СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ РЕШЁТКИ

Все металлы — вещества кристаллические. Что же та­кое кристаллы?

Слово «кристаллос» у древних греков обозначало лёд. Впоследствии этим словом стали называть все твёрдые тела, имеющие естественную строго определён­ную геометрическую форму. Кристаллы весь­ма распространены в природе. Подавляющее большинство твёрдых тел имеет кристаллическое строение.

Железо при затвердевании образует кристаллы в виде кубиков. Но на рисунке 4 мы видим кристаллы железа неправильной формы, кристаллиты, имеющие вид зёрен. Почему это происходит? Как растут кристаллы?

Ответ на эти вопросы впервые дал Д. К. Чернов. Впо­следствии справедливость его взглядов была подтвержде­на работами многих советских учёных.

В расплавленный металл неизбежно попадают пы­линки, пузырьки воздуха и другие посторонние включе­ния. Как правило, именно вокруг этих мельчайших части­чек начинают группироваться беспорядочно расположен­ные в остывающем металле атомы. Кроме того, центрами кристаллизации служат и комплексы атомов, самопро­извольно возникающие в охлаждаемом металле. Так об­разуются зародыши будущих кристаллов (рис. 5, а). По мере охлаждения металла количество зародышей уве­личивается. Каждый зародыш вырастает в отдельный кри - сталик (рис. 5, б). Растущие кристаллы в определённый момент начинают теснить друг друга (рис. 5, в), и их правильная форма искажается. Нарушению формы кри­сталлов способствует и неодинаковая температура в раз­личных местах остывающего металла. Поэтому в расплаве и возникают зёрна (рис. 5, г) и древовидные образования из сросшихся друг с другом отдельных мелких кркстали - ков — дендриты. Кристаллические зёрна и дендриты в застывшем металле могут быть различной формы и ве­

Личины. Они отделены друг от друга отдельными прослой­ками, которые отчётливо видны под микроскопом (см. рис. 4). Эти прослойки состоят из различных неметал­лических включений, которые всегда присутствуют в ме­талле.

Получить металл, который состоял бы только из одного кристалла — монокристалла, в обычных условиях

Не удаётся. Объясняется это тем, что в расплаве одновре­менно зарождается множество кристаллов. Однако для изучения некоторых свойств металлов, как мы увидим дальше, необходимо бывает иметь монокристалл, и в на­стоящее время разработаны способы искусственного вы­ращивания монокристаллов (осторожное охлаждение расплава и другие способы).

И в зёрнах, и в дендритах, и в монокристалле одного и того же металла атомы располагаются в строго опреде­лённом порядке; они образуют ту или другую про­странственную решётку.

Атомы нельзя увидеть ни в какой микроскоп. Однако, освещая кристалл рентгеновскими лучами и изу­чая рентгенограмму, то-есть картину, которая со­здаётся этими лучами после прохождения их через кри­сталл на фотопластинке, удаётся глубоко заглянуть в мир кристаллов. Удаётся узнать, как расположены в кристаллической решётке различные атомы и каковы расстояния между этими мельчайшими частицами вещества, частицами, которых мы не можем видеть.

Рентгеновские исследования показали, что среди ме­таллов чаще всего встречаются три типа пространствен­ных решёток.

Первый тип — кубическая объёмноцентри - рованная решётка. Атомы в такой решётке нахо­дятся в вершинах и в центре куба (поэтому - то решётка и называется объёмноцентрированной). Каж­дый атом окружён восемью ближайшими соседними атомами (рис. 6, а). Такую решётку имеют литий, хром, ванадий, молибден, вольфрам.

Второй тип решётки — кубическая гранецен- трированная (рис. 6, б). Атомы расположены п о вершинам и центрам граней куба. Такой решёткой обладают, например, алюминий, медь, свинец, никель, золото, серебро, платина.

Третий тип — гексагональная (шестиугольная) плотно упакованная решётка (рис. 6, в). Она встречается у магния, цинка, кадмия, бериллия.

Марганец, висмут, белое олово и некоторые другие ме­таллы имеют более сложные решётки.

Изучая рентгенограммы различных кристаллов, учёные пришли к убеждению, что атомы «упаковываются» в про­странстве примерно таким же образом, каким можно упа­ковывать твёрдые шары. Поэтому на рисунке 6 атомы ус­ловно изображены в виде шариков (расстояния между ними в левой части рисунка заведомо увеличены, чтобы яснее представить строение кристаллической решётки).

И в кубической гранецентрированной, и в гексагональ­ной решётке каждый атдм металла окружён двенадцатью ближайшими соседними атомами. Чем больше соседей у атома в кристаллической решётке, тем больше места в ре­шётке занято самими атомами. Наиболее плотная «упаков­ка» атомов — в гранецентрированной и гексагональной ре­шётках. Здесь атомам принадлежит 74% пространства, занимаемого кристаллами. В кубической объёмноцен­трированной решётке атомы занимают только 68% пространства.

Нужно сказать, что в металлических кристаллах нет нейтральных атомов; пространственные решётки соста­влены из положительно заряженных атомов, из ионов.

Каждый атом металла всегда теряет одну или несколько частиц отрицательного электричества — электронов, и становится ионом. Ионы закреплены в «узлах» простран­ственной решётки — вершинах и центре куба, в центрах граней и т. д., в зависимости от типа решётки. Электроны же беспорядочно блуждают между ионами.

Природа кристаллической решётки и расположение в ней атомов оказывают большое влияние на многие свой­ства веществ. Об этом мы ещё будем говорить подробно, а сейчас познакомимся с одной интересной особенностью кристаллов, которая называется «анизотропией» и объяс­няется их строением. Слово «анизотропия» по-гречески означает «неравное свойство». Анизотропия — это неод­нородность свойств кристалла в разных направлениях.

По одним направлениям кри­сталлы разрушаются легче, чем по другим. Если растягивать монокри­сталл меди перпендикуляр­но грани куба, то для того, чтобы его разорвать, требуется напряжение, равное 14,6 кг! мм2 (килограмма на квадратный мил­лиметр); если же растягивать из­готовленный из того же монокри-

Рис. 7. Прочность кристалла Рис. 8. Стекло проводит тепло оди - меди в разных направлениях наково быстро во всех направлениях.

Различна. Олово проводит тепло в одних на­

Правлениях хуже, чем в других.

Сталла образец по диагонали куба, то для разрыва требуется напряжение, равное уже 35 кг/мм2 (рис. 7). Это показывает, что кристаллы меди в одном направлении обладают более высокой прочностью, чем в другом.

Неодинакова по разным направлениям и теплопровод­ность кристаллов. В этом убеждает нас такой опыт (рис. 8). Возьмём кристалл белого олова и для сравне­ния — кубик, вырезанный из стекла (стекло представ­ляет собой изотропный материал — его свойства оди­наковы по всем направлениям). Покроем их грани парафи­ном, а затем поднесём к ним горячую иглу. Расплавленный
слой парафина на стекле будет иметь форму круга, а на олове — овальную форму. Это значит, что олово по одним направлениям проводит тепло хуже, чем по другим, а стекло — по всем направлениям одинаково [48]).