CC BY
6
УДК 669.017
НАГЛЯДНЫЕ МОДЕЛИ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ В ЖИДКОМ И ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ
Амосов Евгений Александрович, к.т.н., доцент (e-mail: amosov-ea@mail.ru) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
В данной статье предложены простые и наглядные аналогии структуры металла в жидком и твердом состоянии, отражающие характерные свойства жидкости и кристалла.
Ключевые слова: металл, моделирование, расположение атомов, структура
В настоящее время общепринятым считается представление о том, что в твердом состоянии атомы металла расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решетку [2, 4, 5]. В то же время структура металла в жидком состоянии не имеет такой чёткой модели, и различными и исследователями предпринимаются попытки описать жидкость тем или иным способом [7].
В частности, в работе [6] приведены некоторые модели, отражающие структуру металлов в жидком состоянии. Поэтому имеет смысл рассмотреть некоторые простые аналогии, своеобразно отражающие структуру металлического образца в жидком и твердом состоянии, что и будет сделано автором в дальнейшем в рамках настоящей статьи.
Рисунок 1 - Образная модель металла Френкеля
Известна аналогия структуры металла в жидком и твердом состоянии, предложенная одним из создателей теории металлов Я.И. Френкелем [3], представленная на рисунке 1. По мнению Френкеля, спичечный коробок с вставкой можно считать аналогом твёрдого тела, так как при небольшом внешнем воздействии он сохраняет свою форму, а коробок без вставки -аналогом жидкости, так как в этом случае коробок может изменять свою форму при малом внешнем воздействии.
Исходя из подобных аналогий, исследователь пришёл к представлению, что жидкость отличается от кристалла наличием достаточно большого количества свободного пространства внутри кристалла и предложил известную вакансионную модель.
Следует отметить, что подобную аналогию можно представить в несколько ином виде (рисунок 2).
Рисунок 2 - Образная модель металла автора
Если взять пустую бумажную коробку, у которой могут открываться боковые стенки, как видно из рисунка 2, то в состоянии с закрытыми стенками при слабом воздействии коробка будет сопротивляться попыткам изменения своей формы сильнее, чем в состоянии с открытыми стенками (аналогично тому, как это будут делать спичечные коробки в зависимости от наличия или отсутствия вставки в модели Френкеля.
По мнению автора, можно предложить ещё одну аналогию, своеобразно отражающую разницу в структуре металла в жидком и твёрдом состоянии.
Рисунок 3 - Образная модель металла в твёрдом и жидком состояниях
Аналогия представлена на рисунке 3.
В данном случае имеются две упаковки зубочисток, одна из которых заполнена полностью, а в другой имеется свободное пространство. Можно заметить, что в заполненной упаковке расположение элементов напомина-
ет упорядоченное расположение атомов в металле. При передвижении данной упаковки расположение элементов не изменяется, что напоминает поведение твёрдого тела.
В случае неполной упаковки её перемещение вызывает, очевидно, смещение внутренних элементов, подобное явление происходит и в сосуде с жидкостью при его перемещении.
Таким образом, напрашивается некоторая наглядная аналогия между поведением рассматриваемых упаковок с зубочистками и жидких и твёрдых тел.
Следует отметить, что подобная аналогия согласуется с известной моделью плавления, предложенной Андреевым [9, 10]. Действительно, по его представлениям, жидкость и твердое тело можно считать состоящими из квзикристаллических областей (кластеров) внутри которых и между которыми возникают и разрываются (за счёт тепловых колебаний) связи между атомами (молекулами).
В данном случае зубочистки в модели автора статьи можно считать аналогом таких кластеров. В случае жидкого состояния эти кластеры могут смещаться друг относительно друга, что и обеспечивает такое свойство жидкости, как текучесть, и в тоже время сохранение объёма (малую сжимаемость жидкости). А в случае твёрдого состояния смещения кластеров не происходит, и сохраняется форма образца и его объём.
Рисунок 4 - Распределение расстояний между атомами свинца в жидком и твёрдом состоянии [11]
Следует отметить, что представление о наличии упорядочения в расплаве согласуется с экспериментальными данными (рисунок 4). Как видно из рисунка, ы кристаллическом свинце расстояние между атомами
имеет (в идеальном случае) строго упорядоченное значение, в случае жидкого образца (как видно для первого пика) для большинства атомов среднее расстояние между ближайшими соседями практически такое же, как и у кристалла. Подобные экспериментальные данные позволяют сделать вывод о том, что ближайшее окружение атома кристалла при плавлении схраняется, и каждая зубочистка в модели автора статьи как раз своеобразно и отражает ближайшее окружение атома металла.
Мжно заметить также, что для воды и льда наблюдается аналогичная картина (экспериментальные данные свидетельствуют, что среднее расстояние между ближайшими молекулами воды и льда приближенно совпадают) [12].
Структуру металла, по мнению автора, можно представить чем-то похожей на вязанку прутьев, как например, на рисунке 5.
