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, c и три угла между ними α, β, γ (рис. 1.1, 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. 1.1, б - г: линии на схемах условные; в действительности никаких линий не существует, а атомы колеблются с большой частотой возле точек равновесия, т. е. узлов ре­шетки):

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

o 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;

o гексоганальная плотноупакованная (ГПУ) - 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. 1.1. 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, ГПУ - 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 ГПУ решеток равно 4.

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

Плотность упаковки η оцк = 0,68, η гцк = 0,74, η гпу = 0,74.

Рассматривая модель кристаллической решетки (см. рис. 1.1), 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 σ -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.