RUDOLF HAIMANN

METALOZNAWSTWO

CZĘŚĆ I

Wydanie trzecie zmienione

OFICYNA WYDAWNICZA POLITECHNIKI WROCŁAWSKIEJWROCŁAW 2000

Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej Politechniki Wrocławskiej

RecenzentWłodzimierz DUDZIŃSKI

Opracowanie redakcyjne i korektaAlina KACZAK

Skład komputerowyRufolf HAIMANNWojciech MYSZKA

Projekt okładkiDariusz GODLEWSKI

© Copyright by Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2000

OFICYNA WYDAWNICZA POLITECHNIKI WROCŁAWSKIEJ50-370 Wrocław, Wybrzeże Wyspiańskiego 27

ISBN 83–7085–504–0

Nakład 1000+45 egz. Ark. wyd. 24. Ark. druk. 20 ½. Papier offset. kl. III, 70 g, B1.Drukarnia Oficyny Wydawniczej Politechniki Wrocławskiej. Zam. nr 668/2000.

Spis treści

O Rudolfie Haimannie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Przedmowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1. Wiadomości wstępne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.2. Rodzaje wiązań międzyatomowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.3. Klasyfikacja metali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2. Elementy krystalografii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.1. Sieci przestrzenne kryształów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.1.1. Struktury typowo metaliczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.1.2. Oznaczanie płaszczyzn sieciowych i kierunków . . . . . . . . . . . . 34

2.2. Właściwości ciał krystalicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3. Budowa kryształów rzeczywistych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.1. Defekty punktowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.2. Defekty liniowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.2.1. Dyslokacje krawędziowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.2.2. Dyslokacje śrubowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.2.3. Energia dyslokacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.2.4. Wzajemne oddziaływanie dyslokacji . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.2.5. Mnożenie dyslokacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.3. Defekty powierzchniowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733.3.1. Granice ziarn i ich podział . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733.3.2. Energia granic ziarn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.3.3. Granice międzyfazowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843.3.4. Błędy kolejności ułożenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4. Równowaga termodynamiczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.1. Energia wewnętrzna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 944.2. Entropia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.3. Energia swobodna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

4.3.1. Zmiana energii swobodnej z temperaturą . . . . . . . . . . . . . . . 98

5. Przemiany fazowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.1. Krzepnięcie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025.1.1. Zarodkowanie jednorodne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1045.1.2. Zarodkowanie niejednorodne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1105.1.3. Wzrost kryształów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1135.1.4. Kinetyka krystalizacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

4

5.1.5. Krystalizacja dendrytyczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1205.1.6. Budowa krystaliczna wlewków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

5.2. Przemiany alotropowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1265.2.1. Przemiany alotropowe żelaza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1325.2.2. Przemiany alotropowe cyny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

6. Przemiany magnetyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

7. Odkształcenie plastyczne i rekrystalizacja . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

7.1. Odkształcenie plastyczne metali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1397.1.1. Odkształcenie plastyczne monokryształów . . . . . . . . . . . . . . 1447.1.2. Odkształcenie plastyczne polikryształów . . . . . . . . . . . . . . . 146

7.2. Zdrowienie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1517.3. Rekrystalizacja pierwotna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1537.4. Rekrystalizacja wtórna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1597.5. Wykresy rekrystalizacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

8. Fazy w stopach metali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

8.1. Budowa stopów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1638.1.1. Roztwory ciekłe i stałe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1658.1.2. Roztwory stałe uporządkowane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

8.2. Fazy pośrednie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1758.2.1. Fazy elektronowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1768.2.2. Fazy Lavesa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1788.2.3. Fazy międzywęzłowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1818.2.4. Fazy o strukturze złożonej (struktury złożone) . . . . . . . . . . . 183

9. Wykresy równowagi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

9.1. Reguła faz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1869.2. Wyznaczanie wykresów równowagi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1879.3. Wykres równowagi układu z brakiem rozpuszczalności w stanie stałym . . 191

9.3.1. Reguła dźwigni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1969.4. Wykres równowagi układu o nieograniczonej rozpuszczalności składników

w stanie stałym i ciekłym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2009.5. Wykresy równowagi układów o całkowitej rozpuszczalności składników

w stanie ciekłym i ograniczonej rozpuszczalności w stanie stałym . . . . . 2049.5.1. Wykres równowagi z graniczną rozpuszczalnością w stanie stałym

i eutektyką . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2069.5.2. Wykres z graniczną rozpuszczalnością w stanie stałym i perytektyką210

9.6. Wykres równowagi układu o ograniczonej rozpuszczalności w stanieciekłym i braku rozpuszczalności w stanie stałym . . . . . . . . . . . . . . 215

9.7. Wykresy równowagi układów, których składniki tworzą związki . . . . . . 2179.8. Wykresy równowagi układów ze składnikami wielopostaciowymi . . . . . 2219.9. Zależności między właściwościami stopów a rodzajem wykresów równowagi224

10.Wykresy równowagi układów trójskładnikowych . . . . . . . . . . . . . 227

11.Krzepnięcie stopów w warunkach nierównowagi . . . . . . . . . . . . . . 233

5

11.1. Krzepnięcie roztworów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23311.2. Rafinacja metodą strefowego topienia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23811.3. Metale szkliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24011.4. Roztwory stałe przesycone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

