Строение металлов

Излом металла обычно шероховат, а при рассматривании в микроскоп в металле видны зерна различной величины и формы. Что представляют собой эти зерна? Каково строение их?
Ученые и инженеры одинаково стремились к разрешению этих загадок.
Инженеры в своей практике собирали факты. Физики пытались объяснить эти факты, исходя из представления об атомах. Так совместными усилиями была разгадана тайна строения металлов  и поведения их под нагрузкой.
Проникновение в эту тайну началось исследованиями русского инженера-металлурга Д. К. Чернова.
Еще в 1878 году Чернов на заседании Русского технического общества нарисовал яркую картину кристаллизации расплавленного железа. Он проследил, как возникают и развиваются кристаллы при затвердевании расплава.
В остывающей массе жидкого металла часто образуются пустоты. В них кристаллики не стеснены ничем в своем развитии. На стенках пустот сперва появляются небольшие столбики. Каждый из них представляет собой сросток кубиков-кристалликов железа. Затем от них отходят под прямым углом такие же веточки, которые также разветвляются.
Так образуются в пустотах, или «раковинах», металла - «дендриты»— древовидные сростки кристаллов железа.
Масса металла состоит также из кристалликов. Но при своем росте они стесняют друг друга. Вместо правильных ветвеобразных сростков образуются бесформенные «зерна».
Однако внутреннее строение зерен одинаково со строением правильных кристалликов: кристалличность вещества заключается не в правильности формы, а в его свойствах. Одно из этих свойств — спайность, то есть  способность от удара раскалываться по определенно направленным плоскостям. Если из кристалла каменной соли, который имеет форму куба, выточить шар, то он не потеряет свойства спайности. Разбив его ударом молотка, мы увидим, что плоские стороны кусков пересекаются под прямым углом, как и грани кристалла каменной соли.
Но правильный куб, изготовленный из некристаллического вещества — стекла, асфальта, — не приобретает свойства спайности.
Как же построен кристалл? Как расположены в нем атомы? Какими силами удерживаются они друг возле друга?
На эти вопросы впервые попытался ответить французский ученый XVIII века Гаюи. Изучая довольно редко встречающийся в природе кристалл кальцита (кристаллический известняк), Гаюи нечаянно уронил его на каменный пол. Кристалл разбился на несколько кусков.
Огорченный исследователь бросился собирать обломки. Внимательно рассматривая их, он заметил, что кристалл распадается на части, повторяющие его форму.
Случайность это или закон природы?
Гаюи стал осторожно разбивать кристаллы других минералов и убедился, что сделал важное открытие: плоские стороны обломков всегда составляют те же углы, что и грани целого кристалла. Значит, кристалл раскалывается по плоскостям, параллельным его граням.

Зерня металлического сплава при большом увеличений.
Структура кристалла, как ее представлял себе Гаюи.

Чем же объяснить существование в кристалле этих «плоскостей спайности»?
Гаюи предположил, что кристаллы сложены из мельчайших, такой же формы кристалликов: кубические — из кубиков, призматические — из призмочек, и так далее, подобно тому как складывается стена из кирпичей. Понятно, что при таком строении кристалл будет раскалываться по определенным плоскостям.
Но физики не согласились с Гаюи. Они указывали, что все тела при охлаждении сжимаются, а при нагревании расширяются. Значит, кристалл, сложенный из плотно прилегающих друг к другу «кирпичиков»-атомов, не мог бы изменить свой объем. Только минералоги пользовались гипотезой Гаюи для объяснения спайности
кристаллов.
Проходили десятки лет, наука развивалась, перед ней возникали все новые задачи. Наконец замечательным русским ученым Е. С. Федоровым была решена и загадка строения кристалла. В то время еще никто не мог бы сказать, отличается ли внутреннее строение кристалла от строения некристаллического или, как говорят, аморфного вещества. Все поражались правильной форме, которую имеют горный хрусталь и другие минералы, но никто не понимал, чем объяснить ее. Это была загадка природы.

Модель кристаллической решетки (проволочки, удерживающие «атомы» модели, должны быть мысленно удалены).

