Металлы

Большая Советская Энциклопедия      Постоянная ссылка | Все категории

Металлы, простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: высокой электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэффициентом электропроводности, способностью хорошо отражать электромагнитные волны (блеск и непрозрачность), пластичностью. М. в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. В парообразном состоянии М. одноатомны.

Перечисленные выше характерные свойства М. обусловлены их электронным строением. Атомы М. легко отдают внешние (валентные) электроны. В кристаллической решётке М. не все электроны связаны со своими атомами. Некоторая их часть (~ 1 на атом) подвижна. Эти электроны могут более или менее свободно перемещаться по М. Существование свободных электронов (электронов проводимости) в М. объясняется зонной теорией (см. Твёрдое тело). М. можно представить себе в виде остова из положительных ионов, погруженного в «электронный газ». Последний компенсирует силы электростатического отталкивания между положительными ионами и тем самым связывает их в твёрдое тело (металлическая связь).

Из известных (1974) 105 химических элементов 83 — М. и лишь 22 — неметаллы. Если в длинном или «полудлинном» варианте периодической системы элементов Менделеева провести прямую линию от бора до астата (табл. 1), то можно считать, что неметаллы расположены на этой линии и справа от неё, а М. — слева.

Не следует, однако, абсолютизировать ни свойства, характерные для М., ни их отличия от неметаллов. Металлический блеск присущ только компактным металлическим образцам. Тончайшие листки Ag и Au (толщиной 10-4 мм) просвечивают голубовато-зелёным цветом. Мельчайшие порошки М. часто имеют чёрный или черно-серый цвет. Некоторые металлы (Zn, Sb, Bi) при комнатной температуре хрупки и становятся пластичными только при нагревании.

Вся совокупность перечисленных выше свойств присуща типичным М. (например, Cu, Au, Ag, Fe) при обычных условиях (атмосферном давлении, комнатной температуре). При очень высоких давлениях (~ 105—106 ам) свойства М. могут существенно измениться, а неметаллы приобрести металлические свойства.

Многие простые вещества по одним свойствам можно отнести к М., по др. — к неметаллам. Особенно много такого рода «нарушений» имеет место вблизи границы, проведённой в табл. 1. Так, Ge по внешнему виду — М., в химическом отношении проявляет себя скорее как М. (легче отдаёт электроны, чем принимает), а по величине и характеру электропроводности Ge — полупроводник. Сурьма Sb имеет электросопротивление слишком большое для М., однако температурный коэффициент сопротивления у Sb положительный и большой, как у М.; по способности отдавать электроны Sb также относится к М. As, Sb и Bi иногда называют полуметаллами. Po по внешнему виду — М., в химическом отношении ему присущи свойства и М., и неметалла — наряду с положительной валентностью (точнее окислительным числом) проявляется и отрицательная (— 2).

Металлические сплавы по свойствам имеют много общего с М., поэтому в физической, технической и экономической литературе нередко к М. относят также и сплавы.

Историческая справка. Термин «металл» произошёл от греческого слова métallon (от metalléuo — выкапываю, добываю из земли), которое означало первоначально копи, рудники (в этом смысле оно встречается у Геродота, 5 в. до н. э.). То, что добывалось в рудниках, Платон называл metalléia. В древности и в средние века считалось, что существует только 7 М.: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть (см. Знаки химические). По алхимическим представлениям, М. зарождались в земных недрах под влиянием лучей планет и постепенно крайне медленно совершенствовались, превращаясь в серебро и золото (см. Алхимия). Алхимики полагали, что М. — вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В начале 18 в. получила распространение гипотеза, согласно которой М. состоят из земли и «начала горючести» — флогистона. М. В. Ломоносов насчитывал 6 М. (Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb) и определял М. как «светлое тело, которое ковать можно». В конце 18 в. А. Л. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона и показал, что М. — простые вещества. В 1789 Лавуазье в руководстве по химии дал список простых веществ, в который включил все известные тогда 17 М. (Sb, Ag, As, Bi, Со, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). По мере развития методов химического исследования число известных М. возрастало. В 1-й половине 19 в. были открыты спутники Pt, получены путём электролиза некоторые щелочные и щёлочноземельные М., положено начало разделению редкоземельных металлов, открыты неизвестные М. при химическом анализе минералов. В 1860—63 методом спектрального анализа были открыты Cs, Rb, Tl, In. Блестяще подтвердилось существование М., предсказанных Д. И. Менделеевым на основе его периодического закона. Открытие радиоактивности в конце 19 в. повлекло за собой поиски природных радиоактивных М., увенчавшиеся полным успехом. Наконец, методом ядерных превращений начиная с середины 20 в. были искусственно получены радиоактивные М., в частности трансурановые элементы.

