Металлическая кристаллическая решетка что такое: Металлические кристаллические решетки

Металлическая кристаллическая решетка что такое: Металлические кристаллические решетки – материалы презнетации

alexxlab | 15.03.1974 | 0 | Разное

Содержание

Металлическая кристаллическая решетка – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Металлическая кристаллическая решетка

Cтраница 1

Металлическая кристаллическая решетка присуща элементарным металлам, а также соединениям металлов друг с другом. Такие свойства металлических кристаллов, как летучесть, механическая прочность, температура плавления, сильно колеблются. Однако некоторые физические свойства исключительно характерны для кристаллов металлического типа ( см. гл. [1]

Металлические кристаллические решетки характеризуются наличием в их узлах положительно заряженных ионов металла. [2]

Металлическая кристаллическая решетка характеризуется наличием ионов, расположенных в ее узлах, и свободных электронов. Часть свободных электронов удерживается электрическим полем ионов, часть, так называемые электроны проводимости, непосредственно участвует в создании электрического тока. Однако при направленном движении под влиянием электрического поля электроны проводимости испытывают взаимодействие с ионами кристаллической решетки, которые находятся в состоянии теплового колебательного движения. После каждого такого взаимодействия направление движения и скорость электрона меняются. Такой процесс обмена энергией идет непрерывно и требует для ускорения электронов после каждого акта столкновения постоянной затраты энергии извне. [3]

Металлические кристаллические решетки представляют собой узлы из положительно заряженных ионов, между которыми движутся свободные электроны. Совокупность движущихся свободных электронов называется электронным газом. Он обеспечивает хорошую тепло – и электропроводность металлов. Полупроводники ( закись меди, германий и др.) обладают своеобразными свойствами ( см. § 14 гл. Они подобны кристаллам с гомеополярными связями. [5]

Металлическая кристаллическая решетка состоит из катионов металла, между которыми относительно свободно перемещаются валентные электроны. [7]

Внутри металлической кристаллической решетки колеблются положительные ионы, а между ними двигаются во всех направлениях свободные электроны. Несмотря на то, что эти электроны называются свободными, в действительности они только полусвободны, потому что могут беспрепятственно двигаться только в рамках данной кристаллической решетки. [8]

Веществам с металлической связью присущи металлические кристаллические решетки. Электроны электростатически притягивают катионы, обеспечивая стабильность решетки. [10]

В твердом состоянии металлы образуют металлические кристаллические решетки

. Они рассматриваются в главе о металлах. [12]

В твердом состоянии металлы образуют металлические кристаллические решетки. Они рассматриваются в главе о металлах. [14]

Страницы: 1 2 3

Положение металлов в периодической системе. Металлическая кристаллическая решетка и металлическая химическая связь. Общие физические свойства металлов

Цель: Опираясь на ранее полученные знания, подвести обучающихся к пониманию представлений о металлах как химических элементах и простых веществах.

Образовательные задачи:

1) Познакомить обучающихся со строением и общими свойствами металлов, исходя из их положения в периодической системе и строения атомов.
2) Дать понятие о металлической связи и металлической кристаллической решетке. Добавить, обобщить и углубить знания о физических
свойствах металлов.

Воспитательные задачи:

1) Расширить и углубить знания учащихся о роли металлов в организме, значении в жизнедеятельности человека, показать разнообразие их свойств.
2) Продолжить формирование мировоззренческих взглядов (умения устанавливать причинно-следственные связи между строением и
свойствами металлов, доказывать переход количественных изменений в качественные).
3) Акцентировать внимание обучающихся на возможности интеграции курсов химии, литературы и истории, развивать представления о познаваемости мира.

4) Прививать навыки самостоятельной работы, учить четко и грамотно выражать свои мысли. Уметь слушать своего товарища.

Развивающие задачи:

1) Научить работать с дополнительной литературой и другими источниками информации, готовить доклады,
2) Выступать перед аудиторией,
3) Формировать критическое мышление, умение анализировать, выделять главное, обобщать и делать выводы.

Тип урока: Урок усвоения новых знаний с мультимедийным сопровождением.

Оборудование. Компьютер, проектор, экран; учебная презентация по данной теме, выполненная на компьютере в программе Power Point, созданная учителем, коллекции “Металлы и сплавы”; шаростержневые модели кристаллической решетки металлов железа, магния, меди; таблицы: “Изменение атомного радиуса в периоде, группе”, “Строение металлической кристаллической решетки”, учебник химии 9 класс автор О.С. Габриелян 2010 год.

Ход урока

I. Ориентировочно-мотивационный этап.

Учитель: – Здравствуйте, ребята. Я рада вас видеть на своем уроке здоровыми и бодрыми. Я думаю, что и у вас прекрасное настроение как у ромашки на слайде презентации. Слайд 1.

А сейчас обратите внимание на лотки, что стоят на ваших столах. В них образцы веществ. Причем, предложенные вашему вниманию вещества, против обыкновения, не подписаны. Ваша задача состоит в том, чтобы распределить эти вещества по каким-то признакам, то есть как-то их проклассифицировать. Признаки выберите сами.

Учитель: – Какие признаки? (Твердость, металлический блеск.)

Учитель: – На какие группы распределились вещества? (Металлы и неметаллы.)

Учитель: – Каких веществ больше?

В настоящее время известно более 80 металлов, точно сосчитаете дома. Чем они отличаются друг от друга?

Учитель: – Они отличаются друг от друга свойствами: цветом, блеском, твердостью.

Учитель: Как вы думаете, что мы сегодня будем изучать? Металлы. Да, мы начинаем изучение большой темы “Металлы” (на экране проецируем тему урока) Слайд 2.

Презентацию можно получить у автора статьи.

Записываем дату и тему урока в тетради.

Эпиграф нашего урока. “Мощь и сила науки – во множестве фактов, цель – в обобщении этого множества”. Д.И.Менделеев. Слайд 3

“Внимательно осмотритесь вокруг. Где бы вы ни были: дома или в школе, на улице или в транспорте – вы увидите, какое множество металлов трудится вокруг нас и для нас.Слайд 4.

Учитель: Основываясь на собственный опыт, знания из курса физики, биологии, литературы давайте вспомним, что мы знаем о металлах? Поделитесь своими знаниями. (Беседа с классом.)

Учитель: Что мы должны узнать?

Цели: (Слайд 5.)

Учитель: Чтобы ответить на эти вопросы мы должны с вами выполнить большую работу по изучению нового материала и приобретению знаний.

“Свойства веществ зависят от строения”. Сегодня эту зависимость мы рассматриваем применительно к металлам. Давайте проследим причинно-следственную связь между строением атома, химической связью и физическими свойствами.

Строение атома – металлическая связь – металлическая кристаллическая решетка – физические свойства – практическое применение

Учитель: – Ответьте на следующие вопросы:

1) Где расположены элементы– металлы? Слайд 6.
2) Какое место занимают металлы в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева?

В периодической системе химических элементов каждый период, кроме первого, начинается с активного металла. Эти элементы образуют главную подгруппу I группы и называются щелочными металлами. Свое название они получили от названия соответствующих им гидроксидов, хорошо растворимых в воде, – щелочей.

Следующие за щелочными металлами элементы, составляющие главную подгруппу II группы, также являются металлами. Из этих металлов кальций, стронций, барий и радий называют щелочноземельными металлами. Такое название они получили потому, что их оксиды, которые алхимики называли “землями”, при растворении в воде образуют щелочи.

Далее к металлам относят элементы главных подгрупп: III группы, исключая бор; IV группы – германий, олово, свинец; V группы – сурьму и висмут; VI группы – полоний.

Что касается элементов побочных подгрупп, то все они – металлы. Таким образом, если в периодической системе провести диагональ от В к Астату через элементы главных подгрупп, то по диагонали и над ней будут располагаться неметаллы, а под ней – металлы. В периодах: в малых – металлы расположены в начале, в больших – в четных рядах и начале нечетных.

Слайд 7.

Из положения металлов в периодической системе можно определить и особенности строения их атомов. Слайд 8.

1) На внешнем энергетическом уровне – 1–3 электрона.
2) У металлов сравнительно большой радиус атома
3) В периоде восстановительные свойства уменьшаются, т.к. увеличивается заряд ядра, число электронов на внешнем слое.
4) В группе в главной подгруппе восстановительные свойства увеличиваются, т.к. возрастает радиус атома.

Учитель: Давайте распишем электронное строение атомов металлов Na, Ca, Al (3 обучающихся возле доски.) Вместе проверяем даем оценку.

Загадочная пауза Слайд 9. (Загадки про металлы.)

Учитель: Атомы – металлы образуют простые вещества, соединяясь посредством химической связи. Какой? Слайд 10.

Учитель:

Что такое металлическая связь? Связь в металлах и сплавах между атом – ионами посредством обобществленных электронов называется металлической. Веществам с металлической связью присущи металлические кристаллические решетки. Свойства металлов обусловлены строением их кристаллов. В узлах металлических кристаллических решеток располагаются атомы и ионы металлов, связанные посредством обобществленных электронов, электронов, которые оторвались от конкретных атомов и стали принадлежать всему кристаллу. Эти электроны компенсируют силы электростатического отталкивания между положительными ионами, связывают их, обеспечивают устойчивость металлической решетки. Такой тип связи называется металлической. Она обусловливает все важнейшие физические свойства металлов. Слайд 11.

Учитель: У меня на столе представлены кристаллические решетки металлов магния, меди и железа дайте вместе рассмотрим строение кристаллических решеток этих металлов. (Три обучающихся возле доски рассказывают о строении предложенных решеток металлов.)

Физкультминутка.

Учитель: Какими физическими свойствами обладают металлы? Слайд 11

Учитель подчеркивает, что физические свойства металлов определяются их строением.

Индивидуальные задания обучающимся. По материалу параграфа 6 заполнить таблицу

Физическое свойство металлов	Чем оно обусловлено	Примеры
Пластичность
Электрическая проводимость
Металлический блеск

Остальные обучающиеся, для изучения физических свойств металлов по материалу параграфа 6 (страница 30–32) делятся на 3 группы по свойствам, готовятся, пишут свою часть схемы, выходят к доске приклеивают свои листочки и отвечают. Класс может задавать вопросы. Обучающиеся 4 группы готовят и задают вопросы остальным обучающимся групп.

Заполнение схемы по ходу изучения нового материала (по выступлениям обучающихся от каждой группы).

После заполнения схемы возвращаемся к образцам металлов в лотках на столах обучающихся и выполняем Лабораторный опыт “Ознакомление с образцами металлов” на карточках подписаны названия металлов (железо, цинк, олово, алюминий, свинец, серебро).

Физические свойства металлов.

Пластичность. Слайд 13. Металлы обладают пластичностью, ковкостью и прочностью. Благодаря свободному перемещению электронов по всему кристаллу разрыв связей не происходит, т. к. отдельные слои в кристалле могут смещаться относительно друг друга. Это придает металлам пластичность- способность изменять свою форму без разрыва химических связей. Металлы, обладающие высокой пластичностью- золото, серебро, медь, олово, железо, алюминий.

Просмотр фрагмента “Кузнечное дело” с диска “Неорганическая химия”.

Электропроводность. Лучшие проводники электричества – серебро и медь, худшие – марганец, свинец и ртуть. Металлы обладают электрической проводимостью благодаря наличию свободных электронов или электронного “газа”. Хаотически движущиеся в металле электроны под воздействием приложенного электрического напряжения приобретают направленное движение, в результате чего возникает электрический ток.

Теплопроводность.

Теплопроводность металлов, как правило, соответствует электропроводности. Она обусловлена большой подвижностью свободных электронов, которые, сталкиваясь с колеблющими ионами и атомами, обмениваются с ними энергией. Поэтому происходит быстрое выравнивание температуры по всему куску металла. Лучшая проводимость у серебра, меди, худшая – у висмута, ртути.

Металлический блеск.

Для всех металлов характерен металлический блеск: серый цвет или непрозразрачность. Свободные электроны, заполняющие межатомное пространство в решетке, отражают световые лучи, поэтому металлы имеют металлический блеск (серебристо-белый и серый). Только золото и медь в большей степени поглощают короткие волны (близкие к фиолетовому цвету) и отражают длинные волны светового спектра, поэтому имеют желтый и оранжевый цвет. Самые блестящие металлы- ртуть, серебро.

Плотность. Слайд 14. Все металлы делятся на легкие (с плотностью до 5г/см³) и тяжелые (с плотностью больше 5г/см³). Легкие: Li, Na, K, Mg, Al Тяжелые: Zn, Cu, Sn, Ag, Au

Температура плавления. Слайд 15, 16.

Металлы делятся на легкоплавкие и тугоплавкие.

Твердость. Все металлы, кроме ртути, твердые. Но это свойство различно у каждого металла. Слайд 17.

Самые мягкие металлы- натрий, калий, индий, их можно резать ножом самый твердый металл – хром, царапает стекло. Рассмотреть образцы щелочных и щелочноземельных металлов.

С представителями некоторых металлов мы сейчас познакомимся

Вступление к сообщениям обучающихся “Заморочки из бочки”

– Алхимики старались его получить используя философский камень для того, чтобы править миром и вечно жить;
– Из-за этого металла пролилось много крови;
– Его используют в ювелирной промышленности) Это – Золото. (Сообщение про золото. Слайд 18–27.)

Вступление к сообщению обучающегося о меди “МАСКА, Я ТЕБЯ ЗНАЮ!” Звон колокольчика под тканью.

Следующий металл, о котором мы поговорим, – медь. Медь называют музыкальным металлом. Почему, сейчас мы узнаем. Слайд 28. Когда на Русь нападали полчища врагов, когда нужно было собрать народ на важные собрания, ударяли в колокола. Давайте послушаем запись звонов ростовских колоколов. В народе говорят, что колокольный звон делает человека добрее, справедливее. Все злое, нехорошее от него уходит. Искусство колокольных дел мастеров осталось составной частью национальной культуры. И поныне остается загадкой, как удалось нашим предкам без измерительных приборов и точного анализа сплавов создать “стозвонные” колокола – каждый со своим звоном (прослушивание звона колоколов). После Слайда 31.

Сегодня медь широко используется в электротехнике и приборостроении. Но давайте рассмотрим, как и где применяли раньше медь и ее значение сегодня. Слайд 32–36.

Вступление к сообщению про железо (загадка – стихотворение).

Важнейший, древний элемент.
В тяжелой индустрии главный,
Знаком с ним школьник и студент.
Родился в огненной стихии,
Расплав его течет рекой.
Важнее нет в металлургии –
Он нужен всей стране родной.

Сообщение про железо. Слайд 37–42

А теперь, внимание! Знакомимся с самыми, самыми металлами. Слайд 43.

Проверка знаний по результатам изучения нового материала (тест на компьютере) обмениваемся работами и проверяем с выставлением оценок по ключу

Подведение итогов. “Свойства веществ зависят от строения”. Сегодня эту зависимость мы рассмотрели применительно к металлам. Проследили причинно-следственную связь между строением атома, химической связью и физическими свойствами.

Выставление оценок за урок.

Проведение рефлексии по результатам урока. Слайд 44. Рефлексия. Чтобы осмыслить все увиденное, услышанное и выполненное на нашем уроке мы предлагаем вам рефлексивный тест, направленный на оценку своих собственных действий. Рефлексивный тест. Я узнал (а) много нового. Мне это пригодится в жизни. На уроке было над чем, подумать. На все возникшие у меня в ходе урока вопросы я получил (а) ответы. На уроке я поработал (а) добросовестно и цели урока достиг(ла).

Учитель:

Сейчас прозвенит долгожданный звонок,
Увы, но к концу подошел наш урок.
Прошу, уберите рабочее место.
Давайте без слов, и, пожалуй, без жестов.
А я благодарность вам всем объявляю,
Проверив работы,
В журнал выставляю
Отметки все ваши, надеюсь привычно,
Что будут они хорошо и отлично.
Большое спасибо я вам говорю,
Мы цели достигли, благодарю.

Домашнее задание: параграф 5, 6 составить ребусы или загадки про металлы, подготовить сообщения про сплавы меди и сплавы железа, составить презентацию по теме “Сплавы”

виды, свойства, определение простым языком

Определение кристаллической решетки

Виды кристаллических решеток

Ионная кристаллическая решетка

Атомная кристаллическая решетка

Молекулярная кристаллическая решетка

Металлическая кристаллическая решетка

Кристаллические решетки, видео

Определение кристаллической решетки

Как мы знаем, все материальные вещества могут пребывать в трех базовых состояниях: жидком, твердом, и газообразном. Правда есть еще состояние плазмы, которое ученые считают ни много ни мало четвертым состоянием вещества, но наша статья не о плазме. Твердое состояние вещества потому твердое, так как имеет особую кристаллическую структуру, частицы которой находятся в определенном и четко заданном порядке, создавая, таким образом, кристаллическую решетку. Строение кристаллической решетки состоит из повторяющихся одинаковых элементарных ячеек: атомов, молекул, ионов, других элементарных частиц, связанных между собой различными узлами.

Виды кристаллических решеток

В зависимости от частиц кристаллической решетки существует четырнадцать типов оной, приведем наиболее популярные из них:

Ионная кристаллическая решетка.
Атомная кристаллическая решетка.
Молекулярная кристаллическая решетка.
Металлическая кристаллическая решетка.

Далее более подробно опишем все типы кристаллической решетки.

Ионная кристаллическая решетка

Главной особенностью строения кристаллической решетки ионов являются противоположные электрические заряды, собственно, ионов, вследствие чего образуется электромагнитное поле, определяющее свойства веществ, имеющих ионную кристаллическую решетку. А это тугоплавкость, твердость, плотность и возможность проводить электрический ток. Характерным примером ионной кристаллической решетки может быть поваренная соль.

Атомная кристаллическая решетка

Вещества с атомной кристаллической решеткой, как правило, имеют в своих узлах, состоящих собственно из атомов сильные ковалентные связи. Ковалентная связь происходит, когда два одинаковых атома делятся друг с другом по-братски электронами, образуя, таким образом, общую пару электронов для соседних атомов. Из-за этого ковалентные связи сильно и равномерно связывают атомы в строгом порядке – пожалуй, это самая характерная черта строения атомной кристаллической решетки. Химические элементы с подобными связями могут похвастаться своей твердостью, высокой температурой плавления. Атомную кристаллическую решетку имеют такие химические элементы как алмаз, кремний, германий, бор.

Молекулярная кристаллическая решетка

Молекулярный тип кристаллической решетки характеризуется наличием устойчивых и плотноупакованных молекул. Они располагаются в узлах кристаллической решетки. В этих узлах они удерживаются такими себе вандервальсовыми силами, которые в десять раз слабее сил ионного взаимодействия. Ярким примером молекулярной кристаллической решетки является лед – твердое вещество, имеющее однако свойство переходить в жидкое – связи между молекулами кристаллической решетки совсем слабенькие.

Металлическая кристаллическая решетка

Тип связи металлической кристаллической решетки гибче и пластичнее ионной, хотя внешне они весьма похожи. Отличительной особенностью ее является наличие положительно заряженных катионов (ионов метала) в узлах решетки. Между узлами живут электроны, участвующие в создании электрического поля, эти электроны еще называются электрическим газом. Наличие такой структуры металлической кристаллической решетки объясняет ее свойства: механическую прочность, тепло и электропроводность, плавкость.

Кристаллические решетки, видео

И в завершение подробное видео пояснения о свойствах кристаллических решеток.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

Эта статья доступна на английском – Crystal Lattice in Chemistry.

Кристаллические решетки металлические – Справочник химика 21

Как указано выше, любую кристаллическую решетку можно рассматривать как совокупность элементарных ячеек. Элементарной ячейкой называют ту наименьшую часть кристалла, которая сохраняет особенности структуры, характерные для данной решетки. На рис. 1.73 изображена кристаллическая решетка металлического натрия, в которой штриховкой показана одна из элементарных ячеек. Элементарная ячейка представляет собой параллелепипед, перемещая который в направлении каждой из трех координатных осей х, у и z, можно построить кристаллическую решетку. Эта операция напоминает получение кирпичной кладки. На рис. 1.74 показана элементарная ячейка меди. [c.156]
Металлические кристаллические решетки. Металлические решетки характерны для кристаллов, связь в которых осуществляется за счет делокализованных по всему объему электронов. Металлическое состояние вещества весьма распространено. Достаточно сказать, что из 107 химических элементов в виде простых веществ 84 элемента — металлы и только 23—неметаллы. [c.146]

Металлическая связь представляет собой результат перекрытия делокализованных орбиталей атомов, сближающихся между собой в кристаллической решетке металлических кристаллов. [c.108]

На катоде, в свою очередь, всегда протекает восстановление. В случае электрода первого рода оно заключается в переходе ионов металла из раствора в металлическую фазу (рис. 68, б, 1), где они присоединяют электроны и превращаются в атомы металла, которые достраивают кристаллическую решетку металлической фазы [c.273]

Отдельные ионы цинка смогут даже возвращаться из раствора в кристаллическую решетку металлического электрода. Наступает динамическое равновесие, при котором число ионов цинка, переходящих в раствор в единицу времени, равно числу ионов цинка, возвращающихся на электрод. Если равновесие наступает в момент погружения металла в раствор, то поверхность металла будет незаряженной. В случае, когда для установления равновесия необходим предварительный переход ионов металла в раствор, металл приобретает отрицательный потенциал. [c.12]

В кристаллической решетке металлического кальция связь между атомами осуществляется не одним, как у натрия, а двумя электронами (см. разд. 6.4), что определяет и более высокую температуру плавления кальция (842 °С), и большую твердость. [c.247]

Не следует путать понятия элемент и простое вещество . Если атомы кислорода соединяются по двое в молекулы, ю это будет простое вещество — молекулярный кислород, или если атомы меди соединяются друг с другом, образуя кристаллическую решетку металлического типа, то получается простое вещество— металлическая медь. В обоих случаях мы можем сказать это простое вещество состоит нз атомов такого-то элемента. Но вот, например, в оксиде меди, в котором ато.мы меди соединены с атомами кислорода, есть элемент кислород и элемент медь, но уже нет простых веществ — металлической меди и молекулярного кислорода. [c.22]

В кристаллической решетке металлического натрия например, каждый атом имеет 8 ближайших соседей и только один валентный элект рон. Последний принимает участие в связях со всеми соседями благодаря особому квантовомеханическому эффекту резонанса. [c.93]

Некоторые кристаллические структуры. Любую кристаллическую решетку можно рассматривать как совокупность элементарных ячеек. Элементарной ячейкой называют ту наименьшую часть кристалла, которая сохраняет особенности структуры, характерные для данной решетки. На рис. 1.80 изображена кристаллическая решетка металлического натрия, в которой штриховкой показана одна из элементарных ячеек. Элементарная ячейка [c.145]

Кристаллическая решетка металлического лития — объемно-центрированный куб с параметрами = 3,5023 А и а вз = == 3,4762 А. Сжимаемость лития наименьшая по сравнению с другими щелочными металлами. Удельное электрическое сопротивление металлического лития при 0° равно 8,9285-10 ом. Электропроводность лития составляет около 1/5 электропроводности серебра. [c.37]

Сравнительные расчетные значения параметров кристаллической решетки металлических пленок, полученных ионным распылением различных материалов на подложки, удаленные от области плазмы, с экспериментальными параметрами [c.420]

В компактном состоянии марганец имеет светло-серый, технеций — серебристо-серый и рений — серебристо-белый цвета. Кристаллические решетки металлических технеция и репия построены по типу плотнейшей гексагональной упаковки. [c.383]

Тб, что в кристаллической решетке металлического молибдена атомы связаны достаточно прочной связью, [c.34]

Вернемся теперь к соединению, с которого мы начали эту главу — к МЫ ,83. На рис. 6 показана его структура. Вы видите, что в основе лежит октаэдр из шести атомов ниобия. Расстояние между двумя соседними атомами ниобия в этом октаэдре равно 2,85 А. Расстояние между ближайшими атомами в кристаллической решетке металлического ниобия примерно такое же — 2,856 А. Поэтому можно предполагать, что в таком кластере атомы ниобия довольно прочно связаны между собой. [c.39]

Физические и химические свойства. Хотя олово и свинец и представляют собой металлы, в свободном состоянии типичные для металлов свойства выражены у них довольно слабо. Кристаллическое олово существует в разных полиморфных видоизменениях. Низкотемпературное видоизменение, называемое серым оловом, характеризуется кристаллической решеткой атомного, т. е. неметаллического, 1нпа. Видоизменение, называемое белым оловом, устойчивое п])н телятературе выше 13,2°С, характеризуется кристаллической решеткой металлического типа. Видоизменения олова сильно отличаются друг от друга по плотности — серое олово имеет значительно меньшую плотность (5,75 г/см ). В связи с этим при охлаждении обычное белое олово переходит в серое, наблюдается значительное увеличение объема и разрушение оловянных изделий (наиболее ннтенсивгюе нри сильных морозах ниже — 30°С). Значения физических свойств олова и свинца ириведены в табл, 41. [c.340]

