5.3. Дефекты строения в металлах
Все реальные металлы имеют дефекты кристалли-ческого строения.
Дефекты – несовершенства атомно-кристаллической структуры, которые нарушают силы связи между атомами и оказывают решающую роль в формировании свойств ве-щества. Различают точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты.
Рис. 5.7. Точечные дефекты:
а – вакансии; б – дислоцированный атом
1. Точечные дефекты (рис. 5.7) являются малыми во всех трех измерениях и по размерам не превышают нескольких атомных диаметров. К ним относятся вакансии, дислоцированные атомы, атомы примеси.
2. Линейные дефекты – малы в двух направлениях, а в третьем значительно больше и могут быть соизмеримы с длиной кристалла: цепочки вакансий или ряд междоузельных атомов. Особым видом линейных дефектов являются дислокации.
Дислокация – это особая конфигурация в расположении атомов. По механизму образования различают краевые и винтовые дислокации.
Рис. 5.8. Схема краевой дислокации
Краевая дислокация представляет собой местное искажение кристаллической решетки, обусловленное наличием в ней лишней полуплоскости атомов, которую называют экстраплоскостью (рис. 5.8).
Винтовая линейная дислокация представляет собой прямую линию, вокруг которой атомные плоскости изогнуты по винтовой поверхности.
3. Поверхностные дефекты – имеют небольшую толщину при значительных размерах в двух других измерениях. Поверхностными дефектами являются границы зёрен (кристаллитов): так как в соседних зёрнах кристаллические решетки ориентированы по-разному, то на границах зёрен не может быть правильного расположения атомов.
4. Объемные дефекты – представляют собой поры, трещины и другие нарушения сплошности металла.
5.4. Физические и химические свойства металлов
К физическим свойствам металлов относится обширный перечень характеристик, совокупность которых позволяет отличать их друг от друга.
Прежде всего по цвету: все металлы и сплавы условно делятся на две большие группы - черные (железо, стали и чугуны), имеют серый цвет, и цветные (все остальные металлы и сплавы на их основе), окраска которых может быть красной, жёлтой, белой.
В зависимости от плотности металлы можно разделить на легкие (Al, Mg, Be) и тяжелые (Мо, Cu, Pb и др.).
Металлы отличаются и по температуре плавления: Mg, Al, Zn, Pb, Sn относятся к легкоплавким, а у Be, Mn, Fe (1539ºС), Co, Ni, Cu и, особенно, Мо температура плавления превышает 1000ºС.
Почти все металлы, кроме Mg и Zn имеют высокую температуру кипения.
Показатель теплопроводности для различных металлов может различаться в несколько раз: Mg, Al, Be, Zn, Мо и Cu обладают высокой тепловодностью. У Fe, Co, Ni, Sn этот показатель ниже.
В качестве характеристики электропроводности ис-пользуют удельное сопротивление: чем выше его значение, тем ниже способность металла проводить электрический ток.
Be, Mg, Al, Fe, Co, Ni, Zn, Мо, Sn и особенно Cu облада-ют высокой электропроводностью.
Магнитные свойства вещества можно оценивать различными показателями, но наиболее часто используется безразмерная величина, называемая магнитной восприим-чивостью. По магнитным свойствам вещества делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики (Fe, Co, Ni). У ферромагнетиков магнитная воприимчивость на несколько порядков выше, чем у других металлов, и сохраняется при на-гревании до определенной температуры, называемой точкой Кюри – для каждого металла она своя. Для Fe точка Кюри соответствует 768 ºС.
Химические свойства металлов характеризуют их способность взаимодействовать с различными средами, а также окисляться и растворяться в них. Так, например Al не взаимодейтсвует с разбавленной и концентрированной серной (Н2SO4) и азотной (HNO3) кислотами, но растворяется при их средних их концентрациях.
Поведение ряда металлов на воздухе и в кислороде зависит от содержания влаги, которая активизирует процессы окисления. Кроме того, характер поведения металлов в различных средах зависит от плотности образующихся на их поверхности оксидов. Например, Mg и Al в атмосфере сухого воздуха покрываются плотной пленкой оксида, благодаря чему их дальнейшее взаимодействие с кислородом становится невозможным. Анало-гично ведут себя Co и Ni в серной и азотной кислотах.
Некоторые металлы изменяют свое поведение в различных средах в зависимоти от температуры.
Комплекс физических и химических свойств учитывается при выборе металла для решения конкретных технических задач. Чистые металлы используются преимущественно в электро-технике. В машиностроении их используют очень редко из-за недостаточной прочности. Широкое применение на практике нашли металлические сплавы.