12.Stopy żelaza z węglem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24712.1. Żelazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24712.2. Węgiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24812.3. Układ żelazo–węgiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

12.3.1. Analiza wykresu żelazo–cementyt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

13.Stale niestopowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26413.1. Charakterystyka ogólna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26413.2. Wpływ węgla na właściwości stali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26813.3. Wpływ domieszek normalnych na właściwości stali . . . . . . . . . . . . . 27113.4. Gaz i jego wpływ na właściwości stali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27413.5. Wtrącenia niemetaliczne w stali i ich wpływ na właściwości . . . . . . . . 27813.6. Stale niestopowe konstrukcyjne i maszynowe . . . . . . . . . . . . . . . . 280

13.6.1. Stale niestopowe podstawowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28013.6.2. Stale niestopowe jakościowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28213.6.3. Stale niestopowe specjalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

13.7. Staliwo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

14.Żeliwo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29814.1. Grafityzacja i wykres równowagi żelazo–grafit . . . . . . . . . . . . . . . . 29814.2. Podział żeliwa według struktury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30314.3. Grafit, jego właściwości i wpływ na właściwości żeliwa . . . . . . . . . . . 30514.4. Wpływ węgla i domieszek na właściwości żeliwa . . . . . . . . . . . . . . 30814.5. Wpływ szybkości chłodzenia na strukturę żeliwa . . . . . . . . . . . . . . 31314.6. Żeliwo szare zwykłe i modyfikowane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31414.7. Żeliwo sferoidalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31614.8. Żeliwo ciągliwe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31914.9. Zastosowanie żeliwa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328

6

O Rudolfie Haimannie

Doc. dr Rudolf Haimann urodził się 24.03.1921 r. w Michałkowicach, powiatKatowice. W roku 1937 uzyskał małą maturę i rozpoczął naukę w Liceum Mecha-nicznym w Śląskich Technicznych Zakładach Naukowych w Katowicach. Wojnaspowodowała, że Liceum to ukończył w 1945 roku. W latach 1945–1950 studiowałna Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej. Studia ukończył w ro-ku 1950 uzyskując tytuł magistra inżyniera mechanika. Od roku 1948 pracowałw Katedrze Technologii Metali Politechniki Wrocławskiej, pierwotnie jako zastęp-ca asystenta, następnie jako asystent (1949), adiunkt (1954). W roku 1962 uzy-skał tytuł doktora nauk technicznych. W roku 1968 został mianowany docentemw Instytucie Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej i kierownikiem ZakładuMetaloznawstwa w tym Instytucie. Specjalizował się w metaloznawstwie.

Pełnił liczne funkcje na Wydziale i w Uczelni. W latach 1956–1958 prodziekanWydziału Mechanizacji Rolnictwa, 1982–1984 prorektor ds. Współpracy z Zagra-nicą Politechniki Wrocławskiej, w latach 1968–1974 zastępca dyrektora Instytutuds. Współpracy z Przemysłem, od 1975–1981 i od 1984–1987 zastępca dyrektoraInstytutu ds. Dydaktyki, w latach 1987–1990 dyrektor Instytutu Materiałoznaw-stwa i Mechaniki Technicznej.

Autor i współautor kilkudziesięciu publikacji naukowych, autor podręcznikaakademickiego, dwóch wydań skryptu. Promotor 12 doktoratów. Przeszedł na eme-ryturę w roku 1991. Zmarł 8 maja 1996.

(Z Księgi Jubileuszowej)

?

Przez ponad 50 lat Jego osoba zrosła się z Wydziałem Mechanicznym i „upra-wianym” na nim metaloznawstwem.

Wysokie wymogi i surowość są z sympatią wspominane przez absolwentówdowolnego rocznika, przyznających, że zawdzięczają im wiele w życiu zawodowym.

Na pierwszym miejscu w hierarchii wartości Doc. Haimanna stała dydakty-ka, mawiał, że na Uczelni jej wszystko powinno być poświęcone. Konsekwentnieteż od wczesnej młodości (rozpoczął pracę w Katedrze Technologii Metali jeszczew czasach studenckich wraz z grupą tych kolegów, dla których od początku byłnieformalnym wodzem) poświęcił jej wszystkie siły.

Stopnie i kariera akademicka należały w Jego oczach do targowiska próżności,w którym nie chciał uczestniczyć.

8

Z Jego wiedzy i porad korzystało kilka pokoleń młodzieży, zarówno On jaki kierowane przez Niego Laboratorium było gotowe do pomocy każdemu, kto chciałrzetelnie pracować.

Dzięki temu pisane przez Niego podręczniki podawały zawsze pełne kompen-dium aktualnej wiedzy na temat metaloznawstwa i miały duże powodzenie nietylko wśród studentów ale również pracowników nauki i przemysłu.

Wacław Kasprzak

?

Mój Ojciec, Rudolf Haimann, pracował nad tekstem wydanego obecnie podręcz-nika do ostatnich dni swego życia. Wtedy też powstał tekst zamieszczonej dalejprzedmowy. W czwartą rocznicę Jego śmierci pragnę tę przedmowę uzupełnić i na-pisać kilka słów podziękowania tym wszystkim, którzy przyczynili się do wydaniatej książki. Wydano ją w oryginalnej postaci, zachowując nawet szatę graficznązaproponowaną przez Ojca.