С физической точки зрения твердые растворы представляют собой однородные кристаллические фазы, хн-мическни состав которых может изменяться благодаря замене атомов (молекул, ионов) одного сорта атомами другого. Если тип кристаллической решетки сплава (раствора) совпадает с типом решетки обоих компонентов, то это приводит к неограниченной растворимости в твердом состоянии. В случае ограниченной растворимости тип решетки сплава совпадает с типом кристаллической решетки только одного из компонентов. В зависимости от характера кристаллической решетки металлических сплавов различают три типа растворов замещения, внедрения и вычитания. В первом типе растворов атомы второго компонента занимают часть узлов в решетке первого, например атомы серебра в золоте или никеля в железе. Растворы внедрения характерны тем, что атомы одного из компонентов имеют радиус значительно меньше, чем радиус другого компонента. В таких случаях атомы малого размера размещаются не в узлах решетки, а в междоузлиях, т. е. в пустотах между атомами большого размера. Подобные растворы образуют легкие элементы (Н, В, С, N) в железе и его сплавах. [c.89]

Еще не удалось подтвердить, что те значительные количества кислорода, которые адсорбируются на поверхности серебра, образуют окись серебра. Имеются как раз обратные результаты, основанные на изучении разложения окиси серебра при температурах от 100 до 350 °Си говорящие лишь о возможном разложении окиси серебра на составляющие элементы. При рентгенографическом исследовании процесса термического разложения окиси серебра был обнаружен переход кристаллической решетки окиси серебра в кристаллическую решетку металлического серебра. Весьма настораживает и то обстоятельство, что во мнoг ix упомянутых выше работах единственно возможным продуктом взаимодействия кислорода и серебра считается окись серебра Аё О. [c.275]

Представим себе, что каким-то образом осуществляется присоединение кислорода к титану небольшими порциями, причем после присоединения каждой порции кислорода система успевает достичь равиовесного состояния. До определенного предела, соответствующего примерно формуле ТЮо,5, или Т1гО, будет сохраняться кристаллическая решетка металлического титана и происходить внедрение атомов кислорода в октаэдрические пустоты в этой решетке. Таким образом, все промежуточные составы между чистым титаном и Т1гО можно считать твердым раствором кислорода в титане, или фазой внедрения. [c.207]

Большинство кластеров, образованных металлами, не содержат необычных по валентности атомов углерода, подобных приведенным выше. Например, кластеры [Н111з(СО)24Н5 ]”- (где п = 2,3) построены из остова кристаллической решетки металлического родия, связанного с молекулами монооксида углерода. Тем не менее они разнообразны по геометрическим формам и образуют полиэдры всех конфигураций и размеров, что подвергает тем самым теорию химической связи проверке на универсальность. Интерес к кластерным соединениям не только теоретический как к соединениям с необычной структурой. Они нашли и практическое применение. Так, в Техасе (США) введен в строй завод, способный производить более 100 000 т в год уксусной кислоты из метанола и монооксида углерода с использованием родийорганического катализатора. Использование катализаторов такого типа становится все более актуальным из-за недостатка нефти и высоких цен на нее. [c.20]

Кристаллическая решетка металлического протактиния тетрагональная, с параметрами а = 3,925и с = 3,238 А. Радиус протактиния в металлическом состоянии для координационного числа 12 равен 1,63 А. Расчетная плотность 15,37 г/сж . Температура плавления ниже 1600″ С. При 1925° С давление паров протактиния составляет 5,1-10 ” атм. Металл обычно покрыт топкой окисной пленкой (как полагают, РаО). Он легко реагирует с водородом с образованием РаНз. [c.249]

Три основных фактора интенсифицируют окисление масла в двигателях омывание высокотемпературным газовым потоком тонких масляных пленок на поверхностях ЦПГ, контакт микрошероховатостей поверхностей трения (контактное окисление) и большая поверхность масляного тумана в картере. Контактное окисление сопровождается адсорбцией продуктов окисления на частице, снятой с микрошероховатости, т. е. на продукте износа. Механизм этого явления заключается в следующем. Местное мгновенное повышение температуры вызывает окисление прилегающего микрообъема масла, вязкость которого вследствие термического эффекта резко снижается. Вследствие этого продукты местного окисления не могут отдалиться от точечного контакта с микрошероховатостями. В то же время при этом процессе создаются условия, которые способствуют повышению адсорбционной активности частицы — продукта износа. Это связано с искажением кристаллической решетки металлической частицы, и, следовательно, с термодинамически неустойчивым ее состоянием. Продукты окисления, непредельные углеводороды и продукты полимеризации обладают высокой адсорбционной активностью. В результате они покрываются пленкой, состоящей из продуктов окисления масла. То же будет наблюдаться, если между шероховатостями поверхностей появится чужеродная (например, кремниевая) частица или продукт износа более твердой пары трения. Произойдет царапанье или пропахивание поверхности трения абразивом, сопровождающееся ее искажением или образованием нового продукта износа. Посторонняя частица будет покрываться слоем адсорбированных на ней полярноактивных углеводородов. [c.106]

На основании этих результатов можно заметить, что кристаллическая решетка металлических бертоллидов, построенная по типу замещения, и существование широкой так называемой зоны проводимости создает в металлических бертоллидах большие возможности сосуществования и взаимных переходов различных форм валентности компонентов, но сравнению с соединениями с ионным или ковалентным характером химической связи. [c.53]

Для образца 2.1, включающего металлический европий, действие давления со сдвигом приводит к наноструктурированию материала. Исходный металл ниже обладает доменной структурой, в которой размер доменов доходит до десятков нанометров [4]. Выше Глг 90 К происходит магнитный фазовый переход первого рода и металлический Ей скачком теряет магнитное упорядочение. В магнитоупорядоченном состоянии структура металлического европия рассматривается как состоящая из доменов — нанокластеров, упакованных в кристаллической решетке металлического европия. Если размеры этих магнитных доменов-нанокластеров близки к 20-Ь 30 нм, то обеспечивается максимальная плотность дефектов. [c.582]

Правильно то, что реакция, ведущая к образованию скрытого изображения и прямого ночернения, одна и та же. Правильно так ке, что конечные продукты в обоих случаях ведут себя одинаково по отношению к ряду химических реагентов, например окислителей (отбеливателей), и притом именно так, как должно вести себя серебро. Однако их химическое тождество прослеживается не во всем так, кусок металлического серебра, далкатализатором реакции восстановления не служит, а скрытое изображение служит. Причиной этого и некоторых других различий надо считать, что скрытое изображение, хотя и состоит, из атомов серебра, металлом в общепринятом смысле не является ДЛЯ металла характерны кристаллическая решетка, металлическая проводимость (движение свободных электронов, принадлежащих не отдельному атому, а кристаллу в целом) и ряд других свойств, которыми скрытое изображение не обладает. Его относят к так называемым кластерам, т. е. малым группам атомов (не более несколькпх сотен), в которых каждый атом в целом и его электроны не до конца потеряли свою индивидуальность и обладают [c.37]

Металлическая кристаллическая решетка. Металлическая связь. Сплавы

Модуль по теме “Элементарные основы неорганической химии”, подразделу “Общая характеристика металлов”, уроку “Строение и физические свойства металлов. Сплавы”

Категория пользователей
Обучаемый, Преподаватель

Контактное время
15 минут

Интерактивность
Средняя

Дисциплины
Химия / Неорганическая химия / Металлы и неметаллы / Металлы / Положение металлов в периодической системе. Строение их атомов, кристаллических решёток. Физические свойства металлов. Сплавы

Уровень образования
Профессионально-техническая подготовка, повышение квалификации

Статус
Завершенный вариант (готовый, окончательный)

Тип ИР сферы образования
информационный модуль

Место издания
Москва

Ключевые слова
металлическая кристалическая решетка

Автор

Морозов Михаил Николаевич

Марийский государственный технический университет

Издатель

Марийский государственный технический университет ГОУВПО

ГОУВПО “Марийский государственный технический университет”

Россия, 424000, Республика Марий Эл, Йошкар-Ола, Ленина пл., 3,

Сайт – http://www.mmlab.ru
Эл. почта – [email protected]

Правообладатель

Федеральное агентство по образованию России

Россия, 115998, Москва, Люсиновская ул., 51

Внимание! Для воспроизведения модуля необходимо установить на компьютере проигрыватель ресурсов.

Характеристики информационного ресурса

Тип используемых данных:
application/xml, image/jpeg, image/png, application/x-shockwave-flash, audio/mpeg, text/html

Объем цифрового ИР
7 542 709 байт

Проигрыватель
OMS-player версии от 1.0

Категория модифицируемости компьютерного ИР
открытый

Признак платности
бесплатный

Наличие ограничений по использованию
есть ограничения

Рубрикация

Ступени образования
Основное общее образование

Целевое назначение
Учебное

Тип ресурса
Открытая образовательная модульная мультимедийная система (ОМС)

Классы общеобразовательной школы
9

Уровень образовательного стандарта
Федеральный

Характер обучения
Базовое

Как устроена кристаллическая решетка металлов

Твердое, жидкое, газообразное тело: что в них общего? Конечно, частицы, из которых они состоят. Таким образом, все химические вещества образуются из мельчайших частиц, которые соединяются между собой связями: более или менее сильными, в зависимости от агрегатного состояния. Частицы образуют решетки. Кристаллическая решетка металлов — это одна из типов решеток, представленных в природе.

Состав кристаллической решетки

Итак, еще из школьного курса химии и физики нам известно, что абсолютно все вещества состоят из мелких частиц, которые связаны между собой. И вот именно от силы связей зависит то, в каком агрегатном состоянии находится тело: твердое, жидкое или газообразное. Когда частицы имеют строгую ориентацию в пространстве, то они формируют твердое тело. Все твердые тела имеют четкие контуры из-за четкой структуры их мелких частей. Что же касается мелких частиц, то, несмотря на свое строгое место в пространстве, они все равно продолжают двигаться. Скорость и амплитуда такого движения напрямую зависит от температуры: если она ниже нуля, то скорость падает и образуется твердое тело, что касается высоких температур, то в таком случае будут образовываться газообразные и жидкие тела, а частицы будут просто быстро двигаться и перемещаться.

Остановимся все же на организации твердых тел. Когда частицы (атомы, молекулы или ионы) точно определены с местом в пространстве, то таким образом обязуется кристаллическая решетка. Частицы могут располагаться как между узлами в пространстве, так и непосредственно в узлах. Молекулярная, атомная, металлическая и ионная – эти четыре типа решеток существуют в природе. Разница между решетками сводится до частиц, которые находятся в узлах и связях, протекающих между ними.

Молекулярные решетки

Молекулярная кристаллическая решетка представляет собой молекулы, которые располагаются в узлах. Связаны такие частицы довольно слабыми связями – межмолекулярными, которые еще называются Ван-дер-Ваальсовыми. Тем не менее, сами молекулы состоят из атомов. Между атомами существует связь намного прочнее и крепче, которая называется ковалентной. Такой тип кристаллической решетки имеется в хлоре, двуокиси углерода, твердом водороде и других веществах, которые являются газообразными при обычной температуре. Именно такая структура зачастую встречается в природе. При этом даже неорганические вещества могут обладать такой структурой: твердые галогеноводороды, лед, сера и некоторые другие. Из-за низкой температуры плавления тела с такой структурой строения очень быстро воспламеняются и плавятся.

Что же касается структуры, которую представляет металлическая кристаллическая решетка, то такие типы частиц свободно движутся лишь в теле кристалла, расположенном в четко определенном узле. Но все же такие частицы имеют возможность свободно передвигаться по кристаллической решетке. Благодаря тому, что частицы, из которых состоит кристаллическая решетка металлов, заряжены по-разному, то они притягиваются друг к другу и образовывают структуру металла.

Благодаря электронном газу, который состоит из свободных движущихся электронов, металл может иметь свойства высокой электро- и теплопроводности. Как только в поле решетки появляется электрическое поле, то электроны тут же направляются в сторону положительных частиц. За счет таких движений образуется ток. Такой тип решетки зачастую составляет элементарные металлы и приспособлен для соединения разных металлов.

Но несмотря на это нельзя точно утверждать, что свойства всех металлов одинаковы, они, наоборот, кардинально отличаются друг от друга. Ведь взаимодействие между электронами и ионами создают тип металла. Также кристаллическая решетка формируется за счет свободных электродов, которые летают в области решетки. За счет решетки металлы имеют высокую температуру плавления (выше, чем органические вещества).

Видео: Опыты по химии. Модели кристаллических решеток

Что представляет собой металлическая кристаллическая решетка: терминология и свойства

Что представляет собой металлическая кристаллическая решетка: промышленное подразделение металлов + их атомно-кристаллическое строение + понятие, классификация и свойства металлической кристаллической решетки + особенности решетки у сплавов + разбор термина в контексте сварочного процесса

Взглянув вокруг себя, вы наверняка заметите парочку вещиц с содержанием металлов. Из-за повсеместного использования данных элементов, знать базовую информацию по ним обязан каждый.

В сегодняшней статье я расскажу, что такое металлическая кристаллическая решетка + предоставлю исчерпывающую информацию в отношении кристаллической классификации металлических веществ вообще.

Понятие кристаллической решетки + классификация

Перед углублением в сложные темы по химии и физике школьной программы, я хотел бы выдать вам исчерпывающую информацию в отношении терминологии и классификации металлических элементов сквозь призму промышленности.

1) Промышленное подразделение металлов + их атомно-кристаллическое строение

Начало эры металлов началось в 20 веке. Медь, железо, серебро и прочие элементы стали неотъемлемой частью быта и промышленности населения большинства развитых стран. Базовые характеристики металлов, такие как упругость, пластичность и прочность, определяются их атомным + кристаллическим строением.

2 единицы измерения, какова температура кипения железа

Знание этих свойств позволит умело оперировать свойствами и применять их для получения эталонных комбинаций элементов. В индустриальном плане металлы подразделяют на 5 больших коопераций. Детальнее по каждой из них я расскажу в отдельной таблице.

Группа	Описание	Распространение (из 5 ★)
Черные	В категории расположилось большинство распространенных металлов планеты, такие как хром и железо. Сюда же включены и сплавы из комбинаций черных металлов по типу ферросплавов. Мировое использование черных металлов составляет 88% всей мировой потребности.	★★★★★
Цветные (легкие)	Магний, титан и прочие элементы с низким показателем плотности. По добыче дороже черных + встречаются в природе по залежам реже. Применяются в точном строительстве, и для деталей, где их применение финансово обосновано.	★★★★
Цветные (тяжелые)	Отличительная черта – повышенный удельный вес + превосходная проводимость электрического тока. Применяются в качестве реакционных катализаторов при производстве плат и прочей электронике.	★★★
Благородные	Защита от коррозии и малый удельный вес. В современном обществе, приоритетно, используются как инструмент для накопления финансов странами и украшения. Яркие представители –платина и золото.	★★
Редкоземельные	Итрий, лантан и прочие химические элементы редкоземельного типа из группы металла. Имеют весомый удельный вес и очень активны химически, что обуславливает их использование в приборостроении и смежных направлениях.	★★★

Выделяют еще и щелочные металлы, но обычно их предпочитают относить в одну группу с редкоземельными, ибо по базовым характеристикам они весьма похожи между собой. Натрий, литий и прочие элементы группы при химических реакциях с водой образуют щелочи – отсюда и название группы. Используются при производстве всяческих моющих.

Обратите внимание: атомно-кристаллическое строение металлов напрямую влияет на их физические и химические свойства. Особенно важную роль в промышленности отыгрывает параметр электропроводимости.

Кристаллическое строение характерно металлическим элементам, которые пребывают в твердой фазе состояния. Атомы самостоятельно располагаются в четкой (иногда расплывчатой) геометрической фигуре объемного типа. Получаемые соединения и местоположения атомов принято называть кристаллической решеткой. С научной точки зрения термин подается практически также.

Кристаллическая решетка (КР) – сетчатый геометрический образ для исследований структуры кристаллов. Состоит из узлов, в которых могут располагаться молекулы/ионы/атомы, и соединений этих элементов.

Какие параметры используют при исследовании:

ЕКР;
константа КР;
плотность упаковки;
значение координации.

Металлическая кристаллическая решетка – это совокупность из элементарных ячеек, определяющая симметричные свойства всей структуры в целом. Признаки по структурным частям кристаллической решетки описываются за счет 3 правил Бреве.

2) Классификация кристаллических решеток

Распределение по типам кристаллических решеток производится на основании природного происхождения частиц + типам химических связей между базовыми элементами структуры. Беря в учет оговоренное, можно выделить 4 типа КР. Детальнее по 3-м из них предоставлю информацию в отдельной таблице, а что собой представляет металлическая кристаллическая решетка разберем отдельным пунктом статьи чуть ниже.

Тип КР	Особенности
Ионная	По названию понятно, что узловыми элементами структуры являются ионы. Связываются между собой ячейки за счет электростатики, что придает ИКР электронейтральность. Отсутствие насыщенности с направленностью характеризует решетку крупными числами координации. По физике – – большая твердость, тугоплавкость и нелетучесть. Также ионные соединения характеризуются повышенной ломкостью. Даже мелкие сдвиги приводят к разрушению огромной площади КР.
Атомная	Ячейки КР соединяются между собой за счет связи ковалентного типа. Здесь идет подразделение на 3 категории в зависимости от структуры – каркас (алмаз), слоистость (графит) и цепочка (асбест). К базовым физическим свойствам атомных кристаллических решеток отнесу высокий запас твердости, тугоплавкость, нерастворимость в воде и отсутствие летучести. В своем большинстве, АКР характерная для сложных веществ по типу оксида алюминия или оксида кремния.
Молекулярная	По узлам структуры располагаются молекулы, а их соединение образуется за счет все тех же сил молекулярного типа. Их часто называют водородными или вандерваальсовскими связями. Простейшими примером веществ с молекулярной кристаллической решёткой является лед и йод.

Кристаллическая структура характерна не только для чистых веществ, но и разнообразных соединений неорганики. Особенно это актуально для металлических соединений по типу сплавов. Учитывая распространение металлов в промышленности и бытовой сфере, разбору понятия металлической кристаллической решетки нужны уделить особое внимание. Чем я дальше и займусь.

Что такое металлическая кристаллическая решетка: обобщенная терминология и свойства

Если ранее описанные КР имели по узлам только один компонент, то металлическая кристаллическая решетка состоит из структур множественного повторения, в точках соединения которых имеется 2 типа ячеек.

Первые – ионы с положительным зарядом, а вторые – нейтральные атомы. Между узлами КР свободно передвигаются относительно свободные электроны. Со схемой металлической решетки можете ознакомиться на рисунке выше.

1) Особенности строения и классификация металлической кристаллической решетки

В зависимости от межатомного расстояния, кристаллические соединения в сплавах и чистых структурах металлов могут разбиваться на 2 подвида – изотропные и анизотропные. В первом случае расстояние между ионами и атомами в узлах структуры равно. Колебания могут составлять от 0.1% до 3%, не более. Если расстояние между узлами кристаллической решетки вдоль и вверх различается, получаемый кристалл относят к анизотропному. Четкое представление об параметрах таких КР можно получить только после изучения направления.

Важно: на практике практически нереально встретить металлы либо их сплавы, которые будут располагать четкой однородной структурой. В 95%+ случаев, металлический элемент из множества кристаллов имеет разнобойной кристаллической решетке. По данной причине была создана еще одна категория в кристаллическом строении, именуемая квазиизотропная.

Второй параметр в металлических кристаллических решетках, который дал толчок к вводу еще одной классификации, – это межатомное расстояние близлежащих элементов. Здесь используется обособленная единица измерения — ангстрем. Среднее значение для различных металлов в чистом виде составляет порядка 3-7 ангстрем.

Классификация КР по типу:

Куб. Решетка имеет правильную форму с объемным центрированием. Число содержащихся узлов соединения – 9. Пример металла с кубической кристаллической решеткой является железо.
Куб с центрированными гранями. Здесь уже число узлов соединения увеличено до четырнадцати. Гранецентрированная КР имеется у золота, свинца и прочих цветных + драгоценных металлах.
Гексагональ. Кристаллическая решетка содержит уже целых 17 узлов с крайне плотным размещением друг к другу. Актуальна такая геометрия цинку, магнию и так далее.

Особенно поражает железо, ведь при нагревании выше температуры в 920 градусов по Цельсию, его кристаллическая решетка преобразуется из обычной кубической в кубическую с центрированными гранями.

2) Свойства металлической кристаллической решетки

Свойства металлов напрямую зависят от кристаллической структуры, а это значит, что большинство характеристик элементов равны параметрам КР. Как и в других направлениях, свойства металлической кристаллической решетки квалифицируются на 2 категории – физические и химические.

К общим физическим свойствам металлов я отнесу:

ковкость;
пластичность;
тягучесть;
характерный металлический отблеск;
теплопроводимость;
электропроводимость.

Отмечу, что физические свойства для различных чистых элементов в металлах могут иметь большую разницу. К примеру, ряд «Ag Cu Au Al Mg Zn Fe РЬ Hg» имеет меньшее значение проводимости тепла и тока. Сюда же отнесу разделение на цветные и черные металлы, а также классификацию в зависимости от плотности (легкие и тяжелые), твердости (мягкие и твердые) и температуры плавления (легкоплавкие и тугоплавкие).

12 физ. и хим. характеристик металла, что плавится в руках

К общим химических свойствам металлов отнесу:

являются восстановителями;
взаимодействие с кислородом и образование в результате оксидов;
взаимодействие с галогенами;
активные металлы могут вступать в реакцию с водородом;
получение сульфидов при химических реакциях с серой;
часть элементов среди металлов могут сотрудничать с азотом, выделяя нитриды;
получение карбидов при контакте с углеродом;
фосфиды – результат связей с фосфором;
получение интерметаллических соединений за счет взаимодействия между металлическими компонентами.

Особенно интересным химическим взаимодействием я считаю соитие металлов при воздействии температур. В процессе нагрева элементы растворяются друг в друге, и, как результат, мы получаем металлический сплав. О них я далее также скажу пару слов.

3) Металлическая кристаллическая решетка в сплавах

Сплавом считается соединение сразу нескольких химических элементов. В большинстве случаев – это металлы, но нельзя сбрасывать со счетов и соединения, в которых имеются вкрапления неметаллов. Простейший пример сплава металла и неметалла, — это углерод.

Обратите внимание: если вкрапливаемый элемент в сплав приносит ему практическую пользу (например, улучшает коррозийную стойкость), такую присадку называют легирующей, в обратном случае получаем вредную примесь.

В металлургии имеется такое понятие как механическая смесь – это разновидность сплава, у которого кристаллические решетки компонентов не способны взаимно раствориться. Получаемое соединение мало используется в металлургии, но как явление все же существует.

6 шагов, как отличить медь от латуни в домашних условиях

Качественная взаимосвязь компонентов характерна для:

твердых растворов. Когда атомы элемента-помощника внедряются внутрь кристаллической решетки базового компонента соединения;
химические сплавы. Наиболее качественные метод соединения металлов. Результатом становится новая кристаллическая решетка, образованная из молекул обоих компонентов в более-менее равной мере.

В зависимости от долевого вкрапления легирующих добавок, физика и химия поведения сплавов может значительно отличаться друг от друга. Особенно чувствительны в этом плане компоновки из металлов и неметаллов.

Конечный этап процесса химического соединения металлических элементов называют первичной кристаллизацией. После нагрева элемента до нужной температуры (температура плавления), наступает этап смешивания и последующее остывание. На последней стадии происходит образование центральных элементов кристаллизации, вокруг которых и собирается полноценная кристаллическая решетка сплава из повторяющихся ячеек центра.

Центральными элементами могут быть:

ячейки вдоль каемки литейного оборудования, где остывание происходит быстрее всего;
неметаллические элементы, попавшие в сплав;
легирующие элементы с высоким запасом тугоплавкости.

Рост кристаллов в 90% случаев протекает вдоль температурного градиента. Наткнувшись на препятствие, структура приобретает древовидный вид. При стыке двух таких элементов, происходит образование зерен, из которых и образуется тело поликристаллического типа. Отдельные кристаллы, которые встретили препятствие на поздних стадиях своего роста, могут вырастать до 8 000 – 11 000 микрон. Их пространственное положение не имеет четкого направления, а подается вразброс. Вся совокупность мелких + крупных зерен и составляет новое образование, именуемое сплавом.

7 областей применения самого легкоплавкого металла

Разбор терминологии и свойств по металлической кристаллической решетке:

Металлическая кристаллическая решетка в контексте сварки

Фактически, сварочный процесс — это ручное производство сплава, цель которого соединить независимое элементы в единое целое. Задача не из простых, особенно если приходится работать с разными типами металлов, у которых слишком большой разрыв по температуре плавления.

