2. Атомно-кристаллическая структура металлов. Виды кристаллических решеток.

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в реальном кристалле.

Силы связи в металле определяются силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы в металле располагаются на таком расстоянии один от другого, при котором энергия взаимодействия минимальна. Сближение атомов или удаление их на расстояние отличное от минимального осуществимо лишь при совершении определенной работы против сил отталкивания и притяжения. Поэтому в металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.

Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы, образующие металл (рис. 1.).

Ж

Рис. 1. Кристаллическая решетка.

ирными линиями на рисунке выделен наименьший параллелепипед, последовательным перемещением которого вдоль трех осей может быть построена вся решетка или кристалл. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в целом называется элементарной кристаллической ячейкой.

Пространственные решетки делят на 6 систем, исходя из соотношения между осевыми единицами и углами.

Обозначим ребра ячейки через a, b, c, углы между ребрами α, β, γ.

Тогда шесть кристаллографических систем соответствуют следующим формам ячеек:

1. триклинная: a≠b≠c и α≠β≠γ≠90⁰;

2. моноклинная: a≠b≠c и α, γ=90⁰, β≠90⁰;

3. ромбическая: a=b=c и α=γ=90⁰, β≠90⁰;

4. гексагональная: a=b≠c и α=β=90⁰, γ=120⁰;

5. тетрагональная: a=b≠c и α=β=γ=90⁰;

6. кубическая: a=b=c и α=β=γ=90⁰.

Кристаллические решетки, в которых на долю одной элементарной ячейки приходится один атом, называются простыми. Если приходится несколько атомов – то такая решетка называется сложной. Сложные решетки можно рассматривать как совокупность простых вставленных одна в другую. Число этих простых решеток равно числу атомов, приходящихся на одну сложную ячейку.

Подавляющее большинство технически важных металлов образуют одну из следующих сложных решеток с плотной упаковкой атомов: гранецентрированную кубическую, объемно-центрированную кубическую и гексагональную.

В ОЦК решетке атомы расположены в узлах ячейки и один атом в центре объема куба. Такую решетку имеют: K, Rb, Na, Li, Ti_β, Zr_β, Ta, W, V, Cr, Nb, Fe_α.

В ГЦК решетке атомы расположены в углах куба и в центре каждой грани. Этот тип решетки имеют: Pb, Sc, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Ir, Cu, Fe_α, Co_α.

В гексагональной решетке атомы расположены в углах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы. Такую решетку имеют: Mg, Ti_α, Cd, Os, Ru, Zn, Zr_α. Некоторые металлы, например Mn_γ, In имеют тетрагональную решетку.

Размеры кристаллической решетки характеризуются величинами периодов, под которыми понимают расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку. Период решетки измеряется в ангстремах (10^-10 м). У металлов период решетки колеблется от 1 до 7×10^-10 м.

На одну элементарную ячейку ОЦК приходится два атома: один атом в центре куба и один атом по массе суммарно вносят атомы, расположенные в вершинах куба (каждый атом в вершине куба одновременно принадлежит восьми сопряженным элементарным ячейкам, а, следовательно, на одну ячейку приходится лишь 1/8 массы этого атома, а на всю ячейку 1/8×8=1 атом).

На элементарную ячейку ГЦК приходится четыре атома; из них один атом вносят атомы, находящиеся в вершинах куба (по такому же расчету, как и для ОЦК) и три атома вносят атомы, находящиеся на середине грани, так как каждый из них принадлежит двум элементарным ячейкам (6 граней/2=3 атома).

На элементарную ячейку гексагональной плотноупакованной решетки приходится шесть атомов (3+1/6×12+1/2×2=6).

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки свойства (химические, физические и 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 (стекло, пластмасса и др.), свойства которых не зависят от направления. Технически чистые металлы являются поликристаллами, то есть состоят из большого числа анизотропных кристаллов, которые неупорядоченно расположены по отношению друг к другу. Вследствие этого во всех направлениях свойства поликристалла более или менее одинаковы, то есть поликристаллическое тело, которым является любой металл, псевдоизотропно. Добиться определенной упорядоченности (но не полностью) можно, например, в результате значительной холодной деформации металла. В этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств.