I. Общее представление о строении металлов

1. Кристаллические структуры металлов и сплавов.

Металлы и их сплавы в твердом состоянии – это кристаллические тела, атомы которых располагаются относительно друг друга в определенном, геометрически правильном порядке, образуя кристаллическую решетку.

В кристаллической решетке можно выделить элемент объема, образованный минимальным количеством атомов, многократное повторение которого в пространстве по трем непараллельным направлениям позволяет воспроизвести весь кристалл. Этот элементарный объем, характеризующий особенности строения данного типа кристалла, называется элементарной ячейкой. Для ее описания используют 6 величин: три ребра ячейки a,b,c и три угла между ними α, β, γ (рис. 1.1, а) – это параметры элементарной ячейки.

Существует 14 типов кристаллических решеток, свойственных элементам периодической системы.

Наиболее распространенные – это (рис1.1, б-г):

1. объемно-центрированная кубическая (ОЦК) – атомы расположены в вершинах и центре куба (Na, V, Nb, Fe_α, K, Cr, W);

2. гранецентрированная кубическая (ГЦК) - атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (Pb, Al, Ni, Cu, Co, Fe_γ и др.);

3. гексагональная плотноупакованная (ГПУ) – четырнадцать атомов расположены в вершинах и центре шестиугольных оснований призмы, а три – в средней плоскости призмы (Mg, Ti, Zn, Be, Ca и др.)

.

Рис.1.1.1 14 типов кристаллических решеток (пространственные решетки Бравэ).

Все 14 решеток Бравэ распределены по семи кристаллическим системам ( сингониям ) в соответствии с ориентацией и относительными величинами параметров решетки (рис. 1.1.1).

Кристаллическую решетку характеризуют следующие основные параметры:

Период решетки с – расстояние между двумя соседними параллельными кристаллографическими плоскостями, составляет 0,1-0,7 нм (1 нм= 10^-9 см), (рис.1.1, б – параметр а, рис.1.1, в – параметр а, рис.1.1, г – параметр с).

Координационное число – это количество атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке. Для ОЦК координационное число – 8, для ГЦК – 12, для ГПУ – 12.

Базис – количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. (Так, на одну элементарную ячейку ОЦК решетки приходятся два атома: один, находящийся в центре куба и принадлежащий только данной ячейке, и второй – как сумма долей, которую вносят атомы, расположенные в вершинах куба и принадлежащие одновременно восьми сопряженным элементарным ячейкам (1/8 * 8 = 1), т.е. каждый атом в вершине куба принадлежит одновременно 8-ми сопряженным элементарным ячейкам)). Базисное число ГЦК и ГПУ решеток равно 4.

Коэффициент компактности (плотность упаковки) решетки η – это отношение объема V_a, занимаемого атомами, к объему элементарной ячейки V_p:

η= V_a/ V_p

Плотность упаковки η_оцк=0,68, η_гцк=0,74, η_гпу=0,74.

Т.к. плотность атомов в различных плоскостях неодинакова, то химические, физические, механические свойства отдельно взятого кристалла в разных направлениях будут отличаться. Такое различие свойств называется анизотропией.

В аморфных телах атомы не образуют кристаллическую решетку и их свойства не зависят от направления, т.е. они изотропны.

Технические металлы – поликристаллические тела, состоящие из множества мелких различно ориентированных кристаллов, и их свойства во всех направлениях усредняются. Т.е. металлы и сплавы изотропны.

Структура поликристаллического тела показана на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Структура поликристаллического тела.