1.7. Основные типы кристаллических решеток

Подавляющее большинство металлов (около 75%) имеет кристаллические структуры трех видов - это решетки типа вольфрама, меди и магния. Познакомимся с ними.

Структурный тип вольфрама (рис.13). Решетка Браве является объемноцентрированной кубической (ОЦК). Слоев с плотнейшей упаковкой эта решетка не имеет. В отличие от других плоскостей более упакованными являются плоскости типа {110}, в которых содержится по два плотноупакованных направления <111> (рис.13а). Микропоры имеют форму октаэдра и тетраэдра (рис.13б,в), причем размер октапор оказывается меньше тетраэдрических Так, г_ок._п / г_ат = 0,15 и г_тл / г_ат = 0,29 соответственно, при этом г_ок._п. , г_т._п и г_ат - размеры октаэдрической, тетраэдрической пор и атома.

а) б) в)

Рис. 13. Кубическая объемноцентрированная решетка:

а) - элементарная ячейка и плотноупакованные

плоскости и направления;

б) - октаэдрические поры (о);

в) - тетраэдрические поры (о); (•) - атомы металла

С наличием этих пор связана одна примечательная особенность - примесные атомы внедрения, размещающиеся в междоузлиях ОЦК решетки, предпочтительно располагаются в меньших по объему октаэдрических порах, нежели в относительно более крупных тетраэдрических. Это объясняется тем, что октаэдрическая пора, окруженная шестью атомами, имеет форму слегка сплюснутого октаэдра - два атома расположены ближе друг к другу (на расстоянии, равном периоду решетки а), чем остальные четыре (на удалении уже а 42) . В противоположность этому тетраэдрическая пора является симметричной, поэтому внедрение чужеродного атома в такую позицию вызовет одинаковое смещение всех четырех окружающих атомов. В то же время при попадании внедренного атома в октаэдрическую пору только два атома окажутся смещенными, соответственно в решетке произойдет деформация вдоль направления, соединяющего ближайшие атомы в октаэдре. Таким образом, размещение примесных атомов внедрения в октапорах вызовет меньшее искажение решетки по сравнению с нахождением их в тетраэдрических позициях. Вместе с тем, известны случаи, когда примесные атомы внедрения могут размещаться и в тетраэдрических порах (например, атомы водорода).

Структурой ОЦК обладают щелочные металлы Li, Na, K, Rb, Cs , переходные металлы V, Cr, Nb, Mo, Ta и W, а также полиморфные модификации Fe, Ti и Zr.

Структурный тип меди (рис.14). Решетка Браве

-гранецентрированная кубическая (ГЦК), имеет плотнейшие атомные слои типа {111}, чередующиеся в последовательности АВСАВС ... В каждом таком слое содержится три плотноупакованных атомных ряда <110> (рис.14а). Имеются относительно большие по размеру и симметричные по форме октаэдрические поры (г_ок._п. / r^ = 0,41), заметно превышающие тетраэдрические (г_ж._п. / r^ = 0,22). Их изображение дано на рис.14б, в.

Такая структура характерна для благородных металлов Cu, Ag, Au, многовалентных металлов Al и Pb, переходных металлов последних групп периодической системы Ni, Pd, Rh, Ir, Pt, а также соответствующих мо-дификаций Fe, Co.

а) б) в)

Рис. 14. Кубическая гранецентрированная решетка:

а) - элементарная ячейка и плотноупакованные плоскости

и направления;

б) - октаэдрические поры (о);

в) - тетраэдрические поры (о); (•) - атомы металла

Структурный тип магния (рис.15). Решетка Браве - гексагональная примитивная. Плотная упаковка обеспечивается совмещением двух решеток Браве, в результате элементарная ячейка представляет собой четырехгранную призму, в которой, помимо вершинных атомов, содержится еще один, расположенный внутри. Плотнейшие слои типа {0001} размещаются в последовательности АВАВ ..., т.е. упаковка оказывается двухслойной. В каждой такой плоскости имеется три плотноупакованных направления типа <11 20>. Плотное прилегание этих слоев получается, когда между периодами решетки а и с выдерживается определенное соотношение - с/а =1,633. У большинства металлов с такой структурой отношение с/а оказывается либо меньше (например, соответствующие модификации Be, Zr, Ti), либо больше (Zn, Cd) этой величины. Ближе к идеальной плотноупакованной гексагональной структуре подходят решетки Mg и Co.

{0001}

Рис. 15. Элементарная ячейка и плотноупакованные плоскости

и направления гексагональной плотноупакованной решетки

Подобная структура, которую принято называть гексагональной плот­ноупакованной (ГПУ), присуща переходным металлам первых групп Sc, Ti, Zr, Hf (соответствующие модификации трех последних элементов), двухвалентным металлам Be, Mg, Zn и Cd , а также большинству редкоземельных металлов.