Myślę, że jest to najlepszy sposób uczczenia pamięci i docenienia Jego pracyna rzecz studentów Politechniki Wrocławskiej.

Ojciec uważał bowiem, że troska o proces dydaktyczny i kształcenie młodychadeptów nauki ma znaczenie absolutnie pierwszoplanowe.

Dziękuję wszystkim, którzy doprowadzili do wydania podręcznika. W szczegól-ności składam podziękowanie Panu Doktorowi Wojciechowi Myszce za jego dużywkład w ostateczne zredagowanie książki.

Wyrazy wdzięczności przekazuję również Dyrekcji Instytutu Materiałoznaw-stwa i Mechaniki Technicznej oraz Dziekanowi Wydziału Mechanicznego.

Krystyna Haimann

Przedmowa

Podręcznik powstał przez zmiany i rozszerzenia poprzednich jego wydań o tymsamym tytule przeznaczonych dla studentów kierunku mechanicznego. Dla więk-szości studentów jest to pierwsze zetknięcie się z metaloznawstwem, możliwościczasowe wykładu uniemożliwiają szersze omówienie wielu ważnych dla inżynieramechanika zagadnień. Dlatego pewne rozdziały są celowo poszerzone, choć bezpełnego opisu zjawisk.

Szerszy opis mechanizmów przemian zachodzących w metalach i ich stopachułatwia zrozumienie i przyswojenie materiału, umożliwia to samodzielne wyciąga-nie wniosków w praktyce inżynierskiej. Uwzględniając potrzeby całego programustudiów, w podręczniku poszerzono też te rozdziały, które są podstawą teoretycz-ną różnych technologii stosowanych w budowie maszyn, takich jak odlewnictwo,spawalnictwo, przeróbka plastyczna, obróbka cieplna itp.

Z podręcznika mogą także korzystać studenci studiów zaocznych lub wydzia-łów o zmodyfikowanym programie tego przedmiotu, zamieszczono w nim infor-macje i dane przydatne również w praktyce inżynierskiej. W związku z tympodręcznik może być przydatny w pracy zawodowej inżynierów mechaników –konstruktorów i technologów.

Serdeczne podziękowanie za bezinteresowną pomoc w przygotowaniu kom-puterowego zapisu podręcznika składam tą drogą panom mgr inż. AndrzejowiKorabikowi i mgr inż. Krzysztofowi Widance.

1. Wiadomości wstępne

1.1. Wprowadzenie

Metaloznawstwo – część materiałoznawstwa – jest nauką zajmującą się ba-daniem cech metali i stopów, tzn. ich budową wewnętrzną oraz właściwościamimechanicznymi, fizycznymi i chemicznymi. Przedmiotem badań metaloznawczychsą zwłaszcza wzajemne zależności, jakie występują między tymi cechami orazoddziaływaniem na nie różnych czynników zewnętrznych, np. ciepła, ciśnienia,środowiska itp. W metaloznawstwie stosuje się metody badań i osiągnięcia na-uk fizycznych oraz chemicznych, a badania prowadzi się przede wszystkim zewzględu na zastosowania metali w nauce i technice. Metaloznawstwo jest zatemnauką stosowaną, będącą podstawą teoretyczną dla wielu takich technologii, jakodlewnictwo, spawalnictwo, przeróbka plastyczna, obróbka mechaniczna itp.

Metale stanowią odrębną grupę ciał stałych o specyficznych właściwościach:– połysk metaliczny,– nieprzezroczystość,– dobra przewodność elektryczna i cieplna,– ujemny współczynnik temperaturowy przewodzenia elektrycznego,– zdolność do emisji termoelektronowej i fotoelektronowej,– plastyczność.Podane właściwości służą zwykle za kryterium rozpoznawcze metali, jakkol-

wiek nie we wszystkich metalach właściwości stanu metalicznego występują jedna-kowo intensywnie. Na przykład, srebro jest bardzo plastyczne, magnez natomiastjest prawie kruchy, miedź wykazuje bardzo dobrą przewodność elektryczną i ciepl-ną, mangan – znacznie gorszą itp. Zdarza się też, że niektóre właściwości stanumetalicznego wykazują niemetale. Na przykład grafit wykazuje stosunkowo dobrą,często wykorzystywaną w technice przewodność elektryczną i to nawet z charak-terystycznym dla metali ujemnym współczynnikiem temperaturowym, nie majednak pozostałych właściwości metali. Charakterystyczne właściwości metali sąnastępstwem szczególnego rodzaju wiązania, jakie występuje między ich atomamiw stanie stałym i ciekłym, a które jest nazywane wiązaniem metalicznym.