Проблемы возникают на этапе остывания сварочного шва. Думаю, с явлением возникновение трещин знаком каждый сварщик. Основа данного явления кроется как раз в свойствах металлической решетки металла. О классификации дефектов детальнее в таблице ниже.

Дефект	Описание
Точечный	Изменения в структуре кристаллической решетки, которые по размерам соизмеримы с атомом. Типичными точечными дефектами является безатомные узлы, элементы вне узлов КР и замещаемые элементы неметаллов, которые становятся на место основного атома.
Линейный	Основная проблематика заключается в одном измерении, когда как остальные два остаются практически неизменными. Подобные дефекты принято назвать дислокационными.
Поверхностные	Здесь проблема уже состоит на 90% в двух измерениях. Третье измерение не затрагивается вовсе, либо проблематика является незначительной (менее 5 размеров атомов).
Объемные	Очевидные для сварщика проблемы – поры, трещины и прочие повреждения поверхности свариваемой области.

Полностью избавиться от дефектов нереально физически даже самому опытному мастеру. Единственное, что может сделать сварщик – это придерживаться технологии + обращать внимание на свойства свариваемых металлов.

На этом сегодня все. Надеюсь, инфа по металлической кристаллической решетке вам пригодилась. Удачи и крепкого здоровья!

структур кристаллической решетки металлов

структура кристаллической решетки металлов ПРОСТОЙ КУБИЧЕСКИЙ МЕТАЛЛ

В металле все атомы идентичны, и большинство из них имеют сферическую форму ( склеивание не зависит от направления). Таким образом, металлы имеют тенденцию принимать относительно простые конструкции. Самый простой:

Простые кубики (sc) Вот два способа нарисовать элементарную ячейку для простой кубической структуры.В элементарной ячейке слева атомы в углах обрезаны, потому что только часть (в данном случае 1/8) принадлежит этой ячейке. Остаток от атом принадлежит соседним ячейкам, как показано на рисунке ниже.
Нажмите на левую элементарную ячейку вверху, чтобы просмотреть фильм о ее вращении. Здесь мы видим две элементарные ячейки, уложенные стопкой в решетку. Обратите внимание, что в каждом случае обнаруживается одна и та же общая структура.

Фильм ниже даст вам почувствовать общую решетку шаблон. Щелкните изображение, чтобы просмотреть его. Мы можем думать об этой решетке как о слоях квадратных упакованных сфер. В слои уложены так, чтобы каждая сфера находилась прямо над сферой в слой ниже.

Хотя мы показали пространство между сферами, это только для “открыть” структуру для просмотра. В настоящем кристалле сферы соприкасаются как показано в элементарной ячейке и решетке ниже.

Таким образом, длина края ячейки в 2 раза больше радиуса сферы.

Нажмите на элементарную ячейку и решетку выше, чтобы увидеть, как они вращаются.

В 3-D эффективность упаковки определяется по формуле:

П.E. = (объем сфер) / (объем ячейки) Для простой кубической решетки это: P.E. = (1 / 8×8) (4/3 pi r ³) / (2r) ³ = пи / 6 = 52,35%.

Это низкое значение неудивительно. Помните, что двумерная квадратная решетка неэффективно использует пространство. Простая кубическая решетка является ее трехмерным аналогом, а также содержит много пустого места.

Обратим внимание на пустые места в решетке.Каждый В центре элементарной ячейки находится одно крупное междоузлие (47,65% громкость). К этому пространству прикасаются 8 атомов, поэтому межузельное координационное число – 8, а его геометрия является кубическим (у куба 8 углов).

Поскольку каждая элементарная ячейка содержит (8 x 1/8 =) 1 атом и 1 междоузлие сайта, количество атомов и междоузлий одинаковое.

Изучите структуру ниже, которая показывает расположение любого одиночный атом в простой кубической решетке; обратите внимание, что каждый атом имеет 6 соседей, поэтому атомная координация номер – 6.Координационная геометрия октаэдр (у октаэдра 6 углов).

Октаэдрическая координация атома. An октаэдр.

Поскольку как координационное число, так и эффективность упаковки низкие, простая кубическая решетка неэффективно использует пространство. Очень мало примеров простых кубические решетки известны (альфа-полоний – один из немногих известных простых кубические решетки).

Ниже мы снова видим сечение простой кубической решетки в виде “действительно” – с атомами, соприкасающимися друг с другом. Обратите внимание на каналы формируется путем совмещения межстраничных объявлений. Эти пустые места могут позволить другие маленькие атомы входят в кристалл.

Щелкните изображение ниже, чтобы увидеть решетку.

Щелкните здесь, чтобы перейти к следующая страница. Структура кристаллов Кристаллические решетки Единичные ячейки От элементарной ячейки к решетке От решетки к элементарной ячейке Стехиометрия Упаковка и геометрия Простой Кубические металлы Плотно упакованные конструкции Кузов центрированный кубик Хлорид цезия Хлорид натрия Оксид рения Оксид ниобия Если не указано иное, все изображения, фильмы и VRML являются собственностью и авторским правом по Др.Барбара Л. Саулс и доктор Фредерик С. Саулс 1998. Свяжитесь с владельцами для получения индивидуального разрешения использовать. [email protected]

Кристаллических структур металлов | Химия для неосновных

Определить самую плотную упаковку.
Опишите наиболее плотную упаковку в металлах.

Как сложить ядра?

До современной артиллерии с разрывными снарядами пушки использовались для обстрела врага пушечными ядрами.Солдаты, управляющие пушкой, должны были иметь возможность быстро и эффективно добраться до пушечных ядер. Для этой цели хорошо подошло такое устройство, как пирамида.

Кристаллические структуры металлов

Когда одинаковые сферы складываются в стопку, каждый последующий слой помещается в небольшие пространства, где соединяются разные сферы. Такое упорядоченное и регулярное расположение металлических шариков сводит к минимуму свободное пространство между ними. Самая плотная упаковка – это наиболее эффективное расположение шаров.Атомы металлического кристалла расположены по похожей схеме, называемой плотноупакованными структурами. Чистые металлы принимают одну из нескольких связанных плотноупакованных структур, как показано ниже.

Рисунок 8.18

Для большинства чистых металлов естественным образом применяется одна из этих трех наиболее плотных упаковок.

Слева – объемно-центрированная кубическая (ОЦК) структура. В этом кристалле атомы металла занимают восемь углов куба вместе с одним атомом в самом центре.Координационное число каждого атома в объемно-центрированной кубической структуре равно 8. В гранецентрированной кубической (ГЦК) структуре имеется восемь атомов в каждом углу куба и шесть атомов в центре каждой грани. Координационное число каждого атома в гранецентрированной кубической структуре равно 12. Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) структура также имеет координационное число 12, но кристаллы этого типа имеют гексагональную форму, а не кубическую.

Сводка

Атомы металлического кристалла расположены в плотноупакованные структуры.
Этот тип структуры минимизирует пустое пространство между атомами.

Практика

Вопросы

Воспользуйтесь ссылкой ниже, чтобы ответить на следующие вопросы:

http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch23/structure.php

Является ли простая кубическая упаковка эффективным способом складывать сферы?
Какое координационное число у объемно-центрированной кубической укладки?
Какой способ складывания сфер наиболее эффективен?
Сколько места заполнено этой структурой?

Обзор

Вопросы

Какое наиболее эффективное расположение сфер?
Какое координационное число гранецентрированной кубической структуры?
Какая еще структура имеет координационное число 12?

ближайшая упаковка: Максимально эффективное расположение шаров.

Вопросы металлургии: Структура металла

Когда вы думаете о расплавленном металле, имейте в виду пару моментов. Во-первых, тепло перетекает в холод – всегда. И это становится более понятным, если учесть, что теплые атомы движутся быстрее, чем холодные. И эти быстро движущиеся атомы сталкиваются с другими атомами, заставляя их двигаться быстро.

Кроме того, чем теплее металл или любой материал, тем быстрее движутся атомы, составляющие этот металл.Да, существуют внутренние притяжения, которые помогают удерживать атомы в луже, не позволяя им просто испаряться, но факт в том, что если они будут двигаться достаточно быстро, то есть достаточно нагреваются, они в конечном итоге испарятся, как водород и кислород. делать, когда вода закипает.

Когда тепловая энергия передается другой части, атомы отдают энергию, замедляясь и охлаждаясь. При испарении остается вода в виде пара.

Когда расплавленный металл охлаждается, атомные силы начинают притягивать или заставлять атомы превращаться в твердые частицы, называемые ядрами, которые принимают определенные и идентифицируемые кристаллические структуры.Поскольку ядра имеют кристаллическую структуру металла, к ядрам присоединяются дополнительные атомы. По мере того, как эти ядра становятся больше, они образуют зерна. Такое упорядоченное расположение атомов называется решеткой.

Но по мере того, как металл затвердевает и зерна растут, они растут независимо друг от друга, что означает, что в конечном итоге эти различные области растущих зерен должны встретиться. Когда они это делают, расположение атомов в зеренной структуре нарушается в этой точке встречи. Это называется границей зерен.Границы зерен образуют непрерывную сеть по всему металлу, и из-за нарушенной структуры на границе металл часто по-разному действует в местах границ.

Помимо границ зерен, каждое зерно в чистом металле имеет ту же кристаллическую структуру, что и любое другое зерно, при той же температуре. Эта структура, которую можно идентифицировать под микроскопом, оказывает огромное влияние на характеристики металла.

Обычные кристаллические структуры

Для наших целей все металлы и сплавы являются твердыми кристаллическими веществами, хотя некоторые металлы были сформированы в лаборатории без кристаллической структуры.И большинство металлов принимают одну из трех различных решетчатых или кристаллических структур по мере их образования: объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) или гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Расположение атомов для каждой из этих структур показано на Рис. 1 .

Рисунок 1
Три кристаллические структуры, которым отдают предпочтение металлы: (а) объемно-центрированная кубическая (ОЦК), (б) гранецентрированная кубическая (ГЦК) и (в) гексагональная плотноупакованная (HCP).

Ряд металлов показан ниже с указанием их кристаллической структуры при комнатной температуре. И для справки: да, есть вещества без кристаллической структуры при комнатной температуре; например, стекло и силикон.

Алюминий – FCC

Хром – BCC

Медь – FCC

Железо (альфа) – FCC

Железо (гамма) – BCC

Железо (дельта) – BCC

Свинец – FCC

Серебро – FCC

Титан – HCP

Вольфрам – BCC

Цинк – HCP

Сплавы и атомное расположение

Все, что было описано до сих пор, относится к чистым металлам, что вызывает вопрос: что происходит, когда вы добавляете сплав или два? В конце концов, наиболее распространенные металлы – это сплавы, содержащие остаточные и добавленные металлические и неметаллические элементы, растворенные в основном металле.

Конечно, эти добавленные элементы могут существенно повлиять на свойства получаемого сплава. Но то, как эти элементы растворяются, или, другими словами, как они соединяются с существующими атомами в кристаллической решетке исходного металла, также может сильно влиять как на физические, так и нефизические свойства конечного продукта.

По сути, существует два способа соединения легирующего элемента (элементов), называемого растворенными веществами, с основным или исходным металлом, который также называют растворителем. Атомы сплава могут объединяться либо путем прямого замещения, создавая твердый раствор замещения, либо они могут объединяться между собой, образуя твердый раствор внедрения.

Замещающий твердый раствор. Когда атомы сплава похожи на атомы исходного металла, они просто заменят некоторые из атомов исходного металла в решетке. Новый металл растворяется в основном металле с образованием твердого раствора. Примеры включают медь, растворенную в никеле, золото, растворенное в серебре, и углерод, растворенный в железе (феррит).

Промежуточный твердый раствор. Когда атомы сплава меньше, чем атомы исходного металла, они помещаются между атомами в решетке исходного металла.Атомы сплава не занимают узлы решетки и не заменяют ни один из исходных атомов. Конечно, это вызывает напряжение в кристаллической структуре, потому что соответствие не идеальное: есть атомы, занимающие пространство, которое изначально было незанятым.

Конечным результатом обычно является увеличение прочности на разрыв и уменьшение удлинения. Примеры включают небольшие количества меди, растворенной в алюминии и углероде, и азота, растворенного в железе и других металлах.

Фазы, микроструктуры и фазовые изменения

Часто ни прямой раствор, ни раствор внедрения не могут полностью растворить все добавленные атомы.И когда это происходит, в результате возникают смешанные атомные группировки. Другими словами, в одном и том же сплаве существуют разные кристаллические структуры. Каждая из этих различных структур называется фазой, а сплав, который представляет собой смесь этих различных кристаллических структур, называется многофазным сплавом.

Эти различные фазы можно различить под микроскопом при полировке и травлении сплава. Перлит – хороший пример многофазного сплава из семейства углерод-железо.

Фазы, присутствующие в сплаве, наряду с общим расположением зерен и границами зерен, объединяются, чтобы сформировать микроструктуру сплава.И микроструктура сплава имеет решающее значение, поскольку в значительной степени отвечает как за физические, так и за механические свойства этого сплава.

Например, поскольку граничные области замерзают последними при охлаждении сплава, границы зерен содержат атомы с более низкой точкой плавления по сравнению с атомами внутри зерен. Эти инородные атомы вызывают искажение микроструктуры и упрочняют сплав при комнатной температуре. Но с повышением температуры прочность сплава снижается, потому что эти атомы с более низкой температурой плавления начинают плавиться раньше, позволяя проскальзывать между зернами.

Кроме того, посторонние атомы или атомы нестандартного размера имеют тенденцию собираться на границах зерен, потому что атомная структура нерегулярна. Это может привести к образованию фаз, которые снижают пластичность и приводят к растрескиванию во время сварки.

Подумайте об этом: холодная обработка металла искажает всю его микроструктуру. Конечным результатом в большинстве случаев является то, что металл становится тверже. Атомы легирующего элемента искажают микроструктуру металла, и металл снова становится тверже. То же самое верно для атомов сплава, которые растворяются в основном металле, а затем выпадают в осадок.Атомы уходят, но искажение остается, и металл тверже.

Размер зерна также важен. Вообще говоря, мелкозернистые металлы обладают лучшими свойствами при комнатной температуре. А размер определяется скоростью охлаждения. Быстрое охлаждение приводит к уменьшению зерен, и наоборот. Но факт в том, что размер зерна, структура границ зерен и присутствующие фазы важны. В целом, эти характеристики в совокупности определяют возможности и полезность металла.

Короче говоря, общая микроструктура металла определяет его характеристики.Сегодня почти каждый металл, который мы используем, представляет собой сплав с одним или несколькими элементами, добавленными для модификации, корректировки, исправления или изменения микроструктуры основного металла, создавая многофазную систему, которая может лучше удовлетворить наши потребности. И каждый раз, когда мы прикладываем резак к металлу, мы вызываем фазовый переход и влияем на его микроструктуру.

Это должно дать вам общее представление о структуре металлов и о том, что происходит, когда мы плавим их для сваривания. В следующий раз мы рассмотрим фазовые превращения, содержание углерода, упрочнение, взаимосвязь между аустенитом и мартенситом и влияние сварки на металлургическую структуру.

10.6 Структуры решеток в кристаллических твердых телах – химия

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Опишите расположение атомов и ионов в кристаллических структурах
Вычислить ионные радиусы, используя размеры элементарной ячейки
Объяснить использование измерений дифракции рентгеновских лучей для определения кристаллических структур

Более 90% твердых веществ природного и антропогенного происхождения являются кристаллическими.Большинство твердых веществ образуются с регулярным расположением своих частиц, потому что общее притягивающее взаимодействие между частицами максимизируется, а общая межмолекулярная энергия сводится к минимуму, когда частицы упаковываются наиболее эффективным образом. Регулярное расположение на атомном уровне часто отражается на макроскопическом уровне. В этом модуле мы исследуем некоторые детали структур металлических и ионных кристаллических твердых тел и узнаем, как эти структуры определяются экспериментально.

Мы начнем обсуждение кристаллических твердых тел с рассмотрения элементарных металлов, которые относительно просты, поскольку каждый содержит только один тип атомов. Чистый металл – это кристаллическое твердое тело, атомы которого плотно упакованы в повторяющийся узор. Некоторые свойства металлов в целом, такие как их пластичность и пластичность, во многом обусловлены наличием одинаковых атомов, расположенных в правильном порядке. Различные свойства одного металла по сравнению с другим частично зависят от размеров их атомов и особенностей их пространственного расположения.В следующих разделах мы исследуем сходства и различия четырех наиболее распространенных геометрических форм металлических кристаллов.

Структуру кристаллического твердого вещества, будь то металл или нет, лучше всего описать, рассматривая его простейшую повторяющуюся единицу, которая упоминается как ее элементарная ячейка . Элементарная ячейка состоит из узлов решетки, которые представляют расположение атомов или ионов. Вся структура состоит из этой элементарной ячейки, повторяющейся в трех измерениях, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Элементарная ячейка показывает расположение точек решетки, повторяющихся во всех направлениях.

Давайте начнем наше исследование структуры кристаллической решетки и элементарных ячеек с самой простой структуры и самой простой элементарной ячейки. Чтобы визуализировать это, представьте, что вы берете большое количество одинаковых сфер, таких как теннисные мячи, и равномерно размещаете их в контейнере. Самый простой способ сделать это – создать слои, в которых сферы в одном слое находятся прямо над сферами в слое ниже, как показано на рисунке 2.Эта конструкция называется простой кубической структурой , а элементарная ячейка называется простой кубической элементарной ячейкой или примитивной кубической элементарной ячейкой.

Рис. 2. Когда атомы металла расположены сферами в одном слое непосредственно над или под сферами в другом слое, структура решетки называется простой кубической. Обратите внимание, что сферы соприкасаются.

В простой кубической структуре сферы не упакованы так плотно, как могли бы, и они «заполняют» только около 52% объема контейнера.Это относительно неэффективное устройство, и только один металл (полоний, Po) кристаллизуется в простой кубической структуре. Как показано на рисунке 3, твердое тело с таким расположением состоит из плоскостей (или слоев), в которых каждый атом контактирует только с четырьмя ближайшими соседями в своем слое; один атом прямо над ним в верхнем слое; и один атом прямо под ним в слое ниже. Число других частиц, с которыми контактирует каждая частица в кристаллическом твердом теле, известно как его координационное число .Следовательно, для атома полония в простом кубическом массиве координационное число равно шести.

Рис. 3. Атом в простой структуре кубической решетки контактирует с шестью другими атомами, поэтому его координационное число равно шести.

В простой кубической решетке элементарная ячейка, повторяющаяся во всех направлениях, представляет собой куб, определяемый центрами восьми атомов, как показано на рисунке 4. Атомы в соседних углах этой элементарной ячейки контактируют друг с другом, поэтому длина ребра этой ячейки ячейка равна двум атомным радиусам или одному атомному диаметру.Кубическая элементарная ячейка содержит только те части этих атомов, которые находятся в ней. Поскольку атом в углу простой кубической элементарной ячейки состоит в общей сложности из восьми элементарных ячеек, только одна восьмая этого атома находится в конкретной элементарной ячейке. И поскольку каждая простая кубическая элементарная ячейка имеет по одному атому в каждом из восьми «углов», в одной простой кубической ячейке находится [латекс] 8 \; \ times \; \ frac {1} {8} = 1 [/ latex] атом ячейка.

Рис. 4. Простая элементарная ячейка кубической решетки содержит одну восьмую атома в каждом из восьми углов, так что всего она содержит один атом.

Пример 1

Расчет атомного радиуса и плотности металлов, часть 1
Длина края элементарной ячейки альфа-полония составляет 336 мкм.

(а) Определите радиус атома полония.

(b) Определите плотность альфа-полония.

Раствор
Альфа-полоний кристаллизуется в простой кубической элементарной ячейке:

(a) Два соседних атома По контактируют друг с другом, поэтому длина края этой ячейки равна двум атомным радиусам По: l = 2 r .Следовательно, радиус Po равен [latex] r = \ frac {\ text {l}} {2} = \ frac {336 \; \ text {pm}} {2} = 168 \; \ text {pm} [ /латекс].

(b) Плотность определяется как [латекс] \ text {density} = \ frac {\ text {mass}} {\ text {volume}} [/ latex]. Плотность полония можно определить, определив плотность его элементарной ячейки (масса, содержащаяся в элементарной ячейке, деленная на объем элементарной ячейки). Поскольку элементарная ячейка По содержит одну восьмую атома По в каждом из восьми углов, элементарная ячейка содержит один атом По.

Массу элементарной ячейки По можно найти по формуле:

[латекс] 1 \; \ text {Po \; unit \; cell} \; \ times \; \ frac {1 \; \ text {Po \; atom}} {1 \; \ text {Po \; unit \; cell}} \; \ times \; \ frac {1 \; \ text {mol \; Po}} {6.3 [/ латекс]

Поскольку фактическая плотность Ni не близка к этой, Ni не имеет простой кубической структуры.

Большинство металлических кристаллов являются одним из четырех основных типов элементарных ячеек. На данный момент мы сосредоточимся на трех кубических элементарных ячейках: простая кубическая (которые мы уже видели), объемноцентрированная кубическая элементарная ячейка , и , гранецентрированная кубическая элементарная ячейка , все из которых показаны на рисунке 5. (Обратите внимание, что на самом деле существует семь различных систем решеток, некоторые из которых имеют более одного типа решетки, всего 14 различных типов элементарных ячеек.Мы оставляем более сложные геометрические формы на потом в этом модуле.)

Рис. 5. Кубические элементарные ячейки металлов показывают (на верхних рисунках) расположение узлов решетки и (на нижних рисунках) атомов металла, расположенных в элементарной ячейке.

Некоторые металлы кристаллизуются в структуре, которая имеет кубическую элементарную ячейку с атомами во всех углах и атомом в центре, как показано на рисунке 6. Это называется объемно-центрированным кубическим (ОЦК) твердым телом . Атомы в углах элементарной ячейки ОЦК не контактируют друг с другом, а контактируют с атомом в центре.Элементарная ячейка BCC содержит два атома: по одной восьмой атома в каждом из восьми углов ([latex] 8 \; \ times \; \ frac {1} {8} = 1 [/ latex] атом от углов) плюс один атом от центра. Любой атом в этой структуре касается четырех атомов в слое над ним и четырех атомов в слое под ним. Таким образом, атом в структуре ОЦК имеет координационное число восемь.

Рис. 6. В объемно-центрированной кубической структуре атомы в определенном слое не касаются друг друга. Каждый атом касается четырех атомов в слое выше и четырех атомов в слое ниже.

Атомы в структурах BCC упакованы намного эффективнее, чем в простой кубической структуре, занимая около 68% от общего объема. Изоморфные металлы со структурой BCC включают K, Ba, Cr, Mo, W и Fe при комнатной температуре. (Элементы или соединения, которые кристаллизуются с одинаковой структурой, считаются изоморфными .)

Многие другие металлы, такие как алюминий, медь и свинец, кристаллизуются в структуре, которая имеет кубическую элементарную ячейку с атомами во всех углах и в центре каждой грани, как показано на рисунке 7.Такое расположение называется гранецентрированным кубическим телом (ГЦК) . Элементарная ячейка FCC содержит четыре атома: по одной восьмой атома в каждом из восьми углов ([latex] 8 \; \ times \; \ frac {1} {8} = 1 [/ latex] атом от углов) и по половине атома на каждой из шести граней ([latex] 6 \; \ times \; \ frac {1} {2} = 3 [/ latex] атома от граней). Атомы в углах касаются атомов в центрах соседних граней по диагоналям граней куба. Поскольку атомы находятся в идентичных узлах решетки, они имеют идентичное окружение.

Рис. 7. Гранецентрированное кубическое твердое тело имеет атомы в углах и, как следует из названия, в центрах граней его элементарных ячеек.

Атомы в системе ГЦК упакованы как можно ближе друг к другу, причем атомы занимают 74% объема. Эта структура также называется кубической плотнейшей упаковки (ГПК) . В CCP есть три повторяющихся слоя гексагонально расположенных атомов. Каждый атом контактирует с шестью атомами в своем собственном слое, с тремя в слое выше и с тремя в слое ниже.В этом расположении каждый атом касается 12 ближайших соседей и, следовательно, имеет координационное число 12. Тот факт, что устройства FCC и CCP эквивалентны, может быть не сразу очевиден, но почему они на самом деле являются одной и той же структурой, показано на рисунке 8.