В конце 19 — начале 20 вв. получила физико-химическую основу металлургиянаука о производстве М. из природного сырья. Тогда же началось исследование свойств М. и их сплавов в зависимости от состава и строения (см. Металловедение, Металлофизика).

Химические свойства. В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе элементов (табл. 1), различают М. главных и побочных подгрупп. М. главных подгрупп (подгруппы а) называют также непереходными. Эти М. характеризуются тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение s – и р-электронных оболочек. В атомах М. побочных подгрупп (подгруппы б), называют переходными, происходит достраивание d – и f-оболочек, в соответствии с чем их делят на d-группу и две f-группы — лантаноиды и актиноиды. В подгруппы а входят 22 М.: Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (I a); Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra (II a); Al, Ga, In, Tl (III a); Ge, Sn, Pb (IV a); Sb, Bi (V a); Po (VI а). В подгруппы б входят: 1) 33 переходных металла d-группы [Cu, Ag, Au (I б), Zn, Cd, Hg (II б); Sc, Y, La, Ac (III б); Ti, Zr, Hf, Ku (IV б); V, Nb, Ta, элемент с Z = 105 (V б), Cr, Mo, W (VI б), Mn, Te, Re (VII б), Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, 0s, lr, Pt (VIII б)]; 2) 28 М. f-группы (14лантаноидов и 14 актиноидов).

Электронная структура атомов некоторых d-элементов имеет ту особенность, что один из электронов внешнего уровня переходит на d-подуровень. Это происходит при достройке этого подуровня до 5 или 10 электронов. Поэтому электронная структура валентных подуровней атомов d-элементов, находящихся в одной подгруппе, не всегда одинакова. Например, Cr и Mo (подгруппа VI б) имеют внешнюю электронную структуру соответственно 3d54s1 и 4d55s1, тогда как у W она 5d46s2. В атоме Pd (подгруппа VIII б) два внешних электрона «перешли» на соседний валентный подуровень, и для атома Pd наблюдается d10 вместо ожидаемого d8s2.

М. присущи многие общие химические свойства, обусловленные слабой связью валентных электронов с ядром атома: образование положительно заряженных ионов (катионов), проявление положительной валентности (окислительного числа), образование основных окислов и гидроокисей, замещение водорода в кислотах и т. д. Металлические свойства элементов можно сравнить, сопоставляя их электроотрицательность [способность атомов в молекулах (в ковалентной связи) притягивать электроны, выражена в условных единицах]; элементу присущи свойства М. тем больше, чем ниже его электроотрицательность (чем сильнее выражен электроположительный характер).

В периодической системе элементов Менделеева (табл. 1) в пределах каждого периода, начиная со 2-го, с увеличением атомного номера электроотрицательность возрастает от 2 до 7, начиная со щелочного металла и кончая галогеном (переход от М. к неметаллам). В пределах подгрупп (а и б) с увеличением атомного номера электроотрицательность в общем уменьшается, хотя и не всегда последовательно. В семействах лантаноидов и актиноидов она сохраняется примерно на одном уровне.

Если расположить М. в последовательности увеличения их нормальных потенциалов, получим т. н. ряд напряжений или ряд активностей (табл. 2 и 3). Рассмотрение этого ряда показывает, что по мере приближения к его концу — от щелочных и щёлочноземельных М. к Pt и Au — электроположительный характер членов ряда уменьшается. М. от Li по Na вытесняют H2 из H2O на холоду, а от Mg по Tl — при нагревании. Все М., стоящие в ряду выше H2, вытесняют его из разбавленных кислот (на холоду или при нагревании). М., стоящие ниже H2, растворяются только в кислородных кислотах (таких, как концентрированная H2SO4 при нагревании или HNO3), а Pt, Au — только в царской водке (Ir нерастворим и в ней).

М. от Li по Na легко реагируют с O2 на холоду; последующие члены ряда соединяются с O2 только при нагревании, а lr, Pt, Au в прямое взаимодействие с O2 не вступают.

Окислы М. от Li по Al (табл. 2) и от La по Zn (табл. 3) трудно восстановимы; по мере продвижения к концу ряда восстановимость окислов увеличивается, а окислы последних его членов разлагаются на М. и O2 уже при слабом нагревании. О прочности соединений М. с кислородом (и др. неметаллами) можно судить и по разности их электроотрицательностей (табл. 1): чем она больше, тем прочнее соединение.