1.2. Rodzaje wiązań międzyatomowych

Spójność materii w stanach skondensowanych, tj. w stanie ciekłym i stałym,jest wynikiem działania sił wzajemnego przyciągania między sąsiadującymi ze

11

sobą atomami lub cząsteczkami. Mała ściśliwość ciał stałych i ciekłych wskazuje,że w ciałach tych występują także siły wzajemnego odpychania. Rozpatrzmy cosię dzieje, gdy dwa odległe obojętne elektrycznie atomy zbliżają się do siebie(rys. 1.1). Początkowo, gdy odległość między atomami jest duża, wówczas energiapotencjalna ich wzajemnego oddziaływania jest zerowa. Jeśli jednak odległość tasię zmniejszy i będzie tego rzędu co odległości powłok elektronowych, to ruchelektronów w powłokach ulegnie zaburzeniu, a energia potencjalna się zmieni.W obu atomach znajdują się bowiem ruchome ładunki elektryczne o jednakowychi przeciwnych znakach, siły oddziaływania, jakie pojawią się między nimi będąmiały charakter zarówno przyciągania, jak i odpychania.

W okresie początkowym, w miarę zbliżania się atomów siły odpychania rosnąwolniej i przeważają siły przyciągania (rys. 1.1a.) W odległości r0 siły te rów-noważą się, a w odległości mniejszej przeważają już gwałtownie zwiększające sięsiły odpychania. Zwiększanie się sił odpychania tłumaczy się wzajemnym przeni-kaniem się całkowicie zapełnionych powłok elektronowych. Wynika z tego małaściśliwość substancji w stanach skondensowanych.

Energia potencjalna, wynikająca z sił przyciągania między elektronami jed-nego a jądrem drugiego atomu, ma wartość ujemną i w miarę zbliżania atomównastępuje zmniejszenie energii układu (działanie przeciw siłom przyciągania wy-maga pewnego nakładu pracy). Energia potencjalna, na skutek sił odpychaniamiędzy elektronami obu atomów oraz ich jądrami, ma wartość dodatnią. Energiaukładu jest sumą energii przyciągania i odpychania, a ich wartości są odwrotnieproporcjonalne do pewnych potęg m i n odległości r między nimi:

U(r) = − A

rm+

B

rn(1.1)

W równaniu (1.1) A i B są stałymi proporcjonalności odpowiednio dla przy-ciągania i odpychania, przy czym A i B > 0, a n > m (rys. 1.1b).

W odległości r0 energia wzajemnego oddziaływania osiąga wartość najmniej-szą U0 = U(r0) i jest to energia potrzebna do przemiany ciała stałego w stangazowy (ciepło sublimacji).

W skupieniach wieloatomowych, w temperaturze zera bezwzględnego, od-ległości między najbliższymi atomami mają wartości odpowiadające najmniej-szej energii potencjalnej. W takich skupieniach każda zmiana położenia atomówwzględem siebie, spowodowana np. zewnętrznymi lub innymi czynnikami zabu-rzającymi, powoduje zwiększenie energii potencjalnej tych atomów, a w rezul-tacie i całego układu. Podwyższenie temperatury powoduje natomiast drganiaatomów wokół położenia równowagi i zwiększenie energii układu o energię kine-tyczną związaną z drganiami. Amplituda tych drgań zwiększa się ze wzrostemtemperatury.

W uproszczonym obrazie nie uwzględniono specyficznych szczegółów rozkła-du ładunków elektrycznych w atomach. Przypuśćmy, że zbliżają się do siebie

12

Rys. 1.1. Schematy zmian: a) sił wzajemnego oddziaływania,b) energii potencjalnej atomów, w zależności od ich wzajemnej odległości

atomy gazu szlachetnego z całkowicie zapełnionymi powłokami elektronowymi.Siły przyciągania, jakie pojawią się między tymi atomami, są siłami elektro-statycznego przyciągania się dipoli powstałych wskutek przesunięcia się orbitelektronowych względem jądra, a przez to niesymetrycznego rozkładu ładunkówelektrycznych (jest to tzw. polaryzacja elektronowa). W tych chwilowych dipolachdochodzi do synchronizacji ruchu elektronów, gdy więcej elektronów znajduje sięz prawej strony lewego atomu – rys. 1.2 – wówczas elektrony w drugim atomie sąodpychane również w prawą stronę. Podczas zgodnego ruchu elektronów, w wy-niku wzajemnego oddziaływania dipoli, energia takiego dwuatomowego układustaje się mniejsza oraz pojawiają się siły wzajemnego przyciągania. Siły te na-zwano siłami van der Waalsa. Siły te są bardzo słabe i odwrotnie proporcjonalnedo siódmej potęgi odległości między atomami. W związku z tym temperaturaskraplania gazów szlachetnych (pojawienie się sił przyciągania) jest bardzo niska,

13

+ − + −

+e −e +e −e

Rys. 1.2. Spolaryzowane atomy – dipole

kiedy amplitudy drgań cieplnych są dostatecznie małe. W temperaturze otoczeniagazy te są jednoatomowe. Siły van der Waalsa występują także między drobinamitakich gazów, jak wodór, tlen, azot, chlor itp.

