Кристаллическая структура металлов и сплавов системы Nb-V

Реферат

Работа содержит 20 страниц, 1 таблицу, 9 рисунков и 2 источника литературы.

В работе приведены данные кристаллической структуры ниобия и золота, а также их сплавов. Приведена диаграмма состояния системы Nb-V, график зависимости периода кристаллической решетки от состава сплава по литературным данным и по правилу Вегарда. Также в работе присутствуют формулы для кристаллографических расчетов.

Ключевые слова: фазовые равновесия, симметрия кристаллической структуры, плотность упаковки, междоузлия, кристаллическая решетка.

• Введение
• 1. Расчетно-эксперементальная часть
• 1.1 Характеристика кристаллической структуры Nb и V
• 1.2 Симметрия кристаллической структуры
• 1.3 Междоузлия кристаллической решетки
• 1.4 Фазовые равновесия системы
• 1.5 Формулы для кристаллографических расчетов
• 2. Стереографические проекции
• Заключение
• Использованная литература
• Введение
• Ниобий (лат. Niobium) — химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 41, атомная масса 92,9064; металл серо-стального цвета. Элемент имеет один природный изотоп 93Nb.
• Н. открыт в 1801 английским учёным Ч. Хатчетом (1765—1847) в минерале, найденном в Колумбии, и назван им «колумбием». В 1844 немецкий химик Г. Розе (1795−1864) обнаружил «новый» элемент и назвал его «ниобием» в честь дочери Тантала Ниобы, чем подчеркнул сходство между Н. и танталом. Позднее было установлено, что Н. тот же элемент, что и колумбий.
• Распространение в природе. Среднее содержание Н. в земной коре (кларк) 2· 10−3% по массе. Только в щелочных изверженных породах — нифелиновых сиенитах и др., содержание Н. повышено до 10−2—10−1%. В этих породах и связанных с ними пегматитах, карбонатитах, а также в гранитных пегматитах обнаружено 23 минерала Н. и около 130 др. минералов, содержащих повышенные количества Н. Это в основном сложные и простые окислы. В минералах Nb связан с редкоземельными элементами и с Та, Ti, Ca, Na, Th, Fe, Ba (тантало-ниобаты, титанаты и др.). Промышленные месторождения Н. связаны с массивами щелочных пород (например, на Кольском полуострове), их корами выветривания, а также с гранитными пегматитами. Важное значение имеют и россыпи тантало-ниобатов.
• Можно отметить такие свойства ниобия как высокая температура плавления и кипения, более низкая работа выхода электронов по сравнению с другими тугоплавкими металлами — вольфрамом и молибденом. Последнее свойство характеризует способность к электронной эмиссии (испусканию электронов), что используется для применения ниобия в электровакуумной технике. Ниобий также имеет высокую температуру перехода в состояние сверхпроводимости. При обычной температуре ниобий устойчив на воздухе. Характерное свойство ниобия — способность поглощать газы — водород, азот и кислород. Небольшие примеси этих элементов сильно влияют на механические и электрические свойства металла. При низкой температуре водород поглощается медленно, при температуре примерно 360 °C водород поглощается с максимальной скоростью, причём происходит не только адсорбция, но и образуется гидрид NbH. Поглощённый водород придаёт металлу хрупкость, но при нагревании в вакууме выше 600 °C почти весь водород выделяется и прежние механические свойства восстанавливаются. Ниобий устойчив против действия соляной, серной, азотной, фосфорной и органических кислот любой концентрации на холоду и при 100−150°С. Металл растворяется в плавиковой кислоте и особенно интенсивно — в смеси плавиковой и азотной кислот. Менее устойчив ниобий в щелочах. Горячие растворы едких щелочей заметно разъедает металл, в расплавленных щелочах и соде он быстро окисляется с образованием натриевой соли ниобиевой кислоты.
• Из ниобиевых листов и штабиков изготовляют «горячую арматуру» (т.е. нагреваемые детали) — аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие детали электронных ламп, особенно мощных генераторных ламп. Коррозионная стойкость ниобия в кислотах и других средах, в сочетании с высокой теплопроводностью и пластичностью делают его ценным конструкционным материалом для аппаратуры в химических и металлургических производствах. Ниобий обладает сочетанием свойств, удовлетворяющих требования атомной энергетики к конструкционным материалам. Ниобий широко используется как легирующая добавка в сталях. Добавка ниобия в количестве, в 6−10 раз превышающем содержание углерода в стали, устраняет межкристаллитную коррозию нержавеющей стали и предохраняет сварные швы от разрушения.
• Ванадий (лат. Vanadium) — химический элемент V группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, обозначается символом V. Имеет атомный номер 23, атомную массу 50,9415. Чистый ванадий — это ковкий твердый металл серебристо-серого цвета.
• Соединения ванадия довольно широко распространены в природе. Его содержание в земной коре составляет 0,009%. Вместе с тем, ванадийсодержащие минералы (ванадинит, чилеит, патронит, карнотит) в виде самостоятельных залежей не встречаются, а рассеяны в железных рудах (которые и являются важным источником промышленной добычи ванадия), в нефтяных месторождениях, в залежах асфальтов, битумов, горючих сланцев, углей (например, в Перу) и т. п. Поэтому ванадий относят к числу достаточно редких элементов.
• Чистый ванадий — химически стойкий металл. Он не подвержен воздействию воды, в том числе морской. Он также не реагирует с соляной и слабой серной кислотами, растворами щелочей. Растворяется в концентрированной серной кислоте, в плавиковой (фтористоводородной) и азотной кислотах, а также в «царской водке» .
• В силу своих свойств ванадий находит применение как легирующий компонент при производстве специальных сталей и сплавов, применяемых в автомобильной, авиационной и космической технике, морском судостроении. В меньшей степени соединения ванадия используют в процессе производства резины, керамики, некоторых химикатов, а также в текстильной, лакокрасочной и стекольной промышленности.
• Основным источником поступления ванадия в подземные воды являются железные и полиметаллические руды, содержащие небольшую примесь ванадия, а также экологические факторы: сточные воды предприятий черной и цветной металлургии, добыча и переработка нефти, сжигание углеводородного топлива (например, выбросы автомобилей). Ванадий имеет свойство связываться с другими элементами и частицами и поэтому в основном задерживается в почве, где и остается длительное время. В растениях обнаруживаются только незначительные следы ванадия, что свидетельствует о его слабом накоплении в растительных тканях.

