1.2. Атомно-кристаллическая структура металлов Металлы

1.2. Атомно-кристаллическая структура металлов
Металлы – кристаллические тела (положение атомов в пространстве
упорядочено).
Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием
кристаллической решетки.
Кристаллическая решетка – это воображаемая пространственная сетка,
в узлах которой располагаются атомы или ионы, образующие твердое
кристаллическое тело. Наименьший объем кристалла, дающий представление об
атомной структуре металла во всем объеме, называется элементарной
кристаллической решеткой.
Элементарная кристаллическая решетка (ячейка) представляет собой
куб, шестигранную призму или другое геометрическое тело, в вершинах которого
располагаются атомы металла. Многократно повторяясь, ячейки образуют
кристаллическое зерно. Ориентировка ячеек в пределах одного зерна одинакова,
а в соседних зернах различна. Размер зерен может быть от 1 мкм и более (до
10000 мкм).
Существует 7 разновидностей кристаллических решеток, но для металлов
наиболее характерны следующие:
1. Кубическая объемно-центрированная решетка (ОЦК).
Это наиболее простой тип. 8 атомов образуют куб, девятый атом находится
в центре объема куба на пересечении диагоналей (рис. 1.2.1).
Рис. 1.2.1. Кубическая объемно-центрированная решетка (ОЦК)
Примеры металлов с ОЦК: Rb, K, Na, Li, W, V, Fe, Cr, Nb.
2. Кубическая гранецентрированная решетка (ГЦК).
Рис. 1.2.2. Кубическая гранецентрированная решетка (ГЦК)
8 атомов образуют куб, 6 атомов расположены в центре каждой из граней
куба (рис. 1.2.2).
Примеры металлов с ГЦК: Pt, Ni, Ag, Au, Pt, Pd, Fe, Cu.
3. Гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ).
12 атомов образуют шестигранную призму. 2 атома расположены в
основаниях призмы, и еще 3 – внутри призмы (рис. 1.2.3).
Рис. 1.2.3. Гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ)
Примеры металлов с ГПУ: Mg, Cd, Re, Zn, Be.
Менее распространены ромбоэдрическая, тетрагональная и более сложные
решетки.
Прочность металла зависит от плотности упаковки кристаллической
решетки и особенностей строения электронных оболочек атомов.
В свою очередь плотность упаковки определяется числом атомов,
приходящихся на одну ячейку решетки и расстоянием между ними.
Кристаллические решетки характеризуются следующими параметрами:
период решетки, координационное число, базис и коэффициент компактности
решетки.
Периодом решетки – называется расстояние между центрами двух
соседних частиц (атомов, ионов) в элементарной ячейке.
Координационное число К – показывает количество атомов, находящихся
на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в
решетке. Чем выше К, тем больше плотность упаковки атомов (рис.1.2.4).
Рис. 1.2.4. Схема, показывающая связь числа атомов, находящихся на
равном расстоянии от атома: а – ОЦК (К8); б – ГЦК (К12); в – ГПУ (К12)
Базисом решетки – называется количество атомов, приходящихся на
одну элементарную ячейку решетки. На одну элементарную ячейку ОЦК в целом
приходится 2 атома: один атом в центре куба и один атом по массе суммарно
вносят атомы, располагающиеся в вершинах куба (1/8 8 = 1 атом); на одну
элементарную ячейку ГЦК приходятся 4 атома: из них один атом вносят атомы,
находящиеся в вершинах куба (1/8  8) и три атома вносят атомы, находящиеся на
середине грани, т.к. каждый из таких атомов принадлежит двум решеткам.
Из рассмотренных схем элементарных ячеек видно, что плотность упаковки
атомов в разных плоскостях и по разным направлениям в кристалле разные.
Поэтому и свойства монокристалла (химические, механические) в разных
направлениях будут разные, т.е. монокристалл является телом анизотропным в
отличие от аморфных тел (стекло, пластмассы и др.), свойства которых не
зависят от направления.
В связи с этим, говоря о физических или механических свойствах
монокристалла, необходимо указывать направление, к которому эти свойства
относятся. Для обозначения кристаллографических плоскостей и направлений в
кристалле пользуются индексами Миллера, которые получают путем вписывания
элементарной
(рис.1.2.5).
ячейки
кристалла
в
пространственную
систему
координат
Рис. 1.2.5. Индексы кристаллографических плоскостей и направлений в
кубической решетке
Оси координат X, У, Z – называются кристаллографическими осями.
Плоскости, проведенные в кристаллической решетке через узлы (атомы) –
называются кристаллографическими плоскостями. Прямые, проведенные через
узлы решетки – кристаллографическими направлениями. Кристаллографические
плоскости обозначаются в соответствии с точками на осях X, Y, Z соответственно,
которые они пересекают (см. рис. 1.2.5). Кристаллографические направления
обозначаются аналогично заданию координат векторов в декартовой системе
координат. Плоскости наибольшей упаковки атомов называются плоскостями
скольжения , т.к. именно по этим плоскостям смещаются атомы при пластической
деформации кристалла.
В гранецентрированной кубической решетке плоскостью с наиболее
плотным расположением атомов будет плоскость октаэдра (111), в объемноцентрированной кубической решетке плоскость (110), в гексагональной
плотноупакованной решетке плоскость (100).
Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого
числа анизотропных монокристаллов. Поскольку в большинстве случаев,
кристаллиты статистически неупорядоченно ориентированы один по отношению к
другому, то во всех направлениях свойства поликристаллов более или менее
одинаковы, т.е. поликристаллические тела являются изотропными . Иногда эта
ориентированность может создаваться в результате специальной обработки,
например, холодной деформации. В таком случае поликристаллический металл
приобретает анизотропию свойств.