Inaczej jest w wypadku dwóch atomów, z których jeden ma tylko jeden elek-tron w powłoce zewnętrznej, a atom drugi ma powłokę niemal kompletną, gdyżbrakuje w niej tylko jednego elektronu. Dla niedużej odległości między tymi ato-mami, atom z pojedynczym elektronem walencyjnym traci go, stając się jonemdodatnim (pierwiastek elektrododatni), a zyskuje go atom drugi, stając się jonemujemnym (pierwiastek elektroujemny). Między tymi jonami o przeciwnych ładun-kach pojawiają się kulombowskie siły wzajemnego przyciągania, które są istotąwiązania jonowego lub heteropolarnego. Obydwa jony mają w tym stanie całko-wicie zapełnione zewnętrzne powłoki elektronowe, podobnie jak gazy szlachetne,a rozkład ładunków jest w zasadzie symetryczny kuliście. Dzięki temu wiązaniejonowe jest niekierunkowe, a jony przyciągają wszystkie jony o znaku przeciw-nym i odpychają jony jednoimienne. W wyniku swoistego kompromisu międzysiłami przyciągania i odpychania rozkład jonów w stanie stałym charakteryzujeduża symetria, a każdy jon dodatni jest otoczony jonami ujemnymi i odwrotnie.Przykładem takiego układu jonów w przestrzeni może być pokazana na rys. 1.3struktura atomowa chlorku sodu lub chlorku cezu. Występujące w tej strukturzeuporządkowane rozmieszczenie atomów (jonów) w przestrzeni jest cechą charak-terystyczną budowy krystalicznej.

Rys. 1.3. Struktury krystaliczne związków jonowych:a) chlorku sodu NaCl, b) chlorku cezu CsCl

14

Kryształy, w których dominuje wiązanie jonowe charakteryzuje, dzięki silne-mu wiązaniu, duża twardość oraz wysoka temperatura topnienia. Brak swobod-nych elektronów pociąga za sobą niemal całkowity brak przewodności elektrycznejw stanie stałym. Ponadto kryształy jonowe są przezroczyste, często zabarwionei kruche. Kruchość tę można wytłumaczyć tym, że małe przesunięcie jednej częścikryształu względem drugiej, spowodowane działaniem sił zewnętrznych, powodu-je ustawienie się nad sobą ładunków jednoimiennych, silnie się odpychających(rys. 1.4).

Rys. 1.4. Schemat objaśniający łupliwość kryształów jonowych

Może się zdarzyć, że obydwa zbliżane do siebie atomy są elektroujemne i mająniekompletne zewnętrzne powłoki elektronowe. Dążność do uzyskania stosunkowotrwałej struktury elektronowej, z 8 elektronami w powłoce zewnętrznej, pociągaza sobą łączenie się elektronów wartościowości w pary, będące wspólną własnościąobu atomów (jonów). Na przykład atom chloru, mający na zewnętrznej powłoce7 elektronów może połączyć się z drugim atomem chloru tworząc cząsteczkę Cl2,a czynnikiem wiążącym będzie para elektronów (wiązanie pojedyncze). Powstanietakiego wiązania dwuelektronowego schematycznie przedstawiono na rys. 1.5.

++Cl Cl Cl Cl

Rys. 1.5. Wiązanie dwuelektronowe

Maksymalną liczbę dwuelektronowych par wiązania można określić za pomocąreguły „8−N”, w której N jest numerem grupy w układzie okresowym pierwiast-ków, do której należy atom danego pierwiastka lub inaczej – liczbą elektronówwalencyjnych. Dlatego tlen lub siarka tworzą dwa wiązania, fosfor i azot – trzywiązania, a german, węgiel, krzem – cztery wiązania (wiązanie podwójne, po-trójne i poczwórne). Wiązanie tego rodzaju jest nazywane wiązaniem atomowymlub dla podkreślenia występowania między jonami jednoimiennymi – wiązaniemhomeopolarnym lub kowalencyjnym.

15

W wyniku wiązania kowalencyjnego mogą powstać zarówno drobiny, jak i ciałazbudowane z dużej liczby atomów, z których każdy będzie otoczony liczbą sąsia-dów równą liczbie wiązań dwuelektronowych. Dlatego atomy węgla lub germanuotaczają cztery atomy położone w najbliższej, jednakowej odległości; tę liczbęnazwano liczbą koordynacji. Kryształ z liczbą koordynacji 4, jaki tworzy węgielw postaci diamentu pokazano na rys. 1.6, na którym widać, iż atomy zajmu-ją położenie środkowe w czworościanach foremnych utworzonych przez sąsiednieatomy.

Rys. 1.6. Rozmieszczenie atomów węgla w krysztale diamentu

Wiązania kowalencyjne są ukierunkowane i bardzo silne, a ich miarą możebyć przykładowo duża twardość i brak plastyczności diamentu oraz jego wysokatemperatura topnienia – 3747 ◦C. Wysoka jest też temperatura dysocjacji gazówcząsteczkowych. Brak wolnych elektronów powoduje dużą oporność elektrycznąi małą cieplną.

