Кристаллическое строение металлов

Особенностью строения металлов является кристаллическая структура, основу которой составляет кристаллит (зерно). Кристаллит построен из элементарных кристаллических ячеек (решеток). Элементарная кристаллическая решетка имеет в своих узлах атомы (ионы), и весь кристаллит состоит из набора множества элементарных кристаллических ячеек. На рис. 2.2 изображена отдельная кристаллическая ячейка, представляющая собой параллелепипед, построенный на векторах а, Ъ, с, модули которых равны периодам идентичности.

Ячейка характеризуется, кроме ребер а, Ъ, с, еще и углами а, р, у между ребрами. В целом эти шесть величин определяют ячейку количественно и называются ее параметрами.

Одним из свойств, которыми обладает кристаллическая решетка, является симметрия — свойство решетки совпадать с собой при пространственных перемещениях. Самой высокой симметрией обладает кубическая ячейка, у которой все ребра равны: а = Ь = с, а углы, соответственно, а = р = у = 90°.

В узлах кристаллической решетки металлов расположены положительные ионы металла. Между ними движутся электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ячейки. Эти электроны играют роль «цемента», удерживая вместе положительные ионы, в противном случае ячейка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Одновременно и электроны удерживаются

Рис. 2.2. Отдельная кристаллическая ячейка

положительными ионами в пределах кристаллической ячейки и не могут ее покинуть.

В металлах наиболее распространенными являются следующие типы кристаллических решеток: гексагональная плотноупакован- ная (ГПУ), кубическая гранецентрированная (ГЦК), кубическая объемно-центрированная (ОЦК).

Структура ГПУ называется плотноупакованной, потому что она обладает максимальной плотностью упаковки — каждый атом окружен двенадцатью ближайшими соседями (рис. 2.3): шесть атомов находятся в одной и той же плоскости и по три атома в верхней и нижней плоскостях. Такой решеткой обладают следующие металлы: бериллий, магний, кобальт, цинк, кадмий, рений, осмий.

ГЦК также является плотноупакованной решеткой (рис. 2.4). В ней атомы (ионы) занимают все вершины куба и центр каждой грани. В этой решетке каждый атом также имеет 12 соседних атомов. Решетку гранецентрированного куба имеют алюминий, медь, никель, свиней, платина, золото, серебро, железо (при температуре от 720 до 910 °С).

Решетка ОЦК обладает менее плотной упаковкой атомов (рис. 2.5). Эта элементарная ячейка представляет собой куб с атомами (ионами) в каждой вершине и в центре куба. Здесь каждый

Рис. 2.3. Гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ)

Рис. 2.4. Кубическая гранецентрированная решетка (ГЦК)

Рис. 2.5. Кубическая объемно-центрированная решетка (ОЦК)

атом окружен восемью соседями. Решеткой объемно-центрирован- ного куба характеризуются следующие металлы: литий, натрий, калий, ванадий, вольфрам, ниобий, железо (при температуре ниже 720 и выше 910 °С).

Три вышеприведенных типа элементарных кристаллических решеток имеют большинство металлов, но не все. Так марганец имеет простую кубическую решетку, а висмут, сурьма — ромбоэдрическую и т.д.

Основными параметрами кристаллических решеток являются кратчайшие межатомное расстояние d, атомный радиус г_а и атомный объем V_a.

В табл. 2.1 приведены типы структур и основные параметры кристаллических решеток наиболее распространенных металлов.

2.1. Структуры и параметры кристаллической решетки металлов

Окончание табл. 2.1

При изучении свойств металлов многие из них хорошо согласуются со свойствами описанных кристаллических решеток: плотность, удельная теплоемкость, упругие свойства. Эти свойства называются структурно-чувствительными. Однако целый ряд других свойств не согласуется со свойствами кристаллических решеток: прочность, пластичность и др. Так, прочность металлов, рассчитанная на основе механики кристаллических решеток, примерно на два порядка выше реальной прочности. Объяснение подобных явлений дает рассмотрение несовершенств кристаллических решеток, т.е. фактические структуры имеют отклонения от идеальных геометрических образований.