарная ячейка в большей части решетки.



В структуре ГЦК (и структуре ГПУ) атомы могут упаковываться ближе друг к другу, чем в структуре ОЦК. Атомы из одного слоя гнездятся в пустом пространстве между атомами соседнего слоя. Чтобы изобразить упаковку, представьте коробку, заполненную слоем шариков, выровненных по столбцам и рядам. Когда несколько дополнительных шаров брошены в коробку, они не будут балансировать непосредственно поверх шаров в первом слое, а вместо этого остановятся в лунке, созданной между четырьмя шарами нижнего слоя.По мере добавления шаров они будут складываться вместе, чтобы заполнить все карманы. Фактор упаковки (объем атомов в ячейке от общего объема ячейки) составляет 0,74 для ГЦК кристаллов. Некоторые из металлов, имеющих структуру ГЦК, включают алюминий, медь, золото, иридий, свинец, никель, платину и серебро.

Гексагональная плотноупакованная структура (HCP)
Другой распространенной плотноупакованной структурой является шестиугольная плотноупакованная структура. Гексагональная структура чередующихся слоев смещена так, что ее атомы выровнены по зазорам предыдущего слоя.Атомы из одного слоя гнездятся в пустом пространстве между атомами соседнего слоя, как и в ГЦК-структуре. Однако вместо кубической структуры узор имеет шестиугольную форму. (См. Изображение ниже.) Разница между структурами HCP и FCC обсуждается позже в этом разделе.

ГПУ-структура состоит из трех слоев атомов. В каждом верхнем и нижнем слое есть шесть атомов, которые образуют форму шестиугольника, и седьмой атом, который находится в середине шестиугольника.В среднем слое расположены три атома, расположенные в треугольных «канавках» верхней и нижней плоскости. Обратите внимание, что существует шесть таких «канавок», окружающих каждый атом в гексагональной плоскости, но только три из них могут быть заполнены атомами.

Как показано на среднем изображении выше, в элементарной ячейке ГПУ шесть атомов. Каждый из 12 атомов в углах верхнего и нижнего слоев вносит 1/6 атома в элементарную ячейку, два атома в центре шестиугольника верхнего и нижнего слоев каждый вносят ½ атома и каждый из трех атомов в средний слой вносят 1 атом.Изображение справа выше пытается показать несколько элементарных ячеек ГПУ в большей решетке.

Координационное число атомов в этой структуре равно 12. В одном и том же плотноупакованном слое есть шесть ближайших соседей, три в слое выше и три в слое ниже. Фактор упаковки составляет 0,74, что соответствует элементарной ячейке с ГЦК-ячейкой. Структура ГПУ очень характерна для элементарных металлов, и некоторые примеры включают бериллий, кадмий, магний, титан, цинк и цирконий.

.

Вопросы металлургии: Структура металла

Когда вы думаете о расплавленном металле, помните о нескольких моментах. 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, если на то пошло, 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. Когда 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 различные 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.

Если не считать 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: (a) объемно-центрированная кубическая (BCC), (b) гранецентрированная кубическая (FCC) и (c) 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 было 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 сильно 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.

По сути, существует два способа соединения легирующего элемента (элементов), называемого растворенными веществами, с основным или исходным металлом, который также называется 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 заменят 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, когда сплав охлаждается, границы зерен содержат атомы с более низкой точкой 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, потому что 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 и 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.

.

металла | Определение, характеристики, типы и факты

Металл , любой из класса веществ, характеризующихся высокой электрической и теплопроводностью, а также пластичностью, пластичностью и высокой отражательной способностью света.

слиток золота

слиток металлического золота.

© Jupiterimages Corporation

Британская викторина

Металлы: факт или вымысел?

Калий - один из самых твердых металлов.

Примерно три четверти всех известных химических элементов - металлы. Наиболее распространенными разновидностями в земной коре являются алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний. Подавляющее большинство металлов находится в рудах (минеральных веществах), но некоторые из них, такие как медь, золото, платина и серебро, часто встречаются в свободном состоянии, потому что они не вступают в реакцию с другими элементами.

Металлы обычно представляют собой твердые кристаллические вещества. В большинстве случаев они имеют относительно простую кристаллическую структуру, отличающуюся плотной упаковкой атомов и высокой степенью симметрии.Обычно атомы металлов содержат менее половины полного набора электронов в своей внешней оболочке. Из-за этой характеристики металлы не склонны образовывать соединения друг с другом. Однако они легче соединяются с неметаллами (например, кислородом и серой), которые обычно имеют более половины максимального количества валентных электронов. Металлы сильно различаются по своей химической активности. Наиболее реакционноспособными являются литий, калий и радий, тогда как низкоактивными являются золото, серебро, палладий и платина.

Высокую электрическую и теплопроводность простых металлов (т.е. непереходных металлов периодической таблицы) лучше всего объяснить с помощью теории свободных электронов. Согласно этой концепции, отдельные атомы в таких металлах потеряли свои валентные электроны в твердом теле, и эти свободные электроны, которые вызывают проводимость, перемещаются как группа по всему твердому телу. В случае более сложных металлов (то есть переходных элементов) проводимость лучше объясняется зонной теорией, которая учитывает не только наличие свободных электронов, но и их взаимодействие с так называемыми d электронами.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня

Механические свойства металлов, такие как твердость, способность противостоять повторяющимся нагрузкам (усталостная прочность), пластичность и пластичность, часто приписывают дефектам или несовершенствам их кристаллической структуры. Например, отсутствие слоя атомов в его плотно упакованной структуре позволяет металлу пластически деформироваться и предотвращает его хрупкость.

.

Смотрите также