Табл. 2. — Нормальные электродные потенциалы непереходных металлов

Система

Нормальный потенциал при 25 °С, в

Система

Нормальный потенциал при 25 °C, в

Система

Нормальный потенциал при 25 °С, в

Li Û Li+ + е

-3,0245

Mg Û Mg2+ + 2е

-2,375

Sn Û Sn2+ + 2e

-0,140

Cs Û Cs+ + e

-3,020

Be Û Be2+ + 2e

-1,69

Pb Û Pb2+ + 2e

-0,126

Rb Û Rb+ + e

-2,990

Al Û Al3+ + 3e

-1,67

Ha Û 2H+ + 2e

0

К Û K+ + e

-2,925

Ga Û Ga3+ + 3e

-0,52

Sb Û Sb3+ + 3e

+0,20

Ra Û Ra2+ + 2е

-2,92

Ga Û Ga2+ + 2e

-0,45

Bi Û Bi3+ + 3e

+0,23

Ba Û Ba2+ + 2e

-2,90

In Û ln3++ 3e

-0,34

Po Û Po3+ + 3e

+0,56

Sr Û Sr2+ + 2e

-2,89

Tl Û Tl++ е

-0,338

Po Û Po2+ + 2е

+0,65

Ca Û Ca2+ + 2e

-2,87

In Û ln2+ + 2e

-0,25

Tl Û Tl3+ + 3e

+0,71

Na Û Na+ + е

-2,714

Pb Û Pb4+ + 4е

+0,80

Табл. 3. — Нормальные электродные потенциалы переходных металлов

Система

Потенциал при 25 °С, в

Система

Потенциал при 25 °C, в

Система

Потенциал при 25 °C, e

Ac Û Ac3+ + 3e

-2,60

Cr Û Cr3+ + 3е

-0,74

Ru Û Ru2+ + 2e

+0,45

La Û La3+ + 3e

-2,52

Fe Û Fe2+ + 2e

-0,44

Mn Û Mn3+ + 3e

+0,47

Y Û Y3+ + 3e

-2,37

Cd Û Cd2+ + 2e

-0,402

Cu Û Cu+ + e

+0,522

Sc Û Sc3+ + 3e

-2,08

Re Û Re3+ + 3e

-0,3

Rh Û Rh2+ + 2e

+0,60

Hf Û Hf4+ + 4е

-1,70

Co Û Co2+ + 2e

-0,277

W Û W6+ + 6e

+0,68

Ti Û Ti3+ + 3е

-1,63

Ni Û Ni2+ + 2е

-0,25

Rh Û Rh3+ + 3e

+0,70

Zr Û Zr4+ + 4е

-1,56

Те Û Te2+ + 2e

-0,24

0s Û Os2+ + 2e

+0,70

V Û V2+ + 2e

-1,18

Mo Û Mo3+ + 3е

-0,20

Ag Û Ag+++с

+0,779

Mn Û Mn2++ 2e

-1,18

H2 Û 2H+ + 2e

0,000

Pd Û Pd2+ + 2e

+0,83

Nb Û Nb3+ + 3e

-1,10

Fe Û Fe3+ + 3e

+0,036

Hg Û Hg2+ + 2e

+0,854

V Û V3+ +3e

-0,87

W Û W3+ + 3e

+0,11

lr Û lr3+ + 3e

+1,0

Cr Û Cr2+ + 2e

-0,86

Cu Û Cu2+ + 2e

+0,346

Pt Û Pt2+ + 2e

+1,2

Zn Û Zi3+ + 2e

-0,761

Co Û Co3+ + 3e

+0,40

Au Û Au3+ + 3e

+1,5

Au Û Au+ + e

+1,7

Валентности (точнее, окислительные числа) непереходных М. равны: +1 для подгруппы I а; +2 для II a; +1 и +3 для III a; +2 и +4 для IV a; +2, +3 и +5 для V a; — 2, +2, +4, +6 для VI a. У переходных М. наблюдается ещё большее разнообразие окислительных чисел: +1, +2, +3 для подгруппы I б, +2 для II б; +3 для III б; +2, +3, +4 для IV б; +2, +3, +4, +5 для V б; +2, +3, +4, +5, +6 для VI б, +2, +3, +4, +5, +6, +7 для VII б, от +2 до +8 в VIII б. В семействе лантаноидов наблюдаются окислительные числа +2, +3 и +4, в семействе актиноидов — от +3 до +6. Низшие окислы М. обладают основными свойствами, высшие являются ангидридами кислот (см. Кислоты и основания). М., имеющие переменную валентность (например, Cr, Mn, Fe), в соединениях, отвечающих низшим степеням окисления [Cr (+2), Mn (+2), Fe (+2)], проявляют восстановительные свойства; в высших степенях окисления те же М. [Cr (+6), Mn (+7), Fe (+3)] обнаруживают окислительные свойства. О химических соединениях М. друг с другом см. в ст. Металлиды, о соединениях М. с неметаллами см. в статьях Бориды, Гидриды, Карбиды, Нитриды, Окислы и др.

