HomeСложные металлы › Свойства тугоплавких металов

Свойства тугоплавких металов

Свойства тугоплавких металовТугоплавкие металлы относятся к переходным элементам и располагаются в IV, V, VI и VII группах (подгруппы А) периодической системы. (В группе VIIIA тугоплавкие драгоценные металлы.) С увеличением атомного номера возрастает температура плавления тугоплавких металлов в каждой из подгрупп.

 

Элементы VA и VIA групп (ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден и вольфрам) являются тугоплавкими металлами с объемноцентрированной кубической решеткой в отличие от других тугоплавких металлов, имеющих гранецентрированную или гексагональную плотноупакованную структуру.

 

Наибольшее применение в новых отраслях техники нашли вольфрам, молибден, ниобий и тантал. Тугоплавкие металлы обладают особыми физико-химическими и механическими свойствами, значительно отличающимися от свойств других металлов.

 

1. МЕЖАТОМНЫЕ СВЯЗИ В ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛАХ

Главным фактором, определяющим кристаллическую структуру и физические свойства металлов и сплавов, является природа их межатомных связей. Тугоплавкие металлы характеризуются высокой прочностью межатомной связи и, как следствие, высокой температурой плавления, повышенной механической прочностью и значительным электросопротивлением.

 

С появлением новых методов исследования металлов (электронная микроскопия и другие) открылась возможность изучения структурных особенностей атомного масштаба, выявления взаимосвязей между механическими свойствами и дислокациями, дефектами упаковки и др. Полученные данные показывают, что характерные физико-механические и химические свойства, отличающие тугоплавкие металлы от обычных, определяются электронной структурой их атомов.

 

Электроны могут в различной степени переходить от одного атома к другому, при этом вид перехода отвечает определенному типу межатомной связи. Известны четыре типа межатомных связей: ионная, ковалентная, металлическая и связь Ван-дер-Ваальса.

 

При наличии ионной связи валентные электроны полностью передаются от одного атома к другому. Электрон, отделившись от атома одного типа, занимает более низкий энергетический уровень в атоме второго типа и частицы элементов будут состоять уже не из нейтральных атомов, а из положительных и отрицательных ионов.

 

На определенном расстоянии между ионами силы притяжения и отталкивания уравновешиваются; при достаточно тесном сближении ионов их внутренние электронные оболочки приходят в соприкосновение, но взаимного слияния оболочек не происходит.

 

Кристаллы, обладающие в основном ионными связями, имеют высокую температуру плавления, высокую прочность, твердость и низкий коэффициент термического расширения. По этому типу связи образуется большинство окислов металлов и солей металлов. Характерным примером реальной структуры с ионными связями является окалина, образующаяся при нагреве металла на воздухе.

 

Ковалентная связь характеризуется тем, что электроны двух атомов объединяются в связывающие пары. Каждый электрон может переходить с орбиты одного атома на орбиту другого. Атомы могут образовать двойные, тройные и более сложные связи, отдавая при этом соответствующее число электронов.

 

От ионных связей ковалентные связи отличаются тем, что они, исходя от данного атома, жестко связывают его с каждым другим атомом, т. е. ковалентные связи пространственно направлены. Эта связь обеспечивает, подобно ионной, высокую температуру плавления, высокую прочность и твердость, кристаллы, имеющие ковалентную связь, являются полупроводниками. Примером структуры твердого тела, образованного ковалентными связями, служит структура алмаза.

 

Металлическая связь характеризуется тем, что валентные электроны полностью отрываются от атомов и равномерно рассеиваются в межионном пространстве. Возникающая связь обусловлена силами притяжения между положительно заряженными ионами решетки и окружающим ионы газом «свободных» электронов. При этом происходит непрерывное взаимодействие ионов с электронами.

 

Подвижность электронов в ионной решетке влияет на тепло- и электропроводность. Наружные электроны связаны со всеми ионами, двигаясь между ними и распределяясь в межионном пространстве, создают отрицательный заряд, прочно стягивающий в монолит положительные ионы — основы атомов. Таким образом, при относительном перемещении атомов (ионов) не теряется их связь с электронами, что в определенной мере обусловливает пластичность металлов.

 

Связь Ван-дер-Ваальса характеризуется наличием пространственного смещения электронов, приводящих к появлению слабых полярных сил. Эта связь состоит в том, что при сближении нейтральных атомов появляются силы взаимного притяжения вследствие перераспределения в пространстве отрицательного заряда электронов.

 

При этой связи не происходит обмена электронами или их обобществления; атомы, ионы и молекулы испытывают взаимное притяжение друг к другу, хотя эти силы и весьма малы.

Рассмотренные межатомные связи в чистом виде встречаются редко. Обычно металлы и сплавы имеют более сложные, смешанные связи с преобладанием какого-либо одного типа.

