1.2 Кристаллическое строение металлов

В металлах и их сплавах в твердом состоянии элементарные частицы – атомы – характеризуются закономерным упорядо­ченным размещением. Благодаря такому размещению атомы, находящиеся на различных направлениях, можно как бы соединить прямыми линиями. Совокупность таких пересекающихся линий представляет собой своеобразную пространственную решетку, которая при многократном повторении в простран­стве воспроизводит объемную или пространственную кристаллическую решетку.

Кристаллические решетки разных металлов отличаются по форме и размерам элементарных ячеек. Различают простые пространственные решетки, в которых атомы размещаются только в узлах решетки (в вершинах основной элементарной ячейки), и сложные пространственные решетки, у которых внутри основных элементарных ячеек также размещены атомы. Для описания строения пространственной решетки обычно вы­бирают систему координат, в которой осями служат три прямые, проведенные из одной точки, например, узла решетки. Эти прямые совпадают с прямыми, соединяющими атомы.

Самой простой решеткой является кубическая (рисунок 6, а). Элементарную ячейку простой кубической решетки представляет куб, в вершинах которого размещены восемь атомов.

Металлам присущи более сложные типы кубических реше­ток – объемно-центрированная (ОЦК), гранецентрированная (ГЦК) кубические решетки и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) (рисунок 6, б, в, г).

а б в г

а – кубическая; б – объемноцентрированная; в – гранецентрированная;

г – гексогональная плотноупакованная

Рисунок 6 – Типы элементарных решеток

Основу ОЦК составляет кубическая решетка, в которой атомы находятся не только в вершинах куба, но и в его центре, на пересечении его диагоналей.

В ГЦК ячейкой служит куб с атомами, расположенными не только в вершинах куба, но и в центре граней.

В ГПУ ячейка состоит из параллельных центрированных гексагональных основа-

ний.

Показанный на рисунке 6 характер расположения атомов яв­ляется условным, так как в действительности атомы располо­жены плотнее, непосредственно соприкасаясь друг с другом. Такие решетки и соответствующие им ячейки называются плотноупакованными. Расстояние между ближайшими атомами в ячейке называется параметром кристаллической решетки.

Параметры кристаллической решетки имеют величины порядка атомных размеров и измеряются в ангстре­мах (1А = 10^-8 см). В металлах параметры изменяются в пределах 2–7 А.

Вышеизложенные рассуждения характерны лишь для моно­кристалла. Монокристалл – это отдельный кристалл с непре­рывной кристаллической решеткой. Реальные металлы состоят из множества кристаллов, форма, размеры и направление кристаллических осей которых зависят от условий кристал­лизации и последующей их обработки. Такое строение назы­вается поликристаллическим. Взаимное расположение атомов, расстояние между ними, плотность их расположения, крис­таллические направления и плоскости определяют механичес­кие и физические свойства кристаллов. Эти свойства вдоль различных кристаллографических направлений и в различных кристаллографических плоскостях зависят от числа находя­щихся в них атомов и не являются одинаковыми. Такое явление называется анизотропией свойств. Следует иметь в виду, анизотропия проявляется только в пределах одного монокристалла или зерна-кристаллита. В поликристалличес­ких телах, какими являются реальные металлы, состоящие из огромного количества произвольно ориентированных друг от­носительно друга зерен, она не наблюдается. Это объясня­ется тем, что в поликристаллических телах недостаток какого-либо свойства по одному из направлений в одних зер­нах компенсируется избытком данного свойства по этому же направлению в других зернах. Поэтому реальные металлы яв­ляются изотропными телами, т.е. телами с одинаковыми свойствами по различным направлениям.