Лит.: Некрасов Б. В., Основы общей химии, 2 изд., т. 1—3, М., 1969—70; Дей М. К., Селбин Дж., Теоретическая неорганическая химия, пер. с англ., 2 изд., М., 1971; Барнард А., Теоретические основы неорганической химии, пер. с англ., М., 1968; Рипан Р., Четяну И., Неорганическая химия, т. 1—2, Химия металлов, пер. с рум., М., 1971—72. См. также лит. при ст. Неорганическая химия.

С. А. Погодин.

Физические свойства. Большинство М. кристаллизуется в относительно простых структурах — кубических (кубические объёмноцентрированная ОЦК и гранецентрированная ГЦК решётки) и гексагональных ПГУ, соответствующих наиболее плотной упаковке атомов. Лишь небольшое число М. имеет более сложные типы кристаллических решёток. Многие М. в зависимости от внешних условий (температуры, давления) могут существовать в виде двух или более кристаллических модификаций (см. Полиморфизм). Полиморфные превращения иногда связаны с потерей металлических свойств, например превращение белого олова (b-Sn) в серое (a-Sn).

Электрические свойства. Удельная электропроводность М. при комнатной температуре s ~ 10-6—10-4 ом-1см-1 (табл. 1), тогда как у диэлектриков, например у серы, s ~ 10-17 ом-1см-1. Промежуточные значения s соответствуют полупроводникам. Характерным свойством М. как проводников электрического тока является линейная зависимость между плотностью тока и напряжённостью приложенного электрического поля (Ома закон). Носителями тока в М. являются электроны проводимости, обладающие высокой подвижностью. Согласно квантово-механическим представлениям, в идеальном кристалле электроны проводимости (при полном отсутствии тепловых колебаний кристаллической решётки) вообще не встречают сопротивления на своём пути. Существование у реальных М. электросопротивления является результатом нарушения периодичности кристаллической решётки. Эти нарушения могут быть связаны как с тепловым движением атомов, так и с наличием примесных атомов, вакансий, дислокаций и др. дефектов в кристаллах. На тепловых колебаниях и дефектах (а также друг на друге) происходит рассеяние электронов. Мерой рассеяния служит длина свободного пробега — среднее расстояние l между двумя последовательными столкновениями электронов. Величина удельной электропроводности s связана с длиной свободного пробега l соотношением:

s = nel/pF, (1)

где n — концентрация электронов проводимости (~1022—1023 см-3), е — заряд электрона, pF = 2ph (3n/8p)1/3 — граничный фермиевский импульс (см. Ферми поверхность), h — Планка постоянная. Зависимость а или удельного электросопротивления р от температуры Т связана с зависимостью l от Т. При комнатных температурах в М. l ~ 10-6 см.

При температурах, значительно превышающих Дебая температуру, сопротивление r обусловлено главным образом тепловыми колебаниями кристаллической решётки и возрастает с температурой линейно:

r = rост (1 + aТ). (2)

Постоянная a называется температурным коэффициентом электропроводности и имеет при температуре Т = 0 °C типичное значение a = 4×10-5 град–1. При более низких температурах, когда влиянием тепловых колебаний атомов на рассеяние электронов можно пренебречь, сопротивление практически перестаёт зависеть от температуры. Это предельное значение сопротивления называется остаточным. Величина rост характеризует концентрацию дефектов в решётке М. Удаётся получить столь чистые (сверхчистые) и свободные от дефектов М., что их остаточное сопротивление в 104—105 раз превышает сопротивление этих М. в обычных условиях. Длина свободного пробега электронов в сверхчистых М. l ~ 10-2 см. Теоретическое рассмотрение показывает, что при низких температурах формула для удельного электросопротивления имеет вид:

r=rост+АТ2+ВТ5 (3)

где А и В — величины, не зависящие от Т. Член BT5 связан с рассеянием электронов на тепловых колебаниях атомов, а член AT2 — со столкновениями электронов друг с другом и даёт заметный вклад в сопротивление лишь у некоторых М., например у Pt. Однако закономерность (3) выполняется лишь приближённо.

У некоторых М. и металлидов при определённой температуре, называемой критической, наблюдается полное исчезновение сопротивления — переход в сверхпроводящее состояние (см. Сверхпроводимость). Критические температуры чистых металлов лежат в интервале от сотых долей К до 9 К (табл. 1).

