Кристаллическое строение металлов и дефекты кристаллических структур

Большинство металлов имеют кристаллическую решетку. Положительно заряженные ионы, образующие каркас металлического тела, совершают непрерывные тепловые колебания около точек, закономерно расположенных в определенных местах пространства. Эти точки являются узлами воображаемой пространственной кристаллической решетки.

1 Основные понятия

Атомы располагаются закономерно и периодически, образуя кристаллическую решетку – воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы. Каждый атом в решетке находится в одинаковом окружении, т.е.  имеет вокруг себя одинаковое количество атомов, находящихся на равном расстоянии.  Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме называется элементарной ячейкой.

Различают простые и сложные кристаллические решетки. В элементарной ячейке простой решетки атомы (ионы) расположены только в вершинах образующего ячейку многогранника. В сложных - они могут находиться также внутри многогранника или на его гранях.  Металлы имеют сложные кристаллические решетки. В большинстве случаев – это кубическая объемно-центрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

Характеристики кристаллических решеток

Строение и свойства кристаллических решеток характеризуется следующими параметрами: Период (параметр) решетки – расстояние по ребру элементарной ячейки между центрами соседних атомов, находящихся в кристаллической решетки. Обозначается: a, b, c; измеряется в ангстремах (1 =10^-10 м =0,1нм). В кубической системе период равен от 2 до 7  ,     (в некоторой литературе период для большинства металлов – от 0,1  до 0,7 нм).

    Координационное число К – показывает сколько атомов находится на наиболее близком и равном расстоянии от данного атома. Чем больше К, тем больше плотность упаковки.

Каждый атом простой кубической решетки имеет 6 ближайших соседей, расположенных на расстоянии длины ребра куба (на расстоянии периода решетки). Координационное число такой решетки обозначают К6. В ОЦК решетке у каждого атома 8 ближайших соседей и координационное число равно 8 (К8). В ГЦК и ГПУ решетках каждый атом имеет 12 ближайших соседей. Соответственно координационные числа К12 и Г12.

  Базис решетки – это таблица координат атомов, принадлежащих элементарной ячейке, рассматриваемой в пространственных координатных осях (количество атомов, принадлежащих данной элементарной ячейке), характеризует плотность решетки.

Коэффициент компактности – отношение объема, занимаемого атомами ко всему объему решетки. Также характеризует плотность решетки.

Следует иметь в виду, что в кристаллической решетке часть атомов, составляющих ячейку, относится не только к данной ячейке, но и к ячейкам, находящимся по соседству. Например, атом, расположенный в вершине кубической ячейки (простая кубическая, ОЦК, ГЦК) принадлежит еще семи соседним ячейкам, т.е. данной ячейке принадлежит лишь 1/8 атома.  Коэффициент компактности простой кубической решетки равен 52%, ОЦК -68%, ГЦК - 74% (столь же компактна решетка ГПУ). Остальное пространство занято порами. В ячейке ГЦК в центре расположена крупная октаэдрическая пора с радиусом, равным 0,41 радиуса атома. В ячейке ОЦК больших пор нет. Поры, расположенные на ребрах ячейки, имеют радиус, равный 0,16 радиуса атома. 

Размеры элементарной ячейки определяются размерами образующих ее атомов. При этом полагают, что атомы, представляемые в виде жестких шаров, касаются друг друга в направлениях ячейки с наиболее плотным их расположением. 

Кристаллические решетки

Большинство металлов и сплавов кристаллизуется с образованием следующих элементарных ячеек (всего 14 решеток Браве):

	Объемно центрированная кубическая решетка (ОЦК)
	1 Параметр - один,    «а» ; 2. Координационное число К=8; 3. Базис 2; 4. Коэффициент компактности КК=68% Эта решетка характерна для  -Fe, Cr, V, Mo, W,  -Ti и др.
	Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК)
	1 Параметр - один,    «а» ; 2. Координационное число К=12; 3. Базис 4; 4. Коэффициент компактности КК=74% Характерна для  -Fe, Ni, Al, Cu, Au, Ag и др. Наиболее склонна к упрочнению при холодной деформации.
	Гексагональная плотноупакованая решетка (ГПУ)
	1 Параметр - два,    «а, с», ; 2. Координационное число К=12; 3. Базис 6; 4. Коэффициент компактности КК=74% Эта решетка характерна для  -Ti, Mg, Zn,Cd.(Решетка обозначается Г12)

Кристаллографические плоскости

Расположение кристаллографических плоскостей в пространстве относительно выбранных осей координат определяется особыми индексами, которые представляют собой целые рациональные числа, значения которых обратны отрезкам, отсекаемым данной плоскостью на осях координат.