Рис. 8. Компоновка CCP состоит из трех повторяющихся слоев (ABCABC…) гексагонально расположенных атомов. Атомы в структуре CCP имеют координационное число 12, потому что они контактируют с шестью атомами в своем слое, плюс три атома в слое выше и три атома в слое ниже.Поворачивая перспективу, мы видим, что структура CCP имеет элементарную ячейку с гранью, содержащей атом из слоя A в одном углу, атомы из слоя B по диагонали (в двух углах и в середине лица) и атом из слоя C в оставшемся углу. Это то же самое, что и гранецентрированное кубическое расположение.

Поскольку более тесная упаковка максимизирует общее притяжение между атомами и минимизирует общую межмолекулярную энергию, атомы в большинстве металлов упаковываются таким образом. Мы находим два типа плотнейшей упаковки в простых металлических кристаллических структурах: CCP, с которой мы уже сталкивались, и гексагональная плотнейшая упаковка (HCP) , показанная на рисунке 9.Оба состоят из повторяющихся слоев гексагонально расположенных атомов. В обоих типах второй слой (B) размещается на первом слое (A), так что каждый атом во втором слое контактирует с тремя атомами в первом слое. Третий слой размещается одним из двух способов. В HCP атомы в третьем слое находятся непосредственно над атомами в первом слое (т. Е. Третий слой также относится к типу A), а наложение состоит из чередующихся плотноупакованных слоев типа A и типа B (то есть ABABAB). В CCP атомы в третьем слое не находятся над атомами ни в одном из первых двух слоев (т.е.е., третий слой относится к типу C), а наложение состоит из чередующихся плотно упакованных слоев типа A, типа B и типа C (т. е. ABCABCABC). Около двух третей всех металлов кристаллизуются в плотноупакованных массивах с координационным числом 12. Металлы, которые кристаллизуются в структуре HCP, включают Cd, Co, Li, Mg, Na и Zn, а металлы, которые кристаллизуются в структуре CCP, включают Ag , Al, Ca, Cu, Ni, Pb и Pt.

Рис. 9. В обоих типах плотнейшей упаковки атомы упакованы максимально компактно.Гексагональная плотнейшая упаковка состоит из двух чередующихся слоев (ABABAB…). Плотнейшая кубическая упаковка состоит из трех чередующихся слоев (ABCABCABC…).

Пример 2

Расчет атомного радиуса и плотности металлов, часть 2
Кальций кристаллизуется в гранецентрированной кубической структуре. Длина ребра его элементарной ячейки составляет 558,8 пм.

(а) Каков атомный радиус Са в этой структуре?

(b) Рассчитайте плотность Ca.

Раствор

(a) В структуре ГЦК атомы Са контактируют друг с другом по диагонали грани, поэтому длина диагонали равна четырем атомным радиусам Са (d = 4 r ).2} {16}} = 197,6 \; \ text {pmg \; для \; a \; Ca \; radius} [/ latex].

(b) Плотность определяется как [латекс] \ text {density} = \ frac {\ text {mass}} {\ text {volume}} [/ latex]. Плотность кальция можно определить, определив плотность его элементарной ячейки: например, массу, содержащуюся в элементарной ячейке, деленную на объем элементарной ячейки. Гранецентрированная элементарная ячейка Са имеет одну восьмую атома в каждом из восьми углов ([латекс] 8 \; \ times \; \ frac {1} {8} = 1 [/ латекс] атом) и один – половина атома на каждой из шести граней [латекс] 6 \; \ times \; \ frac {1} {2} = 3 [/ latex]), всего четыре атома в элементарной ячейке.3 [/ латекс]

Проверьте свои знания
Серебро кристаллизуется в структуре FCC. Длина ребра его элементарной ячейки 409 мкм.

(а) Каков атомный радиус Ag в этой структуре?

(б) Рассчитайте плотность Ag.

Ответ:

(а) 144 вечера; (б) 10,5 г / см ³

В общем случае элементарная ячейка определяется длиной трех осей ( a , b и c ) и углами ( α , β и γ ) между ними, как проиллюстрировано на рисунке 10.Оси определяются как длины между точками пространственной решетки. Следовательно, оси элементарной ячейки соединяют точки с идентичной средой.

Рис. 10. Элементарная ячейка определяется длиной трех ее осей ( a , b и c ) и углами ( α , β и γ ) между топоры.

Существует семь различных систем решеток, некоторые из которых имеют более одного типа решетки, всего четырнадцать различных элементарных ячеек, которые имеют форму, показанную на рисунке 11.

Рис. 11. Существует семь различных систем решеток и 14 различных элементарных ячеек.

Ионные кристаллы состоят из двух или более различных типов ионов, которые обычно имеют разные размеры. Упаковка этих ионов в кристаллическую структуру более сложна, чем упаковка атомов металла того же размера.

Большинство одноатомных ионов ведут себя как заряженные сферы, и их притяжение к ионам противоположного заряда одинаково во всех направлениях. Следовательно, стабильные структуры для ионных соединений возникают (1), когда ионы одного заряда окружены как можно большим количеством ионов противоположного заряда, и (2) когда катионы и анионы контактируют друг с другом.Структуры определяются двумя основными факторами: относительными размерами ионов и соотношением количества положительных и отрицательных ионов в соединении.

В простых ионных структурах мы обычно находим анионы, которые обычно больше, чем катионы, расположенные в виде плотноупакованного массива. (Как было замечено ранее, дополнительные электроны, притянутые к одному и тому же ядру, делают анионы больше, а меньшее количество электронов, притягиваемых к тому же ядру, делает катионы меньше по сравнению с атомами, из которых они образованы.Катионы меньшего размера обычно занимают один из двух типов отверстий (или пустот), оставшихся между анионами. Меньшее из отверстий находится между тремя анионами в одной плоскости и одним анионом в соседней плоскости. Четыре аниона, окружающие это отверстие, расположены по углам тетраэдра, поэтому отверстие называется тетраэдрическим отверстием . Дыра большего размера находится в центре шести анионов (три в одном слое и три в соседнем слое), расположенных в углах октаэдра; это называется октаэдрическим отверстием .На рисунке 12 показаны оба этих типа отверстий.

Рис. 12. Катионы могут занимать два типа дырок между анионами: октаэдрические дырки или тетраэдрические дырки.

В зависимости от относительных размеров катионов и анионов, катионы ионного соединения могут занимать тетраэдрические или октаэдрические дырки, как показано на рисунке 13. Относительно небольшие катионы занимают тетраэдрические дырки, а более крупные катионы занимают октаэдрические дырки. Если катионы слишком велики, чтобы поместиться в октаэдрические отверстия, анионы могут принять более открытую структуру, такую как простой кубический массив.Тогда более крупные катионы могут занять большие кубические отверстия, что стало возможным благодаря более открытому пространству.

Рис. 13. Размер катиона и форма отверстия, занимаемого соединением, напрямую связаны.

Есть две тетраэдрические дырки для каждого аниона в массиве анионов HCP или CCP. Соединение, которое кристаллизуется в виде плотноупакованного массива анионов с катионами в тетраэдрических отверстиях, может иметь максимальное соотношение катион: анион 2: 1; все тетраэдрические отверстия заполнены при этом соотношении.Примеры включают Li ₂ O, Na ₂ O, Li ₂ S и Na ₂ S. Соединения с соотношением менее 2: 1 также могут кристаллизоваться в виде плотноупакованного массива анионов с катионами. в тетраэдрических отверстиях, если подходят ионные размеры. Однако в этих соединениях часть тетраэдрических дырок остается вакантной.

Пример 3

Заполнение четырехгранных отверстий
Сульфид цинка является важным промышленным источником цинка, а также используется в качестве белого пигмента в красках.Сульфид цинка кристаллизуется с ионами цинка, занимающими половину тетраэдрических дырок в плотноупакованном массиве сульфид-ионов. Какая формула сульфида цинка?

Раствор
Поскольку на каждый анион (сульфид-ион) приходится две тетраэдрических дырки и половина этих дырок занята ионами цинка, должен быть [латекс] \ frac {1} {2} \; \ times \; 2 [/ латекс], или 1 ион цинка на ион сульфида. Таким образом, формула ZnS.

Проверьте свои знания
Селенид лития можно описать как плотнейшую упаковку ионов селенида с ионами лития во всех тетраэдрических отверстиях.Какая у него формула селенида лития?

Отношение октаэдрических дырок к анионам в структуре HCP или CCP составляет 1: 1. Таким образом, соединения с катионами в октаэдрических дырках в плотноупакованном массиве анионов могут иметь максимальное соотношение катион: анион 1: 1. Например, в NiO, MnS, NaCl и KH все октаэдрические отверстия заполнены. Отношения менее 1: 1 наблюдаются, когда некоторые из октаэдрических отверстий остаются пустыми.

Пример 4

Стехиометрия ионных соединений
Сапфир – это оксид алюминия.Оксид алюминия кристаллизуется с ионами алюминия в двух третях октаэдрических отверстий в плотноупакованном массиве оксидных ионов. Какая формула оксида алюминия?

Раствор
Поскольку на каждый анион (оксидный ион) приходится одна октаэдрическая дырка и только две трети этих дырок заняты, отношение алюминия к кислороду должно быть [латекс] \ frac {2} {3}: 1 [ / latex], что даст [латекс] \ text {Al} _ {2/3} \ text {O} [/ latex]. Простейшее целочисленное отношение 2: 3, поэтому формула Al ₂ O ₃.

Проверьте свои знания
Белый пигмент оксида титана кристаллизуется с ионами титана в половине октаэдрических отверстий в плотноупакованном массиве оксидных ионов. Какая формула оксида титана?

В простом кубическом массиве анионов есть одно кубическое отверстие, которое может быть занято катионом для каждого аниона в массиве. В CsCl и других соединениях с такой же структурой все кубические дырки заняты. Половина кубических дырок занята в SrH ₂, UO ₂, SrCl ₂ и CaF ₂.

Различные типы ионных соединений часто кристаллизуются в одной и той же структуре, если относительные размеры их ионов и их стехиометрия (две основные характеристики, определяющие структуру) схожи.

Многие ионные соединения кристаллизуются с кубическими элементарными ячейками, и мы будем использовать эти соединения для описания общих особенностей ионных структур.

Когда ионное соединение состоит из катионов и анионов одинакового размера в соотношении 1: 1, оно обычно образует простую кубическую структуру.Примером этого является хлорид цезия, CsCl (проиллюстрированный на Фигуре 14), причем Cs ⁺ и Cl ^– имеют радиусы 174 и 181 мкм соответственно. Мы можем представить это как ионы хлорида, образующие простую кубическую элементарную ячейку с ионом цезия в центре; или в виде ионов цезия, образующих элементарную ячейку с ионом хлорида в центре; или в виде простых кубических элементарных ячеек, образованных ионами Cs ⁺, перекрывающими элементарные ячейки, образованные ионами Cl ^–. Ионы цезия и ионы хлора соприкасаются по диагоналям тела элементарных ячеек.Один ион цезия и один ион хлорида присутствуют в элементарной ячейке, что дает стехиометрию 1: 1, требуемую формулой для хлорида цезия. Обратите внимание, что в центре ячейки нет точки решетки, и CsCl не является структурой BCC, потому что ион цезия не идентичен иону хлорида.

Рис. 14. Ионные соединения с катионами и анионами аналогичного размера, такие как CsCl, обычно образуют простую кубическую структуру. Их можно описать элементарными ячейками с катионами по углам или анионами по углам.

Мы сказали, что расположение точек решетки произвольно. Это иллюстрируется альтернативным описанием структуры CsCl, в которой узлы решетки расположены в центрах ионов цезия. В этом описании ионы цезия расположены в точках решетки в углах ячейки, а ион хлора расположен в центре ячейки. Две элементарные ячейки разные, но они описывают идентичные структуры.

Когда ионное соединение состоит из катионов и анионов в соотношении 1: 1, которые значительно различаются по размеру, оно обычно кристаллизуется с помощью элементарной ячейки FCC, как показано на рисунке 15.Примером этого является хлорид натрия, NaCl, причем Na ⁺ и Cl ^– имеют радиусы 102 и 181 мкм соответственно. Мы можем представить это как ионы хлора, образующие ячейку FCC, причем ионы натрия расположены в октаэдрических отверстиях в середине краев ячейки и в центре ячейки. Ионы натрия и хлора соприкасаются друг с другом по краям ячейки. Элементарная ячейка содержит четыре иона натрия и четыре иона хлорида, что дает стехиометрию 1: 1, требуемую формулой NaCl.

Рис. 15. Ионные соединения с анионами, которые намного крупнее катионов, например NaCl, обычно образуют структуру ГЦК. Их можно описать элементарными ячейками ГЦК с катионами в октаэдрических дырках.

Кубическая форма сульфида цинка, цинковая обманка, также кристаллизуется в элементарной ячейке FCC, как показано на рисунке 16. Эта структура содержит ионы сульфида в узлах решетки решетки FCC. (Расположение сульфид-ионов идентично расположению хлорид-ионов в хлориде натрия.) Радиус иона цинка составляет всего около 40% от радиуса сульфид-иона, поэтому эти маленькие ионы Zn ²⁺ расположены в чередующихся тетраэдрических дырках, то есть в одной половине тетраэдрических дырок. В элементарной ячейке четыре иона цинка и четыре иона сульфида, что дает эмпирическую формулу ZnS.

Рис. 16. ZnS, сульфид цинка (или цинковая обманка) образует элементарную ячейку FCC с ионами сульфида в узлах решетки и гораздо меньшими ионами цинка, занимающими половину тетраэдрических отверстий в структуре.

Элементарная ячейка с фторидом кальция, подобная той, что показана на рисунке 17, также является элементарной ячейкой FCC, но в этом случае катионы расположены в точках решетки; эквивалентные ионы кальция расположены в узлах решетки ГЦК-решетки. Все тетраэдрические позиции в массиве ГЦК ионов кальция заняты ионами фтора. В элементарной ячейке четыре иона кальция и восемь ионов фтора, что дает соотношение кальций: фтор 1: 2 в соответствии с химической формулой CaF ₂. Внимательное изучение рисунка 17 покажет простой кубический массив ионов фтора с ионами кальция в одной половине кубических дырок.Структура не может быть описана в терминах пространственной решетки , состоящей из точек на фторид-ионах, потому что не все фторид-ионы имеют одинаковое окружение. Ориентация четырех ионов кальция относительно ионов фтора различается.

Рис. 17. Фторид кальция, CaF ₂, образует элементарную ячейку FCC с ионами кальция (зеленый) в узлах решетки и ионами фтора (красный), занимающими все тетраэдрические узлы между ними.

Если мы знаем длину края элементарной ячейки ионного соединения и положение ионов в ячейке, мы можем вычислить ионные радиусы для ионов в соединении, если мы сделаем предположения об индивидуальных формах ионов и контактах.

Пример 5

Расчет ионных радиусов
Длина края элементарной ячейки LiCl (NaCl-подобная структура, FCC) составляет 0,514 нм или 5,14 Å. Предполагая, что ион лития достаточно мал, чтобы ионы хлора контактировали, как на рисунке 15, рассчитайте ионный радиус для иона хлорида.

Примечание. Единица измерения длины, Å, часто используется для представления размеров в атомном масштабе и эквивалентна 10 ⁻¹⁰ м.

Раствор
На лицевой стороне элементарной ячейки LiCl ионы хлорида контактируют друг с другом по диагонали грани:

Рисуя прямоугольный треугольник на лицевой стороне элементарной ячейки, мы видим, что длина диагонали равна четырем радиусам хлорида (один радиус от каждого углового хлорида и один диаметр, равный двум радиусам, от иона хлорида в центре). грани), поэтому d = 4 r .{-} \; \ text {радиус} [/ латекс].

Проверьте свои знания
Длина края элементарной ячейки KCl (NaCl-подобная структура, FCC) составляет 6,28 Å. Предполагая, что анион-катионный контакт проходит по краю ячейки, рассчитайте радиус иона калия. Радиус хлорид-иона составляет 1,82 Å.

Ответ:

Радиус иона калия 1,33 Å.

Важно понимать, что значения ионных радиусов, рассчитанные из длин краев элементарных ячеек, зависят от множества предположений, таких как идеальная сферическая форма для ионов, которые в лучшем случае являются приблизительными.Следовательно, такие расчетные значения сами по себе являются приблизительными, и сравнения нельзя зайти слишком далеко. Тем не менее, этот метод оказался полезным для расчета ионных радиусов на основе экспериментальных измерений, таких как рентгеновские кристаллографические определения.

Размер элементарной ячейки и расположение атомов в кристалле можно определить из измерений дифракции рентгеновских лучей на кристалле, называемых рентгеновской кристаллографией . Дифракция – это изменение направления движения, которое испытывает электромагнитная волна, когда она встречает физический барьер, размеры которого сопоставимы с размерами длины волны света.Рентгеновские лучи – это электромагнитное излучение с длиной волны, равной расстоянию между соседними атомами в кристаллах (порядка нескольких Å).

Когда пучок монохроматических рентгеновских лучей попадает на кристалл, его лучи рассеиваются во всех направлениях атомами внутри кристалла. Когда рассеянные волны, распространяющиеся в одном направлении, сталкиваются друг с другом, они претерпевают интерференцию , процесс, посредством которого волны объединяются, приводя к увеличению или уменьшению амплитуды (интенсивности) в зависимости от степени, в которой максимумы объединяющихся волн находятся разделены (см. рисунок 18).

Рис. 18. Световые волны, занимающие одно и то же пространство, испытывают интерференцию, объединяясь, чтобы получить волны большей (а) или меньшей (б) интенсивности, в зависимости от разделения их максимумов и минимумов.

Когда рентгеновские лучи определенной длины волны, λ , рассеиваются атомами в соседних кристаллических плоскостях, разделенных расстоянием, d , они могут претерпевать конструктивную интерференцию, когда разница между расстояниями, пройденными двумя волнами до их комбинация представляет собой целочисленный коэффициент длины волны n .Это условие выполняется, когда угол дифрагированного луча, θ , связан с длиной волны и межатомным расстоянием уравнением:

[латекс] n {\ lambda} = 2d \; \ text {sin} \; {\ theta} [/ latex]

Это соотношение известно как уравнение Брэгга в честь У. Х. Брэгга , английского физика, который первым объяснил это явление. На рисунке 19 показаны два примера дифрагированных волн от одних и тех же двух плоскостей кристалла. На рисунке слева изображены волны, дифрагированные под углом Брэгга, приводящие к конструктивной интерференции, а на рисунке справа показаны дифракция и другой угол, который не удовлетворяет условию Брэгга, что приводит к деструктивной интерференции.

Рис. 19. Дифракция рентгеновских лучей, рассеянных атомами внутри кристалла, позволяет определить расстояние между атомами. Верхнее изображение показывает конструктивную интерференцию между двумя рассеянными волнами и результирующей дифрагированной волной высокой интенсивности. На нижнем изображении показаны деструктивная интерференция и дифрагированная волна низкой интенсивности.

Посетите этот сайт, чтобы получить более подробную информацию об уравнении Брэгга и симуляторе, который позволяет исследовать влияние каждой переменной на интенсивность дифрагированной волны.

Рентгеновский дифрактометр, такой как показанный на рисунке 20, может использоваться для измерения углов, под которыми рентгеновские лучи дифрагируют при взаимодействии с кристаллом, как описано ранее. Из таких измерений можно использовать уравнение Брэгга для вычисления расстояний между атомами, как показано в следующем примере упражнения.

Рис. 20. (a) В дифрактометре луч рентгеновских лучей попадает на кристаллический материал, создавая (b) картину дифракции рентгеновских лучей, которая может быть проанализирована для определения кристаллической структуры.

Пример 6

Использование уравнения Брэгга
В дифрактометре рентгеновские лучи с длиной волны 0,1315 нм использовались для получения дифракционной картины для меди. Дифракция первого порядка ( n = 1) произошла под углом θ = 25,25 °. Определите расстояние между дифрагирующими плоскостями в меди.

Решение
Расстояние между плоскостями находится путем решения уравнения Брэгга, nλ = 2 d sin θ , для d .{\ circ})} = 0,154 \; \ text {nm} [/ latex]

Проверьте свои знания
Кристалл с расстоянием между плоскостями, равным 0,394 нм, дифрагирует рентгеновские лучи с длиной волны 0,147 нм. Каков угол дифракции первого порядка?

Рентгеновский кристаллограф Розалинд Франклин

Открытие структуры ДНК в 1953 году Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном является одним из величайших достижений в истории науки. Они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 года вместе с Морисом Уилкинсом , предоставившим экспериментальное доказательство структуры ДНК.Британский химик Розалинда Франклин внесла неоценимый вклад в это грандиозное достижение своей работой по измерению рентгеновских дифракционных изображений ДНК. В начале своей карьеры исследования Франклин структуры углей оказались полезными для британских военных действий. В начале 1950-х годов Франклин и докторант Реймонд Гослинг переключили свое внимание на биологические системы и обнаружили, что ДНК состоит из двух форм: длинного тонкого волокна, образующегося при намокании (тип «B»), и короткого широкого волокна, образующегося при сушке ( введите”).Ее рентгеновские дифракционные изображения ДНК (рис. 21) предоставили важную информацию, которая позволила Уотсону и Крику подтвердить, что ДНК образует двойную спираль, и определить детали ее размера и структуры. Франклин также провел новаторское исследование вирусов и РНК, содержащей их генетическую информацию, обнаружив новую информацию, которая радикально изменила совокупность знаний в этой области. После развития рака яичников Франклин продолжала работать до своей смерти в 1958 году в возрасте 37 лет. Среди множества посмертных признаний ее работы Чикагская медицинская школа Финчского университета медицинских наук изменила свое название на Университет медицины и науки Розалинды Франклин в 2004 году. и приняла изображение ее знаменитого рентгеновского дифракционного изображения ДНК в качестве официального логотипа университета.

Рис. 21. На этой иллюстрации показано изображение дифракции рентгеновских лучей, подобное тому, которое Франклин нашла в своем исследовании. (Источник: Национальные институты здравоохранения)

Структуры кристаллических металлов и простых ионных соединений можно описать в терминах упаковки сфер. Атомы металла могут упаковываться в гексагональные структуры с плотнейшей упаковкой, кубические структуры с плотнейшей упаковкой, объемно-центрированные структуры и простые кубические структуры. Анионы в простых ионных структурах обычно принимают одну из этих структур, а катионы занимают пространство, остающееся между анионами.Маленькие катионы обычно занимают тетраэдрические дырки в плотноупакованном массиве анионов. Катионы большего размера обычно занимают октаэдрические отверстия. Катионы еще большего размера могут занимать кубические дырки в простом кубическом массиве анионов. Структуру твердого тела можно описать, указав размер и форму элементарной ячейки и ее содержимое. Тип структуры и размеры элементарной ячейки могут быть определены путем измерения дифракции рентгеновских лучей.

