1.2. Строение металлов

Известно, что атом любого элемента состоит из положительно заряженного ядра и отрицательных электронов. Внешние (валентные) электроны металлов (в отличие от неметаллов) с ядром связаны слабо. Поэтому атомы металлов легко теряют валентные электроны, которые свободно перемещаются в межатомном пространстве, образуя так называемый электронный газ. Атомы, потерявшие валентные электроны превращаются в ионы. Так как электроны электронного газа в одинаковой степени принадлежат всем ионам металла и не связаны с отдельными атомами, то металлическая межатомная связь не имеет направленного характера.

Наличие таких коллективизированных электронов формирует характерные свойства металлов. Высокая пластичность предопределяется тем, что ионы как бы плавают в облаке электронного газа. При смещении отдельных объемов металла связь между ионами не нарушается и разрушение не происходит.

Наличием электронного газа объясняются высокие электро- и теплопроводимость металлов. С увеличением температуры колебания ионов усиливаются, что затрудняет перенос зарядов электронами. И, наоборот, при понижении температуры электропроводимость растет, что в ряде случаев вызывает явление сверхпроводимости.

Характерный металлический блеск является результатом взаимодействия свободных электронов с электромагнитными световыми волнами.

Металлы имеют кристаллическое строение, т. е. определенное расположение ионов (атомов) в пространстве. Для описания такой струк­туры используется понятие кристаллической решетки – воображаемой пространственной сетки (рис. 1) с ионами в узлах.

А

Рис. 1. Схема кристаллической решетки

томно-кристаллическая струк­­­тура может быть представлена элементом объема решетки с минимальным количеством частиц (атомов), многократным переносом которого в пространстве может быть построен весь кристалл. Такой элементарный объем характеризует строение данного типа кристалла и называется элементарной ячейкой. Подавляю­щее большинство металлов имеют следующие типы кристал­лических ячеек: объемно-цент­ри­рованную кубическую (ОЦК), гранецентрированную кубическую (ГЦК) и гексаго­наль­ную плотноупакованную (ГПУ) (рис. 2). Менее распространены ромбоэдрическая, тетрагональная и более сложные решетки.

	Рис. 2. Типы элементарных кристаллических ячеек: а – объемно-центри­ро­ван­ная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

Кристаллические решетки характеризуются следующими основными параметрами: периодом решетки, атомным радиусом, базисом, коэффициентом компактности и координационным числом.

Периодом решетки называется расстояние между центрами соседних ионов (атомов). Периоды a, b, c (см. рис. 1) выражаются в нанометрах (1нм = 10 ^-9 м).

Период кубической решетки а находится в пределах 0,286…0,607 нм. Для гексагональных решеток а = 0,228…0,398 нм, с = 0,357…0,652 нм.

Атомный радиус – половина межатомного расстояния между центрами ближайших атомов в кристаллической решетке при нормальной температуре и атмосферном давлении. Атомный радиус не является неизменной величиной. Он зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются координационное число и тип химической связи между атомами.

Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

В объемно-центрированной кубической решетке (рис. 2, а) атомы (ионы) расположены в вершинах и в центре объема куба. Каждый угловой атом принадлежит восьми соседним ячейкам. Следовательно, одной ячейке принадлежит 1/8 углового атома. Только внутренний атом целиком принадлежит данной ячейке. Значит, на одну ячейку объемно-центрированной кубической решетки приходится 8 · 1/8 + 1 = 2 атома.

В гранецентрированной кубической решетке (рис. 2, б) атомы (ионы) находятся в вершинах и в центрах каждой грани куба. Каждый угловой атом входит в восемь элементарных ячеек, а находящийся в центре грани – в две соседние ячейки. В центре куба атома нет. Следовательно, на одну ячейку приходится 8 · 1/8 + 6 · 1/2 = 4 атома.

У гексагональной плотноупакованной решетки (рис. 2, в) элементарной ячейкой является шестигранная призма, в которой атомы находятся в вершинах, в центрах оснований и внутри. Два атома, лежащие в центрах шестиугольников, принадлежат двум соседним ячейкам: 2 · 1/2 = 1 атом. Двенадцать атомов в вершинах призмы относятся к шести соседним ячейкам: 12 · 1/6 = 2 атома. Три атома, находящиеся внутри призмы полностью принадлежат данной ячейке: 3 · 1=3атома. Значит, на одну ячейку гексагональной плотноупакованной решетки приходится 1+2+3 = 6 атомов.

