Часть первая. ТЕОРИЯ СПЛАВОВ

Глава I. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

1. Металлы

Металловедение — наука, изучающая строение и свойства металлов и их сплавов, устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами и разрабатывающая пути воздействия на их свойства.

Теоретическими основами металловедения являются такие науки, как кристаллография, физика твердого тела, физическая химия. В свою очередь на металловедение опираются такие научные дисциплины, как общая металлургия, технология металлов, коррозия металлов, теория прочности и др.

Приступая к изучению металловедения, прежде всего необходимо ответить на вопрос: что такое металл? Еще М. В. Ломоносов определял металлы, как «светлые тела, которые ковать можно». Это простейшее определение не потеряло своего значения и сейчас. Однако более типичными, характерными свойствами металлов и их сплавов являются высокие тепло- и электропроводность, увеличивающаяся с понижением температуры. Теория твердого тела выбирает в качестве главного физического критерия металлического состояния температурный ход электросопротивления : у металлов при в то время как у неметаллов, т. е. полупроводников и диэлектриков (изоляторов), при

Отмеченные свойства металлов обусловлены их электронным строением. В металлах электроны, находящиеся на внешних оболочках (валентные электроны), не связаны с определенными атомами, а оторваны от них и принадлежат всему куску металла в целом. Такие электроны называют обычно электронами проводимости (или, по Френкелю, коллективизированными электронами), так как они способны легко ускоряться во внешнем электрическом поле и их упорядоченное движение обуславливает протекание электрического тока, т. е. электропроводность. Плотность электронов проводимости Таким образом металл можно представить в виде положительного ионного остова, состоящего из атомных ядер с внутренними электронами, и коллективизированных электронов проводимости, образующих электронный газ или, точнее, учитывая возможность взаимодействия электронов, электронную жидкость «омывающую» ионный остов (рис. 1). Электронный газ компенсирует

силы взаимного электростатического отталкивания положительных ионов, обеспечивая их связь в твердом теле, т. е. металлическую связь. В металлах электроны проводимости есть всегда в отличие от полупроводников, где они появляются только при определенных воздействиях (например, температуры, освещения).

Более точно позволяет описать металлическое состояние современная квантовая теория твердого тела. Как известно, электроны в изолированном атоме располагаются на дискретных энергетических уровнях (оболочках), например в металлическом натрии При образовании твердого тела каждый энергетический уровень изолированного атома расщепляется на близко расположенные подуровни, образующие энергетическую зону (рис. 2).

Рис. 1. Относительная вероятность пребывания электронов различных уровней в металлическом натрии (схема дана только для самых внутренних и внешних электронов)

Рис. 2. Схема образования энергетических зон в твердом теле

Так уровню соответствует зона уровню — зона Таким образом, энергия электрона в твердом теле может принимать только некоторые, а не любые значения, при этом интервалы (зоны) разрешенных значений энергий разделены интервалами (зонами) запрещенных для электронов значений энергий, которые они не могут принимать. С увеличением энергии электронов в атоме ширина разрешенных зон увеличивается, а запрещенных уменьшается. На рис. 3 показано расположение разрешенных и запрещенных зон в различных твердых телах. По характеру заполнения зон электронами все твердые тела можно разделить на две группы. К первой группе относятся тела, у которых над целиком заполненными зонами располагается частично заполненная зона. Эта зона называется зоной проводимости. При приложении слабого электрического поля электроны в зоне проводимости увеличивают энергию, легко переходя на более высокий энергетический уровень в зоне проводимости, создавая в куске металла электрический ток. Электроны в верхней незаполненной зоне и есть электроны проводимости в металле. Например, для натрия в зоне проводимости находятся электроны, а электроны в более низких заполненных зонах и атомное ядро с порядковым номером составляют ионный остов, образующий кристаллическую решетку, в которой свободно перемещаются электроны проводимости, создавая при приложений электрического поля упорядоченное движение, т. е. электрический ток. Максимальная энергия электронов проводимости в частично заполненной зоне металла при называется энергией Ферми Электроны, имеющие энергию расположены на Ферми-поверхности, которая представляет собой изоэнергетическую поверхность (поверхность постоянной энергии), отделяющую область, занятую электронами, от области, в которой их нет при О К. Большинство свойств металлов определяют электроны на Ферми-поверхности или вблизи нее, поэтому точное знание вида поверхности Ферми позволяет описать свойства металлов. Каждый металл характеризуется своей Ферми-поверхностью. В простейшем случае это сфера, но для большинства металлов Ферми-поверхность имеет сложный вид. С точки зрения современных представлений определение металла как твердого тела,

обладающего Ферми-поверхностью наиболее фундаментальное. Построение Ферми-поверхностей и их изучение — важная область физики металлов. Ферми-поверхности рассчитываются теоретически и определяются экспериментально главным образом по анализу поведения электронов металла в магнитных полях. Для второй группы твердых тел характерно отсутствие частично заполненных зон: над целиком заполненной зоной (она называется валентной) располагается пустая, т. е. не занятая электронами — зона проводимости. Эти две зоны разделены запрещенной зоной. У диэлектриков ширина запрещенной зоны значительна (более 3 эВ) и приложение электрического поля не может вызвать электрического тока, так как для преодоления широкой запрещенной зоны электронам, чтобы попасть из валентной зоны в зону проводимости, нужна очень большая энергия. В полупроводниках запрещенная зона гораздо уже, чем в диэлектриках (менее 1 эВ) и при получении достаточной для преодоления запрещенной зоны энергии электроны «перескакивают» в верхнюю зону проводимости, где могут легко ускоряться под влиянием электрического поля, создавая электрический ток.

Эта дополнительная энергия может быть получена, например, путем повышения температуры, что и объясняет увеличение электропроводности у полупроводников с ростом температуры. По сравнению с полупроводниками у металлов даже при О К наблюдается большая электропроводность, а ее снижение при нагреве вызвано рассеянием электронов на тепловых колебаниях кристаллической решетки, а также на нарушениях правильного периодического расположения атомов в кристаллической решетке (т. е. на дефектах решетки — см. п.4). Наличие некоторого (остаточного) электросопротивления у металлов при 0 К как раз и вызвано дефектами решетки. Однако в ряде металлов и др.) и сплавов и др.) при очень низких температурах, в определенной для каждого металла и сплава критической температуре получена наиболее высокая температура наблюдается абсолютно полное исчезновение электрического сопротивления — эффект сверхпроводимости. Этот эффект объясняется возможностью при определенных условиях особого притяжения электронов в металле друг к другу посредством их взаимодействия с кристаллической решеткой и образованием связанных пар электрон—электрон. Металловедение сверхпроводящих сплавов в настоящее время развивается и очень перспективно.

Рис. 3. Схема энергетической зонной структуры твердых тел (зоны, занятые электронами, заштрихованы): а — металл ; б — диэлектрик; в — полупроводник

Из известных химических элементов — металлы. В периодической системе (табл. 1) металлы расположены слева от ступенчатой линии, проведенной от бора к астату Вблизи этой границы ряд элементов можно отнести по одним признакам к металлам, а по другим признакам — к неметаллам (например, Для этих элементов, называемых полуметаллами, характерно с одной стороны наличие электропроводности вплоть до 0 К, а с другой, к меньшей по сравнению с металлами концентрации электронов проводимости при этом с ростом температуры электропроводность полуметаллов растет, так как число электронов проводимости увеличивается.