Металлы характеризуются упорядоченной кристаллической решеткой,
которая определяет их механические, электрические и тепловые свойства.
Наиболее распространенные типы кристаллических решеток включают:
- Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) — атомы
располагаются в вершинах куба и в центре ячейки. Примеры: железо (α-Fе),
хром, вольфрам. ОЦК обеспечивает высокую прочность, но ограничивает
пластичность.
- Граноцентрированная кубическая (ГЦК) — атомы в
вершинах куба и в центрах граней. Примеры: алюминий, медь, никель. ГЦК
характеризуется высокой пластичностью и хорошей проводимостью.
- Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) — атомы
образуют шестиугольные слои с плотной упаковкой. Примеры: магний, титан,
цинк. ГПУ обладает высокой прочностью при низкой пластичности.
Плотность упаковки атомов (коэффициент упаковки)
напрямую влияет на механические свойства металлов. Так, ГЦК и ГПУ имеют
более плотное расположение атомов по сравнению с ОЦК, что повышает их
сопротивление деформации и теплопроводность.
Дефекты кристаллической
решетки
Реальные металлы никогда не имеют идеальной решетки. Основные типы
дефектов включают:
- Точечные дефекты — вакансии (отсутствие атома в
узле решетки), междоузельные атомы (атома между узлами), замещающие
атомы (легирующие элементы). Влияние: изменения проводимости, твердости
и пластичности.
- Линейные дефекты (дислокации) — нарушенная
последовательность атомов вдоль линии в решетке. Дислокации обеспечивают
пластическую деформацию металлов при малых усилиях.
- Поверхностные дефекты — границы зерен, фазовые
интерфейсы. Они влияют на коррозионную стойкость, прочность и
механические свойства.
Контроль дефектов позволяет изменять свойства металлов
целенаправленно: повышение прочности через упрочнение дислокациями,
уменьшение твердости для улучшения обрабатываемости и т. д.
Металлы и
сплавы: термодинамика и фазовые равновесия
Поведение металлических систем описывается диаграммами состояния,
показывающими зависимости фаз от температуры и состава. Основные
концепции:
- Растворы твердые и жидкие — металлы могут
образовывать полные или частичные твердые растворы, что определяется
размером и химической совместимостью атомов.
- Интерметаллические соединения — соединения строго
определенного состава с кристаллической структурой, отличной от чистых
металлов. Они характеризуются высокой твердостью и низкой
пластичностью.
- Фазовые переходы — превращения α → β, γ → δ и
другие сопровождаются изменением структуры решетки и, как следствие,
механических и тепловых свойств.
Диаграммы состояния позволяют прогнозировать свойства сплавов,
оптимизировать термообработку и выбирать режимы легирования.
Механические свойства
металлов
Сопротивление деформации металлов определяется их структурой и
составом:
- Прочность — способность металла выдерживать
нагрузку без разрушения. Усиление достигается через легирование,
упрочнение холодной деформацией, термическую обработку.
- Пластичность — способность металла изменять форму
без разрушения. Важна для ковки, штамповки, прокатки.
- Твердость — сопротивление локальной деформации.
Измеряется методами Бринелля, Виккерса, Роквелла.
- Усталость — разрушение под многократными
циклическими нагрузками. Дефекты кристаллической решетки и границы зерен
снижают предел выносливости.
Коррозионная устойчивость
Металлы взаимодействуют с окружающей средой, что приводит к коррозии.
Типы коррозии:
- Химическая — взаимодействие с газами и жидкостями
без электрического тока.
- Электрохимическая — протекает с образованием
гальванических элементов; ускоряется присутствием электролитов.
Сплавы и легированные металлы могут иметь значительно повышенную
коррозионную стойкость благодаря пассивации поверхности и созданию
устойчивых оксидных пленок.
Современные сплавы и
методы легирования
Разработка новых материалов направлена на повышение прочности,
пластичности, коррозионной и термостойкости. Основные подходы:
- Легирование — добавление небольших количеств
элементов (Cr, Ni, Mo, Ti, Al) для изменения структуры решетки и
улучшения свойств.
- Многокомпонентные сплавы — высокоэнтропийные
сплавы, содержащие 5–6 элементов в равных пропорциях, демонстрируют
уникальное сочетание прочности и пластичности.
- Термообработка — отжиг, закалка, старение позволяют
контролировать размеры зерен, плотность дефектов и фазовый состав.
Контроль микроструктуры на уровне атомов и границ зерен является
ключевым фактором при создании высокоэффективных металлических
материалов.
Электронная структура
и свойства металлов
Электронная конфигурация атомов определяет электропроводность,
теплопроводность и оптические свойства:
- Металлы с неполными d- и f-подоболочками проявляют высокую прочность
и коррозионную стойкость.
- Концепция зонной теории объясняет поведение электронов в
металлической решетке и позволяет прогнозировать проводимость
сплавов.
- Связь электронного строения с механическими свойствами используется
для разработки сверхтвердых сплавов и специализированных конструкционных
материалов.
Эта взаимосвязь между кристаллической, дефектной и электронной
структурами формирует основу современных подходов к материаловедению и
химии новых металлов и сплавов.