4.1. Металлы

Это вещества, обладающие в обычных условиях характерными ме­таллическими свойствами — высокими значениями электро- и теплопро­водности, отрицательным температурным коэффициентом электриче­ской проводимости, способностью хорошо отражать световые волны (блеск), пластичностью. Ранее основными признаками металла считали блеск, пластичность и ковкость. Но металлическим блеском обладают и некоторые неметаллы (например, йод). В настоящее время важнейшим признаком металла признается отрицательный температурный коэффи­циент электрической проводимости, т.е. понижение электропроводно­сти с ростом температуры.

Из 109 элементов Периодической системы 86 относятся к метал­лам. В металлах существует металлическая связь, характеризующаяся тем, что кристаллическая решетка образована положительными ионами, тогда как валентные электроны делокализованы по всему пространству решетки, образуя электронный газ, свободно распространяющийся ме­жду ионами, что обусловливает металлические свойства.

Металлы проводят электрический ток, так как валентные электро­ны могут свободно двигаться в кристаллической решетке. Причины подвижности электронов в металлах состоят в том, что они легко уда­ляются из атома (низкая энергия ионизации) и могут находиться близко к двум или более положительным ядрам в любой части кристалла (из-за наличия большого числа свободных валентных орбит). Вещества, в которых имеются свободные носители зарядов - проводники. В изоля­торах (диэлектриках) свободные носители зарядов отсутствуют. Ме­таллы - характерные проводники и энергия делокализованных элекгро-

нов (электронов проводимости) - отвечает зоне проводимости. Согласно зонной теории, у металлов отсутствует запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости, а у диэлектриков запрещенная зона большая.

При увеличении заряда атомных ядер и заполнении свободных ор­бит области между двумя ядрами постепенно становятся относительно более "привлекательными" для электрона по сравнению с другими час­тями пространства. Электроны все больше стремятся локализоваться в этих областях, в результате чего появляются частично ковалентные свя­зи с их направленным характером между соседними атомами.

Итак, ненаправленную металлическую связь можно рассматривать, как разновидность направленной ковалентной связи. Она возникает в том случае, когда атомы имеют мало валентных электронов по сравне­нию со свободными валентными орбитами и когда эти валентные элек­троны слабо удерживаются ядром.

Прочность связи в кристаллической структуре металла характеризу­ется энтальпией атомизации, которая меняется от 61,4кДж/моль у Hg до 850 кДж/моль у W. Максимальная энтальпия атомизации характерна для металлов рядов Nb-Ru и Hf-Ir. Относящиеся к ним металлы отличаются высокими температурами плавления и большой механической прочностью.

Все металлы делятся на четыре группы: s, р, d, f. Металлы групп d и f называют переходными, s и р - простыми. Среди s-металлов выде­ляют щелочные и щелочно-земельные, из d-платиновые металлы. Груп­па редкоземельных элементов включает как d-, так и f-металлы.

Большинство металлов кристаллизуется в одном из трех структур­ных типов, а именно в кубической и гексагональной плотнейших (ГЦК, ГП) упаковках или в объемоцентрированной кубической (ОЦК) решетке.

Многие металлы при изменении температуры и давления претер­певают полиморфные превращения. При плавлении металлы сохраняют свои электрические, тепловые и оптические свойства. Вблизи темпера­туры плавления в жидких металлах наблюдается примерно такой же ближний порядок, как и в кристаллических металлах, который с повы­шением температуры нарушается вплоть до полного разупорядочения.

Физические и химические свойства металлов меняются в очень широких пределах. Например, электропроводность металлов зависит от равномерного и непрерывного движения электронов внутри кристалла. Это подтверждается тем фактором, что малые количества примеси сильно уменьшают проводимость.

Металлы являются главными конструкционными материалами. Поскольку металлические связи не имеют резко выраженного направ­ленного характера, неудивительно, что многие металлы можно легко деформировать, не нарушая их кристаллической структуры. Под дейст-

вием нагрузок одна плоскость кристаллической решетки, состоящая из атомов, может скользить по другой, но при этом электроны способны еще сохранять связь между двумя плоскостями.

Сильные металлические связи возникают в результате перекрытия внешних валентных d-, s- оболочек между ближайшими соседями в плотноупакованных рядах, поэтому модули упругости в металлах должны быть максимальны именно в этих направлениях.

Действительно, изучение анизотропии упругих свойств в ГЦК ме­таллах показывает, что модуль упругости вдоль плотноупакован­ных рядов <110>, где перекрытие d- и s-орбиталей соседних атомов максимально, имеет наибольшее значение, модуль отвечающий направлению <100>, проходящему через центры октапор, где перекры­тия орбиталей нет, минимален.