Если металлический образец, по которому течёт ток, поместить в постоянное магнитное поле, то в М. возникают явления, обусловленные искривлением траекторий электронов в магнитном поле в промежутке между столкновениями (гальваномагнитные явления). Среди них важное место занимают Холла эффект и изменение электросопротивления М. в магнитном поле (магнетосопротивление). Влияние магнитного поля тем больше, чем больше длина свободного пробега l, т. е. чем ниже температура и чем меньше примесей в М. При комнатной температуре магнитное поле 107—105 э изменяет сопротивление М. лишь на доли %. При T £ 4 К в сверхчистых М. сопротивление может измениться во много раз. Зависимость электросопротивления М. от внешнего магнитного поля существенно зависит от характера энергетического спектра электронов, в частности от формы поверхности ферми. У многих металлических монокристаллов (Au, Cu, Ag и др.) наблюдается сложная анизотропия сопротивления в магнитном поле.

В магнитных полях ~ 104—105 э и при низких температурах у всех металлических монокристаллов наблюдается осциллирующая зависимость электросопротивления от магнитного поля (Шубникова — де Хааза эффект). Это явление — следствие квантования движения электронов в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля. Как правило, квантовая осциллирующая зависимость в виде небольшой «ряби» наложена на обычную зависимость сопротивления от магнитного поля.

При нагревании М. до высоких температур наблюдается «испарение» электронов с поверхности М. (термоэлектронная эмиссия). Число электронов, вылетающих в единицу времени, определяется законом: n~exp (—j/kT), где k — Больцмана постоянная, j — работа выхода электронов из М. (см. Ричардсона формула). Величина j различна у разных М. и зависит также от состояния поверхности. Эмиссия электронов с поверхности М. происходит также под действием сильных электрических полей ~107 в/см в результате туннельного просачивания электронов через сниженный полем потенциальный барьер (см. Туннельная эмиссия). В М. наблюдаются явления фотоэлектронной эмиссии, вторичной электронной эмиссии и ионно-электронной эмиссии. Перепад температуры вызывает в М. появление электрического тока или разности потенциалов (см. Термоэлектрические явления).

Тепловые свойства. Теплоёмкость М. (табл. 1) обусловлена как ионным остовом (решёточная теплоёмкость Ср), так и электронным газом (электронная теплоёмкость Сэ). Хотя концентрация электронов проводимости в М. очень велика (см. выше) и не зависит от температуры, электронная теплоёмкость мала и у большинства М. наблюдается только при температурах ~ нескольких К. Возможность измерения Сэ связана с тем, что при уменьшении температуры Ср убывает пропорционально T3, а Сэ ~ Т. Для Cu: Сэ = 0,9×10-4RT, для Pd: Сэ = 1,6×10-3RT (R — газовая постоянная). Теплопроводность М. осуществляется главным образом электронами проводимости. Поэтому между удельными коэффициентами электропроводности и теплопроводности существует простое соотношение, называемое Видемана — Франца законом.

Взаимодействие М. с электромагнитными полями. Переменный электрический ток при достаточно высокой частоте течёт по поверхности М., не проникая в его толщу (см. Скин-эффект). Электромагнитное поле частоты w проникает в М. лишь на глубину скин-слоя толщиной d.

Например, для Cu при (w = 108 гц d = 6×10-4 см. В таком слое поглощается незначительная часть электромагнитной энергии. Основная часть энергии переизлучается электронами проводимости и отражается (см. Металлооптика). В чистых М. при низких температурах длина свободного пробега электронов l часто превышает глубину d. При этом напряжённость поля существенно изменяется на длине свободного пробега, что проявляется в характере отражения электромагнитных волн от поверхности М. (аномальный скин-эффект).

Сильное постоянное магнитное поле существенно влияет на электродинамические свойства М. В М., помещенных в такое поле, при условии, если частота электромагнитного поля кратна частоте прецессии электронов проводимости вокруг силовых линий постоянного магнитного поля, наблюдаются резонансные явления (см. Циклотронный резонанс). При определённых условиях в толще М., находящегося в постоянном магнитном поле, могут распространяться слабо затухающие электромагнитные волны, т. е. исчезает скин-эффект. Электродинамические свойства М., помещенного в магнитное поле, сходны со свойствами плазмы в магнитном поле и являются одним из основных источников информации об электронах проводимости.

Для электромагнитных волн оптического диапазона М., как правило, практически непрозрачны и обладают характерным блеском (см. Отражение света, Зеркало). В поглощении света в видимом и ультрафиолетовом диапазонах некоторую роль играет внутренний фотоэффект. Отражение от поверхности М. плоскополяризованного света, падающего под произвольным углом, сопровождается поворотом плоскости поляризации и появлением эллиптической поляризации (см. Вращение плоскости поляризации). Это явление используется для определения оптических констант М.

