Чугуна, стали и цветных металлов

Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно центрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную плотноупакованную (ГПУ) (рис.5). В ОЦК решетке атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объема куба. ОЦК решетку имеют металлы: Pb, K, Na, Li, Ti_β, Zr_β, Ta, W, V, Fe_α, Cr, Nb и др. В ГЦК решетке атомы расположены в вершинах куба

и в центре каждой грани. Решетку такого типа имеют металлы: Ca_α, Ce, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Cu, Co_α, Fe_γ и др.

Рис.5. Кристаллические решетки металлов: а) ОЦК, б) ГЦК, в) ГПУ

В гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решетке атомы расположены в вершинах и в центре шестигранных оснований призмы, а три атома – в средней плоскости призмы. Такую упаковку атомов имеют металлы: Mg, Ti_α, Cd, Zn,Co_β, Ca_β и др.

Расстояния a, b, c между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке (рис.4) называются периодами решетки.

Плотность кристаллической решетки – объема, занятого атомами, которые условно можно рассматривать как жесткие шары, характеризуется координатным числом, под которым понимают число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. Чем выше координатное число, тем больше плотность упаковки атомов.

Для определения положения атомных плоскостей (проходящих через атомы) в кристаллических пространственных решетках пользуются индексами h, k, l, представляющими собой три целых рациональных числа, являющихся величинами, обратными отрезкам осей, отсекаемых данной плоскостью на осях координат (рис.6). Единицы

длины вдоль осей выбирают равными длине ребер элементарной ячейки. Эти числа заключают в круглые скобки.

В качестве примера обозначения плоскостей установим индексы для плоскостей куба. Каждая плоскость куба пересекает только одну ось, при этом отсекаемые отрезки будут равны (1, ¥, ¥); (¥, 1, ¥); (¥, ¥, 1). Обратные величины отсекаемых отрезков будут соответственно равны: (1, 0, 0); (0, 1, 0); (0, 0, 1). Индексы плоскости (hkl)будут (100), (010), (001), ( 00), (0 0), (00 ). Знак минус над индексом соответствует отрицательным отрезкам. Если индексы характеризуют не одну, а несколько параллельных плоскостей, то их заключают в фигурные скобки. Например, {100}. Для определения индексов направлений расположения рядов атомов в кристаллической решетке необходимо из семейства параллельных плоскостей выбрать направление плоскостей, проходящих через начало координат (рис.6).

Рис.6.Индексы кристаллографических плоскостей (а-в) и направлений (г) в ОЦК решетке

Приняв за единицу длину ребра элементарной ячейки (или период решетки), определяют координаты любой точки этого направления. Полученные значения координат точки приводят к отношению трех наименьших чисел. Эти числа, заключенные в квадратные скобки

[uvw], являются индексами данного направления и всех параллельных ему направлений. Например, [100], [010].

Нетрудно видеть, что плотность расположения атомов по различным плоскостям неодинакова. Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки свойства (физические, химические, механические) каждого монокристалла зависят от направления вырезки образца по отношению к направлениям в решетке. Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией. Кристалл – тело анизотропное в отличие от аморфных тел (стекла, пластмассы и др.), свойства которых не зависят от направления.

Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллитов. В большинстве случаев кристаллиты хаотически ориентированны по отношению друг к другу. Поэтому во всех направлениях свойства материала более или менее одинаковы. Таким образом, поликристаллы – псевдоизотропные тела. Но при возникновении различных воздействий (механических, тепловых), например, при деформации, материал может приобрести преимущественную ориентировку зерен – текстуру. В этом случае поликристаллический материал становится анизотропным.