1.2. Кристаллическое строение металлов.

Ключевые слова:

кристаллическая решетка,

кристаллографическая плоскость,

элементарная кристаллическая ячейка,

виды кристаллических решеток: ОЦК, ГЦК, ГПУ

параметры кристаллической решетки,

плотность упаковки, коэффициент заполнения,

координационное число,

полиморфизм, полиморфная модификация,

анизотропия, квазиизотропия

кристаллит, зерно, текстура

Все металлы и сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, которое характеризуется закономерным расположением атомов в пространстве с образованием геометрически правильной системы, называемой кристаллической решеткой. Каждая кристаллическая решетка может быть охарактеризована элементарной кристаллической ячейкой – наименьшим комплексом атомов, многократно повторяя который в пространстве можно построить весь кристалл.

Стремление атомов (ионов) металла расположиться возможно плотнее друг к другу приводит к тому, что число встречающихся комбинаций взаимного расположения атомов невелико. В металлах наиболее часто встречаются следующие типы элементарных кристаллических решеток: объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

Рис.1. Основные типы элементарных кристаллических решеток металлов:

а - объемно-центрированная кубическая;

б - гранецентрированная кубическая;

в - гексагональная плотноупакованная.

ОЦК решетку имеют α-железо (ниже 911 ⁰С), хром, молибден, вольфрам, ванадий, β-титан (882 – 1672 ⁰С) и др. ГЦК решетку имеют γ-железо (1392 – 911 ⁰С), алюминий, никель, медь, свинец, золото, серебро, платина, β-кобальт (450 – 1480 ⁰С) и др. ГПУ решетку имеют магний, α-кобальт (ниже 450 ⁰С), α-титан (ниже 882 ⁰С), цинк, бериллий и др.

Некоторые металлы меняют свою кристаллическую решетку при изменении температуры. Свойство металлов существовать в нескольких кристаллических состояниях (модификациях) с разной структурой называют полиморфизмом. Полиморфные модификации обозначают первыми буквами греческого алфавита, которые в виде индексов добавляют к символу элемента.

Размеры кристаллической решетки характеризуют ее параметры: длина стороны куба или стороны шестигранника (а) и высота призмы (с), которые лежат в пределах 0,2 – 0,6 нм (2 - 6Å; 1Å=1х10^-10 м = 1х10^-8 см). Плотность упаковки кристаллической решетки характеризуется коэффициентом заполнения, определяемым отношением объема, занятого атомами, к объему ячейки и составляет 68% для ОЦК и 74% для ГЦК и ГПУ решеток (для последней при с/а=1,633). Воображаемые плоскости, проходящие через центры атомов, называют кристаллографическими плоскостями. Плотность атомов в различных плоскостях и направлениях неодинакова, что определяет существенные отличия в силах связи между ними, а, следовательно, и различные свойства. Зависимость физико-химических и механических свойств в кристалле от направления называют анизотропией. Реальный металл, затвердевший в обычных условиях, состоит из огромного количества кристаллов неправильной формы, произвольно ориентированных в пространстве. Кристаллы неправильной формы называют кристаллитами или зернами. Свойства поликристаллического тела будут усредненными. Поэтому поликристаллические тела квазиизотропны. При обработке металла давлением (прокатке, ковке), если она ведется ниже так называемой температуры рекристаллизации, зерна металла приобретают определенную ориентацию (текстуру), после чего металл становится анизотропным. Свойства металла вдоль и поперек направления главной деформации могут существенно различаться.