Всего на сайте:
282 тыс. 988 статей

Главная | Материаловедение

МЕТАЛЛИЧЕСКИИ ТИП СВЯЗИ И КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ  Просмотрен 43

Глава 1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

МЕТАЛЛИЧЕСКИИ ТИП СВЯЗИ И КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Атомы в твердых телах удерживаются прочными межатомными связями. Характер этих связей, их сила определяются электронным строением отдельных атомов, причем главную роль играют электроны, находящиеся на внешних оболочках, - валентные электроны.

Для электронной структуры атомов металлических элементов характерно малое число валентных электронов (1, 2, реже 3). Сила связи электронов с ядром пропорциональна их количеству. Поэтому валентные электроны атомов металлических элементов значительно слабее «привязаны» к ядру, чем в атомах неметаллов, В этом случае объединение отдельных атомов в твердом теле - металле - приводит к обобществлению валентных электронов, образованию электронного газа. Этот газ практически свободно перемещается между ионами, образовавшимися из нейтральных атомов вследствие «потери» ими валентных электронов.[1]

В такой модели металлический тип связи можно представить, как электростатическое взаимодействие между положительно заряженными ионами и электронным газом, имеющим отрицательный заряд. Следовательно, электронный газ играет роль «цементирующей» прослойки, связывающей между собой одноименно заряженные ионы.

Эти представления позволяют понять характерные для металлов высокие значения электро- и теплопроводности. Действительно, большое количество свободных электронов (примерно 1022 1/см3) обеспечивают эффективный перенос заряда и теплоты в металлах.

Металлический тип связи объясняет и свойственную металлам высокую пластичность. Поскольку атомы (ионы) в этом случае скрепляются нелокализованными свободными электронами, такая связь не имеет определенного направления (в отличие, например, от ковалентной связи), она сферически симметрична. Поэтому пластическое деформирование металла, приводящее к сдвигу атомов (ионов) относительно друг друга, не разрушает связи, не изменяет ее характер. Это и означает высокую пластичность металлов, их способность легко деформироваться в процессе обработки давлением (ковки, штамповки и т. п.).

Особенности металлической связи обусловливают и характер размещения атомов в металле - его кристаллическую структуру.

Понятно, что в коллективе электронов и одноименно заряженных ионов, помимо сил притяжения, действуют и силы отталкивания. Зависимости этих сил от расстояния между ионами различны. На малых расстояниях резко возрастают силы отталкивания (этим объясняется малая сжимаемость твердых тел), с увеличением расстояния они быстро убывают, становятся меньше сил притяжения. Устойчивое положение ионов достигается при некотором расстоянии r=r0 , где эти силы уравновешиваются и результирующая сила F=0.

Это значит, что существуют определенные предпочтительные расстояния между ионами r0, которые отвечают минимуму энергии их взаимодействия Е, т. е. ¶Еr=Fr=r0 =0 (рис.

1.1).

Из термодинамики известно, что условием стабильности любой системы является минимум ее энергии.

 

 

Рис. 1.1. Зависимость энергии взаимодействия E атомов (ионов) в кристалле от расстояния r между ними

 

В связи с этим атомы в металлах расположены строго упорядоченным образом, на определенных расстояниях друг от друга по различным направлениям. Центры атомов, соединенные системой параллельных линий в трех различных направлениях (х, у, z), образуют пространственную периодическую решетку (рис. 1.2). Видно, что закономерный порядок в расположении атомов в различных направлениях сохраняется на расстояниях, во много раз превышающих расстояния между соседними атомами. Такой порядок называется дальним, а тела, им обладающие, кристаллическими. Большинство материалов в твердом состоянии (металлы, диэлектрики, полупроводники) имеют кристаллическое строение. В отличие от них некристаллическим, аморфным телам присущ лишь ближний порядок, т. е. повторяемость взаимного расположения атомов только в пределах ближайшего окружения данного атома. Примерами некристаллических тел являются жидкости, расплавы, а в твердом состоянии -органические и неорганические стекла и получаемые в особых условиях (см. главу 2) аморфные металлы (металлические стекла).

 

Рис. 1.2. Пространственная периодическая (кристаллическая) решетка

 

Основное свойство кристаллических решеток - пространственная периодичность. Это означает, что всегда можно выбрать некий элементарный объем в решетке, многократное повторение которого в трех измерениях позволит воспроизвести решетку в целом. Такой минимальный объем, сохраняющий характерные признаки данной решетки, называется элементарной ячейкой и представляет собой в общем случае параллелепипед, построенный на трех векторах `а,`b,`с (рис. 1.2).