Общая структура характеристических рентгеновских спектров М. и диэлектриков одинакова. Тонкая же структура линий, соответствующая квантовым переходам электронов из зоны проводимости на глубокие уровни, отражает распределение электронов проводимости по уровням энергии.

Магнитные свойства. Переходные металлы с недостроенными f – и d-электронными оболочками являются парамагнетиками. Некоторые из них при определённых температурах переходят в магнитоупорядоченное состояние (см. Магнетизм, Ферромагнетизм, Антиферромагнетизм, Кюри точка). Магнитное упорядочение существенно влияет на все свойства М., в частности на электрические свойства: в электросопротивление вносит вклад рассеяние электронов на колебаниях магнитных моментов. Гальваномагнитные явления при этом также приобретают специфические черты.

Магнитные свойства остальных М. определяются электронами проводимости, которые вносят вклад в диамагнитную и парамагнитную восприимчивости М., и диамагнитной восприимчивостью ионного состава (см. Диамагнетизм, Парамагнетизм). Магнитная восприимчивость c большинства М. относительно мала (c ~ 10-6) и слабо зависит от температуры.

При низких температурах Т и в больших магнитных полях Н ³ 104 kT у всех металлических монокристаллов наблюдается сложная осциллирующая зависимость суммарного магнитного момента от поля Н (см. Де Хааза — ван Альфена эффект), природа которого та же, что и у эффекта Шубникова — де Хааза. Исследование осцилляционных эффектов позволяет определить форму поверхности Ферми.

Механические свойства. Многие М. обладают комплексом механических свойств, обеспечивающим их широкое применение в технике, в частности в качестве конструкционных материалов. Это, в первую очередь, сочетание высокой пластичности со значительной прочностью и сопротивлением деформации, причём соотношение этих свойств может регулироваться в большом диапазоне с помощью механической и термической обработки М., а также получением сплавов различного состава.

Исходной характеристикой механических свойств М. является модуль упругости G, определяющий сопротивление кристаллической решётки упругому деформированию и непосредственно отражающий величину сил связи в кристалле. В монокристаллах эта величина, как и остальные механические характеристики, анизотропна и коррелирует с температурой плавления М. (например, средний модуль сдвига G изменяется от 0,18×1011 эрг/см3 для легкоплавкого Na до 27×1011 эрг/см3 для тугоплавкого Re).

Сопротивление разрушению или пластической деформации идеального кристалла ~ 10-1 G. Но в реальных кристаллах эти характеристики, как и все механические свойства, определяются наличием дефектов, в первую очередь дислокаций. Перемещение дислокаций по плотноупакованным плоскостям приводит к элементарному акту скольжения — основному механизму пластической деформации М. Др. механизмы двойникование и сбросообразование) существенны только при пониженных температурах. Важнейшая особенность М. — малое сопротивление скольжению дислокации в бездефектном кристалле. Это сопротивление особенно мало в кристаллах с чисто металлической связью, которые обычно имеют плотноупакованные структуры (гранецентрированную кубическую или гексагональную). В М. с ковалентной компонентой межатомной связью, имеющих объёмноцентрированную решётку, сопротивление скольжению несколько больше, однако всё же мало по сравнению с чисто ковалентными кристаллами. Сопротивление пластической деформации, по крайней мере в М. с гранецентрированной кубической и гексагональной решётками, связано с взаимодействием движущихся дислокаций с др. дефектами в кристаллах, с др. дислокациями, примесными атомами, внутренними поверхностями раздела. Взаимодействие дефектов определяется искажениями решётки вблизи них и пропорционально G. Для отожжённых монокристаллов начальное сопротивление пластической деформации (предел текучести) обычно ~ 10-3—10-4 G. В процессе деформации число дислокаций в кристаллической решётке (плотность дислокаций b) увеличивается от 106—108 до 1012 см-2. Соответственно растет сопротивление пластической деформации (d — межатомное расстояние). Это называют деформационным упрочнением или наклёпом. Для монокристаллов М. характерно наличие трёх стадий деформационного упрочнения. На 1-й стадии значительная часть дислокаций выходит на поверхность и коэффициент упрочнения Q (коэффициент пропорциональности между напряжением и деформацией) мал; на 2-й стадии дислокации накапливаются в кристалле, их распределение становится существенно неоднородным: Q~G/300. На 3-й стадии b, G и Q уменьшаются вследствие аннигилляции дислокаций, выдавливаемых из их плоскостей скольжения. Значение этой стадии больше для М. с объёмноцентрированной решёткой.

