РОЗДІЛ І
БУДОВА І ВЛАСТИВОСТІ ЧИСТИХ МЕТАЛІВ
§ 1. Кристалічна будова металів
1. Різновиди існування твердих тіл
Кристалічні гратки металів.
Усі метали у твердому агрегатному стані мають кристалічну будову. Розташування атомів (іонів) у кристалічній речовині звичайно зображають у вигляді елементарної решітки (комірки)—найменшого комплексу атомів, багаторазове повторення якого відображає розташування атомів в об'ємі речовини.
Найхарактернішими для металів є три типи кристалічних граток (рис. 1): об'ємноцентрована кубічна (о. ц. к.), гранецентрована кубічна (г. ц. к.) і гексагональна щільноупакована (г. щ. у.). У системі о. ц. к. (рис. 1, а) кристалізуються, наприклад, W, Сг, Мо; у системі г. ц. к. (рис. 1, б) — Аl, Cu, Ni; у системі г. щ. у. (рис. 1, в) — Zn, Be, Cd.
Розмiри просторової гратки характеризують величинами перiодiв iдентичностi (cкорочено перiодами гратки) а — найкоротшими вiддалями мiж вузлами гратки. В просторових гратках pозрiзняють також мiжплощиннi вiддалi, величини яких залежать вiд вибору площин у кристалі.
Iншими параметрами, якi застосовують при аналiзi кристалiчних структур, є атомний радiус, координацiйне число, щiльнiсть пакування.
Атомний радiус вимiрюють половиною вiддалi мiж найближчими сусiднiми атомами в гратцi. Наприклад, у випадку кубiчної примiтивної гратки та гексагональної щільної атомний радiус дорiвнює а/2, а для гранецентрованої та об'ємноцентрованої кубічних відповідно та .
За координацiйне число приймають число найближчих сусiднiх атомiв. Наприклад, в об'ємноцентрованiй кубiчнiй гратцi атом, що перебуває в центрi куба, оточений вiсьмома атомами, якi знаходяться на вiдстанi .
Для пояснення розташування атомів у гратці використовують уявлення, за яким атоми у ній розмiщуються як жорсткi кулi. У такiй моделi щiльнiсть пакування визначають відношенням об'єму атомiв, якi припадають на одну елементарну комiрку, до об'єму всiєї гратки. Щiльнiсть пакування визначають у відсотках. Для щільних граток гранецентрованої кубічної та гексагональної щільність пакування дорівнює 74 %, у той час як для об'ємноцентрованої кубiчної — 68 %.
Періоди кристалічних граток дуже малі, тому їх вимірюють в нанометрах (нм) (1 нм = 10–9 м). Період гратки хрому, наприклад, становить 0,2878 нм, алюмінію — 0,4041 нм. Отже, у гратках металу на 1 см довжини розташовано десятки мільйонів атомів.


Рис. 1. Елементарні кристалічні гратки металів.
2. Анізотропія властивостей кристалів. У різних кристалографічних площинах, проведених через центри атомів у кристалічних гратках, число атомів і відстані між ними неоднакові.
Наприклад, у площині, проведеній через основу гексагональної гратки (рис. 1, в), розташовано 7, а в площині її бічної грані— 4 атоми. У зв'язку з цим властивості монокристалів (одиничних кристалів у вигляді геометрично правильної фігури багатогранника) у різних напрямах неоднакові. Таке явище називається анізотропією.
Виявляється анізотропія в неоднаковості електричного опору монокристала і швидкостей розчинення в хімічних реактивах, у відмінності механічних властивостей. Наприклад, міцність зразків, вирізаних у різних напрямах з монокристала міді, відрізняється приблизно в 3 рази, а пластичність — більш як у 5 раз; монокристали кобальту здатні намагнічуватися в одних напрямах у 3 рази інтенсивніше, ніж у інших. Реальні метали є тілами полікристалічними, тобто складаються з багатьох по різному орієнтованих у просторі кристалів (зерен). Тому властивості таких металів у будь–якому напрямі усереднені, однакові. Проте коли обробка металів сприяє переважному орієнтуванню окремих кристалів (наприклад, при прокатуванні, куванні), полікристалічні метали стають також анізотропними. Так, міцність холоднокатаних зразків, вирізаних у напрямі впоперек прокатування, вища за міцність зразків, вирізаних уздовж прокатування; температурний коефіцієнт лінійного розширення листа з цинку може відрізнятися в 1,5—2,0 рази залежно від напряму прокатування.
Тіла, в яких окремі кристали (точніше, кристалічні гратки) переважно орієнтовані в деяких напрямах, називаються текстурованими. Штучне текстурування є одним із способів виготовлення матеріалів з високими властивостями. Наприклад, текстурування електротехнічної сталі дає змогу підвищити її магнітну проникність у деяких напрямах до 30 раз.