Тип кристаллической решетки определяется формой элементарной ячейки и характером расположения в ней атомов.

Количественно кристаллические решетки описываются следующими основными характеристиками:

1.

Период (или параметр) решетки - длина векторов, на которых построена элементарная ячейка, или, другими словами, расстояние между центрами соседних атомов, помещенных в узлах элементарной ячейки. Т. е. в общем случае (рис. 1.2) решетка характеризуется тремя параметрами (периодами) - скалярными величинами а, b, с.

Период (и тип) решетки определяется рентгеноструктурным анализом. Величина периода решетки металлических элементов составляет примерно 0,2...0,6 нм (1 нм =10-9 м =10-7 см =10 А).

Величины периодов решетки (а, b, с) и углов между векторами `а,`b,`с определяют форму элементарной ячейки и соответственно кристаллографическую систему кристалла. Так, если периоды решетки одинаковы и все углы равны 90°, кристалл будет принадлежать кубической системе, т. е. иметь кубическую решетку. Однако в пределах данной системы решетки могут различаться способами расположения в них атомов (см., например, разновидности кубических решеток на рис. 1.3 и 1.5). От характера размещения атомов зависит компактность решетки (плотность упаковки ее атомами).

 

Рис. 1.4. Определение координационного числа и относительной плотности упаковки в простой кубической решетке

 

 

Рис. 1.3. Элементарная ячейка простой кубической решетки (а) и схема упаковки атомов в ней (б)

Для оценки компактности решеток используют две следующие характеристики.

2. Координационное число К - число ближайших атомов, окружающих данный и находящихся от него на одинаковом расстоянии.

3. Относительная плотность упаковки q - отношение объема, занимаемого атомами в элементарной ячейке, к объему самой ячейки.

Для примера определим указанные характеристики в простой кубической решетке (такую решетку имеют, например, кристаллы каменной соли, NаСl).

Реальная упаковка атомов радиуса r показана на рис. 1.3. Период такой решётки - это ребро куба а=2r.

Для того чтобы определить значения K и q, т. е. оценить компактность решетки, нужно представить элементарную ячейку как один из кубиков пространственной периодической решетки (рис. 1.4). Легко видеть, что координационное число K в этом случае равно 6 (поэтому простая кубическая решетка в кристаллографии обозначается как K6).

Этот же рисунок поможёт определить и относительную плотность упаковки. По определению (см. выше)

где п - число целых атомов, приходящихся на одну ячейку.

Очевидно, что каждый из 8 атомов, находящихся в вершинах ячейки, принадлежит ей лишь 1/8 своей частью. Поэтому п=1/8´8=1. Тогда, учитывая, что а=2r, найдем величину q=0,52. Это значит, что простая кубическая решетка «заполнена веществом» примерно наполовину; 48 % ее объема приходится на межатомные пустоты. Такая решетка является «рыхлой».

Металлическим элементам свойственны плотноупакованные решетки с высокой степенью компактности, т. е. с большими значениями К и q. Это является следствием металлического типа связи.

Выше отмечалось, что такая связь, осуществляемая посредством газа свободных (валентных) электронов, является ненаправленной, сферически симметричной. Кроме того, поскольку валентные оболочки атомов в металлах не заполнены, металлическая связь характеризуется ненасыщенностью. В случае ковалентной связи п валентных электронов, обобществляемых соседними атомами, полностью (до 8) застраивают их внешние электронные оболочки. В этой ситуации каждый атом может быть окружен строго ограниченным числом соседей (К) в соответствии с правилом валентности К= 8-п.



Ненаправленность и ненасыщенность металлической связи приводят к тому, что атомы в металлах стремятся окружить себя максимально возможным числом соседей. Именно поэтому подавляющее большинство металлов кристаллизуется в трех типах решеток, которые характеризуются максимальными координационными числами и наиболее плотными упаковками. Это - объемноцентрированная (ОЦК), гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП) решетки. Их элементарные ячейки[2] и характеристики (они определяются подобно тому, как это делалось выше для простой кубической решетки) приведены на рис. 1.5. Отметим, что значения К=12 и q=74 % являются максимальными для упаковки частиц, представляющих собой упругие шары.


Рис. 1.5. Основные типы кристаллических решеток металлов.

ОЦК - объемноцентрированная кубическая;

ГЦК - гранецентрированная кубическая;

ГП - гексагональная плотноупакованная

Предыдущая статья:Классификация нейроглии. Следующая статья:Точечные дефекты
page speed (0.0461 sec, direct)