Степень «привязанности» дислокации к плоскости скольжения определяется шириной дислокации в этой плоскости, которая, в свою очередь, зависит от энергии g дефекта упаковки (величина g/Gd в М. с гранецентрированной решёткой изменяется от 10-2 для Al, имеющего узкие дислокации, до 10-4 для сплавов Cu с широкими дислокациями). Процесс разрядки дислокационной плотности ускоряется при повышении температуры и может привести к релаксации и значительному восстановлению свойств кристаллов. Чем выше температура и меньше скорость деформирования, тем больше успевают развиться процессы релаксации и тем меньше деформационное упрочнение.

При Т > 0,5 Тпл в пластической деформации начинают играть существенную роль точечные дефекты, в первую очередь вакансии, которые, оседая на дислокациях, приводят к их выходу из плоскостей скольжения. Если этот процесс достаточно интенсивен, то деформация не сопровождается упрочнением: М. течёт с постоянной скоростью при неизменной нагрузке (ползучесть). Протекание процессов релаксации напряжений и постоянная разрядка дислокационной структуры обеспечивают высокую пластичность М. при их горячей обработке, что позволяет придавать изделиям из М. разнообразную форму. Отжиг сильно деформированных монокристаллов М. нередко приводит к образованию поликристаллов с малой плотностью дислокаций внутри зёрен (рекристаллизация).

Достижимые степени деформации М. ограничены процессом разрушения. По мере роста плотности дислокаций при холодной деформации растёт неравномерность их распределения, приводящая к концентрации напряжений в местах сгущения дислокаций и зарождению здесь очагов разрушения — трещин. В реальных кристаллах такие концентрации напряжений имеются и в исходном недеформированном состоянии (скопление примесей, частицы др. фаз и т. п.). Но вследствие пластичности М. деформация вблизи опасных мест снимает напряжения и предотвращает разрушение. Однако, если сопротивление движению дислокаций растет, то релаксационная способность материала падает, что под нагрузкой приводит к развитию трещин (хрупкое разрушение). Это особенно проявляется в М. с объёмноцентрированной решёткой, в которых подвижность дислокаций резко уменьшается при понижении температуры (из-за взаимодействия с примесями и уменьшения числа кристаллографич. возможных плоскостей скольжения). Предотвращение хладноломкости — одна из важнейших технических проблем разработки конструкционных металлических материалов. Др. актуальная проблема — увеличение прочности и сопротивления деформации при высоких температурах. Зародышами разрушения в этих условиях служат микропоры, образующиеся в результате скопления вакансий. Эффективный способ повышения высокотемпературной прочности — уменьшение диффузионной подвижности точечных дефектов, в частности легированием.

Применяемые в технике конструкционные металлические материалы являются поликристаллическими. Их механические свойства практически изотропны и могут существенно отличаться от свойств монокристаллов М. Межфазные границы вносят дополнительный вклад в упрочнение. С др. стороны, они могут быть местами предпочтительного разрушения (межзёренное разрушение) или деформации. Изменяя число и строение межфазных границ, форму и пространственное расположение отдельных структурных составляющих многофазных систем (поликристаллов, гетерофазных агрегатов, возникающих вследствие фазовых превращений, или искусственно полученных композиций), а также регулируя состав и дефектную структуру отдельных кристаллов, можно получить огромное разнообразие механических свойств, необходимых для практического использования металлических материалов.

А. Л. Ройтбурд.

Лит.: Френкель Я. И., Введение в теорию металлов, 2 изд., М. — Л., 1950; Бете Г., Зоммерфельд А., Электронная теория металлов, пер. с нем., М. — Л., 1938; Лифшиц И. М., Азбель М. Я., Каганов М. И., Электронная теория металлов, М., 1971; Абрикосов А. А., Введение в теорию нормальных металлов, М., 1972; Слэтер Дж., Диэлектрики, полупроводники, металлы, пер. с англ., М., 1969; Шульце Г., Металлофизика, пер. с нем., М., 1971.

Металлы в технике. Благодаря таким свойствам, как прочность, твёрдость, пластичность, коррозионная стойкость, жаропрочность, высокая электрическая проводимость и многое др., М. играют громадную роль в современной технике, причём число М., находящих применение, постоянно растет. Характерно, что до начала 20 в. многие важнейшие М. — Al, V, W, Mo, Ti, U, Zr и др. — либо не производились вообще, либо выпускались в очень ограниченных масштабах; такие М., как Be, Nb, Ta, начали сравнительно широко использоваться лишь накануне 2-й мировой войны 1939—45. В 70-х гг. 20 в. в промышленности применяются практически все М., встречающиеся в природе.