[латекс] n {\ lambda} = 2d \; \ text {sin} \; {\ theta} [/ latex]

Химия: упражнения в конце главы

Опишите кристаллическую структуру железа, которое кристаллизуется с двумя эквивалентными атомами металла в кубической элементарной ячейке.
Опишите кристаллическую структуру Pt, которая кристаллизуется с четырьмя эквивалентными атомами металла в кубической элементарной ячейке.
Какое координационное число атома хрома в объемноцентрированной кубической структуре хрома?
Какое координационное число атома алюминия в гранецентрированной кубической структуре алюминия?
Металлический кобальт кристаллизуется в гексагональной плотноупакованной структуре. Какое координационное число атома кобальта?
Металлический никель кристаллизуется в кубической плотноупакованной структуре.Какое координационное число атома никеля?
Вольфрам кристаллизуется в объемно-центрированной кубической элементарной ячейке с длиной ребра 3,165 Å.
(а) Каков атомный радиус вольфрама в этой структуре?
(б) Рассчитайте плотность вольфрама.
Платина (атомный радиус = 1,38 Å) кристаллизуется в кубической плотноупакованной структуре. Рассчитайте длину кромки гранецентрированной кубической элементарной ячейки и плотность платины.
Барий кристаллизуется в объемноцентрированной кубической элементарной ячейке с длиной ребра 5.025 Å
(а) Каков атомный радиус бария в этой структуре?
(б) Рассчитайте плотность бария.
Алюминий (атомный радиус 1,43 Å) кристаллизуется в кубической плотноупакованной структуре. Рассчитайте длину ребра гранецентрированной кубической элементарной ячейки и плотность алюминия.
Плотность алюминия 2,7 г / см ³; кремния 2,3 г / см ³. Объясните, почему Si имеет более низкую плотность, хотя в нем более тяжелые атомы.
Свободное пространство в металле может быть найдено путем вычитания объема атомов в элементарной ячейке из объема ячейки. Вычислите процент свободного пространства в каждой из трех кубических решеток, если все атомы в каждой имеют одинаковый размер и касаются своих ближайших соседей. Какая из этих структур представляет собой наиболее эффективную упаковку? То есть в каких упаковках меньше всего неиспользуемого места?
Сульфид кадмия, иногда используемый художниками в качестве желтого пигмента, кристаллизуется с кадмием, занимая половину тетраэдрических отверстий в плотно упакованном массиве сульфид-ионов.Какая формула сульфида кадмия? Поясните свой ответ.
Соединение кадмия, олова и фосфора используется в производстве некоторых полупроводников. Он кристаллизуется с кадмием, занимающим одну четверть тетраэдрических дырок, и оловом, занимающим одну четверть тетраэдрических дырок в плотно упакованном массиве фосфид-ионов. Какая формула соединения? Поясните свой ответ.
Какова формула магнитного оксида кобальта, используемого в записывающих лентах, который кристаллизуется с атомами кобальта, занимающими одну восьмую тетраэдрических дырок и половину октаэдрических дырок в плотно упакованном массиве оксидных ионов?
Соединение, содержащее цинк, алюминий и серу, кристаллизуется с плотной упаковкой сульфид-ионов.Ионы цинка находятся в одной восьмой тетраэдрических дырок, а ионы алюминия – в половине октаэдрических дырок. Какова эмпирическая формула соединения?
Соединение таллия и йода кристаллизуется в виде простого кубического массива иодид-ионов с ионами таллия во всех кубических отверстиях. Какая формула этого йодида? Поясните свой ответ.
Какой из следующих элементов реагирует с серой с образованием твердого тела, в котором атомы серы образуют плотноупакованный массив со всеми занятыми октаэдрическими отверстиями: Li, Na, Be, Ca или Al?
Каков массовый процент титана в рутиле, минерале, содержащем титан и кислород, если его структуру можно описать как плотно упакованный массив оксидных ионов с ионами титана в половине октаэдрических отверстий? Какова степень окисления титана?
Объясните, почему химически похожие хлориды щелочных металлов NaCl и CsCl имеют разную структуру, тогда как химически разные NaCl и MnS имеют одинаковую структуру.
Поскольку минералы образовались из расплавленной магмы, разные ионы занимали одни и те же участки в кристаллах. Литий часто встречается вместе с магнием в минералах, несмотря на разницу в заряде их ионов. Предложите объяснение.
Иодид рубидия кристаллизуется с кубической элементарной ячейкой, содержащей иодид-ионы по углам и ион рубидия в центре. Какая формула соединения?
Один из различных оксидов марганца кристаллизуется с кубической элементарной ячейкой, содержащей ионы марганца по углам и в центре.Ионы оксида расположены в центре каждого края элементарной ячейки. Какая формула соединения?
NaH кристаллизуется с той же кристаллической структурой, что и NaCl. Длина ребра кубической элементарной ячейки NaH составляет 4,880 Å.
(а) Рассчитайте ионный радиус H ^–. (Ионный радиус Li ⁺ составляет 0,0,95 Å.)
(b) Рассчитайте плотность NaH.
Иодид таллия (I) кристаллизуется с той же структурой, что и CsCl. Длина ребра элементарной ячейки TlI равна 4.20 Å. Рассчитайте ионный радиус TI ⁺. (Ионный радиус I ^– составляет 2,16 Å.)
Кубическая элементарная ячейка содержит ионы марганца по углам и ионы фтора в центре каждого края.
(а) Какова эмпирическая формула этого соединения? Поясните свой ответ.
(б) Каково координационное число иона Mn ³⁺?
(c) Рассчитайте длину края элементарной ячейки, если радиус иона Mn ³⁺ составляет 0,65 A.
(d) Рассчитайте плотность соединения.
Каково расстояние между плоскостями кристалла, которые дифрагируют рентгеновские лучи с длиной волны 1,541 нм под углом θ 15,55 ° (отражение первого порядка)?
Дифрактометр, использующий рентгеновские лучи с длиной волны 0,2287 нм, дает пик дифракции первого порядка для угла кристалла θ = 16,21 °. Определите расстояние между дифрагирующими плоскостями в этом кристалле.
Металл с расстоянием между плоскостями 0,4164 нм дифрагирует рентгеновские лучи с длиной волны 0.2879 нм. Каков угол дифракции для дифракционного пика первого порядка?
Золото кристаллизуется в кубической гранецентрированной элементарной ячейке. Отражение второго порядка (n = 2) рентгеновских лучей для плоскостей, составляющих вершину и основание элементарных ячеек, находится при θ = 22,20 °. Длина волны рентгеновского излучения составляет 1,54 Å. Какая плотность металлического золота?
Когда электрон в возбужденном атоме молибдена падает с L на K-оболочку, испускается рентгеновское излучение. Эти рентгеновские лучи дифрагируют под углом 7.75 ° плоскостями с расстоянием 2,64 Å. Какова разница в энергии между K-оболочкой и L-оболочкой в молибдене в предположении дифракции первого порядка?

Глоссарий

объемно-центрированная кубическая (ОЦК) сплошная: кристаллическая структура, которая имеет кубическую элементарную ячейку с точками решетки по углам и в центре ячейки

объемно-центрированная кубическая элементарная ячейка: простейших повторяющихся звеньев объемноцентрированного кубического кристалла; это куб, содержащий точки решетки в каждом углу и в центре куба

Уравнение Брэгга: Уравнение, связывающее углы, под которыми рентгеновские лучи дифрагируют атомами внутри кристалла

координационный номер: Число атомов, ближайших к любому данному атому в кристалле или к центральному атому металла в комплексе

плотнейшая кубическая упаковка (ПГУ): кристаллическая структура, в которой плоскости плотно упакованных атомов или ионов уложены в виде серии из трех чередующихся слоев с различной относительной ориентацией (ABC)

дифракция: перенаправление электромагнитного излучения, возникающее при встрече с физическим барьером соответствующих размеров

гранецентрированный кубический (FCC) твердый: Кристаллическая структура, состоящая из кубической элементарной ячейки с точками решетки по углам и в центре каждой грани

гранецентрированная кубическая элементарная ячейка: простейших повторяющихся звеньев гранецентрированного кубического кристалла; это куб, содержащий точки решетки в каждом углу и в центре каждой грани

Гексагональная плотная упаковка (HCP): Кристаллическая структура, в которой плотно упакованные слои атомов или ионов уложены в виде серии из двух чередующихся слоев с разной относительной ориентацией (AB)

отверстие: (также междоузлия) пространство между атомами внутри кристалла

изоморфный: с такой же кристаллической структурой

октаэдрическое отверстие: открытое пространство в кристалле в центре из шести частиц, расположенных по углам октаэдра

простая кубическая элементарная ячейка: (также примитивная кубическая элементарная ячейка) элементарная ячейка в простой кубической структуре

простая кубическая структура: кристаллическая структура с кубической элементарной ячейкой с узлами решетки только по углам

решетка пространственная: все точки в кристалле, которые имеют идентичное окружение

четырехгранное отверстие: тетраэдрическое пространство, образованное четырьмя атомами или ионами в кристалле

элементарная ячейка: Наименьшая часть пространственной решетки, которая повторяется в трех измерениях, образуя всю решетку

Рентгеновская кристаллография: экспериментальный метод определения расстояний между атомами в кристалле путем измерения углов, под которыми рентгеновские лучи дифрагируют при прохождении через кристалл

Решения

Ответы на упражнения в конце главы по химии

1.Структура этой низкотемпературной формы железа (ниже 910 ° C) является объемно-центрированной кубической. В каждом из восьми углов куба находится по одной восьмой атома, а в центре куба – по одному атому.

3. восемь

5. 12

7. (а) 1,370 Å; (б) 19,26 г / см

9. (а) 2,176 Å; (б) 3,595 г / см ³

11. Кристаллическая структура Si показывает, что он менее плотно упакован (координационное число 4) в твердом теле, чем Al (координационное число 12).

13.В наиболее плотно упакованном массиве для каждого аниона существуют две тетраэдрические дырки. Если занята только половина тетраэдрических дырок, количество анионов и катионов равно. Формула сульфида кадмия – CdS.

15. Co ₃ O ₄

17. В простом кубическом массиве только одно кубическое отверстие может быть занято катионом для каждого аниона в массиве. Соотношение таллия и йодида должно быть 1: 1; следовательно, формула таллия – TlI.

19 59,95%; Степень окисления титана +4.

21. Оба иона близки по размеру: Mg 0,65; Ли 0,60. Это сходство позволяет им легко обмениваться друг с другом. Разница в заряде обычно компенсируется переключателем Si ⁴⁺ на Al ³⁺.

23. Mn ₂ O ₃

25. 1,48 Å

27. 2,874 Å

29. 20.2 °

31. 1,74 × 10 ⁴ эВ

Кристаллическая структура металлов

Алюминий и свинец – легкий, устойчивый к коррозии материал, обычно используемый в аэрокосмической промышленности; другой – плотный, используется для блокирования рентгеновских лучей, токсичен для людей и является ужасным материалом для изготовления корпусов самолетов.Что может быть общего у этих двух невероятно разных металлов? Оба они имеют одинаковую атомно-кристаллическую структуру при комнатной температуре.

Материалы состоят из самых разных атомных структур. Однако, в частности, металлы почти всегда имеют свои атомы, организованные в структуру кристаллической решетки. Это означает, что атомы металлов расположены в трехмерном узоре, который повторяется на больших участках металла. Внутри группы кристаллической структуры существует ряд подгрупп, которые организуют форму этих кристаллических структур.Три наиболее распространенных кристаллических структуры в металле – это гранецентрированная кубическая, объемно-центрированная кубическая и гексагональная плотноупакованная.

Гранецентрированная кубическая

Одной из наиболее распространенных кристаллических структур является гранецентрированная кубическая (ГЦК). Кристаллическая структура FCC получила свое название от формы куба и расположения атомов внутри этого куба. Есть восемь атомов, которые распределены по восьми углам кристаллической структуры. Каждый из этих восьми атомов также является частью других смежных кубических структур.В дополнение к атомам, расположенным по углам структуры FCC, есть также шесть атомов, расположенных в центре каждой грани куба, отсюда и название гранецентрированный куб.

Существует много различных типов металлов с кристаллической структурой FCC. Два примера во введении, алюминий и свинец, представляют собой два металла, которые имеют структуру FCC при комнатной температуре. Никель и драгоценные металлы, такие как золото, платина и серебро, также имеют кристаллическую структуру FCC. Железо не имеет кристаллической структуры FCC при комнатной температуре, но при нагревании до определенной температуры типичная объемно-центрированная кубическая форма феррита, обнаруженная в железе, начинает превращаться в аустенит, который действительно имеет кристаллическую структуру FCC.Добавление в сталь определенных легирующих элементов (например, никеля) позволяет стали быть аустенитной и, следовательно, FCC при комнатной температуре. Примером этого является аустенитная нержавеющая сталь. (Подробнее читайте в статье «Введение в нержавеющие стали».)

Объемно-центрированная кубическая

Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) кристаллическая структура – еще один распространенный тип атомной структуры, встречающийся в металлах. Как и кристаллическая структура FCC, кристаллическая структура BCC получила свое название от своей формы.Кристаллическая структура BCC имеет форму куба с восемью атомами, распределенными по восьми углам, аналогично кристаллической структуре FCC. Что отличает кристаллическую структуру ОЦК, так это то, что вместо того, чтобы иметь атом на каждой из шести граней, она имеет только один атом внутри куба. Этот атом центрирован в теле куба, что и является причиной названия кубический с центром в теле.

Многие металлы имеют кристаллическую структуру BCC. Как упоминалось ранее, железо в ферритной форме является членом семейства металлов BCC.Под зонтиком кристаллической структуры ОЦК при комнатной температуре также подпадают ниобий, хром и ванадий. Калий, натрий, литий и другие щелочные металлы также обычно имеют кристаллическую структуру BCC.

Металлы с кристаллической структурой BCC обычно имеют меньшую прочность, чем металлы с кристаллической структурой FCC и HCP при комнатной температуре.

Гексагональная плотноупакованная

Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) – это кристаллическая структура, которая несколько более сложна, чем кристаллические структуры ГЦК и ОЦК.Если одну гексагональную плотноупакованную структуру отделить от соседних с ней других гексагональных плотноупакованных структур, она будет состоять из 17 атомов. Шесть атомов равномерно распределены по каждой вершине шестиугольника. Еще шесть атомов равномерно распределены по вершинам другого шестиугольника. Кроме того, в центре каждого из этих шестиугольников есть атом. Обе группы атомов в шестиугольниках выровнены друг с другом. Между этими двумя шестиугольниками зажата или упакована группа из трех атомов, которые не совпадают с атомами в любом из шестиугольников.Атомы в шестиугольниках являются общими с соседними структурами HCP.

Кристаллическая структура HCP встречается в нескольких различных металлах. Титан и кадмий – два наиболее часто используемых металла, которые имеют кристаллическую структуру HCP при комнатной температуре. Кобальт, цинк и цирконий – еще несколько хорошо известных примеров.

Кристаллическая структура HCP имеет несколько способов проскальзывания, что придает этим материалам высокую прочность, но, как правило, режим хрупкого разрушения.

Справочник по структуре стали

Справочник по структуре стали Жесткий- Наплавка, Строительство Слияние Сварка Углерод Сварка Цветной Металлы Обогрев & Нагревать Лечение Пайка Сварка Сварка Чугун Сварка Железо Металлы Пайка & Пайка Оборудование Настраивать Операция Оборудование Для OXY-Acet Состав из Сталь Механический Характеристики металлов Кислород & Ацетилен OXY-Acet Пламя Физический Характеристики металлов Как стали Находятся Секретный Расширение & Сокращение Подготовить Для Сварка OXY-Acet Сварка & Резка Безопасность Практики Руководство по эксплуатации Резка Кислород Резка по Машина Приложения Тестирование & Проверка 1 Структура стали В открытии главы 7 мы сказали, что одним из свойств металла была кристаллическая структура.Это означает просто что атомы в твердом теле расположены в регулярных повторяющихся узорах. Наименьшая группа атомов, определяющая расположение атомов в кристалле называется кристаллической решеткой. Известно множество различных структур решетки. В чистом железе однако есть только две формы, одна называется кубом с центром тела, другая называется гранецентрированным кубом. Их можно представить так: В жидкость, решетки нет.Все атомы жидкости постоянны, нерегулярное движение. Когда жидкость при охлаждении до температуры замерзания начинают формироваться кристаллы. На случай, если чистое железо, при температуре 1530 ⁰ C, что-то заставляет девять атомов собраться вместе в форме куба с центром в теле (по одному атому в каждом углу и один в центре), а остальные атомы затем начинают повторять узор вокруг куб. Сотни кристаллов начинают расти примерно в одно и то же время.Однако, поскольку каждый атом должен сдаться его энергия движения, когда он соединяется кристалл, замораживание не может происходить мгновенно. Масса жидкости должна передать эту избыточную энергию своему окружение, а это требует времени. Пока эта энергия теряется, конкуренция рост среди множества кристаллов происходит. Таким образом, когда замерзание закончилось, и каждый атом жидкости стал часть кристалла, сами кристаллы не скомпонованы по какой-либо общей схеме.Пусть чистое железо застынет и остудить, затем разрезать, отполировать и протравить поверхность среза и исследуйте эту поверхность под микроскопом. Затем мы можем сделать из нерегулярной коллекции то, что называют «зернами». Каждое зерно по сути представляет собой монокристалл. Продолжение на следующей странице … По центру лица (14 атомов) Тело По центру (9 атомов) Замораживание чистого железа

Справка по викторине: основы металлов

Используйте поиск, чтобы быстро найти ответы на вопросы – откройте окно поиска (ctrl + f), затем введите ключевое слово из вопроса, чтобы перейти к этим терминам в материале курса

Атомное соединение

Материя, как мы ее знаем, существует в трех общих состояниях.Эти три состояния – твердое, жидкое и газообразное. Атомные или молекулярные взаимодействия, происходящие внутри вещества, определяют его состояние. В этой главе мы будем иметь дело в первую очередь с твердыми телами, потому что твердые тела имеют наибольшее значение при инженерных приложениях материалов. Жидкости и газы будут упомянуты только для сравнения.

Твердое вещество удерживается вместе силами, возникающими между соседними атомами или молекулами. Эти силы возникают из-за различий в электронных облаках атомов.Другими словами, валентные электроны или электроны на внешней оболочке атомов определяют их притяжение для своих соседей. Когда физическое притяжение между молекулами или атомами материала велико, материал удерживается вместе. Молекулы в твердых телах тесно связаны между собой. Когда притяжение слабее, вещество может быть в жидкой форме и свободно течь. В газах практически отсутствуют силы притяжения между атомами или молекулами, а их частицы могут свободно перемещаться независимо друг от друга.

Типы связей в материале определяются тем, как силы удерживают материю вместе. На Рисунке 1 показано несколько типов облигаций, их характеристики перечислены ниже

a. Ионная связь – в этом типе связи один или несколько электронов полностью передаются от атома одного элемента к атому другого, и элементы удерживаются вместе силой притяжения из-за противоположной полярности заряда.

г. Ковалентная связь – связь, образованная общими электронами.Электроны разделяются, когда атому нужны электроны для завершения своей внешней оболочки, и он может делиться этими электронами со своим соседом. Тогда электроны являются частью обоих атомов, и обе оболочки заполнены.

г. Металлическая связь – в этом типе связи атомы не разделяют и не обмениваются электронами для связи друг с другом. Вместо этого многие электроны (примерно по одному на каждый атом) более или менее свободно перемещаются по металлу, так что каждый электрон может взаимодействовать со многими неподвижными атомами.

г. Молекулярная связь – когда электроны нейтральных атомов проводят больше времени в одной области своей орбиты, временный слабый заряд будет существовать.Молекула будет слабо притягивать другие молекулы. Иногда это называют ван-дер-ваальсовыми или молекулярными связями.

эл. Водородная связь – эта связь аналогична молекулярной связи и возникает из-за легкости, с которой атомы водорода готовы отдать электрон атомам кислорода, фтора или азота.

Таблица 1: Пример материалов и их связей

Тип связи не только определяет, насколько хорошо материал удерживается вместе, но также определяет, какими микроскопическими свойствами обладает материал.Такие свойства, как способность проводить тепло или электрический ток, определяются свободой движения электронов. Это зависит от типа склеивания. Знание микроскопической структуры материала позволяет нам предсказать, как этот материал будет вести себя в определенных условиях. И наоборот, материал может быть изготовлен синтетически с заданной микроскопической структурой, чтобы получить свойства, желательные для определенных технических приложений.

Рисунок 1: Типы связывания

Порядок в микроструктурах

Твердые тела обладают большим межатомным притяжением, чем жидкости и газы.Однако существуют большие различия в свойствах твердых материалов, используемых в инженерных целях. Свойства материалов зависят от их межатомных связей. Эти же связи также определяют пространство между конфигурациями атомов в твердых телах. Все твердые вещества можно разделить на аморфные или кристаллические.

Аморфный

Аморфные материалы не имеют регулярного расположения своих молекул. Такие материалы, как стекло и парафин, считаются аморфными. Аморфные материалы обладают свойствами твердых тел.Они имеют определенную форму и объем и медленно распространяются. У этих материалов также отсутствуют четко определенные точки плавления. Во многих отношениях они напоминают жидкости, которые очень медленно текут при комнатной температуре.

Кристаллический

В кристаллической структуре атомы расположены в трехмерном массиве, называемом решеткой. Решетка имеет правильную повторяющуюся конфигурацию во всех направлениях. Группа частиц из одной части кристалла имеет точно такое же геометрическое соотношение, что и группа из любой другой части того же кристалла.

Общие кристаллические структуры

В металлах и во многих других твердых телах атомы расположены в регулярные массивы, называемые кристаллами. Кристаллическая структура состоит из атомов, расположенных по схеме, которая периодически повторяется в трехмерной геометрической решетке. Это повторение вызывают силы химической связи. Именно этот повторяющийся паттерн определяет такие свойства, как прочность, пластичность, плотность (описанная в следующих главах), проводимость (свойство проводить или передавать тепло, электричество и т. Д.).) и форма.

В общем, три наиболее распространенных основных кристаллических структуры, связанные с металлами: (а) объемно-центрированная кубическая, (б) гранецентрированная кубическая и (в) гексагональная плотноупакованная. На рисунке 2 показаны эти три шаблона.

Объемно-центрированная кубическая

В объемноцентрированной кубической структуре (ОЦК) элементарная ячейка состоит из восьми атомов в углах куба и одного атома в центре тела куба.

Гранецентрированный кубик

В гранецентрированной кубической структуре (FCC) элементарная ячейка состоит из восьми атомов в углах куба и одного атома в центре каждой из граней куба. .

Гексагональная плотноупакованная

В гексагональной плотноупакованной структуре (ГПУ) элементарная ячейка состоит из трех слоев атомов. Верхний и нижний слои содержат шесть атомов в углах шестиугольника и по одному атому в центре каждого шестиугольника. Средний слой содержит три атома, расположенных между атомами верхнего и нижнего слоев, отсюда и название – плотно упакованные.