Наиболее прочна ковалентная связь, наименее — связь Ван-дер-Ваальса.

 

В тугоплавких металлах и их сплавах наряду с металлической связью существует ковалентная связь, что обусловливает высокие температуры плавления, значительное электросопротивление и твердость этих металлов.

 

У всех тугоплавких металлов не заполнен электронами подуровень d внешней оболочки при наличии электронов более высокого подуровня s. Электронное строение свободных атомов некоторых тугоплавких металлов приведено в табл.. Энергетические уровни электронной оболочки атома, например у Nb, заполнены полностью вплоть до подуровня 4 р. В заполнении же более высоких уровней наблюдается отклонение: в наружной оболочке атома ниобия имеются четыре электрона подуровня 4с? и один электрон 5s, тогда как подуровень Ad можно заполнить десятью электронами.

 

Непоследовательное заполнение электронной оболочки обусловливается тем, что энергия электрона 5 s ниже энергии электрона 4 d; это и создает возможность существования электрона в полосе 5 s при незаполненной полосе 4 d.

 

Аналогичная картина наблюдается в строении валентной оболочки атомов титана, ванадия и хрома. У этих металлов недостроен подуровень 3 d при наличии электронов 4 s.

Важнейшие физические и химические свойства титана, ванадия и хрома определяются участием электронов двух подуровней 3 сГ и 4 s, причем важную роль играет подуровень 3 d, имеющий большее число электронов с более высоким энергетическим уровнем.

 

Тантал и вольфрам имеют недостроенный подуровень 5d при наличии электронов подуровня 6 s. Такая особенность электронного строения определяет высокий уровень межатомных сил (связей), высокую температуру плавления, прочность металлов и их взаимодействие с другими элементами и примесями внедрения.

 

Характер и сила межатомной связи в металлах и металлических фазах определяются энергетическим состоянием в кристаллической решетке, например, у ниобия электрон 5 s имеет энергию связи около 11,21 — Ю-19 дж (7 эв), Ad — 11,21 10~19 дж (7 эв), 4 р — 54,4  Ю-19 дж (34 эв), 4 s — 92,92  l\’O\»19 дж (58 эв). Таким образом, у ниобия имеются почти равноценные энергетические основания для участия в химическом взаимодействии электронов 4 d и 5 s, тогда как для участия электронов 4 р и 4 s необходима чрезвычайно высокая активация.

 

У титана, ванадия и хрома примерно одинаковый энергетический уровень имеют электроны подгруппы. 3d и 4s. Так, у ванадия электроны наружного слоя 4 s имеют энергию связи 11,21 — 10 19 дж (7 эв), второго слоя (3d) 10,89  10~19 дж (6,8 эв), третьего (3р) 65,68-Ю-19 дж (41 эв), четвертого (3s) около 104,13• 10~19ддае (65 эв) с повышением в последующих слоях. В этом случае химически активную оболочку образуют электроны  3 d и 4 s, а электроны слоев 3 р, 3 s и др. не могут принимать участия в химических реакциях при обычных условиях..

В кристаллических телах атомы расположены в пространстве закономерно, образуя кристаллические решетки с правильным и однородным строением. Ионы в кри-сталлической решетке металла не покоятся неподвижно, а колеблются относительно ее узлов.

 

При нагревании амплитуда колебаний возрастает, и ионы могут меняться местами. Множество кристаллических ячеек образует кристалл. Кристаллическая решетка характеризуется не только типом кристаллических ячеек, но и их размерами — параметрами. Так как плотность рас-положения атомов различна, то. и свойства металла в разных направлениях не одинаковы. Эта зависимость свойств тела от направления называется анизотропностью свойств.

 

С повышением температуры, по мере увеличения расстояния между атомами существовавшая в металле решетка может стать,неустойчивой и при определенной температуре атомы перестраиваются в новую, более устойчивую в данных условиях решетку с иными элементарными ячейками.

 

Это явление существования одного и того же металла в разных кристаллических решетках называют полиморфизмом. Различные полиморфные превращения обозначают буквами греческого алфавита — а, р, у и др.

 

Полиморфные разновидности одного и того же металла отличаются не только строением, но и свойствами. Реальные кристаллические тела, к которым относятся все металлы, имеют нарушения периодической структуры кристаллов в виде дефектов: точечных (вакансии, внедренные и замещенные атомы), линейных (дислокации), поверхностных (границы зерен, двойники и др.).

 

Границами между отдельными зернами металла служат области, в которых одна ориентация кристаллической решетки переходит в другую. Эти границы не являются — геометрической поверхностью. Они представляют собой в зависимости от условий получения металла и его чистоты зону толщиной в сотни атомных слоев. В граничных зонах кристаллическая решетка особенно сильно искажена, обогащена различными атомами примесей и содержит другие дефекты.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.