Федоров первый разгадал ее.
В отличие от Гаюи, Федоров утверждал, что кристалл — не сплошная «кладка», а ажурная постройка из частиц, как бы «висящих» в пространстве в узлах воображаемой «решетки».
К тому времени почти все ученые признали, что тела состоят из молекул, а молекулы — из атомов. Но как расположены эти частицы в кристалле?
Федоров объяснил происхождение кристаллов тем, что атомы и молекулы располагаются симметрично относительно некоторых осей, плоскостей и центров. «Сущность дела не в форме мельчайших слагающих элементов кристалла, — говорил он, — а в их расположении».
Расположение атомов в кристалле таково, что в нем повторяется одинаковая группа правильно распределенных в ней атомов. В такой группе атомы могут, например, занимать вершины воображаемого куба. Соединив воображаемыми линиями атомы кристалла, получим так называемую пространственную решетку, состоящую из приложенных друг к другу воображаемых кубиков.
Это самый простой вид кристаллической решетки. Существуют кристаллы, решетка которых состоит из прямоугольных или косоугольных параллелепипедов. При этом атомы могут находиться не только в «узлах», то есть вершинах кубиков или параллелепипедов, но, например, и в центрах этих элементарных ячеек или в центрах их граней.
Решетка — воображаемый «скелет» кристалла; она только указывает на порядок, в каком атомы расположены, или, как говорят, «упакованы», в кристалле.
Почему вошло в употребление такое выражение, как «упаковка» атомов? Потому, что при изучении кристаллов ученые считали атомы просто шариками. Любой кристалл, встречающийся в природе, можно построить из атомов-шариков, уложенных в определенном порядке, подобно тому, как упаковываются яблоки в ящиках.
Строением кристалла легко объясняются и его свойства, например спайность.
Представим себе, что через узлы решетки проведены в различных направлениях воображаемые плоскости. Они не одинаково густо «усеяны» атомами: одни — реже, другие — гуще.
Понятно, что чем гуще расположены атомы, тем крепче они связаны друг с другом. Поэтому кристалл и раскалывается по плоскостям, которые густо усеяны атомами.
Кристаллическая решетка позволяет объяснить все свойства кристалла. Но существует ли она в действительности? Не является ли она просто воображаемым построением?
На этот вопрос впервые ответил немецкий физик Макс Лауэ. Занимаясь исследованием кристаллов, он сделал в 1912 году замечательный опыт. Чтобы понять, в чем заключался его опыт, нужно познакомиться со свойствами света.
Свет распространяется прямолинейно, что легко видеть, пропустив его через маленькое отверстие ставня в темную комнату: темноту прорежет яркий луч, освещающий носящиеся в воздухе пылинки. От зеркала световой луч отражается по тому же закону, как резиновый мячик от стены: угол падения равен углу отражения. Поэтому сперва принимали, что свет — поток несущихся прямолинейно мельчайших частиц.
Однако некоторые наблюдаемые явления оказалось невозможно объяснить таким предположением. Например, в центре тени от круглого диска можно обнаружить некоторое количество света. Если свет — поток прямолинейно движущихся частиц, то он не мог бы проникнуть в тень. Но это явление можно объяснить, если распространение света подобно движению волн.

Плотные «упаковки» атомов.



Все видели, как распространяются колебания частиц воды от упавшего на ее поверхность камня: каждая частица воды колеблется сверху вниз около положения равновесия, а движение ее передается в горизонтальном направлении по прямой линии; значит, колебания происходят поперек направления, по которому они распространяются. Возникают кольцеобразные волны, центром которых служит место падения камня. Встретив на пути препятствие, например столб, волны огибают его.
Чтобы объяснить проникновение света в тень, можно предположить, что свет представляет собой подобные же колебания, распространяющиеся волнами от его источника. Известны и другие оптические явления, которые возможно объяснить только при этом же предположении.
Известный немецкий физик Лауэ ожидал, что атомы в узлах кристаллической решетки будут рассеивать проникающие через нее лучи. Но световые лучи не годились для этого опыта, потому что волны видимого света: в тысячи раз длиннее поперечника атомов и так же свободно обходят их, как огибают расходящиеся по вод волны встречающиеся небольшие препятствия.
Поэтому Лауэ направил на маленький кристаллик пучок рентгеновых лучей, волны которых во много раз короче. Позади кристаллика он поставил фотографическую пластинку. На фотографии его глазам представилась неожиданная картина: запечатлелись не только круглое пятно от пучка лучей, но и множество симметрично расположенных маленьких пятнышек.
Что же это за пятнышки? Каково их происхождение?
Лауэ объяснил это явление тем, что рентгеновы луч» рассеиваются, то есть отражаются частицами в узлах кристаллической решетки.
Исследуя рентгеновыми лучами любой кристалл, можно по расположению этих пятнышек определить положение осей и плоскостей, относительно которых симметрично расположены частицы.
Так была доказана реальность существования кристаллической «решетки», или, что одно и то же, правильной «упаковки» атомов в кристалле.
Что же заставляет атомы располагаться в правильном порядке? Простой опыт позволяет приблизиться к разгадке этого явления.
Насыпьте на блюдечко с вогнутым дном немного гороху и несколько раз слегка встряхните его, чтобы горошины зашевелились. Вы увидите, что они лягут плотным слоем, образуя правильный шестиугольник.
На горошины действует сила тяжести. Под влиянием ее они укладываются как можно плотнее, занимая по возможности низкие места. В этом случае их потенциальная энергия в поле силы тяжести имеет наименьшую величину. Подобное же явление происходит и при кристаллизации металлов. Под влиянием действующих между ними сил атомы «стремятся» уложиться как можно плотнее.
Межатомные силы можно сравнить с действием спиральных пружинок: при растягивании пружинки сопротивляются удалению атомов друг от друга, при сжатии они препятствуют сближению их. Образуя кристалл, атомы занимают такое положение, в котором между силами притяжения и отталкивания устанавливается равновесие.
Зная строение кристаллических зерен металлов и действие межатомных сил, можно разгадать поведение металлов под нагрузкой.

Светлое центральное пятно — след первичного луча; маленькие пятна — следы вторичных рассеянных лучей, прошедших между атомами кристаллика.


Загадки техники