Кристаллические структуры металлов и сплавов.

Металлы и их сплавы в твердом состоянии представляют собой кристаллические тела, в которых атомы располагаются относительно друг друга в определенном, геометрически правильном порядке, образуя кристаллическую структуру. Такое закономерное, упорядоченное пространственное размещение атомов называется кристаллической решеткой.

В кристаллической решетке можно выделить элемент объема, образованный минимальным количеством атомов, многократное повторение которого в пространстве по трем непараллельным направлениям позволяет воспроизвести весь кристалл. Такой элементарный объем, характеризующий особенности строения данного типа кристалла, называется элементарной ячейкой. Для ее описания используют шесть величин: три ребра ячейки а, b, с и три угла между ними α, β, γ (рис.1,а). Эти величины называются параметрами элементарной ячейки.

Поскольку атомы стремятся занять наименьший объем, существует всего 14 типов кристаллических решеток, свойственных элементам периодической системы. Наиболее распространенными среди металлов являются следующие типы решеток (рис.1,б-г):

- объемно-центрированная кубическая (ОЦК) - атомы расположены в вершинах и в центре куба; такую решетку имеют Na, V, Nb, Fe_α, К, Cr, W и другие металлы;

- гранецентрированная кубическая (ГЦК) - атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани; решетку такого типа имеют Pb, Al, Ni, Ag, Аu, Сu, Со, Fe_γ и другие металлы;

- гексоганальная плотноупакованная (ГП) - четырнадцать атомов расположены в вершинах и центре шестиугольных оснований призмы, а три - в средней плоскости призмы; такую решетку имеют Mg, Ti, Re, Zn, Hf, Be, Са и другие металлы.

Рис. 1. Кристаллическое строение металлов:

а - схема кристаллической решетки; б - объемно-центрированная кубическая; в - гранецентрированная кубическая; г - гексагональная плотноупакованная

Кристаллическую решетку характеризуют следующие основные параметры: период, координационное число, базис и коэффициент компактности.

Периодом решетки называется расстояние между двумя соседними параллельными кристаллографическими плоскостями в элементарной ячейке решетки. Он измеряется в нанометрах (1 нм=10^{-9 см) и для большинства металлов лежит в пределах 0,1 ...0,7 нм.}

Координационное число показывает количество атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке. Для ГЦК решетки координационное число равно 12, ОЦК - 8, ГП - 12.

Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Так, на одну элементарную ячейку ОЦК решетки приходятся два атома: один, находящийся в центре куба и принадлежащий только данной ячейке, и второй - как сумма долей, которую вносят атомы, расположенные в вершинах куба и принадлежащие одновременно восьми сопряженным элементарным ячейкам . Базисное число ГЦК и ГП решеток равно 4.

Коэффициент компактности (плотность упаковки) решетки η определяется отношением объема, занимаемого атомами, V_а, ко всему объему элементарной ячейки решетки V_p:

. (1)

Плотность упаковки η_ОЦК = 0,68, η_ГЦК = 0,74, η_ГП = 0,74.

Рассматривая модель кристаллической решетки (рис.1), можно заметить, что плотность атомов в различных плоскостях неодинакова. По этой причине свойства отдельно, взятого кристалла, в том числе химические, физические и механические, в разных направлениях будут отличаться. Такое различие свойств называется анизотропией. Все кристаллы анизотропны. Помимо кристаллических тел существуют аморфные, в которых атомы совершают малые колебания вокруг хаотически расположенных равновесных приложений, т.е. не образуют кристаллическую решетку. В таких телах свойства не зависят от направления, т.е. они изотропны.

Степень анизотропности может быть значительной. Исследования монокристалла меди в различных направлениях показали, что временное сопротивление σ_в изменяется в нем в диапазоне 120...360 МПа, а относительное удлинение δ - 10...55 %.

Технические металлы являются поликристаллическими веществами, состоящими из множества мелких (10^-1... 10^{-5 см) различно ориентированных относительно друг друга кристаллов, и их свойства во всех направлениях усредняются. Это означает, что металлы и сплавы изотропны.}