Рисунок 2: Общие типы решеток
Большинство диаграмм структурных ячеек для форм железа BCC и FCC нарисованы так, как если бы они были одного размера, как показано на рисунке 2, но это не так.В устройстве BCC структурная ячейка, которая использует только девять атомов, намного меньше.
Металлы, такие как α-железо (Fe) (феррит), хром (Cr), ванадий (V), молибден (Mo) и вольфрам (W), обладают ОЦК-структурой. Эти ОЦК-металлы обладают двумя общими свойствами: высокой прочностью и низкой пластичностью (что допускает остаточную деформацию). Металлы FCC, такие как γ-железо (Fe) (аустенит), алюминий (Al), медь (Cu), свинец (Pb), серебро (Ag), золото (Au), никель (Ni), платина (Pt) и торий (Th), как правило, имеет более низкую прочность и более высокую пластичность, чем металлы с ОЦК.Структуры HCP обнаружены в бериллии (Be), магнии (Mg), цинке (Zn), кадмие (Cd), кобальте (Co), таллии (Tl) и цирконии (Zr).
Если бы вы взяли небольшой кусок обычного металла и исследовали его под микроскопом, вы бы увидели структуру, аналогичную изображенной на рисунке 3 (а). Каждая из световых областей называется зерном или кристаллом, то есть областью пространства, занимаемой непрерывной кристаллической решеткой. Темные линии, окружающие зерна, – это границы зерен. Зернистая структура относится к расположению зерен в металле, причем зерно имеет определенную кристаллическую структуру.Граница зерна относится к внешней области зерна, которая отделяет его от других зерен.
Граница зерен представляет собой область несоответствия между зернами и обычно имеет ширину от одного до трех атомных диаметров. Границы зерен разделяют кристаллические области с различной ориентацией (поликристаллические), в которых кристаллические структуры идентичны. Рисунок 3 (b) представляет четыре зерна разной ориентации и границы зерен, которые возникают на границах раздела между зернами.
Рисунок 3: Зерна и границы (а) Микроскопический (б) Атомный
Очень важной характеристикой металла является средний размер зерна.Размер зерна определяет свойства металла. Например, меньший размер зерна увеличивает прочность на разрыв и имеет тенденцию к увеличению пластичности. Для улучшения свойств ползучести при высоких температурах предпочтительно использовать зерна большего размера. Ползучесть – это остаточная деформация, которая увеличивается со временем при постоянной нагрузке или напряжении. С повышением температуры ползучесть становится все легче.
Еще одним важным свойством зерен является их ориентация. На рис. 4 (а) представлено случайное расположение зерен, при котором ни одно направление внутри зерен не совпадает с внешними границами металлического образца.Эта случайная ориентация может быть получена путем поперечной прокатки материала. Если бы такой образец был достаточно прокатан в одном направлении, он мог бы развить структуру с ориентированными зернами в направлении прокатки, как показано на рисунке 4 (b). Это называется предпочтительной ориентацией. Во многих случаях предпочтительная ориентация очень желательна, но в других случаях она может быть очень вредной. Например, предпочтительная ориентация урановых тепловыделяющих элементов может привести к катастрофическим изменениям размеров во время использования в ядерном реакторе.
Рисунок 4: Ориентация зерен
(a) Случайно (b) Предпочтительно
Важная информация в этой главе резюмируется ниже.
Типы связей и их характеристики
Ионная связь – Атом с одним или несколькими электронами полностью переносится от одного элемента к другому, и элементы удерживаются вместе силой притяжения из-за противоположной полярности плата.
Ковалентная связь – Атом, которому нужны электроны для завершения своей внешней оболочки, делит эти электроны со своим соседом.
Металлическая связь – Атомы не разделяют и не обмениваются электронами для связи друг с другом. Вместо этого многие электроны (примерно по одному на каждый атом) более или менее свободно перемещаются по металлу, так что каждый электрон может взаимодействовать со многими неподвижными атомами.
Молекулярная связь – Когда нейтральные атомы претерпевают смещение центров своего заряда, они могут слабо притягивать другие атомы со смещенными зарядами. Иногда это называют облигацией Ван-дер-Ваальса.
Водородная связь – Эта связь аналогична молекулярной связи и возникает из-за легкости, с которой атомы водорода замещают свой заряд.
Порядок в микроструктурах
Аморфные микроструктуры не имеют четко определенных точек плавления и упорядоченного расположения частиц.
Кристаллические микроструктуры расположены в трехмерных массивах, называемых решетками.
Типы решеток
Кристаллическая структура состоит из атомов, расположенных по схеме, которая периодически повторяется в трехмерной геометрической решетке.
Объемно-центрированная кубическая структура – это расположение атомов, в котором элементарная ячейка состоит из восьми атомов в углах куба и одного атома в центре тела куба.
Гранецентрированная кубическая структура – это расположение атомов, в котором элементарная ячейка состоит из восьми атомов в углах куба и одного атома в центре каждой из шести граней куба.
Гексагональная структура с плотной упаковкой – это структура атомов, в которой элементарная ячейка состоит из трех слоев атомов. Верхний и нижний слои содержат шесть атомов в углах шестиугольника и по одному атому в центре каждого шестиугольника. Средний слой состоит из трех атомов, расположенных между атомами верхнего и нижнего слоев.
Металлы, содержащие структуры BCC, включают феррит, хром, ванадий, молибден и вольфрам. Эти металлы обладают высокой прочностью и низкой пластичностью. Металлы, содержащие структуры FCC, включают аустенит, алюминий, медь, свинец, серебро, золото, никель, платину и торий. Эти металлы обладают низкой прочностью и высокой пластичностью.
Металлы, содержащие структуры HCP, включают бериллий, магний, цинк, кадмий, кобальт, таллий и цирконий. Металлы HCP не так пластичны, как металлы FCC.
Зернистая структура и граница
Зерно – это область пространства, занятая непрерывной кристаллической решеткой.
Зернистая структура – это расположение зерен в металле с зерном, имеющим определенную кристаллическую структуру.
Граница зерна – это внешняя область зерна, которая отделяет его от других зерен.
Ползучесть – это остаточная деформация, которая увеличивается со временем при постоянной нагрузке или напряжении.
Малый размер зерна увеличивает прочность на разрыв и пластичность.
Полиморфизм – это свойство или способность металла существовать в двух или более кристаллических формах в зависимости от температуры и состава. Этим свойством обладает большинство металлов и металлических сплавов. Уран – хороший пример металла, проявляющего полиморфизм. Металлический уран может существовать в трех различных кристаллических структурах. Каждая структура существует в определенной фазе, как показано на рисунке 5.
Рисунок 5: Кривая охлаждения для нелегированного урана
1. Альфа-фаза, от комнатной температуры до 663 ° C
2.Бета-фаза от 663 ° C до 764 ° C
3. Гамма-фаза от 764 ° C до точки плавления 1133 ° C
Альфа-фаза
Альфа (α) -фаза стабильна при комнатной температуре и имеет кристаллическую систему, характеризующуюся тремя неравными осями под прямым углом.
В альфа-фазе свойства решетки различаются по осям X, Y и Z. Это потому, что регулярное повторяющееся состояние атомов отличается. Из-за этого условия при нагревании фаза расширяется в направлениях X и Z и сжимается в направлении Y.На рисунке 6 показано, что происходит с размерами (Å = ангстрем, одна стомиллионная часть сантиметра) элементарной ячейки альфа-урана при нагревании.
Как показано, нагревание и охлаждение альфа-фазы урана может привести к резким изменениям размеров и большим деформациям металла. Таким образом, чистый уран используется не в качестве топлива, а только в сплавах или соединениях.
Рис. 6 Изменение альфа-урнана при нагревании от 0 до 300 ° C
Бета-фаза
Бета (β) -фаза урана возникает при повышенных температурах.Эта фаза имеет тетрагональную (имеющую четыре угла и четыре стороны) структуру решетки и является довольно сложной.
Гамма-фаза
Гамма (γ) фаза урана образуется при температурах, превышающих температуры, необходимые для стабильности бета-фазы. В гамма-фазе структура решетки является ОЦК и при нагревании равномерно расширяется во всех направлениях.
Дополнительные примеры
Два дополнительных примера полиморфизма перечислены ниже.
1. Нагревание чугуна до 907 ° C приводит к переходу железа с BCC (альфа, феррит) в форму FCC (гамма, аустенит).
2. Цирконий является HCP (альфа) до 863 ° C, где он переходит в форму BCC (бета, цирконий).
Свойства одной полиморфной формы одного и того же металла будут отличаться от свойств другой полиморфной формы. Например, гамма-железо может растворять до 1,7% углерода, тогда как альфа-железо может растворять только 0,03%.
Сплавы
Сплав представляет собой смесь двух или более материалов, по крайней мере, один из которых является металлом. Сплавы могут иметь микроструктуру, состоящую из твердых растворов, где вторичные атомы вводятся в качестве замещающих или межузельных атомов в кристаллическую решетку.Сплав также может быть кристаллом с металлическим соединением в каждой точке решетки. Кроме того, сплавы могут состоять из вторичных кристаллов, встроенных в первичную поликристаллическую матрицу. Этот тип сплава называется композитным (хотя термин «композит» не обязательно означает, что материалы компонентов являются металлами).
Общие характеристики сплавов
Сплавы обычно прочнее чистых металлов, хотя обычно они обладают пониженной электрической и теплопроводностью.Прочность – важнейший критерий, по которому судят о многих конструкционных материалах. Поэтому сплавы используются для инженерного строительства. Сталь, вероятно, самый распространенный конструкционный металл, является хорошим примером сплава. Это сплав железа и углерода с другими элементами, придающими ему определенные желаемые свойства.
Как упоминалось в предыдущей главе, иногда материал может состоять из нескольких твердых фаз. Прочность этих материалов повышается за счет превращения твердой структуры в форму, состоящую из двух чередующихся фаз.Когда рассматриваемый материал представляет собой сплав, можно закалить металл из расплавленного состояния с образованием вкрапленных фаз. Тип и скорость закалки определяют окончательную структуру твердого тела и, следовательно, его свойства.
Нержавеющая сталь типа 304
Нержавеющая сталь типа 304 (содержащая 18-20% хрома и 8-10,5% никеля) используется в баках реакторов для производства трития, трубопроводах технологической воды и исходных технологических теплообменниках. Этот сплав устойчив к большинству видов коррозии.
Состав общих технических материалов
Широкий спектр конструкций, систем и компонентов, используемых в общей промышленности, изготовлен из самых разных материалов. Многие материалы представляют собой сплавы с основным металлом – железом, никелем или цирконием. Выбор материала для конкретного применения основан на многих факторах, включая температуру и давление, которым будет подвергаться материал, устойчивость материалов к определенным типам коррозии, ударную вязкость и твердость материалов, а также другие свойства материала.
Одним из материалов, широко применяемых в различных системах, является нержавеющая сталь. Существует около 40 стандартных типов нержавеющей стали и множество других специализированных типов под различными торговыми наименованиями. Изменяя виды и количество легирующих элементов, сталь можно адаптировать к конкретным применениям. Нержавеющие стали классифицируются как аустенитные или ферритные в зависимости от структуры их решетки. Аустенитные нержавеющие стали, включая 304 и 316, имеют гранецентрированную кубическую структуру атомов железа с углеродом в твердом растворе внедрения.Ферритные нержавеющие стали, включая тип 405, имеют объемно-центрированную кубическую решетку железа и не содержат никель. Ферритные стали легче сваривать и изготавливать, и они менее подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением, чем аустенитные нержавеющие стали. Они обладают умеренной устойчивостью к другим видам химического воздействия.
Другими металлами, которые могут использоваться в некоторых критических областях, являются инконель и циркалой. Состав этих металлов и различных типов нержавеющей стали приведен в Таблице 2 ниже.
Таблица 2: Типичный состав стандартных технических материалов
[HR] Микроскопические дефекты
Микроскопические дефекты обычно классифицируются как точечные, линейные или межфазные дефекты.
1. Точечные дефекты имеют атомные размеры.
2. Линейные дефекты или дислокации обычно имеют длину в несколько атомов.
3. Межфазные дефекты больше линейных дефектов и возникают на двумерной площади.
Точечные дефекты
Точечные дефекты кристаллов можно разделить на три основные категории дефектов.Они показаны на рисунке 7.
1. Вакансионные дефекты возникают из-за отсутствия атома в позиции решетки. Дефект вакансионного типа может возникать из-за несовершенной упаковки во время процесса кристаллизации или из-за повышенных тепловых колебаний атомов, вызванных повышенной температурой.
2. Дефекты замещения возникают из-за примеси, присутствующей в позиции решетки.
3. Межузельные дефекты возникают из-за того, что примесь, расположенная в межузельном узле, или один из атомов решетки находится в межузельном положении, а не в его решеточной позиции.Промежуточное положение относится к местоположениям между атомами в структуре решетки.
Примеси внедрения, называемые модификаторами сетки, действуют как точечные дефекты в аморфных твердых телах. Наличие точечных дефектов может повысить или снизить ценность материала для инженерного строительства в зависимости от предполагаемого использования.
Рисунок 7: Точечные дефекты
Линейные дефекты
Рисунок 8: Линейные дефекты (дислокации)
Линейные дефекты называются дислокациями и возникают только в кристаллических материалах.Дислокации могут быть краевыми, винтовыми или смешанными, в зависимости от того, как они искажают решетку, как показано на рисунке 8. Важно отметить, что дислокации не могут заканчиваться внутри кристалла. Они должны заканчиваться краем кристалла или другой дислокацией, или они должны замыкаться сами на себя.
Краевые дислокации представляют собой дополнительный ряд или плоскость атомов в кристаллической структуре. Дефект может проходить по прямой линии на всем протяжении кристалла или по неправильной траектории.Он также может быть коротким, простираясь лишь на небольшое расстояние в кристалл, вызывая скольжение на одно атомное расстояние вдоль плоскости скольжения (направление движения краевого дефекта).
Скольжение происходит, когда кристалл подвергается напряжению, и дислокация движется через кристалл, пока не достигнет края или не будет остановлена другой дислокацией, как показано на рисунке 9. Позиция 1 показывает нормальную кристаллическую структуру. Положение 2 показывает силу, приложенную с левой стороны, и противодействующую силу, приложенную с правой стороны.Позиции с 3 по 5 показывают, как конструкция скользит. Позиция 6 показывает окончательно деформированную кристаллическую структуру. Скольжение одной активной плоскости обычно составляет порядка 1000 атомных расстояний, и для получения податливости требуется проскальзывание во многих плоскостях.
Винтовые дислокации могут быть образованы разрывом кристалла параллельно направлению скольжения. Если винтовая дислокация прослеживается на всем протяжении всей цепи, это покажет картину проскальзывания, аналогичную картине винтовой резьбы. Рисунок может быть левым или правым.Для этого необходимо, чтобы некоторые из атомных связей постоянно переформировывались, так что кристалл после получения имеет почти такую же форму, что и раньше.
Рисунок 9: Скольжения
Ориентация дислокаций может варьироваться от чистого края до чистого винта. В какой-то промежуточный момент они могут обладать характеристиками как кромки, так и винта. Важность дислокаций основана на легкости, с которой они могут перемещаться через кристаллы.
Дефекты интерфейса
Дефекты интерфейса существуют под углом между любыми двумя гранями кристалла или кристаллической формы.Эти дефекты обнаруживаются на свободных поверхностях, границах доменов, границах зерен или межфазных границах. Свободные поверхности – это границы раздела между газами и твердыми телами. Границы домена относятся к интерфейсам, где электронные структуры различны с обеих сторон, заставляя каждую сторону действовать по-разному, хотя с обеих сторон существует одинаковое атомное расположение. Границы зерен существуют между кристаллами с одинаковой структурой решетки, которые имеют разную пространственную ориентацию. Поликристаллические материалы состоят из множества зерен, разделенных расстоянием, как правило, в несколько атомных диаметров.Наконец, межфазные границы существуют между областями, где материалы существуют в разных фазах (то есть, ОЦК рядом со структурами ГЦК).
Макроскопические дефекты
Трехмерные макроскопические дефекты называются объемными дефектами. Обычно они возникают в гораздо большем масштабе, чем микроскопические дефекты. Эти макроскопические дефекты обычно появляются в материале во время очистки от его необработанного состояния или в процессе изготовления.
Самый распространенный дефект в объеме возникает из-за попадания инородных частиц в основной материал.Эти частицы второй фазы, называемые включениями, редко используются, поскольку они значительно изменяют структурные свойства. Примером включения могут быть частицы оксида в чистом металле или кусочек глины в структуре стекла.
К другим объемным дефектам относятся газовые карманы или усадочные полости, обычно встречающиеся в отливках. Эти промежутки ослабляют материал и, следовательно, защищены от них во время изготовления. Обработка и ковка металлов могут вызвать трещины, которые действуют как концентраторы напряжений и ослабляют материал.Любые дефекты сварки или соединения также могут быть классифицированы как объемные дефекты.
Важная информация в этой главе кратко изложена ниже.
Полиморфизм
Полиморфизм – это свойство или способность металла существовать в двух или более кристаллических формах в зависимости от температуры и состава.
Металл может существовать в трех фазах или кристаллических структурах.
Фазы металлического урана:
Альфа – от комнатной температуры до 663 ° C
Бета – от 663 ° C до 764 ° C
Гамма – от 764 ° C до 1133 ° C
Альфа-фаза предотвращает образование чистого урана используется в качестве топлива из-за свойств расширения.
Сплавы
Сплав представляет собой смесь двух или более материалов, по крайней мере, один из которых является металлом.
Микроструктуры сплавов
Твердые растворы, в которых вторичные атомы введены в качестве замещающих или межузельных атомов в кристаллическую решетку.
Кристалл с металлическими связями
Композиты, в которых вторичные кристаллы встроены в первичную поликристаллическую матрицу.
Сплавы обычно прочнее чистых металлов, хотя сплавы обычно имеют меньшую электрическую и теплопроводность, чем чистые металлы.
Двумя желательными свойствами нержавеющей стали типа 304 являются коррозионная стойкость и высокая прочность.
Микроскопические дефекты
Точечные дефекты находятся в диапазоне размеров отдельных атомов.
Линейные (дислокационные) дефекты обычно имеют длину в несколько атомов. Неровности линий могут быть краевыми, винтовыми или смешанными, в зависимости от искажения решетки. Недостатки линий не могут заканчиваться внутри кристалла; они должны заканчиваться на краю кристалла или другой дислокации или закрываться сами собой.
Межфазные дефекты больше, чем дефекты линий, и возникают на двумерной области. Межфазные дефекты существуют на свободных поверхностях, границах доменов, границах зерен или межфазных границах.
Скольжение возникает, когда кристалл подвергается напряжению, и дислокации проходят через кристалл, пока не достигнут края или не будут остановлены другой дислокацией.
Макроскопические дефекты
Объемные дефекты – это трехмерные дефекты.
Инородные частицы, входящие в состав основного материала (включения), являются наиболее частым дефектом в объеме
Газовые карманы
Усадочные полости
Дефекты сварки или соединения
Определение напряжения
Когда металл подвергается нагрузке ( сила), он искажается или деформируется, независимо от того, насколько прочен металл или легкая нагрузка. Если нагрузка небольшая, искажение, вероятно, исчезнет при удалении нагрузки
. Интенсивность или степень искажения называется напряжением.Если деформация исчезает и металл возвращается к своим первоначальным размерам после снятия нагрузки, деформация
называется упругой деформацией. Если деформация исчезает, а металл остается деформированным, тип деформации называется пластической деформацией. Подробнее о штамме мы поговорим в следующей главе.
Когда к металлу прилагается нагрузка, сама атомная структура деформируется, сжимается, деформируется или растягивается в процессе. Атомы, составляющие металл, расположены в определенном геометрическом узоре
, характерном для этого конкретного металла или сплава, и поддерживаются в этом узоре за счет межатомных сил.При таком расположении атомы находятся в состоянии минимальной энергии, и
стремятся оставаться в этом состоянии. Над металлом нужно поработать (то есть добавить энергию), чтобы исказить атомный узор. (Работа равна силе, умноженной на расстояние, на которое перемещается сила
.)
Напряжение – это внутреннее сопротивление или противодействие материала искажающим эффектам внешней силы или нагрузки. Эти противодействующие силы стремятся вернуть атомы в их нормальное положение.
Полное развиваемое сопротивление равно внешней нагрузке.Это сопротивление известно как стресс.
Хотя невозможно измерить интенсивность этого напряжения, можно измерить внешнюю нагрузку и площадь
, к которой она приложена. Напряжение (я) можно приравнять к нагрузке на единицу площади или силе (F), приложенной к площади поперечного сечения (A) перпендикулярно силе, как показано в уравнении
(2-1).
Напряжение = σ = F / A (2-1)
где:
s = напряжение (фунты на кв. Дюйм или фунты силы на дюйм 2)
F = приложенная сила (фунты силы на дюйм 2)2)
A = площадь поперечного сечения (дюйм 2)
Типы напряжений
Напряжения возникают в любом материале, который подвергается нагрузке или приложенной силе. Существует много типов напряжений, но все они могут быть классифицированы по одной из шести категорий: остаточные напряжения
, структурные напряжения, напряжения давления, напряжения течения, термические напряжения и усталостные напряжения.
Остаточное напряжение
Остаточное напряжение возникает из-за производственных процессов, которые создают напряжения в материале.Сварка оставляет в свариваемых металлах остаточные напряжения. Напряжения, связанные со сваркой, обсуждаются далее в этом модуле.
Структурное напряжение
Структурные напряжения – это напряжения, возникающие в элементах конструкции из-за веса, который они поддерживают. Вес обеспечивает нагрузки. Эти напряжения обнаруживаются в фундаментах и каркасах зданий, а также в деталях машин.
Напряжения давления
Напряжения давления – это напряжения, возникающие в сосудах, содержащих материалы под давлением.Нагрузка обеспечивается той же силой, что и давление.
Напряжения потока
Напряжения потока возникают, когда масса текущей жидкости вызывает динамическое давление на стенку трубы. Сила удара жидкости о стену действует как нагрузка. Этот тип напряжения может проявляться неустойчиво при колебаниях расхода. Гидравлический удар является примером переходного напряжения течения.
Термические напряжения
Термические напряжения существуют всякий раз, когда в материале присутствуют градиенты температуры.Разные температуры вызывают разное расширение и подвергают материалы внутреннему напряжению. Этот тип напряжения особенно заметен в механизмах, работающих при высоких температурах и охлаждаемых холодной жидкостью.
Усталостные напряжения
Усталостные напряжения возникают из-за циклического приложения напряжения. Напряжения могут быть вызваны вибрацией или термоциклированием.
Важность всех напряжений возрастает, когда поддерживающие их материалы имеют дефекты. Дефекты обычно добавляют материалу дополнительную нагрузку.Кроме того, когда нагрузки циклические или нестационарные, напряжения могут сильнее влиять на материал. Дополнительные напряжения, связанные с дефектами и циклическими нагрузками, могут превышать напряжение, необходимое для разрушения материала.
Типы приложенного напряжения
Интенсивность напряжения в теле компонента выражается как один из трех основных типов внутренней нагрузки. Они известны как растяжение, сжатие и сдвиг. На рисунке 1 показаны различные типы стресса. Математически существует только два типа внутренней нагрузки, поскольку растягивающее и сжимающее напряжение можно рассматривать как положительную и отрицательную версии одного и того же типа нормальной нагрузки.
Однако в механической конструкции реакция компонентов на два условия может быть настолько различной, что лучше и безопаснее рассматривать их как отдельные типы.
Как показано на рисунке 1, плоскость растягивающего или сжимающего напряжения лежит перпендикулярно оси действия силы, от которой оно возникает. Плоскость касательного напряжения лежит в плоскости силовой системы, из которой оно исходит. Важно, чтобы эти различия
были достаточно ясными как в уме, так и в способах выражения.
Рисунок 10: Типы приложенного напряжения
Растягивающее напряжение
Растягивающее напряжение – это тип напряжения, при котором два участка материала по обе стороны от плоскости напряжения имеют тенденцию растягиваться или удлиняться, как показано на рисунке 1 (а) .
Напряжение сжатия
Напряжение сжатия является обратным напряжению растяжения. Соседние части материала имеют тенденцию давить друг на друга через типичную плоскость напряжения, как показано на рисунке 1 (b).
Напряжение сдвига
Напряжение сдвига существует, когда две части материала имеют тенденцию скользить друг по другу в любой типичной плоскости сдвига при приложении силы, параллельной этой плоскости, как показано на Рисунке 1 (c).
Оценка механических свойств производится по трем основным типам напряжений. Поскольку растягивающие и сжимающие нагрузки создают напряжения, действующие поперек плоскости, в направлении, перпендикулярном (нормальном) к плоскости, растягивающие и сжимающие напряжения называются нормальными напряжениями. Сокращенные обозначения следующие.
Для растягивающих напряжений: «+ S _N» (или «S _N») или «σ» (сигма)
Для сжимающих напряжений: «-S _N» или «-σ» (минус сигма)
Способность материала реагировать на сжимающее напряжение или давление называется сжимаемостью .Например, металлы и жидкости несжимаемы, а газы и пары сжимаемы. Напряжение сдвига равно силе, деленной на площадь поверхности, параллельную направлению, в котором действует сила, как показано на рисунке 1 (c).
Два типа напряжения могут присутствовать одновременно в одной плоскости, при условии, что одно из напряжений является напряжением сдвига. При определенных условиях в материале могут одновременно присутствовать различные комбинации основных типов напряжений. Примером может служить корпус реактора во время работы.Стена испытывает растягивающее напряжение в различных местах из-за температуры и давления жидкости, действующей на стену. Напряжение сжатия прикладывается снаружи к другим участкам стены из-за внешнего давления, температуры и сжатия опор, связанных с резервуаром. В этой ситуации растягивающие и сжимающие напряжения считаются главными напряжениями. Если присутствует, напряжение сдвига будет действовать под углом 90 ° к главному напряжению.
Деформация
Определение деформации
При использовании металла в машиностроении определенное состояние напряжения обычно существует в значительном объеме материала.Реакция атомной структуры проявится в макроскопическом масштабе. Следовательно, всякий раз, когда к металлу прикладывается напряжение (независимо от того, насколько оно маленькое), должно происходить пропорциональное изменение размеров или искажение.
Такое пропорциональное изменение размеров (интенсивность или степень деформации) называется деформацией и измеряется как общее удлинение на единицу длины материала из-за некоторого приложенного напряжения. Уравнение 2-2 иллюстрирует эту пропорцию или искажение.
Деформация = ε = δ / L (2-2)
где:
ε = деформация (дюйм./ дюйм)
