Горизонты техники для детей, 1965 №12

Замечательные свойства металлов издавна привлекали внимание людей, которые стремились с помощью металлов улучшить условия труда. Получить высокую температуру, научиться строить чаны для «варки» металлов, делать отливки — всё это требовало знаний и опыта. А ведь тогда люди не знали о существовании угля, а температура пламени горящей древесины была для плавильных целей слишком мала. Поэтому неудивительно, что раньше всего люди сумели получить легкоплавкие металлы, не требующие для плавления высокой температуры, например, медь, олово, золото. Но, к сожалению, эти металлы оказались слишком мягкими. Оружие, военные доспехи, ножи и различные инструменты из таких металлов не получались. Люди искали новых металлов. Неизвестно, кто первым смешал медь и олово, получив сплав значительно тверже и прочнее каждого из компонентов. Сплав назвали бронзой, и она в течение последующих двух тысяч лет (бронзовый век) была лучшим материалом для изготовления оружия, предметов домашнего обихода, инструментов, утвари.

Получение бронзы и ряда других сплавов было великим открытием, но люди не знали, почему сплавы были тверже составляющих компонентов. Спустя тысячелетия человек заметил, что огромные глыбы (этими глыбами оказалась железная руда), на которые он не обращал раньше внимания, при высокой температуре превращаются в твердый и упругий металл — железо. Но и тогда никто не понимал, почему чем выше температура плавления, тем больше твердость металла.

Ответ на этот вопрос дали лишь ученые XX века, которые имели в своем распоряжении точную современную аппаратуру.

Какова же тайна металлов? В чем секрет издавна замеченного человеком явления?

Сначала давайте познакомимся со строением металла. Металл состоит из огромного количества маленьких частичек — атомов. Изобразим их в виде шариков; особенностью этих шариков является взаимное притяжение, как будто бы в каждом из них сидит маленький магнит. Различные металлы отличаются друг от друга размерами шариков.

Однако металлы отличаются не только размерами шариков, но и их расположением. Самый простой способ расположения шариков-атомов — образование шариками кубической решетки. Шарики находятся в углах куба, а каждый из них окружен шестью другими и ко всем притягивается.

Рис. 1

Более сложные случаи строения металла показаны на рис. 2, где каждый атом окружен двенадцатью «соседями» (в плоскости рисунка видно только шесть атомов, но ведь это только один слой атомов), а на рис. 3 вы видите, что каждый атом окружен восемью соседями и все они взаимно притягиваются. пространственный. Видно, что атомы находятся на гранях куба, а один из них — в середине. Во всех остальных участках металла повторяется лишь порядок расположения шариков в ячейке, пока занной, например, на рис. 3.

Рис. 2

Рис. 3

Если некоторое небольшое количество ячеек одинаково расположены, то они образуют скопления, которые называются кристаллическими зернами. Эти зерна могут иметь размер всего куска металла, если все ячейки, подобно кирпичам в кирпичной стене дома, расположены (уложены) одинаково. Такой кусок металла мы называем монокристаллом. Если ячейки уложены правильно только в пределах зерна, кусок металла, состоящий из множества зерен, расположенных беспорядочно, как и куча кирпичей, называется поликристаллом. Отличным примером поликристалла является прессованный сахар-рафинад.

А теперь, зная строение металлов, постараемся объяснить, почему ме-. таллы обладают твердостью и упругостью.

На опыте, который ребята проделывают (см. рис. 4), исследуется упругость.

Рис. 4

У одного мальчика в руке нож из упругого металла, a у другого — из неупругого. Как видите, нож у первого мальчика после сгибания возвращается в исходное положение, совершив при этом ряд катебании. Нож, который согнул второй мальчик остался в таком же положении после того, как мальчик отпустил руку. Произошла необратимая деформация. Конечно, и первый нож можно было бы согнуть, только для этого пришлось бы довольно сильно нажать на него. Второй нож точно так же не согнулся бы, если бы его очень легко отвели в сторону. Сила, при которой деформация становится необратимой, и является мерой упругости.

Что при этом происходит внутри металла с шариками-атомами, о которых мы только что с вами говорили?

До начала сгибания шарики, держась друг друга, то есть взаимно притягиваясь, образуют кристалл с кубическим расположением атомов (рис. 5 а ).

Рис. 5 а

При сгибании одна часть атомов начинает перемещаться относительно другой. Если сила сгибания невелика (рис. 5 Ь ), то «руки» шариков могут выдержать её, соединясь все вместе.

Рис. 5 Ь

Если же сила довольно большая, то атомы не могут держаться за ««руки», даже после прекращения действия этой силы: металл не возвращается в прежнее положение. Разъединившись, соседние шарики-атомы не могут без помощи извне найти друг друга. Чем крепче держатся атомы-шарики, тем больше упругость металла.

Почему некоторые металлы очень трудно согнуть, а согнутые слегка, они уже не возвращаются в первоначальное положение, в то время как иные легко сгибаются и почти полностью возвращаются в исходное положение?

Ответить на этот вопрос, думаю, вы уже сможете сами, сравнив атомы первого металла с шариками с сильными, но короткими «руками», а второго — с «руками» длинными, но слабыми.

Теперь, наверное, стало понятным, почему мягкие, легко сгибающиеся металлы, как например, медь, олово, расплавляются при низких температурах. Вспомните, что держащиеся за «руки» шарики-атомы слегка подпрыгивают на одном месте. Чем выше температура металла, тем сильнее и выше прыжки. Поэтому не нужно сильного нагрева, чтобы разорвать слабые руки шариков неупругого металла.