3. Кристалічна будова металів

М

Щоб уявити будову кристалічної решітки, можна представити атоми у вигляді крихітних тенісних м'ячиків і розташувати їх регулярно в три перпендикулярні напрямки один до одного (рис. 5). Але в літературі прийнято зазначати на малюнках тільки центри кожного м'яча-атома у вигляді маленької кульки (ядра), що полегшує виділити елементарні об'єми решітки, так звані ячейки або комірки, характе-

етали - кристалічні тіла, і багато їх чудових властивостей пояснюється саме кристалічною будовою. Кожен металевий предмет складається не з одного кристала, а з багатої кількості невеличких кристаликів, дезорієнтованих поміж собою у просторі, тобто в дійсності металеві тіла — полікристалічні. В кристалах атоми-іони із іалишковими підоболонками, взаємодіючи, займають відносно один одного певні положення. При цьому забезпечується жорстка закономірність розташування атомів в даному напрямку тривимірного простору. Якщо уявно провести через атомні шари площини в трьох напрямках цього геометричного простору, то утворюється правильне геометричне тіло з певною симетрією, яке називається просторовою кристалічною решіткою.

Гис. 5. Зображення атомів в об’ємі кристалічної решітки металів.

ризуючі даний тип кристалічної решітки в цілому. В науці кристалографії відомо багато різновидів кристалів, існуючих в природі. Вони розподіляються на 230 просторових груп і 32 класи, які об'єднуються в 7 систем (сингоній): триклінна, моноклінна, ромбічна, тригональна або ромбоедрична, тетрагональна, гексагональна, кубічна.

Більшість металів кристалізується в кубічну систему, менше - в гексагональну. Такі системи мають високий клас симетрії, завдяки чому і забеспечуються такі важливі властивості металів, як здатність пластично деформуватися. Такі важливіші метали, як Ре, №, Си, А1, мають кубічну решітку.

Н

Рис. 6. Простіша кубічна решітка кристала та її елементарна комірка (ячейка).

а рис. 6 схематично зображено кристал з простішою кубічною решіткою і її елементарна комірка, виділена жирними лініями. Атоми розташовані рівномірно у всіх трьох напрямках. Легко пересвідчитися, що кожен атом в такій решітці належить рівночасно восьми сусіднім елементарним коміркам, і кожна комірка має вісім атомів, які належать їй лише на 1/8, тобто вона містить один атом.

Таку кубічну решітку, яка має елементарну комірку з атомами, розташованими лише у вершині куба, називають простою.

Однак більшість металів кристалізується не в прості кубічні решітки, а утворюють нібито комбінації з простих решіток. Такі решітки називаються решітками Браве. Вони відрізняються високою симетричністю і високою щільністю упаковки атомів. До таких решіток відносяться: кубічна об'ємноцентрована решітка (ОЦК), кубічна гранецентрована решітка (ГЦК) і гексагональна щільноупакована (ГПУ).

Як видно з рис. 7а, в ОЦК-решітці атоми розташовані у вершинах куба і один атом у центрі куба. Кубічну об'ємноцентровану

о	о о -V	о А
V.	о	и

б)

в)

Рис. 7. Елементарні комірки (ячейки) трьох типових для металів кристалічних решіток: а - об'ємноцентрована кубічна (ОЦК); б - гранецентрована кубічна (ГКЦ); в - гексагональна щільноупакована (ГПУ).

решітку мають метали: К, ІЧа, Ьі, Ті_р, 2г_р, Та, V/,,, V, Ре_а, Сг_а, N5, Мо тощо.

В кубічній гранецентрованій решітці (ГЦК) атоми розташовані у вершинах куба і в центрі кожної грані (рис. 76). Решітку такого і ипу мають метали: Са_а, Се, 5г_а, ТЬ, РЬ, Мі, А§, Аи, Реї, Рі, КЬ, Іг, Ре_ї; Со_а, А1 тощо.

В гексагональній решітці (рис. 7в) атоми розташовані в вершинах і в центрі шестигранних основ призми, а три атоми - в середній площині призми. Таку упаковку атомів мають метали: М§, Ії„, Ссі, Ке, Ох, Ки, 2п, Со_р, Ве, Са_р тощо.

шітки рахується як 81/8=1; для ОЦК-решітки базис - (81/8)+1=2; для ГЦК-решітки базис - (8‘ 1/8)+(6^-1/2)=4; для ГПУ -

3+( 1/6' 12)+( 1/2'2)=6.

Координаційне число характеризує щільність металу. Воно визначається кількістю

н

Рис. 8. Визначення координаційного числа в різних кристалічних рішітках: а) в ОЦК - К8; б) в ГКЦ-К12.

айближчих атомів, які знаходяться на однаковій і найменшій відстані від якогось одного вибраного атома (рис. 8). Так для простої кубічної решітки К=6; для ОЦК - К=8; для ГЦК - К=12; для ГПУ - К=12. Чим вище координаційне число, тим більша

щільність упаковки атомів.

Компактність решіток визначається відношенням об'єма атомів комірки до всього її об'єму:

ІІ^ц/Ур

Для ОЦК- решітки г| = 0,68, а для ГЦК- решітки р =0,74.