δ = общее удлинение (дюйм)
L = исходная длина (дюйм)
Типы деформации
Деформация может иметь две формы; упругая деформация и пластическая деформация.
Упругая деформация
Упругая деформация – это временное изменение размеров, которое существует только при приложении исходного напряжения и исчезает сразу после снятия напряжения. Упругая деформация также называется упругой деформацией. Приложенные напряжения заставляют атомы в кристалле перемещаться из положения равновесия.Все атомы смещаются на одинаковую величину и по-прежнему сохраняют свою относительную геометрию. Когда напряжения снимаются, все атомы возвращаются в исходное положение, и остаточная деформация не происходит.
Пластическая деформация
Пластическая деформация (или пластическая деформация) – это изменение размеров, которое не исчезает при снятии инициирующего напряжения. Обычно это сопровождается некоторой упругой деформацией.
Явление упругой деформации и пластической деформации в материале называется упругостью и пластичностью соответственно.
При комнатной температуре большинство металлов обладают некоторой эластичностью, которая проявляется при малейшем напряжении. Обычно они также обладают некоторой пластичностью, но это может не проявиться до тех пор, пока напряжение не будет заметно увеличено. Величина пластической деформации, когда она действительно возникает, вероятно, будет намного больше, чем величина упругой деформации для данного приращения напряжения. Металлы, вероятно, будут демонстрировать меньшую эластичность и большую пластичность при повышенных температурах. Некоторые чистые нелегированные металлы (особенно алюминий, медь и золото) демонстрируют небольшую эластичность, если она вообще есть, при напряжении в отожженном (нагретом и затем медленно охлаждаемом для предотвращения хрупкости) состоянии при комнатной температуре, но действительно демонстрируют заметную пластичность.Некоторые нелегированные металлы и многие сплавы обладают заметной эластичностью при комнатной температуре, но не обладают пластичностью.
Напряженное состояние непосредственно перед началом проявления пластической деформации известно как предел пропорциональности или предел упругости и определяется уровнем напряжения и соответствующим значением упругой деформации. Предел пропорциональности выражается в фунтах на квадратный дюйм. Для интенсивностей нагрузки, превышающих предел пропорциональности, деформация состоит как из упругих, так и из пластических деформаций.
Как упоминалось ранее в этой главе, деформация измеряет пропорциональное изменение размеров без приложения нагрузки.Такие значения деформации легко определяются и перестают быть достаточно точными только тогда, когда пластическая деформация становится доминирующей.
Когда металл подвергается деформации, его объем остается постоянным. Следовательно, если объем остается постоянным при изменении размера на одной оси, тогда размеры по крайней мере еще одной оси должны измениться. Если одно измерение увеличивается, другое должно уменьшаться. Есть несколько исключений. Например, деформационное упрочнение включает поглощение энергии деформации в структуре материала, что приводит к увеличению в одном измерении без смещения уменьшения в других измерениях.Это приводит к уменьшению плотности материала и увеличению объема.
Если к материалу приложена растягивающая нагрузка, материал будет вытягиваться по оси нагрузки (перпендикулярно плоскости растягивающего напряжения), как показано на Рисунке 2 (а). И наоборот, если нагрузка сжимающая, осевой размер уменьшится, как показано на рисунке 2 (b). Если объем постоянный, должно произойти соответствующее поперечное сжатие или расширение. Это поперечное изменение будет иметь постоянную связь с осевой деформацией.Отношение или отношение поперечной деформации к осевой называется коэффициентом Пуассона по имени его первооткрывателя. Обычно обозначается буквой ν.
Деформация кубических структур
Может ли материал пластически деформироваться при низких приложенных напряжениях, зависит от его кристаллической структуры. Плоскостям атомов легче скользить друг по другу, если эти плоскости плотно упакованы. Поэтому решетчатые структуры с плотноупакованными плоскостями допускают большую пластическую деформацию, чем неупакованные.Кроме того, структуры кубической решетки позволяют легче проскальзывать, чем некубические решетки. Это происходит из-за их симметрии, которая обеспечивает плотную упаковку плоскостей в нескольких направлениях. Большинство металлов состоит из объемно-центрированных кубических (ОЦК), гранецентрированных кубических (ГЦК) или гексагональных плотноупакованных (ГПУ) кристаллов, которые более подробно обсуждаются в Модуле 1, Структура металлов. Кубическая гранецентрированная кристаллическая структура будет легче деформироваться под нагрузкой перед разрушением, чем объемно-центрированная кубическая структура.
ОЦК-решетка хоть и кубическая, но не плотно упакована и образует прочные металлы. α-железо и вольфрам имеют форму ОЦК. Решетка FCC имеет кубическую форму, плотно упакована и образует более пластичные материалы. γ-железо, серебро, золото и свинец имеют структуру FCC. Наконец, решетки ГПУ плотно упакованы, но не кубические. Металлы HCP, такие как кобальт и цинк, не так пластичны, как металлы FCC.
Рисунок 11: Изменение формы цилиндра под действием напряжения
Важная информация в этой главе кратко изложена ниже.
Напряжение – это внутреннее сопротивление материала искажающим воздействиям внешней силы или нагрузки.
Напряжение = σ = F / A
Три типа напряжения
Растягивающее напряжение – это тип напряжения, при котором два участка материала по обе стороны от плоскости напряжения имеют тенденцию разъединяться или удлиняться.
Напряжение сжатия противоположно напряжению растяжения. Соседние части материала имеют тенденцию прижиматься друг к другу.
Напряжение сдвига возникает, когда две части материала имеют тенденцию скользить друг по другу при приложении силы, параллельной этой плоскости.
Сжимаемость – это способность материала реагировать на сжимающее напряжение или давление.
Деформация – это пропорциональное изменение размеров, или интенсивность, или степень деформации в материале, находящемся под напряжением.
Деформация = ε = δ / L
Пластическая деформация – это изменение размеров, которое не исчезает при снятии инициирующего напряжения.
Пропорциональный предел – это величина напряжения непосредственно перед точкой (порогом), в которой начинает появляться пластическая деформация, или уровень напряжения и соответствующее значение упругой деформации.
Два типа деформации:
Упругая деформация – это временное изменение размеров, которое существует только при приложении исходного напряжения и исчезает сразу после снятия напряжения.
Пластическая деформация (пластическая деформация) – это изменение размеров, которое не исчезает при снятии инициирующего напряжения.
Гранецентрированные кубические кристаллические структуры γ-железа легче деформируются под нагрузкой перед разрушением, чем объемноцентрированные кубические структуры α-железа.
Закон Хука
Если металл подвергается легкому напряжению, имеет место временная деформация, предположительно разрешенная упругим смещением атомов в пространственной решетке. Снятие напряжения приводит к постепенному возвращению металлу первоначальной формы и размеров. В 1678 году английский ученый Роберт Гук провел эксперименты, в ходе которых были получены данные, которые показали, что в диапазоне упругости материала деформация пропорциональна напряжению. Удлинение стержня прямо пропорционально растягивающей силе и длине стержня и обратно пропорционально площади поперечного сечения и модулю упругости.
Экспериментальный закон Гука может быть задан уравнением (2-3).
δ = P l / A E (2-3)
Эта простая линейная зависимость между силой (напряжением) и удлинением (деформацией) была сформулирована с использованием следующих обозначений.
P = усилие, создаваемое удлинением стержня (фунт-сила)
l = длина стержня (дюймы)
A = площадь поперечного сечения стержня (дюймы 2)
δ = общее удлинение стержня (дюймы)
E = постоянная упругости материала, называемая модулем упругости или модулем Юнга (фунт-сила / дюйм.²)
Величина E, отношение единичного напряжения к единичной деформации, является модулем упругости материала при растяжении или сжатии и часто называется модулем Юнга.
Ранее мы узнали, что растягивающее напряжение или просто напряжение приравнивается к нагрузке на единицу площади или силе, приложенной к площади поперечного сечения, перпендикулярной силе, измеренной в фунтах силы на квадратный дюйм.
σ = P / A (2-4)
Мы также узнали, что деформация при растяжении или удлинение стержня на единицу длины определяется по формуле:
ε = δ / l (2-5)
Таким образом , условия описанного выше эксперимента адекватно выражаются законом Гука для упругих материалов.Для материалов при растяжении деформация (ε) пропорциональна приложенному напряжению σ.
ε = σ / E (2-6)
, где
E = модуль Юнга (фунт-сила / дюйм ²)
σ = напряжение (фунт / кв. Дюйм)
ε = деформация (дюйм / дюйм)
Модуль упругости (модуль упругости)
Модуль упругости (иногда называемый модулем упругости, что означает «мера» упругости) является чрезвычайно важной характеристикой материала. Это численная оценка закона Гука, а именно отношения напряжения к деформации (мера сопротивления упругой деформации).Для расчета модуля Юнга напряжение (в любой точке) ниже пропорционального предела делится на соответствующую деформацию. Его также можно рассчитать как наклон прямолинейного участка кривой напряжения-деформации. (Расположение на кривой напряжение-деформация будет обсуждаться позже.)
E = Модуль упругости = напряжение / деформация = фунт / кв. Дюйм. Дюйм = фунт / кв. Дюйм
или
E = σ / ε (2-7)
Теперь мы видим, что модуль Юнга можно легко вычислить при условии, что напряжение и соответствующее удлинение или деформация единицы были определены с помощью испытания на растяжение, как описано ранее.Деформация (ε) – это число, представляющее отношение двух длин; следовательно, мы можем сделать вывод, что модуль Юнга измеряется в тех же единицах, что и напряжение (σ), то есть в фунтах на квадратный дюйм. В таблице 1 приведены средние значения модуля упругости E для нескольких металлов, используемых в промышленности. Предел текучести и предел прочности будут более подробно обсуждены в следующем разделе ниже.
Таблица 1: Свойства обычных конструкционных материалов Пример:
Каково удлинение 200 дюймов алюминиевой проволоки с 0.01 квадратный дюйм площади, если он выдерживает вес 100 фунтов?
Решение:
δ = Pl / AE (2-8)
= (100 фунтов) (200 дюймов) / (0,01 дюйма) ²) (1,0 x 10 ⁷ фунт / дюйм ²)
δ = 0,2 дюйма
Модули упругости
Модули упругости , относящиеся к поликристаллическому материалу, представляют собой модуль упругости Юнга, модуль упругости при сдвиге и объемный модуль упругости.
Модуль упругости
Модуль упругости Юнга – это модуль упругости для напряжения при растяжении и сжатии, который обычно оценивается с помощью испытаний на растяжение.Модуль упругости Юнга подробно обсуждается выше.
Модуль упругости при сдвиге
Модуль упругости при сдвиге определяется при кручении цилиндрического испытательного образца. Его символ – G.
Объемный модуль
Объемный модуль упругости – это упругая реакция на гидростатическое давление и равностороннее растяжение или объемная реакция на гидростатическое давление и равностороннее растяжение. Это также свойство материала, которое определяет упругую реакцию на приложение напряжения.
Испытания на растяжение (нагрузка) и кривые растяжения
Для определения несущей способности и величины деформации перед разрушением образец материала обычно испытывают с помощью теста на растяжение . Это испытание заключается в приложении постепенно увеличивающейся силы натяжения на одном конце отрезка материала. Другой конец закреплен на жесткой опоре, так что образец медленно разрывается. Испытательная машина оснащена устройством для индикации и, возможно, записи величины силы на протяжении всего испытания.Одновременно производятся измерения увеличивающейся длины выбранного участка в середине образца, называемого измерительной длиной. Измерения нагрузки и удлинения обычно прекращают вскоре после начала пластической деформации; однако всегда записывается достигнутая максимальная нагрузка. Точка разрушения – это точка разрушения материала из-за пластической деформации. После того, как образец был разорван и извлечен из машины, сломанные концы соединяют вместе и проводят измерения теперь увеличенной измерительной длины и среднего диаметра минимального поперечного сечения.Средний диаметр минимального поперечного сечения измеряется только в том случае, если используемый образец является цилиндрическим.
Табличные результаты в конце теста состоят из следующего.
а. обозначение испытуемого материала
б. исходные размеры поперечного сечения образца в пределах измерительной длины
c. исходная длина колеи
д. серия частых считываний, определяющих нагрузку и соответствующий размер измерительной длины
e. конечный средний диаметр минимального сечения
ф.конечная длина колеи
г. описание внешнего вида поверхностей излома (например, чашка-конус, волчье ухо, диагональ, начало)
График результатов строится на основе табличных данных. Некоторые испытательные машины оснащены автографом, который рисует график во время теста. (Оператору не нужно записывать какие-либо показания нагрузки или удлинения, кроме максимума для каждого.) Оси координат на графике представляют собой деформацию для оси x или шкалу абсцисс и напряжение для оси y или шкалу ординат.Ордината для каждой точки, нанесенной на график, находится путем деления каждой из табличных нагрузок на исходную площадь поперечного сечения образца; соответствующая абсцисса каждой точки находится путем деления увеличения измерительной длины на исходную измерительную длину. Эти два расчета производятся следующим образом.
Напряжение = нагрузка / площадь исходного поперечного сечения = P / A
_o = фунт / кв. Дюйм или фунт / дюйм ² (2-9)
Деформация = (мгновенная расчетная длина – исходная) / исходная расчетная длина = удлинение / исходная расчетная длина (2-10)
= (L – L
_o) / L _o = дюймы на дюйм x 100 = относительное удлинение (2-11)
Рассчитанные здесь напряжения и деформации иногда являются называется «инженерное напряжение и деформация».«Это не истинные напряжения и деформации, которые можно вычислить на основе площади и расчетной длины, которые существуют
для каждого приращения нагрузки и деформации. Например, истинная деформация – это натуральный логарифм удлинения (ln (L / Lo)), а истинное напряжение – это P / A, где A – площадь. Последние значения обычно используются для научных исследований, но инженерные значения полезны для определения значений несущей способности материала. Ниже предела упругости инженерное напряжение и истинное напряжение практически идентичны.
Графические результаты, или диаграмма «напряжение-деформация», типичного испытания на растяжение конструкционной стали показаны на рисунке 3. Отношение напряжения к деформации, или градиент графика «напряжение-деформация», называется модулем упругости или Модуль упругости. Наклон части кривой, где напряжение пропорционально деформации (между точками 1 и 2), называется модулем Юнга, и применяется закон Гука.
Следующие наблюдения проиллюстрированы на рисунке 3: Рисунок 3: Типичная кривая напряжения-деформации пластичного материала
Закон Гука применяется между точками 1 и 2.
Закон Гука становится спорным между пунктами 2 и 3, и напряжение увеличивается быстрее.
Область между точками 1 и 2 называется эластичной областью. Если снять напряжение, материал вернется к своей исходной длине.
Точка 2 – это предел пропорциональности (PL) или предел упругости, а точка 3 – это предел текучести (YS) или предел текучести.
Область между точками 2 и 5 известна как пластиковая область, потому что материал не вернется к своей исходной длине.
Точка 4 – это точка предела прочности, а точка 5 – точка разрушения, в которой происходит разрушение материала.
На рис. 3 представлена кривая напряжения-деформации, типичная для пластичного материала, где прочность мала, а область пластичности велика. Материал будет выдерживать большее напряжение (деформацию) перед разрушением.
На рис. 4 представлена кривая напряжения-деформации, типичная для хрупкого материала, где пластическая область мала, а прочность материала высокая.
Рис. 4: Типичная кривая напряжения-деформации хрупкого материала
Испытание на растяжение предоставляет три описательных факта о материале.Это напряжение, при котором начинается наблюдаемая пластическая деформация или «податливость»; предел прочности при растяжении или максимальная интенсивность нагрузки, которую можно нести при растяжении; и относительное удлинение или деформация (степень растяжения материала) и соответствующее процентное уменьшение площади поперечного сечения, вызванное растяжением. Также можно определить точку разрыва или перелома.
Важная информация в этой главе кратко изложена ниже.
Закон Гука гласит, что в диапазоне упругости материала деформация пропорциональна напряжению.Он измеряется с помощью следующего уравнения:
δ = Pl / AE
Модуль Юнга (модуль упругости) – это отношение напряжения к деформации или градиент графика «напряжение-деформация». Он измеряется с помощью следующего уравнения:
E = σ / ε
Объемный модуль упругости
Объемный модуль упругости – это упругая реакция на гидростатическое давление и равностороннее растяжение или объемная реакция на гидростатическое давление и равностороннее растяжение.Это также свойство материала, которое определяет упругую реакцию на приложение напряжения.
Точка разрушения – это точка разрушения материала из-за пластической деформации.
Пластичный материал деформируется (удлиняется) больше, чем хрупкий, как показано на рисунках в тексте. Кривые напряжения-деформации, обсуждаемые в этой главе для пластичных и хрупких материалов, продемонстрировали, как каждый материал будет реагировать на напряжение и деформацию.
На рисунках 3 и 4 показаны конкретные точки для пластичного и хрупкого материала соответственно.Закон Гука применяется между точками 1 и 2. Область упругости находится между точками 1 и 2. Область пластичности находится между точками 2 и 5.
Прочность
Прочность – это способность материала сопротивляться деформации. Прочность компонента обычно определяется исходя из максимальной нагрузки, которую можно выдержать до того, как разрушение станет очевидным. Если при простом растяжении остаточная деформация (пластическая деформация), которая имеет место в компоненте до разрушения, несущая способность в момент окончательного разрыва, вероятно, будет меньше максимальной нагрузки, поддерживаемой при более низкой деформации, поскольку нагрузка наносится на значительно меньшую площадь поперечного сечения.При простом сжатии нагрузка при разрыве будет максимальной, применимой на значительно увеличенной площади по сравнению с площадью поперечного сечения без нагрузки.
Эту неясность можно преодолеть, используя номинальное значение напряжения для растяжения и сдвига. Это определяется делением соответствующей максимальной нагрузки на исходную площадь поперечного сечения компонента. Таким образом, прочность материала – это максимальное номинальное напряжение, которое он может выдержать. Номинальное напряжение упоминается при цитировании «прочности» материала и всегда определяется типом напряжения, например пределом прочности на растяжение, пределом прочности при сжатии или пределом прочности на сдвиг.
Для большинства конструкционных материалов трудность определения прочности на сжатие может быть преодолена путем замены значения прочности на сжатие значением прочности на разрыв. Эта замена является безопасным допущением, поскольку номинальная прочность на сжатие всегда больше номинальной прочности на разрыв, поскольку эффективное поперечное сечение увеличивается при сжатии и уменьшается при растяжении.
Когда к металлу прикладывается сила, слои атомов внутри кристаллической структуры перемещаются по отношению к соседним слоям атомов.Этот процесс называется скольжением. Границы зерен имеют тенденцию предотвращать скольжение. Чем меньше размер зерна, тем больше площадь границы зерна. Уменьшение размера зерна в результате холодной или горячей обработки металла замедляет скольжение и, таким образом, увеличивает прочность металла. Холодная и горячая обработка обсуждаются в следующей главе.
Предел прочности на разрыв
Рис. 3. Кривая напряжения-деформации для типичного пластичного материала
Предел прочности на разрыв (UTS) – это максимальное сопротивление разрушению.Это эквивалентно максимальной нагрузке, которую может выдержать один квадратный дюйм площади поперечного сечения, когда нагрузка прилагается как простое натяжение. Он выражается в фунтах на квадратный дюйм.
UTS = максимальная нагрузка / площадь исходного поперечного сечения = P
_max / A _o = psi
Если доступна полная инженерная кривая напряжения-деформации, как показано на рисунке 3, предел прочности на растяжение отображается как значение координаты напряжения в самой высокой точке кривой. Материалы, которые сильно удлиняются перед разрушением, подвергаются такому значительному уменьшению площади поперечного сечения, что материал будет нести меньшую нагрузку на заключительных этапах испытания (это было отмечено на рисунках 3 и 4 уменьшением напряжения непосредственно перед разрывом). .Заметное уменьшение поперечного сечения называется «сужением». Предел прочности на разрыв часто сокращают до «прочности на разрыв» или даже до «предела». Иногда используется термин «максимальная сила», но он может вводить в заблуждение и поэтому не используется в некоторых дисциплинах.
Предел текучести
Рис. 5: Кривая напряжения-деформации типичного хрупкого материала
Для определения напряжения, при котором начинается пластическая деформация, был определен ряд терминов. Чаще всего для этой цели используется предел текучести.Предел текучести определяется как напряжение, при котором возникает заданная величина остаточной деформации. Графическая часть ранних стадий испытания на растяжение используется для оценки предела текучести. Для определения предела текучести заданная величина остаточной деформации устанавливается вдоль оси деформации графика справа от начала координат (ноль). Это обозначено на Рисунке 5 как Точка (D). Rev. 0
Прямая линия проведена через точку (D) Рис. 5 Типичная кривая напряжения-деформации хрупкого материала с тем же наклоном, что и начальный участок кривой зависимости деформации от напряжения.Точка пересечения новой линии и кривой деформации проецируется на ось напряжений. Значение напряжения в фунтах на квадратный дюйм – это предел текучести. Это обозначено на рисунке 5 как точка 3. Этот метод построения графика выполняется с целью вычитания упругой деформации из общей деформации, оставляя предварительно определенное «постоянное смещение» в качестве остатка. Когда указывается предел текучести, следует указывать величину смещения, использованную при определении. Например, «Предел текучести (при 0.Смещение 2%) = 51 200 фунтов на кв. Дюйм ».
Примеры предела текучести
Ниже приведены некоторые примеры предела текучести металлов.
Алюминий от 3,5 x 104 до 4,5 x 104 фунтов на кв. Дюйм
Нержавеющая сталь от 4,0 x 104 до 5,0 x 104 фунтов на кв. Дюйм
Углеродистая сталь от 3,0 x 104 до 4,0 x 104 фунтов на кв. Дюйм
Альтернативные значения
Иногда вместо предела текучести используются альтернативные значения . Некоторые из них кратко описаны ниже.
• Предел текучести , определяемый методом делителя, предполагает наличие наблюдателя с парой разделителей, наблюдающего за видимым удлинением между двумя контрольными отметками на образце.Когда происходит видимое растяжение, нагрузка в этот момент записывается, и рассчитывается напряжение, соответствующее этой нагрузке.
• Мягкая сталь при испытании на растяжение часто проявляет особую характеристику, известную как предел текучести. Если построена кривая напряжения-деформации, наблюдается падение нагрузки (или иногда постоянная нагрузка), хотя деформация продолжает увеличиваться. В конечном итоге за счет деформации металл упрочняется, и при дальнейшем деформировании нагрузка возрастает. Высшая точка на S-образной части кривой, где началась текучесть, известна как верхний предел текучести, а точка минимума – это нижний предел текучести.Это явление очень неприятно при некоторых операциях глубокой вытяжки листовой стали. Сталь продолжает удлиняться и становиться тоньше в тех местах, где начинается пластическая деформация, оставляя неприглядные углубления, называемые растяжными деформациями или «червями».
• Предел пропорциональности определяется как напряжение, при котором кривая напряжения-деформации сначала отклоняется от прямой линии. Ниже этого предельного значения напряжения отношение напряжения к деформации является постоянным, и говорят, что материал подчиняется закону Гука (напряжение пропорционально деформации).Пропорциональный предел обычно не используется в спецификациях, потому что отклонение начинается настолько постепенно, что наверняка возникнут разногласия относительно точного напряжения, при котором линия начинает изгибаться.
• Предел упругости ранее определялся как напряжение, при котором начинается пластическая деформация. Этот предел не может быть определен из кривой напряжения-деформации. Метод определения предела должен включать последовательность слегка увеличивающихся нагрузок с промежуточной полной разгрузкой для обнаружения первой пластической деформации или «остаточного схватывания».«Как и пропорциональный предел, его определение вызвало бы споры. Однако предел упругости используется как описательный, качественный термин.
Во многих ситуациях предел текучести используется для определения допустимого напряжения, которому может подвергаться материал. Для компонентов, которые должны выдерживать высокое давление, таких как те, которые используются в реакторах с водой под давлением (PWR), этот критерий неадекватен. Чтобы охватить эти ситуации, теория отказа максимального напряжения сдвига была включена в Кодекс ASME (Американское общество инженеров-механиков) по котлам и сосудам под давлением, раздел III, Правила строительства сосудов под давлением для ядерных реакторов.
Пластичность
Удлинение в процентах, полученное при испытании на растяжение, определяется как максимальное удлинение измерительной длины, деленное на исходную расчетную длину. Измерение определяется, как показано на Рисунке 6.
Рисунок 6: Измерение Elogation после разрушения
Процентное удлинение = конечная измерительная длина – начальная расчетная длина / начальная расчетная длина (2-13)
= (L
_x – L _o / L _o) = дюймов на дюйм x 100 (2-14)
Уменьшение площади – это пропорциональное уменьшение площади поперечного сечения образца для испытания на растяжение в плоскости разрушения, измеренной после разрушения.
Процент уменьшения площади (RA) =
площадь исходного поперечного сечения – минимальная конечная площадь / площадь исходного поперечного сечения (2-15)
= (A
₀ – A _min) / A _o = уменьшение площади / исходная площадь = кв. Дюйм / кв. Дюйм x 100 (2-16) Уменьшение площади указывается как дополнительная информация (в процентах удлинения) о деформационных характеристиках материала. Эти два показателя используются в качестве показателей пластичности, способности материала растягиваться при растяжении.Поскольку удлинение не является равномерным по всей длине измерительного прибора и наибольшее в центре шейки, относительное удлинение не является абсолютной мерой пластичности. (Из-за этого при измерении удлинения в процентах всегда следует указывать измерительную длину.) Уменьшение площади, измеряемое при минимальном диаметре шейки, является лучшим индикатором пластичности.
Пластичность чаще определяется как способность материала легко деформироваться при приложении растягивающего усилия или как способность материала противостоять пластической деформации без разрыва.Пластичность также можно рассматривать с точки зрения изгибаемости и разрушаемости. Пластичные материалы перед разрушением деформируются. Отсутствие пластичности часто называют хрупкостью. Обычно, если два материала имеют одинаковую прочность и твердость, более желателен тот, который имеет более высокую пластичность. Пластичность многих металлов может измениться при изменении условий. Повышение температуры увеличивает пластичность. Снижение температуры вызовет снижение пластичности и переход от пластичного к хрупкому поведению.Облучение также снизит пластичность.