Wiązanie metaliczne jest podobne do wiązania kowalencyjnego, z tym że poja-wia się ono między atomami pierwiastków elektrododatnich, tj. wtedy, gdy liczbaelektronów walencyjnych jest mniejsza niż 4. W takich wypadkach powstaniepar elektronów nie zapewnia ośmioelektronowej powłoki zewnętrznej. Jeżeli jed-nak atomy takiego pierwiastka otoczy większa liczba podobnych im atomów, toelektrony walencyjne każdego z nich, znajdując się przejściowo między nimi i są-siadami, wiążą chwilowo powstałe jony, by w następnym momencie utworzyć wią-zanie z jonami następnymi. Elektrony walencyjne stają się w ten sposób wspólnąwłasnością jonów. Jest to ułatwione tym, że elektrony walencyjne w pierwiast-kach elektrododatnich są z nimi słabo związane. Wiązanie metaliczne jest więcw zasadzie nienasyconym wiązaniem kowalencyjnym, umożliwiającym połączeniedużej liczby jonów przez kolektywizację ich elektronów. W sposób uproszczonymożna wiązanie metaliczne uważać za wynik elektrodynamicznego oddziaływaniawystępującego między elektronami walencyjnymi a dodatnimi jonami, które po-zbawione elektronów na powłoce zewnętrznej nazywane są rdzeniami atomowymi

16

lub w umownym skrócie – atomami. Skolektywizowane elektrony nazywane sąnatomiast „gazem elektronowym”, dla podkreślenia ich swobody poruszania się.Określenie to wskazuje jednocześnie na bezkierunkowość wiązania metalicznego,w odróżnieniu od wyraźnie kierunkowego wiązania kowalencyjnego. Następstwemtego są znacznie większe liczby koordynacji w kryształach metali niż w kryszta-łach o wiązaniu kowalencyjnym. Liczby koordynacji w metalach wynoszą 8 lub 12,a w niektórych związkach międzymetalicznych liczby te mogą być nawet większe.

Wiązanie metaliczne pokazano schematycznie na rys. 1.7; na podstawie tegorysunku można sobie wyobrazić, że przesunięcie jednej części takiego kryształuwzględem drugiej nie wywoła zmian naruszających spójność. Ponadto obecnośćw metalach elektronów swobodnych zapewnia przewodnictwo elektryczne, któremogą zmniejszyć drgania cieplne rdzeni atomowych, utrudniających ruch elektro-nów w polu elektrycznym. W rezultacie współczynnik przewodności elektrycznejjest ujemny. W niskich temperaturach amplituda drgań rdzeni atomowych bardzoszybko maleje, a przewodność zwiększa się. Skutkiem tego w niektórych metalach(jest ich około 30) w bardzo niskich temperaturach (T < 20 K) występuje zjawiskonadprzewodności.

gaz elektronowy jon

Rys. 1.7. Schemat wiązania metalicznego

Charakterystyczne cechy metali wynikają zatem z dominującego w nich wią-zania i jego specyficznych cech. W ciałach stałych często się zdarza, że występująw nich w różnym nasileniu wszystkie opisane rodzaje wiązań, a o właściwościachdecyduje to wiązanie, którego udział jest największy. Podobnie jest i w metalach,a zwłaszcza w związkach metalicznych. Współistnienie z wiązaniem metalicznyminnych rodzajów wiązań pociąga za sobą zmniejszenie intensywności cech me-talicznych, a więc np. małą plastyczność, a nawet jej brak, mała przewodnośćelektryczna itp.

W zależności od rodzaju wiązania siły przyciągania między atomami mająróżne wartości, a przez to zmienia się odległość równoważenia się sił przyciąganiai odpychania. Połowę tej odległości, oznaczonej na rys. 1.1 symbolem r0, przyjętoumownie uważać za promień atomowy. Porównywalność tak zdefiniowanych pro-

17

Tabela 1.1. Najmniejsze odległości między atomamiw sieciach krystalicznych niektórych pierwiastków

w temperaturze 20◦C

Symbol Typ sieci Odległośćchemiczny krystalicznej międzyatomowa w nm

Ag A1 0,2889Al A1 0,2863Au A1 0,2884C sieć diamentu 0,1544

Cd A3 0,2979Co A3 0,2506Cr A2 0,2498Cu A1 0,2556Feα A2 0,24824Feγ A1 0,2679Mg A3 0,3197Mo A2 0,2725Nb A2 0,2858Ni A1 0,2492Pb A1 0,3500Pt A1 0,2775Si sieć diamentu 0,2351

Tiα A3 0,2890Tiβ A2 0,2863V A2 0,2622W A2 0,2741Zn A3 0,2665

mieni atomowych jest dość ograniczona i może być przeprowadzana tylko wtedy,gdy między atomami pierwiastków występuje ten sam rodzaj wiązania, a nawettylko wtedy, gdy krystalizują one w tym samym typie sieci krystalicznej. Promieńatomowy bowiem zwiększa się, gdy zwiększa się liczba koordynacji. Promienieatomowe porównuje się ze sobą po odniesieniu do sieci krystalicznej o liczbie ko-ordynacji wynoszącej 12. Odległości między atomami w sieciach krystalicznychniektórych pierwiastków podano w tab. 1.1.

1.3. Klasyfikacja metali

W tabeli 1.2 przedstawiono układ okresowy pierwiastków, w którym rzędy po-ziome nazywa się okresami, a rzędy pionowe grupami. Jest osiem grup i oznaczasię je cyframi rzymskimi, z tym że dzieli się je na podgrupy A i B. W podgrupachA ujęto pierwiastki rodzin głównych, a w podgrupach B pierwiastki przejścio-we. Spośród 105 pierwiastków ujętych w układzie większość stanowią metale.Przeprowadzenie wyraźnej granicy między metalami a niemetalami jest jednak

18

Tab

ela

1.2.