Все М. и образованные из них сплавы делят на чёрные (к ним относят железо и сплавы на его основе; на их долю приходится около 95% производимой в мире металлопродукции) и цветные, или, точнее, нежелезные (все остальные М. и сплавы). Большое число нежелезных М. и широкий диапазон их свойств не позволяют классифицировать их по какому-либо единому признаку. В технике принята условная классификация, по которой эти М. разделены на несколько групп по различным признакам (физическим и химическим свойствам, характеру залегания в земной коре), специфичным для той или иной группы: лёгкие металлы (например, Al, Mg), тяжёлые М. (Cu, Pb и др.), тугоплавкие металлы (W, Mo и др.), благородные металлы (Au, Pt и др.), рассеянные металлы (Ga, In, TI), редкоземельные М. (Sc, Y, La и лантаноиды, см. Редкоземельные элементы), радиоактивные металлы (Ra, U и др.). М., которые производят и используют в ограниченных масштабах, называются редкими металлами. К ним относят все рассеянные, редкоземельные и радиоактивные М., большую часть тугоплавких и некоторые лёгкие М.

Большая способность М. к образованию многочисленных соединений разного типа, к различным фазовым превращениям создаёт благоприятные условия для получения разнообразных сплавов, характеризующихся требуемым сочетанием полезных свойств. Число используемых в технике сплавов превысило уже 10 тыс. Значение сплавов как конструкционных материалов, электротехнических материалов, материалов с особыми физическими свойствами (см. Прецизионные сплавы) непрерывно возрастает. В то же время в связи с развитием полупроводниковой и ядерной техники расширяется производство ряда особо чистых металлов (чистотой например, 99,9999% и выше).

Применение того или иного М. (или сплава) в значительной мере определяется практической ценностью его свойств; однако существенное значение имеют и др. обстоятельства, в первую очередь природные запасы М., доступность и рентабельность его добычи. Из наиболее ценных и важных для современной техники М. лишь немногие содержатся в земной коре в больших количествах: Al (8,8%), Fe (4,65%) Mg (2,1%), Ti (0,63%). Природные ресурсы ряда весьма важных М. измеряются сотыми долями процента (например, Cu, Mn, Cr, V, Zr) и даже тысячными долями (например, Zn, Sn, Pb, Ni, Co, Nb). Некоторые ценные М. присутствуют в земной коре в ещё меньших количествах. Так, содержание урана — важнейшего источника ядерной энергии — оценивается в 0,0003%, вольфрама, являющегося основой твёрдых сплавов, — 0,0001% и т. д. Особенно бедна природа благородными и т. н. редкими М.

Многообразие М. предопределяет большое число способов их получения и обработки (см. Металлургия). Взаимосвязь состава, строения и свойств металлов и сплавов, а также закономерности их изменения в результате теплового, химического или механического воздействия изучает металловедение. О свойствах, способах получения, масштабах производства и применении отдельных М. см. в статьях, посвященных соответствующим химическим элементам и сплавам на их основе (например, Алюминий, Алюминиевые сплавы, Бериллий, Бериллиевые сплавы и т. д.).

О применении М. и их сплавов в искусстве см. в статьях Бронза, Железо, Золото, Медь, Олово, Серебро, Сталь, Чугун, Гравирование, Гравюра, Зернь, Ковка, Насечка, Тиснение, Филигрань, Чеканка, Ювелирное искусство.

И. И. Новиков.

Периодическая система Д. И. Менделеева. Свойства металлов.






Большая Советская Энциклопедия      Постоянная ссылка | Все категории
Мы в соцсетях:




Архивы pandia.ru
Алфавит: АБВГДЕЗИКЛМНОПРСТУФЦЧШЭ Я

Новости и разделы


Авто
История · Термины
Бытовая техника
Климатическая · Кухонная
Бизнес и финансы
Инвестиции · Недвижимость
Все для дома и дачи
Дача, сад, огород · Интерьер · Кулинария
Дети
Беременность · Прочие материалы
Животные и растения
Компьютеры
Интернет · IP-телефония · Webmasters
Красота и здоровье
Народные рецепты
Новости и события
Общество · Политика · Финансы
Образование и науки
Право · Математика · Экономика
Техника и технологии
Авиация · Военное дело · Металлургия
Производство и промышленность
Cвязь · Машиностроение · Транспорт
Страны мира
Азия · Америка · Африка · Европа
Религия и духовные практики
Секты · Сонники
Словари и справочники
Бизнес · БСЕ · Этимологические · Языковые
Строительство и ремонт
Материалы · Ремонт · Сантехника