Пластическая деформация металлов происходит в основном путем скольжения. В некоторых металлах существенную роль играет двойникование. Сильные металлические связи-перекрытия, действующие меж­ду ближайшими соседями в металлических решетках, определяют мак­симальную прочность плотноупакованных рядов и плотноупакованных плоскостей, сохраняющихся на первых стадиях пластической деформа­ции. Поэтому пластическая деформация металлов происходит путем сдвигов наиболее прочных плотноупакованных плоскостей в направле­ниях наиболее прочных плотноупакованных рядов, так как расстояние между соседними плотноупакованными плоскостями больше, а силы сцепления меньше, чем между другими кристаллографическими плос­костями. Скольжение вдоль плотноупакованных рядов отвечает наи­меньшему перемещению атомов в акте единичного сдвига. Чем больше у металла возможных плоскостей скольжения, тем он пластичней. Если в кристалле существует несколько плоскостей скольжения, то сдвиг нач­нется в тех плоскостях, в которых сопротивление сдвигу минимально, а ориентировка по отношению к внешней силе наиболее благоприятна.

Пластическая деформация ОЦК-металлов всегда происходит в на­правлениях плотноупакованных рядов <111>, в которых атомы связаны максимально прочными и самыми короткими металлическими связями перекрытиями s- и d-орбиталей. Эти направления скольжения в ОЦК-металлах играют исключительно важную роль и действуют во всех плоскостях скольжения. Однако ниобий, и в меньшей степени, хром и молибден отличаются аномальным поведением при пластической де­формации: кроме нормальной для ОЦК-металлов системы скольжения {110}<111>, у них реализуется и система {100} <100> по граням куба. В этих металлах легко образуются полные дислокации <100>, вектор Бюргерса которых больше, чем у дислокации 1/2<111>. Иными слова-

ми, в тугоплавких многовалентных ОЦК-металлах V-VI групп более прочными могут быть ковалентные связи в рядах <100>, а не более ко­роткие металлические связи в плотноупакованных рядах <111>. Энер­гии металлических и ковалентных связей в многовалентных металлах V—VI групп становятся близкими, о чем свидетельствует отсутствие анизотропии модуля упругости вольфрама и отношение yV, Nb, Cr, Мо. Это отвечает пониженной пластичности и высоким темпе­ратурам перехода из хрупкого в вязкое состояние у Cr, Мо, W и метал­лов V группы, особенно при загрязнении примесями внедрения.

Разрушение металлов с высокосимметричной ГЦК-структурой, имеющих только металлические связи, происходит вязко. Пластическая деформация ГЦК-металлов может происходить по 12 системам сколь­жения (одновременно только по пяти) путем движения дислокации <110> по плоскостям скольжения {111}. У атомов на краю движущейся дислокации часть связей оборвана, а межатомные расстояния перед кра­ем дислокации, т.е. в области растяжения, увеличены, что означает ос­лабление межатомных связей. Поэтому перед краем движущейся дисло­кации создаются благоприятные условия для образования вакансий. По мере увеличения степени пластической деформации плотность дисло­кации и число их пересечений возрастают, вызывая быстрое размноже­ние вакансий. Вакансии сливаются, образуя поры, начальные микро­трещины. Процесс заканчивается вязким разрушением.

Разрушение ОЦК-металлов, особенно тугоплавких высокопроч­ных металлов V-VI групп и сплавов на их основе, а также высокопроч­ных мартенситных сталей, особенно при низких температурах, является хрупким. Дислокации а/2<111>, движущиеся во взаимно пересекаю­щихся плоскостях {110} ОЦК-кристалла, накапливаются в месте пере­сечения, что вызывает образование начальной трещины, которая разви­вается по плоскости куба {100}. С позиций электронного строения та­кое хрупкое разрушение ОЦК-металлов по плоскости скола {100} про­исходит исключительно вследствие разрыва хрупких ковалентных -связей, образованных перекрытием р⁶-оболочек и направленных перпендикулярно плоскости скола {100} в направлениях ребер куба <100>. Хрупкое разрушение тугоплавких карбидов, нитридов и других соединений переходных металлов, имеющих структуру типа NaCl (TiC, VC, NbC, ZrC и др.), также происходит по плоскостям куба {100}. Фи­зической причиной такого разрушения является разрыв жестких кова­лентных -связей Ме-Х, возникающих в результате перекрытия р⁶- обо­лочек ионов и и проходящих вдоль направлений ребер куба <100>.

Металлы можно сделать более твердыми путем введения в них до­бавок элементов, которые способствуют образованию направленных ковалентных связей. Сплавы тверже и прочнее, чем чистые металлы. Лучший пример — сталь и чистое железо. Прочность при растяжении чистого железа может быть увеличена в 10 раз путем добавления только 1% углерода и еще меньших количеств никеля и марганца. Твердость и прочность сплавов можно объяснить особенностями образующихся хи­мических связей. Атомы введенных добавок могут образовать локали­зованные и "жесткие" связи. Это ведет к уменьшению способности сло­ев атомов к скольжению относительно друг друга, в результате чего уменьшается ковкость и увеличивается твердость. Часто при добавле­нии даже следов углерода, фосфора, серы относительно мягкие и легко поддающиеся обработке металлы становятся очень хрупкими.

Поэтому для использования металлов в качестве конструкционных материалов важнейшее значение имеет сочетание механических свойств - пластичности и вязкости со значительной прочностью, твердостью и упругостью. Эти свойства зависят не только от состава (чистоты метал­ла), но и от совершенства кристаллической решетки (наличия дефектов) и структуры, определяемых предварительной термической и механиче­ской обработкой образца.