1. СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1.Кристаллическое и электронное строение металлов и сплавов.

2.Индексация граней и направлений в кристаллах.

3.Реальные кристаллы.

4.Аморфные сплавы.

5.Строение сплавов.

Кристаллическое и электронное строение металлов и сплавов

Металлы – простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами:

−высокой электро- и теплопроводностью;

−отрицательным температурным коэффициентом электропроводности;

−пластичностью;

−способностью хорошо отражать электромагнитные волны, что обеспечивает блеск и непрозрачность металлов.

Перечисленные свойства металлов обусловлены их электронным строением (металлической связью).

Металлические сплавы по свойствам имеют много общего с металлами, поэтому в физической и технической литературе к металлам относят также и сплавы.

Все металлы и сплавы делят:

−на черные (Fe и его сплавы, на их долю приходится около 95% производимой в мире продукции);

−цветные, или нежелезные (все остальные металлы и сплавы).

Втехнике принята условная классификация нежелезных металлов:

−легкие (Al, Mg, Be, Ca, Ti);

−тяжелые (Cu, Pb, Zn, Sn, Ni);

−тугоплавкие (W, Mo), температура плавления которых выше, чем железа, то есть выше 1539°С;

−благородные (Ag, Au, Pt и металлы платиновой группы);

−редкоземельные (Sc, Y, La и лантаниды);

−радиоактивные (Ac и актиноиды).

По строению электронных оболочек, металлы принято разделять на нормальные и переходные. У нормальных металлов внутренние электрон-

6

ные оболочки полностью заполнены (Na, Ca, Mg, Al, Pb и др.). У переходныхметалловвнутренниеf- иd-оболочкинедостроены(Fe, Pd, Pt идр.).

Металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, для которого характерно пространственно закономерное, периодически повторяющееся расположение атомов в трех измерениях. Ввиду такой периодичности для описания кристаллической решетки достаточно знать размещение атомов в элементарной ячейке, повторением которой путем параллельных переносов образуется вся структура кристалла. Размеры ребер элементарной ячейки a, b, c называются периодами идентичности. Вместе с углами между ними α, β, γ они со-

ставляют параметры элементарной ячейки. Параметры решетки ме-

таллов a, b, c измеряются в Å (10–10 м) или в нм (10–9 м).

В кристаллографии рассматривают 14 типов элементарных ячеек, которые называют пространственными решетками Бравэ, и 7 типов кристаллических структур: кубическую (рис. 1, 2), гексагональную (рис. 3), триклинную, моноклинную, ромбическую, тригональную, тетрагональную. Для характеристики элементарной ячейки задают шесть величин: три ребра ячейки a, b, c и три угла между ними α, β, γ. Эти величины называются параметрами элементарной ячейки.

Большинство металлов кристаллизуются в относительно простые структуры – кубическую и гексагональную, соответствующие наиболее плотной упаковке атомов.

Объемно-центрированную кубическую решетку имеют Li, Na, K, Ba, Cr, Mo, W, Mn, α-Fe.

a

Рис. 1. Кубическая объемно-центрированная решетка (ОЦК): a = b = c; α = β = γ = 90°

Гранецентрированную кубическую решетку имеют γ-Fe, Ca, Sr, Al, α-Sn, Pb, Cu, Ag, Аu, Pt.

7

Таблица 1

Координационные числа и компактность для различных типов кристаллических решеток

Индексацияграней и направлений в кристаллах

Для изучения кристаллов существует специальная схема индексации кристаллографических плоскостей и направлений в решетке.

Узлы (положения атомов), направления в плоскости и пространстве обозначаются с помощью так называемых индексов Миллера (рис. 4). Положение любого узла кристаллической решетки относительно произвольно выбранного начала координат определяют заданием координат х, у, z. Для одной элементарной ячейки эти координаты равны параметрам решетки а, b, с соответственно.

Для удаленной от начала координат ячейки координаты узла определяются как х = mа, у = nb, z = рс, где m, n, p – целые числа. Если за единицу измерения длин вдоль осей решетки выбрать величины а, b, с, то координаты узла будут просто числа m, n, p. Они называются индексами узла и записываются [[mnp]].

Например, для узла с координатами х = 3a, у = 1b, z = 4с индексы равны [314].

Для отрицательных индексов узла (отрицательные значения m, n, p) над ними ставится знак минус.

Индексы направления определяются индексами первого узла, через который проходит прямая, проведенная от начала координат, поэтому индексы направления, обозначаемые как [mnp], численно равны индексам узла [[mnp]].

Положение плоскости определяется отрезками A, B, C, которые она отсекает на осях решетки. Далее определяются величины, обратные им (1/А, 1/В, 1/С), и полученные дроби приводятся к общему знаменателю, например к числу D. Тогда индексы плоскости определяются как h = D/A, k = D/B, l = D/C и записываются в виде (hkl).

Например, при А = 3, В = 2, С = 2 (hkl) = (233).

Если плоскость не пересекает какую-нибудь ось (например, z), то соответствующий индекс Миллера равен нулю (например, (110)).

Для описания кристаллов с гексагональной решеткой пользуются четырехосной системой координат (в основании призмы лежат три

9

оси координат под углом 120°, а четвертая ось перпендикулярна им). В этом случае плоскость обозначается (hkil), где i = –(h + k).

Непараллельные плоскости, имеющие одинаковое атомное строение, кристаллографически эквивалентны. Совокупность таких плоскостей заключается в фигурные скобки. Например, плоскости (100), (010), (001) и (100), (010), (001 ) можно обозначить индексами одной плоскости: {100} или {010} и т. д.

(010)

(100)

(111)

(112)

Рис. 4. Символы узлов, направлений и плоскостей в кубической решетке

Аналогично совокупность непараллельных кристаллографически эквивалентных направлений, например [100], [010], [001] и т. д., можно обозначить индексами одного из них, заключив для этого их в ломаные скобки: <100> и т. д.

Ряд металлов, например Fe, в зависимости от температуры и давления может существовать в состояниях с различными кристаллическими решетками. Это явление называется полиморфизмом или алло-

тропией.

10