1. Расчетно-экспериментальная часть

1.1 Характеристика кристаллической структуры Ni и Au

а) Структурный тип Nb и V-А1.

б) Кристаллическая решетка ГЦК

Рисунок 1 — Кристаллическая решетка ГЦК

Период кристаллической решетки — длинна ребра элементарной ячейки кристаллической решетки. Т. е. это наименьшее расстояние, при сдвиге на которое решетка точно воспроизводит свой первоначальный вид, то есть в каждом ее узле оказываются такие же атомы как и до сдвига.

a=b=c; б=в=г=90є

Для Ni a= 0,3524 нм;

Для Au a= 0,4078 нм.

в) Базис — это число атомов приходящееся на элементарную ячейку

N=4

[[000]], [[ЅЅ0]], [[Ѕ0Ѕ]], [[0ЅЅ]]

г) Координационное число — число ближайших равноотстоящих атомов от данного атом. К=12

д) Соотношение между атомным радиусом и периодом решетки

Рисунок 2 — Плоскость (001) с упаковкой атомов

е) Плотность упаковки показывает, какая часть объема занята атомами

1.2 Симметрия кристаллической структуры

По симметрии и числу единичных направлений кристаллы делятся на три категории: высшую, среднюю и низшую. Три категории в свою очередь делятся на 7 сингоний: триклинная, моноклинная, ромбическая, тригональная, гексагональная, тетрагональная и кубическая.

Nb, как и V имеет решетку ГЦК кубической сингонии, относящейся к высшей категории.

Кристаллы высшей категории не имеют единичных направлений. У них обязательно есть несколько осей порядка выше, чем 2, в частности четыре оси 3, расположенные как пространственные диагонали куба. Любому направлению в кристалле высшей категории соответствуют симметрично эквивалентные направления. Многие физические свойства (электропроводность, теплопроводность) в этих кристаллах изотропны, как в аморфных веществах, а анизотропия других свойств (упругость, электрооптический эффект) гораздо слабее, чем у кристаллов других категорий. Внешняя форма кристаллов, как правило, изометрична, т. е. развита примерно одинаково во всех направлениях, как куб, октаэдр, тетраэдр.

Для кубической сингонии характерно четыре оси и отсутствие единичных направлений.

Классом симметрии называют полную совокупность операций симметрии (возможных симметричных преобразований) этого объекта.

Nb и V, как и все металлы с кубической решеткой относятся к классу симметрии m3m (имеет 4 оси симметрии проходящие по биссектрисам координатных углов, ось 4-го порядка, центр симметрии, три координатные и шесть диагональных плоскостей симметрии) Рисунок 3 — Комплекс элементов симметрии m3m

1.3 Междоузлия кристаллической решетки

Междоузлие в идеальном кристалле — это свободное пространство между занятыми атомами узлами кристаллической решетки. Разделяют два вида междоузлий: октаэдрические (октапоры) и тераэдрические (тетрапоры) пустоты, в зависимости от формы. Междоузлия характеризуются размером, за который принимают радиус шарика, который вписывается в эту пору В ГЦК решетке на ячейку приходится 4 октапоры (1 октапора на атом) с координатами:

На Рисунке 4 крестиками обозначены центры октапор в ячейке решетки ГЦК Рисунок 4 — Расположение октапор в ячейке ГЦК решетки Рисунок 5 — Расположение атомов в плоскости (002)

Вычислим размер октапоры:

В ГЦК решетке соотношение между атомным радиусом и периодом решетки

из рисунка 1.6 с применением теоремы Пифагора получаем:

На ячейку решетки ГЦК приходится 8 тетрапор (по 2 тетрапоры на атом), с координатами На Рисунке 6 крестиками показаны центры тетрапор.

Рисунок 6 — Расположение тетрапор в ячейке ГЦК решетки а)

б) Рисунок 7 — Тетрапора (а) и одна из плоскостей в ней (б) Для вычисления размера тетрапоры вынесем тетрапору на отдельный рисунок (рисунок 1.8а) и выделим один из треугольников (рисунок 1.8б)

1.4 Фазовые равновесия

кристаллический стереографический ниобий золото Кристаллическая структура Кривая изменения параметра решетки в зависимости от состава сплавов показывает небольшое положительное отклонение от правила Вегарда, параметр решетки измерялся с точностью ±0,005 нм.

Закон Вегарда — эмпирическое правило, которое гласит, что существует линейная зависимость при постоянной температуре между свойствами кристаллической решетки сплава и концентрацией отдельных его элементов.

Рисунок 8 — Диаграмма состояний системы Nb-V

Таким образом, параметры кристаллической решётки (a) твердого раствора (сплава) материалов с одинаковой структурой решётки, могут быть найдены путем линейной интерполяции между параметрами решётки исходных соединений.

где р — атомная концентрация одного из элементов системы

(1)

(2)

Рисунок 9 — График зависимости периода решетки твердого раствора от состава 1 — по правилу Вегарда, 2- по литературным данным

1.5 Формулы для кристаллографических расчетов

а) Период идентичности? это кратчайшее расстояние между соседними узлами (атомами) вдоль заданного направления.

Для ГЦК решетки б) Угол между двумя направлениями и

Для ГЦК решетки в) Соотношение между периодами прямой и обратной решёток Для ГЦК решетки

так как а=b=с, и sinб=sinв=sinг=90?,

то;

г) Соотношение между углами прямой и обратной решёток Для ГЦК решетки д) Угол между двумя плоскостями и

Воспользуемся свойством вектора обратной решетки Для ГЦК решетки е) Межплоскостное расстояние Для решетки ГЦК

2. Стереографические проекции

Углы для построения стереографических проекций ГЦК решетки были рассчитаны по формуле:

Таблица 1

Угловые расстояния между направлениями

Для точности построения стереографических проекций элементов симметрии кристалла и гномостереографических проекций элементов граней их сферические координаты — результат гониометрических исследований кристалла — наносятся на проекцию с помощью сеток, позволяющих графически, без дополнительных расчетов решать многие задачи геометрической кристаллографии, с помощью сетки Вульфа.

Заключение

В работе исследована система Nb-V, в частности определены тип кристаллической решетки никеля и золота, симметрия кристаллической структуры, количество и положение междоузлий кристаллической решетки, фазовые равновесия системы, а также выведены основные формулы для кристаллографических расчетов в решетке ГЦК. Построены стереографические проекции с осью [001], для направлений <100>, <110>, <111>.

Использованная литература

1. Егоров-Тисменко Ю. К. Кристаллография и кристаллохимия: учебник / Ю.К. Егоров-Тисменко; под ред. Академика В. С. Урусова. — М.: КДУ, 2005. — 592 с.: ил.

2. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Д44 Справочник: В 3 т.: Т. 1 / Под общ. Ред. Н. П. Лякишева. — М.: Машиностроение, 1996. — 992 с.: ил.