Металловедение

Гуляев А.П.

Металлургия, 1986 г.

Металловедение — наука, изучающая строение и свойстваметаллов 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, теорияпрочности 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 свойствамиметаллов и их сплавов являются высокие тепло- и электропроводность, увеличивающаяся с понижением температуры. теория твердого тела выбирает в качестве главного физического критерия металлического состояниятемпературный ход электросопротивленияρ (Τ):у металлов при Τ → 0,  К(ρ) →0, в то время как у неметаллов, т. е. полупроводников и диэлектриков (изоляторов), при Τ → 0,  К(ρ) →∞.

Отмеченные свойстваметаллов 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. Плотностьэлектронов проводимости 10²²—10²³см^-3. 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 . Электронный газ компенсирует силы взаимного электростатического отталкивания положительных ионов, обеспечивая их связь в твердом теле, т. е металлическую связь. В металлахэлектроны 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 натрииls*2s²2p⁶3s¹. При образовании твердого тела каждый энергетический уровень изолированного атома расщепляется на близко расположенные подуровни, образующие энергетическую зону (рис. 2). Так уровню Isсоответствует зона Is, уровню 2р — зона 2р и т. д. Таким образом, энергияэлектрона 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 энергииэлектронов в атомеширина 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 3s¹ электроны, а электроны в более низких заполненных зонах и атомноеядро с порядковым номером ζ — 11 составляют ионный остов, образующий кристаллическую решетку, в которой свободно перемещаются электроны проводимости, создавая при приложении электрического поля упорядоченное движение, т. е. электрический ток. Максимальная энергияэлектронов проводимости в частично заполненной зоне металла при Τ = О К называется энергиейФерми (£ф). Электроны, имеющие энергию £ф, 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 свойствметаллов определяют электроны на Ферми-поверхности или вблизи нее, поэтому точное знание вида поверхностиФерми 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 э анализу поведения электроновметалла 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, диэлектриков ширина запрещенной зоны значительна (более 3 эВ) и приложение электрического поля не может вызвать электрического тока, так как преодоления широкой запрещенной зоны  электронам,  чтобы опасть из валентной зоны в зону проводимости, нужна очень большаяэнергия. В полупроводниках запрещенная   зона  гораздо  уже, чем в диэлектриках (менее 1 эВ) 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 и объясняет увеличение электропроводности у полупроводников с ростом температуры. По сравнению с полупроводниками у металлов даже при 0 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 дефектахрешетки — см. п.4). Наличие некоторого (остаточного) электросопротивления у металлов при 0 К как раз и вызвано дефектами решетки. Однако в ряде металлов (Nb, Zr, Hg, Pb, Vи др.) и сплавов (Nb₃Sn, NiTi, TiMn, Nb₃Al, Ta_sSnи др.) при очень низких температурах, в определенной для каждого металла и сплава критической температуре Г_кр (для Nb_sGeполучена наиболее высокая температура Т_Кр = 23,2 К) наблюдается абсолютно полное исчезновение электрического сопротивления — эффектсверхпроводимости. 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.

Из известных (к 1985 г.) 106 химических элементов 83 — металлы. В периодической системе (табл. 1) металлы расположены слева от ступенчатой линии, проведенной от бора (В) к астату (At). Вблизи этой границы ряд элементов можно отнести по одним признакам к металлам, а по другим признакам — к неметаллам (например, Bi, Sb). Для этих элементов, называемых полуметаллами, характерно с одной стороны наличие электропроводности вплоть до 0 К, а с другой, к меньшей по сравнению с металламиконцентрацииэлектронов проводимости (10¹⁹ см~³), при этом с ростом температурыэлектропроводностьполуметаллов растет, так как числоэлектронов проводимости увеличивается.