Таким образом, базис объемно-центрированной кубической решетки – 2, гранецентрированной кубической – 4, гексагональной плотноупакованной – 6.

Коэффициентом компактности (ή) решетки называется отношение объема атомов V_а, входящих в решетку, ко всему объему решетки V_р: ή.= V_a/V_p 100 %.

Для объемно-центрированной кубической решетки коэффициент компактности составляет 68 %, гранецентрированной кубической 74 %, гексагональной плотноупакованной 74 %. Таким образом, решетки ГЦК и ГПУ более компактны, чем ОЦК.

Координационное число (К) соответствует числу атомов (ионов), находящихся на наиболее близком равном расстоянии от выбранного атома кристаллической решетки.

В объемно-центрированной кубической решетке атом А (рис. 3, а) находится на наиболее близком равном расстоянии от восьми атомов вершин куба, т. е. координационное число этой решетки равно 8 (К8).

Рис. 3. Координационные числа для различных кристаллических решеток: а – объемно-центрированной кубической (К8); б – гранецентрированной кубической (К12); в – гексагональной плотноупакованной (К12)

В гранецентрированной кубической решетке (см. рис. 3, б), расположенный на грани атом А находится на наиболее близком равном расстоянии от четырех атомов (1,2,3,4) вершин куба; от четырех атомов (5,6,7,8), расположенных на гранях куба и от четырех атомов (9,10,11,12), принадлежащих кристаллической ячейке, расположенной рядом. Следовательно, для решетки ГЦК координационное число равно 12 (К12).

В гексагональной плотноупакованной решетке атом А находится на наиболее близком равном расстоянии от шести атомов (1,2,3,4,5,6) вершин шестигранника основания призмы, от трех атомов (7,8,9), расположенных в средней части призмы и от трех атомов (10,11,12), находящихся в средней части соседней кристаллической ячейки. Таким образом, для гексагональной плотноупакованной решетки координационное число равно 12 (К12).

Обычно металл представляет собой конгломерат большого числа кристаллов, которые расположены по отношению друг к другу совершенно произвольно, но прочно связанные между собой в единое целое. Такое строение металла называется поликристаллическим. Кристаллы в поликристаллическом теле не обладают правильной геометрической формой и поэтому они называются зернами или кристаллитами. Зерна в поликристаллическом металле сопрягаются между собой самыми различными кристаллографическими плоскостями. Следовательно, границы между зернами представляют собой участки, в которых кристаллическая решетка искажена. При этом искажения захватывают лишь приграничные области решеток каждого зерна, т. е. практически они распространяются только по поверхности зерен. Поэтому они называются двумерными несовершенствами и существенно влияют на свойства металла.

Встречаются случаи, когда весь объем металла занимает один кристалл. Такой объем называется монокристаллом. На монокристаллах металлов наглядно проявляется анизотропия (неодинаковость) многих свойств по разным направлениям. Разница в прочности и твердости может доходить до 3…5 раз.

Существенное влияние на свойства металлов и сплавов оказывает величина зерна. Наглядным примером являются нанокристаллические материалы. Нанокристалическими называются материалы со структурой, состоящей из кристаллических зерен размером 1…15 нм. В таких материалах от 2 до 50 % объема приходится на межзеренные границы. Поэтому нанокристаллический материал может быть разделен на два структурных компонента: кристаллический, включающий с себя атомы, расположенные внутри кристаллов и межкристаллитный, состоящий из атомов, расположенных на границе.

Прочность нанокристалических металлов значительно выше, чем их крупнозернистых аналогов. Так, например, нанокристаллический титан имеет пределы текучести _0,2 = 654 МПа и прочности _в = 716 МПа. В то время как его крупнозернистый аналог – _0,2 = 360 МПа и _в = 464 МПа. Следовательно, можно считать, что нанометровые размеры кристаллов являются основным источником прочности нанокристаллических материалов.