Ukł

adok

reso

wy

pier

wia

stkó

w

IAII

AII

IBIV

BV

BV

IBV

IIB

VII

IBIB

IIB

IIIA

IVA

VA

VIA

VII

A0

1

A3,

A1

1,00

794

wod

órH

1

4,00

2602

hel

He

2

2

A1,

A3,

A2

6,94

1litL

i3

A3,

A2

9,01

2182

ber

ylB

e4

10,8

11b

orB5

A9,

A4

12,0

11w

ęgie

lC

6

14,0

0674

azotN

7

15,9

994

tlenO

9

18,9

9840

3flu

orF9

A1

20,1

797

neon

Ne

10

3

A3,

A2

22,9

8976

8só

dN

a11

A3

24,3

050

mag

nez

Mg

12

A126

,981

539

glinAl

13

A4

28,0

855

krze

mS

i14

30,9

7376

2fo

sfor

P15

A16

,M

,R

32,0

66si

arka

S16

35,4

527

chlo

rC

l17

A1,

A3

39,9

48ar

gon

Ar

18

4

A2

39,0

983

pot

asK

19

A1,

A2

40,0

78w

apń

Ca

20

A3,

A2

44,9

5591

0sk

and

Sc

21

A3,

A2

47,8

67ty

tan

Ti

22

A2

50,9

415

wan

adV

23

A2

51,9

961

chro

mC

r24

A1,

A2,

A3

54,9

3805

man

gan

Mn

25

A2,

A1

55,8

457

żela

zoF

e26

A3,

A1

58,9

3320

koba

ltC

o27

A1

58,6

9ni

kiel

Ni

28

A1

63,5

46m

iedź

Cu

29

A3

65,3

9cy

nkZ

n30

A11

69,7

23ga

lG

a31

A4

72,6

1ge

rman

Ge

32

A774

,921

59ar

sen

As

33

A8,

Ak,

Al

78,9

6se

len

Se

34

79,9

04br

omBr

35

A1

83,8

0kr

ypto

nK

r36

5

A2

85,4

678

rubi

dR

b37

A1,

A3,

A2

87,6

2st

ront

Sr

38

A3,

A2

88,9

0585

itr

Y39

A3,

A2

91,2

24cy

rkon

Zr

40

A292

,906

38ni

obN

b41

A2

95,9

4m

olib

den

Mo

42

A3

97,9

05te

chne

tT

c43

A3

101,

07ru

ten

Ru

44

A110

2,90

550

rod

Rh

45

A1

106,

42pa

llad

Pd

46

A110

7,86

82sr

ebro

Ag

47

A3

112,

411

kadmCd

48

A4

114,

82in

dIn

49

A4,

A5

118,

710

cyna

Sn

50

A7

121,

760

anty

mon

Sb

51

A8

127,

60te

llur

Te

52

126,

9044

7jo

dJ53

A1

131,

29ks

enon

Xe

54

6

A213

2,90

543

cez

Cs

55

A2,

A3

137,

327

bar

Ba

56

La

–L

u

A3,

A2

178,

49ha

fnH

f72

A218

0,94

79ta

ntal

Ta

73

A2

183,

84w

olfr

amW

74

A3

186,

207

ren

Re

75

A1

190,

2os

mO

s76

A1

192,

22ir

ydIr77

A1

195,

08pl

atyn

aP

t78

A119

6,96

654

złot

oA

u79

A10

200,

59rt

ęćH

g80

A3,

A2

204,

3833

tal

Tl

81

A1

207,

2oł

ówPb

82

A720

8,98

037

bizm

utB

i83

R,

C(2

08,9

82)

pol

onP

o84

(209

,987

)as

tat

At

85

(222

,018

)ra

don

Rn

86

7

A2(2

23,0

20)

fran

sF

r87

(226

,025

)ra

dR

a88

Ac

–L

r(2

61)

ruth

efor

dR

f10

4

(262

)du

bnD

b10

5

lant

anow

ce

H,

A1,

A2

138,

9055

lant

anL

a57

A1,

A3,

A2

140,

12ce

rC

e58

H,

A2

140,

907

praz

eody

mP

r59

H,

A214

4,24

neod

ymN

d60

A2

147,

0pr

omet

Pm

61

A3,

A2

150,

35sa

mar

Sm

62

A2

151,

96eu

rop

Eu

63

A3,

A1

157,

25ga

dolin

Gd

64

A3,

A2

158,

93te

rbT

b65

A3,

A2

162,

50dy

spro

zD

y66

A3,

A2

164,

930

holm

Ho

67

A3,

A2

167,

26er

bE

r68

A3,

A2

168,

934

tul

Tm

69

A1,

A2

173,

04it

erb

Yb

70

A3,

A2

174,

97lu

tet

Lu

71

akty

now

ce

A1(2

27,0

28)