Холодная обработка также снижает пластичность металлов. Холодная деформация выполняется в температурном диапазоне и в течение определенного промежутка времени для получения пластической деформации, но не для снятия деформационного упрочнения. Незначительное добавление примесей к металлам, намеренное или непреднамеренное, может существенно повлиять на переход от пластичного к хрупкому поведению. Нагрев холодно обработанного металла до температуры, при которой атомы металла возвращаются в свое равновесное положение или выше, увеличит пластичность этого металла.Этот процесс называется отжигом .
Пластичность желательна при высоких температурах и давлении в реакторных установках из-за дополнительных напряжений на металлах. Высокая пластичность в этих применениях помогает предотвратить хрупкое разрушение.
Ковкость
Рисунок 7: Податливая деформация цилиндра при равномерном осевом сжатии
Если пластичность – это способность материала легко деформироваться при приложении растягивающего усилия, пластичность – это способность металла проявлять большую деформацию или пластическая реакция при воздействии сжимающей силы.Равномерная сжимающая сила вызывает деформацию, как показано на рисунке 7. Материал сжимается в осевом направлении под действием силы и расширяется в боковом направлении. Сдерживание из-за трения на контактных поверхностях вызывает осевое напряжение снаружи. Силы растяжения действуют по окружности с боковым расширением или увеличением обхвата. Пластический поток в центре материала также вызывает напряжение.
Следовательно, критерий разрушения (то есть предел пластической деформации) для пластического материала, скорее всего, будет зависеть от растягивающего, а не сжимающего напряжения.Изменение температуры может изменить как режим пластического течения, так и режим разрушения.
Прочность
Рисунок 8: Испытательное оборудование по Шарпи
Качество, известное как вязкость , описывает реакцию материала на внезапные удары. Он определяется как работа, необходимая для деформации одного кубического дюйма металла до его разрушения. Вязкость измеряется тестом Шарпи или тестом Изода.
В обоих этих тестах используется образец с надрезом. Расположение и форма насечки стандартные.Точки опоры образца, а также удар молотка должны постоянно зависеть от места надреза.
Испытания проводятся путем установки образцов, как показано на Рисунке 8, и позволяя маятнику известного веса упасть с заданной высоты. Максимальная энергия, развиваемая молотком, составляет 120 фут-фунтов в тесте Изода и 240 фут-фунт в тесте Шарпи. При правильной калибровке машины энергия, поглощенная образцом, может быть измерена по восходящему колебанию маятника после того, как он разрушил образец материала, как показано на рисунке 9.Чем больше энергии поглощается образцом, тем меньше будет качание маятника вверх и тем прочнее будет материал.
Рисунок 9: Испытание на ударную вязкость материала
Показатели вязкости являются относительными и применимы только для случаев, когда используются именно этот тип образца и метод нагружения. Образец другой формы даст совершенно другой результат. Насечки ограничивают деформацию небольшим объемом металла, что снижает ударную вязкость. Фактически, именно форма металла в дополнение к составу материала определяет ударную вязкость материала.
Твердость
Твердость – это свойство материала, которое позволяет ему противостоять пластической деформации, проникновению, вдавливанию и царапинам. Следовательно, твердость важна с инженерной точки зрения, поскольку сопротивление износу из-за трения или эрозии паром, маслом и водой обычно увеличивается с увеличением твердости.
Испытания на твердость служат важной потребности в промышленности, даже если они не измеряют уникальное качество, которое можно назвать твердостью. Тесты носят эмпирический характер, основаны на экспериментах и наблюдениях, а не на фундаментальной теории.Его главная ценность – это устройство контроля, способное обнаруживать определенные различия в материалах, когда они возникают, даже если эти различия могут быть неопределенными. Например, две партии материала с одинаковой твердостью могут быть, а могут и не быть одинаковыми, но если их твердость различна, материалы определенно не похожи.
Было разработано несколько методов испытания на твердость. Чаще всего используются программы Brinell, Rockwell, Vickers, Tukon, Sclerscope и файлы test. Первые четыре основаны на испытаниях на вдавливание, а пятое – на высоте отскока металлического молотка с алмазным наконечником.Тест файла устанавливает характеристики того, насколько хорошо файл прикусывает материал.
В результате многих испытаний были подготовлены сравнения с использованием формул, таблиц и графиков, которые показывают взаимосвязь между результатами различных испытаний на твердость конкретных сплавов. Однако между любыми двумя методами нет точной математической связи. По этой причине результат одного типа испытания на твердость, преобразованный в показания другого типа, должен иметь обозначение «преобразовано из» (например, «352 Бринелля преобразовано из Rockwell C-38»).
Еще одно удобное преобразование – это преобразование твердости по Бринеллю в предел прочности на разрыв. Для закаленной и отпущенной стали предел прочности (psi) примерно в 500 раз превышает число твердости по Бринеллю (при условии, что прочность не превышает 200000 psi).
Как сплавы влияют на физические свойства
Никель является важным легирующим элементом. В концентрациях менее 5% никель повысит ударную вязкость и пластичность стали без повышения твердости. При добавлении в этих небольших количествах твердость не повышается, поскольку не образует карбидов, твердых соединений с углеродом.
Хром в стали образует карбид, упрочняющий металл. Атомы хрома также могут занимать определенные места в кристаллической решетке, что будет иметь эффект увеличения твердости, не влияя на пластичность. Добавление никеля усиливает действие хрома, давая сталь повышенной твердости и пластичности.
Медь очень похожа на никель по своему воздействию на сталь. Медь не образует карбид, но увеличивает твердость, замедляя движение дислокаций.
Молибден при добавлении в сталь образует сложный карбид. Благодаря структуре карбида он значительно упрочняет сталь, но также сводит к минимуму увеличение зерна. Молибден усиливает желаемые свойства никеля и хрома.
Нержавеющие стали – это легированные стали, содержащие не менее 12% хрома. Важной характеристикой этих сталей является их устойчивость ко многим коррозионным условиям.
Важная информация в этой главе кратко изложена ниже.
• Прочность – это способность материала сопротивляться деформации. Увеличение скольжения снизит прочность материала.
• Предел прочности на разрыв (UTS) – это максимальное сопротивление разрушению.
• Предел текучести – это напряжение, при котором возникает заданная величина остаточной деформации.
• Пластичность – это способность материала легко деформироваться при приложении растягивающего усилия или способность материала выдерживать пластическую деформацию без разрыва.Повышение температуры увеличивает пластичность. Пластичность снижается при более низких температурах, холодной обработке и облучении. Пластичность желательна при высоких температурах и давлении.
• Ковкость – это способность металла проявлять большую деформацию или пластическую реакцию при воздействии сжимающей силы.
• Вязкость описывает реакцию материала на внезапные удары. Он определяется как работа, необходимая для деформации одного кубического дюйма металла до его разрушения.
• Твердость – это свойство материала, которое позволяет ему противостоять пластической деформации, проникновению, вдавливанию и царапинам.
Термическая обработка
Термическая обработка крупных компонентов из углеродистой стали выполняется для того, чтобы воспользоваться кристаллическими дефектами и их эффектами и, таким образом, получить определенные желаемые свойства или условия.
Во время производства, изменяя скорость охлаждения ( закалка ) металла, размер зерна и структура зерна контролируются.Характеристики зерна контролируются для получения различных уровней твердости и прочности на разрыв. Как правило, чем быстрее охлаждается металл, тем меньше размер зерна. Это сделает металл более твердым. По мере увеличения твердости и предела прочности термообработанной стали ударная вязкость и пластичность снижаются.
Скорость охлаждения, используемая при закалке, зависит от метода охлаждения и размера металла. Равномерное охлаждение важно для предотвращения деформации. Обычно стальные детали закаливают в масле или воде.
Из-за кристаллической структуры нержавеющей стали типа 304 в резервуаре реактора (установка по производству трития) термообработка не подходит для повышения твердости и прочности.
Сварка может вызвать внутренние напряжения, которые останутся в материале после завершения сварки. В нержавеющих сталях типа 304 кристаллическая решетка гранецентрированная кубическая (аустенит). Во время высокотемпературной сварки температура окружающего металла может составлять от 500 ° F до 1000 ° F. В этой области температур аустенит превращается в объемноцентрированную кубическую решетчатую структуру (бейнит).Когда металл остынет, области, окружающие сварной шов, содержат некоторое количество исходного аустенита и некоторое количество вновь образованного бейнита. Проблема возникает из-за того, что «коэффициент упаковки» (PF = объем атомов / объем элементарной ячейки) не такой же для кристаллов FCC и кристаллов BCC.
Образовавшийся бейнит занимает больше места, чем исходная решетка аустенита. Это удлинение материала вызывает в нем остаточные сжимающие и растягивающие напряжения. Напряжения при сварке можно минимизировать, используя сварку радиатора, которая приводит к более низким температурам металла, и отжиг.
Отжиг – еще один распространенный процесс термообработки компонентов из углеродистой стали. Во время отжига компонент медленно нагревается до повышенной температуры и выдерживается там в течение длительного периода времени, а затем охлаждается. Процесс отжига проводится для получения следующих эффектов.
а. для смягчения стали и улучшения пластичности
b. для снятия внутренних напряжений, вызванных предыдущими процессами, такими как термообработка, сварка или механическая обработка
c. для улучшения зернистой структуры
Холодная и горячая обработка
Пластическая деформация, которая выполняется в температурном диапазоне и в течение такого интервала времени, при котором деформационное упрочнение не снимается, называется холодной обработкой.Получены обширные знания о структуре холоднодеформированного состояния. На ранних стадиях пластической деформации скольжение происходит в основном по первичным плоскостям скольжения, и дислокации образуют компланарные массивы. По мере деформации происходит поперечное скольжение. Холоднодеформированная структура формирует области с высокой плотностью дислокаций, которые вскоре превращаются в сетки. Размер зерна уменьшается с деформацией при низкой деформации, но вскоре достигает фиксированного размера. Холодная обработка снижает пластичность.
Горячая обработка относится к процессу, при котором металлы деформируются выше их температуры рекристаллизации, и деформационное упрочнение не происходит.Горячая обработка обычно проводится при повышенных температурах. Однако свинец подвергается горячей деформации при комнатной температуре из-за его низкой температуры плавления. С другой стороны, молибден подвергается холодной деформации при деформации даже при красном нагреве из-за его высокой температуры рекристаллизации.
Сопротивление металлов пластической деформации обычно падает с температурой. По этой причине большие массивные секции всегда подвергаются горячей ковке, прокатке или экструзии. Металлы демонстрируют отчетливо вязкие характеристики при достаточно высоких температурах, а их сопротивление течению увеличивается при высоких скоростях формования.Это происходит не только потому, что это характерно для вязких веществ, но и потому, что скорость рекристаллизации может быть недостаточно высокой.
Коррозия
Коррозия – это износ материала из-за взаимодействия с окружающей средой. Это процесс, при котором атомы металла покидают металл или образуют соединения в присутствии воды и газов. Атомы металла удаляются из структурного элемента до тех пор, пока он не выйдет из строя, или оксиды накапливаются внутри трубы, пока она не закупорится.Все металлы и сплавы подвержены коррозии. Даже благородные металлы, такие как золото, в некоторых средах подвержены коррозионному воздействию.
Коррозия металлов – естественный процесс. Большинство металлов не являются термодинамически стабильными в металлической форме; они хотят подвергнуться коррозии и вернуться к более стабильным формам, которые обычно встречаются в рудах, например к оксидам. Коррозия является основной проблемой для ядерных реакторных установок. Коррозия происходит постоянно по всей реакторной установке, и ей подвержен каждый металл.Хотя эту коррозию невозможно устранить, ее можно контролировать.
Общая коррозия
Общая коррозия с участием воды и стали обычно возникает в результате химического воздействия, при котором поверхность стали окисляется, образуя оксид железа (ржавчину). Многие системы и компоненты завода изготовлены из железа.
Некоторые стандартные методы, связанные с выбором материала для защиты от общей коррозии, включают:
Использование коррозионно-стойких материалов, таких как нержавеющая сталь и сплавы никеля, хрома и молибдена.(Имейте в виду, что коррозия является электрохимической по своей природе, а коррозионная стойкость нержавеющих сталей является результатом поверхностных оксидных пленок, которые мешают электрохимическому процессу.)
Использование защитных покрытий, таких как краски и эпоксидные смолы.
Нанесение металлических и неметаллических покрытий или футеровки на поверхность, которая защищает от коррозии, но позволяет материалу сохранять свою структурную прочность (например, сосуд высокого давления из углеродистой стали с облицовкой из нержавеющей стали в качестве футеровки).
Гальваническая коррозия
Гальваническая коррозия возникает, когда два разнородных металла с разными потенциалами находятся в электрическом контакте в электролите. Это также может иметь место с одним металлом с неоднородностями (различиями) (например, примесными включениями, зернами разного размера, различием в составе зерен или различиями в механическом напряжении). Между разными металлами существует разница в электрическом потенциале, которая служит движущей силой для электрического тока, протекающего через корродирующий агент или электролит.Этот ток приводит к коррозии одного из металлов. Чем больше разность потенциалов, тем больше вероятность гальванической коррозии. Гальваническая коррозия вызывает ухудшение только одного из металлов. Менее стойкий, более активный становится участком анодной (отрицательной) коррозии. Более сильный, благородный – катодный (положительный) и защищенный. Если бы не было электрического контакта, оба металла равномерно подверглись бы воздействию коррозионной среды. Тогда это будет называться общей коррозией.
Для любого конкретного носителя можно составить список, располагая металлы последовательно от наиболее активных или наименее благородных до пассивных или наиболее благородных. Гальванический ряд для морской воды обсуждается в Справочнике по основам химии.
Гальваническая коррозия имеет особое значение при проектировании и выборе материалов. Выбор материала важен, потому что разные металлы контактируют друг с другом и могут образовывать гальванические элементы. Дизайн важен для сведения к минимуму различных условий потока и возникающих в результате областей накопления коррозии.Незакрепленные продукты коррозии важны, потому что они могут быть доставлены в активную зону реактора и облучены.
В некоторых случаях электрохимическая коррозия может быть полезной на предприятии. Например, если к дну стального резервуара для воды прикрепить кусочки цинка, цинк станет анодом, и он подвергнется коррозии. Сталь в резервуаре становится катодом, и на нее не влияет коррозия. Этот метод известен как катодная защита. Защищаемый металл вынужден стать катодом, и он будет корродировать гораздо медленнее, чем другой металл, который используется в качестве расходуемого анода.
Локальная коррозия
Локальная коррозия определяется как избирательное удаление металла путем коррозии на небольших участках или участках поверхности металла, контактирующих с коррозионной средой, обычно с жидкостью. Обычно это происходит, когда небольшие локальные сайты атакуются с гораздо большей скоростью, чем остальная часть исходной поверхности. Локальная коррозия возникает, когда коррозия сочетается с другими деструктивными процессами, такими как напряжение, усталость, эрозия и другие формы химического воздействия.Локальные механизмы коррозии могут причинить больше повреждений, чем любой из этих деструктивных процессов по отдельности. Существует много различных типов локальной коррозии. Точечная коррозия, коррозионное растрескивание под напряжением, коррозия под напряжением хлорида, коррозия под действием едкого напряжения, коррозия под напряжением на первичной стороне, вмятины на трубке теплообменника, отходы и межкристаллитная коррозия подробно описаны в Справочнике по основам химии.
Коррозионное растрескивание под напряжением
Одной из самых серьезных металлургических проблем и одной из основных проблем ядерной промышленности является коррозионное растрескивание под напряжением (SCC).SCC – это тип межкристаллитной коррозии, которая возникает на границах зерен под действием растягивающего напряжения. Он имеет тенденцию распространяться, когда напряжение открывает трещины, которые подвержены коррозии, которые затем подвергаются дальнейшей коррозии, ослабляя металл за счет дальнейшего растрескивания. Трещины могут следовать межзерновым или трансгранулярным путям, и часто существует тенденция к ветвлению трещин.
Трещины образуются и распространяются примерно под прямым углом к направлению растягивающих напряжений при уровнях напряжения, намного меньших, чем те, которые требуются для разрушения материала в отсутствие коррозионной среды.По мере того, как растрескивание проникает дальше в материал, оно в конечном итоге уменьшает поддерживающее поперечное сечение материала до точки разрушения конструкции из-за перегрузки.
Напряжения, вызывающие растрескивание, возникают в результате остаточной холодной обработки, сварки, шлифования, термической обработки или могут применяться извне во время эксплуатации и, чтобы быть эффективными, должны быть растягивающими (в отличие от сжатия).
SCC возникает в металлах, подверженных воздействию окружающей среды, где, если бы напряжение не присутствовало или было на гораздо более низком уровне, не было бы никакого повреждения.Если бы конструкция, подвергающаяся тем же напряжениям, находилась в другой среде (не вызывающей коррозии для этого материала), разрушения не было бы. Примерами SCC в атомной промышленности являются трещины в системах трубопроводов из нержавеющей стали и стержнях клапанов из нержавеющей стали.
Наиболее эффективные средства предотвращения SCC: 1) правильное проектирование; 2) снижение стресса; 3) удаление критически важных веществ в окружающей среде, таких как гидроксиды, хлориды и кислород; 4) и избегание застойных участков и щелей в теплообменниках, где может концентрироваться хлорид и гидроксид.Низколегированные стали менее восприимчивы, чем высоколегированные, но они подвержены SCC в воде, содержащей ионы хлора. Однако на сплавы на основе никеля не действуют хлорид- или гидроксид-ионы.
Примером сплава на основе никеля, устойчивого к коррозионному растрескиванию под напряжением, является инконель. Инконель состоит из 72% никеля, 14-17% хрома, 6-10% железа и небольшого количества марганца, углерода и меди.
Хлоридная коррозия под напряжением
Одной из наиболее важных форм стресс-коррозии, которая беспокоит ядерную промышленность, является хлоридная стресс-коррозия .Хлоридная коррозия под напряжением – это тип межкристаллитной коррозии, которая возникает в аустенитной нержавеющей стали при растягивающем напряжении в присутствии кислорода, хлорид-ионов и высокой температуры.
Считается, что это начинается с отложений карбида хрома по границам зерен, которые оставляют металл открытым для коррозии. Эта форма коррозии контролируется за счет поддержания низкого содержания хлорид-ионов и кислорода в окружающей среде и использования низкоуглеродистых сталей.
Едкая коррозия под напряжением
Несмотря на обширную квалификацию инконеля для конкретных применений, с трубами из инконеля возник ряд проблем с коррозией.Повышенная стойкость к коррозионному растрескиванию под воздействием каустика может быть придана инконелю путем его термообработки при температуре от 620 ° C до 705 ° C, в зависимости от температуры предварительной обработки раствора. Другие проблемы, которые наблюдались при использовании инконеля, включают в себя потери, вмятины на трубках, точечную коррозию и межкристаллитную атаку.
Важная информация в этой главе кратко изложена ниже.
Закалка
Изменение скорости охлаждения (закалки) металла контролирует размер зерен и структуру зерен.
Характеристики зерна контролируются для получения различных уровней твердости и прочности на разрыв.
Повышение твердости и прочности на разрыв термически обработанной стали; снижается вязкость и пластичность.
Сварка
Создает сжимающие и растягивающие напряжения
Напряжения сводятся к минимуму за счет использования сварки с радиатором и отжига
Отжиг
Смягчает сталь и улучшает пластичность
Снижает внутренние напряжения, вызванные предыдущими процессами 9017 901
Коррозия – это естественное разрушение металла, при котором атомы металла покидают металл или образуют соединения в присутствии воды или газов.Общая коррозия может быть сведена к минимуму за счет использования коррозионно-стойких материалов и добавления защитных покрытий и футеровки.
Гальваническая коррозия возникает, когда разнородные металлы существуют при разных электрических потенциалах в присутствии электролита. Гальваническую коррозию можно уменьшить за счет тщательного проектирования и выбора материалов с учетом разнородных металлов и использования расходуемых анодов.
Локальная коррозия может быть особенно разрушительной в присутствии других разрушающих сил, таких как напряжение, усталость и другие формы химического воздействия.
Концерн
Другой формой коррозионного растрескивания под напряжением является водородное охрупчивание . Хотя охрупчивание материалов принимает различные формы, водородное охрупчивание высокопрочных сталей имеет наиболее разрушительный эффект из-за катастрофического характера трещин, когда они возникают. Водородное охрупчивание – это процесс, при котором сталь теряет пластичность и прочность из-за крошечных трещин, возникающих в результате внутреннего давления водорода (H ₂) или газообразного метана (CH ₄), образующихся на границах зерен.В циркониевых сплавах водородная хрупкость вызывается гидрированием циркония. В ядерных реакторных установках термин «водородная хрупкость» обычно относится к охрупчиванию циркониевых сплавов, вызванному гидрированием циркония.
Источники водорода
Источники водорода, вызывающие охрупчивание, были обнаружены при производстве стали, обработке деталей, сварке, хранении или локализации газообразного водорода и связаны с водородом в качестве загрязнителя в окружающей среде, который часто является побочный продукт общей коррозии.Последнее касается атомной отрасли. Водород может образовываться в результате реакций коррозии, таких как ржавление, катодная защита и гальваника. Водород также может быть добавлен к охлаждающей жидкости реактора для удаления кислорода из систем охлаждающей жидкости реактора.
Водородное охрупчивание нержавеющей стали
Рис. 10: Водородное охрупчивание
Как показано на Рис. 10, водород диффундирует по границам зерен и соединяется с углеродом (C), который легирован железом, с образованием газообразного метана.Метан не является подвижным и собирается в небольших пустотах по границам зерен, где он создает огромное давление, которое вызывает трещины. Водородная хрупкость является основной причиной того, что теплоноситель реактора поддерживается при нейтральном или основном pH на установках без алюминиевых компонентов.
Если металл находится под высоким растягивающим напряжением, может произойти хрупкое разрушение. При обычных комнатных температурах атомы водорода поглощаются металлической решеткой и диффундируют через зерна, стремясь собираться во включениях или других дефектах решетки.Если напряжение вызывает растрескивание в этих условиях, путь является межкристаллитным. При высоких температурах абсорбированный водород имеет тенденцию собираться на границах зерен, и в этом случае растрескивание под напряжением становится межкристаллитным. Считается, что растрескивание мартенситных и дисперсионно-упрочненных стальных сплавов является формой водородного коррозионного растрескивания под напряжением, которое возникает в результате попадания в металл части атомарного водорода, который образуется в следующей реакции коррозии.
3 Fe + 4 H ₂ O → Fe ₃ O ₄ + 4 H ₂
Водородное охрупчивание не является постоянным условием.Если растрескивания не происходит и условия окружающей среды изменяются таким образом, что водород не образуется на поверхности металла, водород может повторно диффундировать из стали, так что пластичность восстанавливается.
Для решения проблемы водородного охрупчивания особое внимание уделяется контролю количества остаточного водорода в стали, контролю количества поглощения водорода при обработке, разработке сплавов с улучшенной стойкостью к водородному охрупчиванию, разработке покрытий или покрытий с низким или нулевым охрупчиванием. и ограничение количества водорода, вводимого на месте (на месте) в течение срока службы детали.
Водородное охрупчивание циркониевых сплавов
Водородное охрупчивание – проблема циркония и циркониевых сплавов, которые часто используются в качестве материалов оболочки для ядерных реакторов. Цирконий реагирует с водой следующим образом.
Zr + 2 H ₂ O → ZrO ₂ + 2H ₂ ↑
Часть водорода, образующегося при коррозии циркония в воде, соединяется с цирконием с образованием отдельной фазы гидрида циркония (ZrH _1,5) тромбоцитов.Затем металл становится хрупким (снижается пластичность) и легко ломается. В пластинках гидрида циркония начинают образовываться трещины, которые распространяются по металлу. Циркалой-2 (сплав циркония), который использовался в качестве оболочки твэла, может поглощать до 50% образующегося при коррозии водорода и подвержен водородному охрупчиванию, особенно вблизи поверхности. Исследования, проведенные в Westinghouse, Batelle и других местах, показали, что никель в циркалое-2 ответственен за улавливание водорода.Это привело к разработке циркалоя-4, который содержит значительно меньше никеля, чем циркалой-2, и менее подвержен охрупчиванию. Кроме того, введение ниобия в циркалой-4 дополнительно снижает степень поглощения водорода.
Важная информация в этой главе кратко изложена ниже.
Водородное охрупчивание
Условиями, необходимыми для водородного охрупчивания стали, являются присутствие водорода, растворенного в воде, и углерода в стали.Водород, растворенный в воде, поступает из:
Производство стали
Обработка деталей
Сварка
Хранение или локализация газообразного водорода
Связанный с водородом в качестве загрязнителя в окружающей среде, который часто является побочным продуктом общего коррозия
Водородное охрупчивание – результат водород, который диффундирует по границам зерен и соединяется с углеродом с образованием газообразного метана. Газообразный метан собирается в небольших пустотах вдоль границ зерен, где он создает огромное давление, которое вызывает трещины и снижает пластичность стали.Если металл находится под высоким растягивающим напряжением, может произойти хрупкое разрушение.
Циркалой-4 менее подвержен водородному охрупчиванию, чем циркалой-2, потому что:
Циркалой-4 содержит меньше никеля
Введение ниобия в циркалой-4 снижает степень поглощения водорода металлом.