3. Поліморфізм металів. У деяких металів (Fe, Sn, Ті та ін.) при зміні температури відбувається перебудова атомів у просторі, тобто змінюється форма кристалічної гратки. Існування тієї самої речовини в різних кристалічних формах (модифікаціях) називають поліморфізмом, а перехід з однієї модифікації в іншу — поліморфним перетворенням.
Поліморфні перетворення (як і перехід з твердого в рідкий стан і навпаки, втрата магнітних властивостей та деякі інші явища) супроводяться тепловим ефектом — виділенням або поглинанням тепла. Тому виявити їх можна за температурними зупинками — критичними точками (див. рис. 7, 10) — при побудові кривих нагрівання (охолодження).
Окремі поліморфні модифікації позначають буквами грецької абетки: (, (, (, (, тощо, які додають до назв металів, наприклад: (–залізо, (–олово, або до їх символів: Fe(, Sn(. При цьому буквою ( позначають модифікацію, яка існує при температурі, нижчій за температуру першого поліморфного перетворення.
При поліморфних перетвореннях змінюється не тільки будова кристалічної гратки металу, а й його властивості — об'єм, пластичність, здатність розчиняти в собі різні домішки та ін. Так, пластичне «біле» олово є його високотемпературною ((–модифікацією, тоді як температурі, нижчій за 18°С, являє собою крихкий порошок і належить навіть не до металів, а до напівпровідників.
Плутоній утворює шість різноманітних кристалічних форм. Дві з них відзначаються аномальними властивостями: від'ємним температурним коефіцієнтом лінійного розширення (із зростанням температури метал не розширюється, а стискається), а при найбільш високотемпературному поліморфному перетворенні густина плутонію змінюється з 17,7 до 19,8 г/см3.
Поліморфізм металів має велике практичне значення, оскільки він багато в чому визначає поводження і властивості металів при механічній і термічній обробках, легуванні й роботі в умовах низьких та високих температур.
4. Дефекти кристалічної будови металів. Описана вище кристалічна будова металів є ідеальною. Насправді ж вона має багато дефектів — точкових, лінійних і поверхневих.


Рис. 2. Точкові і лінійний дефекти кристалічної будови металів.
Точкові дефекти (рис. 2, а) характеризуються малими розмірами в усіх трьох вимірах. До таких дефектів належать вакансії 1 — вільні вузли в кристалічній решітці, зміщені в простір між вузлами атоми 2 і атоми 3 домішок. Лінійні дефекти відзначаються малими розмірами в двох вимірах і значним — у третьому. Такі дефекти називають дислокаціями. На рис. 2, б подано так звану крайову дислокацію 4, яка являє собою край «зайвої» кристалографічної півплощини. При іншому характері зміщення атомів може утворитися складніша дислокація — гвинтова.
Поверхневі дефекти характеризуються малим розміром тільки в одному напрямі. Вони утворюються, наприклад, по границях зерен металу.
Наявність дефектів у будові гратки веде до значної зміни властивостей металу. Відомо, наприклад, що мала міцність металів зумовлюється, головним чином, легкою рухливістю дислокацій. Звідси випливає, що підвищення міцності металів можна досягти або ліквідацією дислокацій, або підвищенням опору їх переміщенню.
Останнім часом були виготовлені практично бездислокаційні зразки металів у вигляді ниткоподібних кристалів — «вусів» довжиною до 10 мм і діаметром 2—10 мкм майже теоретичної міцності: залізних — 13000 МН/м2 (1300 кГ/мм2); мідних —близько 8000 МН/м2 (800 кГ/мм2); цинкових — 2250 МН/м2 (225 кГ/мм2). Міцність цих самих металів, виготовлених традиційними технологічними процесами, становить відповідно 300; 250 і 180 МН/м2 (30; 25 і 18 кГ/мм2).
Взаємодія дислокацій між собою або з іншими дефектами кристалічної будови утруднює їх переміщення і тим самим зміцнює метал. Тому при певній кількості дефекти вже не ослабляють метал, а навпаки — утруднюють процес деформування, підвищують його міцність. Це відбувається, наприклад, при обробці металів тиском, куванням, коли кількість дефектів у них зростає з 104—106 до 1010—1012 см–2.
§ 2. Кристалізація металів і будова злитка
1. Кристалізацією називають процес переходу металу з рідкого у твердий стан, коли в металі формується кристалічна гратка. При цьому метал переходить у термодинамічне стійкий стан з меншим запасом вільної енергії* F. При температурі Тпл (рис. 3) вільна енергія металу в твердому Fтв, і рідкому Fp станах однакова. Нижче цієї температури менший запас вільної енергії має твердий метал, тому тут він стійкіший від рідкого; при температурі, вищій за Тпл, — навпаки. Отже, процес кристалізац