akty

nA

c89

A1,

A2

232,

038

tor

Th

90

A6

234

proa

ktyn

Pa

91

A20

,A

b

238,

03ur

anU92

A2

237

nept

unN

p93

A1,

A2,

inne

244,

06pl

uton

Pu

94

A1,

A2

243,

06am

eryk

Am

95

247

kiur

Cm

96

247

ber

kel

Bk

97

251

kalif

orn

Cf

98

252

eins

tein

Es

99

257

ferm

Fm

100

258

men

dele

wM

d10

1

259

nob

elN

o10

2

262

lore

nsL

w10

3

Rod

zaje

siec

ikr

ysta

liczn

ych

A1

regu

larn

a,pł

asko

cent

row

ana

A9

heks

agon

alna

,gr

afitu

Ab

złoż

ona

U–β

A2

regu

larn

apr

zest

rzen

nie

cent

row

ana

A10

rom

mb

oedr

yczn

a,ty

pH

gA

kje

dnos

kośn

aSe

–αA

3he

ksag

onal

naA

11or

toro

mb

owa,

galu

Al

jedn

osko

śna,

Se–β

A4

regu

larn

a,ty

pdi

amen

tuA

12re

gula

rna,

złoż

ona

Mn–

αC

regu

larn

a,pr

ymit

ywna

A5

tetr

agon

alna

,ty

pcy

nyA

13re

gula

rna,

złoż

ona

Mn–

beta

Hhe

ksag

onal

na,

zwar

taA

5te

trag

onal

na,

typ

indu

A16

orto

rom

bow

asi

arki

Mje

dnos

kośn

aA

7ro

mm

boe

dryc

zna,

typ

As

A20

orto

rom

bow

aU

–αR

rom

bow

aA

8he

ksag

onal

na,

typ

Se

A1

63,5

46m

iedź

Cu

29lic

zba

atom

owaa

sym

bol

chem

iczn

yna

zwa

pier

wia

stka

mas

aat

omow

ab

sieć

krys

talic

zna

aP

ierw

iast

kio

liczb

ach

atom

owyc

hw

ięks

zych

od10

4uz

yska

now

spos

óbsz

tucz

ny.

bL

iczb

yw

naw

iasa

choz

nacz

ają

mas

ęat

omow

ąna

jbar

dzie

jtr

wał

ego

izot

opu.

19

Tabela 1.3. Temperatury topnienia niektórych metali(według Międzynarodowe tablice krystalografii rentgenograficznej, t. 3, 1963)

Nazwa Symbol Temperaturagrupy chemiczny topnienia w ◦C

Bardzo niskotopliwe(temp. topn. poniżej

100 ◦C)

Hg −38,836Ga 29,772K 63,20Na 98,00In 156,634Li 180,50

Niskotopliwe Sn 231,968(temp. topn. Bi 271,442

pomiędzy 100 a 500 ◦C) Cd 321,108Pb 327,502Zn 419,58Sb 630,755

Średniotopliwe Mg 650,3(temp. topn. Al 660,462

od 500 do 800 ◦C) Ba 729,3Sr 769Ge 937Ag 961,93Au 1064,43Cu 1084,88U 1135

Wysokotopliwe Mn 1246(temp. topn. Be 1288,3

od 800 do 1800 ◦C) Ni 1455Co 1495Fe 1536Pd 1554Ti 1668Pt 1769Zr 1855Cr 1857V 1910Rh 1963

Bardzo wysokotopliwe Hf 2222(temp. topn. Ir 2447

powyżej 1800 ◦C) Nb 2477Mo 2623Ta 3020Re 3186W 3422

20

Tabela 1.4. Klasyfikacja niektórych metalitechnicznych według gęstości w temperaturze 20 ◦C

Nazwa Symbol Gęstośćgrupy chemiczny kg/m3

Bardzolekkie

Li 534K 862Na 971,2Mg 1740Be 1839

Lekkie Al 2698

Ciężkie

Ti 4507Ge 5330As 5727Ga 5907V 6170Zr 6520Zn 7180Cr 7220Sn 7298,4Mn 7526Fe 7866Nb 8600Cd 8646Ni 8902Co 8930Cu 8950Bi 9880Mo 10200Ag 10470Pb 11380Pd 11960

Bardzociężkie

Rh 12440Hf 13090Hg 13546Ta 16680U 19042

Au 19310W 19350Re 21040Pt 21440Ir 22350Os 22510

niemożliwe, pewne bowiem pierwiastki wykazują cechy pośrednie, jak np. Si, Ge,As, Se, Te i Snα – cyna szara (odmiana alotropowa cyny).

Do metali zalicza się pierwiastki z grup:IA pierwiastki (metale) alkaliczne: Li, Na, K, Rb, Cs i Fr,IB miedziowce: Cu, Ag, Au,

IIA pierwiastki (metale) ziem alkalicznych: Be, Mg, Ca, Sr Ba i Ra,IIB cynkowce: Zn, Cd i Hg,

IIIA glinowce: Al, Ga , In, Tl , wszystkie pierwiastki przejściowe łącznie z lanta-nowcami i aktynowcami z grupy IIIB – VIIIA, a więc Sc i La i lantanowce,Ac i aktynowce, pierwiastki przejściowe to: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W,Mn, Te, Re, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir i Pt

21

IVA Pb i Snβ (odmiana alotropowa cyny) nazywana cyną białą,V As, Sb i Bi.W ostatnich pierwiastkach cechy metaliczne są mniej wyraźne.

Metale dzieli się często na grupy i podgrupy według wspólnych cech lub właści-wości, np. według temperatury topnienia – tab. 1.3, gęstości – tab. 1.4, odpornościna korozję (metale nieszlachetne) itp.