Рисунок 5 - Образная мдель структуры металла
Действительно, так же, как и в случае с зубочистками, вязанка состоит из большого количества областей, которые при сильном натяжении стягивающей верёвки не могут сдвигаться друг относительно друга от достаточно малого усилия. В случае же постепенного ослабления натяжения верёвки в конце концов наступит момент, когда прутья начнут сдвигаться друг относительно друга под действием силы тяжести (как слои жидкости сдвигаются под действием силы тяжести, и форма образца изменяется).
В данной аналогии сила натяжения веревки является аналогом обратной температуры, при которой находится металл, а прутья - аналогом квазиу-порядоченных областей в материале.
На рисунке 6 приведён приме5р ещё одной наглядной модели структуры жидкости (орехи в тонкой упаковке).
В данном случае модель, как и ранее, отмечает наличие в жидкости ква-зиупорядоченных областей или кластеров. Данная модельная система может изменять свою форму (например, под действием силы тяжести), но сохраняет свой объём (например, при попытке сжать модельный образец).
Таким образом, предлагаемая аналогия (модельная система) своеобразно отражает характерные свойства жидкости, а именно изменение формы под действием силы тяжести и сохранение объёма.
Итак, в настоящей статье представлен ряд наглядных образов (аналогий), своеобразно отражающих свойства металла в жидком и твёрдом состоянии (сохранение/не сохранение формы и объёма) и связывающие эти свойства с характерными особенностями структуры жидкости и кристалла.
Рисунок 6 - Образная модель структуры жидкости
Следует отметить также, что рассмотренные аналогии согласуются с известными моделями жидкости и эксперимент алыми данными о расположении атомов в жидкости и кристаллическом твёрдом теле.
Список литературы
1. Амосов, Е.А. Физическое моделирование в металловедении / Е.А. Амосов и др. -Самара: СамГТУ, 2012. - 54 с.
2. Масанский, О. А. Материаловедение и технологии конструкционных материалов / О. А. Масанский и др. - Красноярск, 2015. - 268 с.
3. Френкель, Я.И. Введение в теорию металлов / Я.И. Френкель. - Л.: Наука, 1072. -424 с.
4. Матухин, В. Л. Физика твердого тела / В.Л. Матухин, В.Л. Ермаков. — СПб.: Лань, 2010. — 224 с.
5. Павлов, П.В. Физика твердого тела / П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов. - М., 200. - 494 с.
6. Никитин, К.В. Модифицирование и комплексная обработка силуминов /К.В. Никитин. - Самара: СамГТУ, 2016. - 92 с.
7. ЬйрвУ/ги.'мЫрейа.о^/'мЫ/Жидкость
8. Крокстон, К. Физика жидкого состояния. Статистическое введение / К. Крюкстон.
- М.: Мир, 1978. - 400 с.
9. Андреев, В. Д. Избранные проблемы теоретической физики / В.Д. Андреев. — Киев: Аванпост-Прим,, 2012. - 272 с.
10. .Андреев, В. Д. Крэш (сгаБ^-конформационная кинематика ковалентной решётки алмаза при плавлении / В.Д. Андреев // Журнал структурной химии. — 2001. — № 3.
— С. 486—495.
11. Скрышевский, А.Ф. Структурный анализ жидкостей и аморфных тел /А.Ф. Скрышевский. - М.: Высшая школа, 1980. - 328 с.
12. Кауцман, В. Структура и свойства воды / В. Кауцман, Д. Эйзенберг. - Л., 1975. -272 с.
13. Строение металлических жидкостей. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2002. - 46 с.
14. Лившиц, Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов / Б.Г. Лифшиц и др. - М., 1980. - 320 с.
15. Амосов, А. П. Основы материаловедения и технологии новых материалов / А. П. Амосов. — Самара: СамГТУ, ЭБС АСВ, 2016. — 203 с.
16. Энергетическая модель технологий упрочнения сплавов/ Амосов Е.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 2 (2). С. 196-199.
17. Взаимодействие расплава железа и карбосилицида титана/ Латухин Е.И., Амосов Е.А., Умеров Э.Р.// Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 6 (14). С. 54-60.
18. О взаимодействии частиц графита разного размера с расплавом титана в ходе СВС реакции/ Рыбаков А.Д., Амосов Е.А., Умеров Э.Р.// Современные материалы, техника и технологии. 2019. № 5 (26). С. 154-158.
19. Получение порошка нитрида кремния по азидной технологии СВС/ Белова Г.С., Амосов Е.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 2 (5). С. 32-36.
Amosov Evgeniy Aleksandrovich, cand.tech.sci., associate professor
(e-mail: amosov-ea@mail.ru)
Samara state technical university, Samara, Russia
VISUAL MODELS OF THE STRUCTURE OF METALS IN LIQUID AND SOLID STATE
Abstract. In this article, simple and visual analogies of the structure of a metal in a liquid and solid state are proposed, reflecting the characteristic properties of a liquid and a crystal. Keywords: metal, modeling, arrangement of atoms, structure
