1.Атомно-кристаллическая структура металлов. Анизотропия. Полиморфизм.

Все тела в зависимости от расположения атомов делятся на аморфные и кристаллические. В отличие от аморфных тел, атомы в которых расположены хаотично, металлы в твердом состоянии являются телами кристаллическими. Кристаллическое строение характеризуется закономерным расположением атомов.

Атомы металлов образуют кристаллическую решетку или ячейку. Каждый металл имеет определенный тип кристаллической решетки, чаще всего встречаются три типа решеток: кубическая объемноцентрированная – ОЦК (рис. 16, а), кубическая гранецентрированная – ГЦК (рис. 16, б) и гексагональная – ГПУ (рис. 16, в).

В кубической объемноцентрированной решетке атомы расположены в узлах ячейки и один атом в центре куба. Такие решетки имеют металлы: Fe_α, Сг, W, Mo, Ti_β, Nb, Та, Li n др.

В кубической гранецентрированной решетке атомы расположены в узлах ячейки и в центре каждой грани. Этот тип решетки име­ют металлы: Fe_γ, Ni, Ag, Au, Pb, Сu, Со_β и др.

Рис. 16. Типы кристаллических решеток:

а – кубическая объемноцентрированная;

б – кубическая гранецентрированная;

в – гексагональная.

В гексагональной решетке атомы расположены в узлах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы. Такую решетку имеют металлы: Zn, Cd, Be, Re, Co_α, Ti_α и др. Индексы α, β, γ обозначают, что у соответствующих металлов различные кристаллические решетки при различных температурах.

Типы кристаллических ячеек определяются при помощи рентгеноструктурного анализа.

Расстояния между центрами соседних атомов в кристаллической решетке называется периодом (а, b, с). Расстояния между атомами измеряются в ангстремах - , 1  = 1•10^{-8 см.}

Базис кристаллической решетки - это число атомов, принадлежащих одной элементарной кристаллической ячейке; для ОЦК базис равен 2, для ГЦК – 4, ГПУ – 6.

Плотность упаковки – это отношение объема занимаемого атомами к объему всей ячейки. Плотность упаковки для ОЦК составляет 68%, для ГЦК и ГПУ – 74%. Плотность упаковки характеризуется координационным числом, т. е. числом атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. Координационное число для ОЦК – 8, для ГЦК и ГПУ – 12.

Полиморфизм металлов.

Полиморфиз­мом или аллотро­пией называют спо­собность металла в твердом состоянии при изменении температу­ры перестраивать свою кристаллическую ре­шетку. Полиморфные превращения сопро­вождаются выделением или поглощением теп­лоты, а также измене­нием свойств металла. Различные аллотропи­ческие состояния называют модификаци­ями. Каждой модифи­кации свойственно ос­таваться устойчивой лишь в пределах определенного для данного металла интервала температур. Аллотропические формы обозна­чаются греческими буквами α, β, γ и т. д. На кривых ох­лаждения и нагрева переход из одного состояния в дру­гое характеризуется остановкой (для чистых металлов) или изменением характера кривой (для сплавов). При аллотропических превращениях кроме изменения свойств (теплопроводности, электропроводности, механических, магнитных и др.) наблюдают изменения объема металла и растворимости (например, углерода в железе). Алло­тропические превращения свойственны многим металлам (железу, олову, титану и др.).

 Анизотропия металлов.

В различных плос­костях кристаллической решетки число атомов и расстояния между ними неодинаковы. В связи с этим свойства отдельных кристаллов (монокрис­таллов) в различных направлениях оказываются неодинаковыми.Такое явление называется анизотропией. Реальные металлы являются телами поликристаллическими, т. е. состоят из большого числа различно ориентированных в пространстве кристаллов (зерен). Поэтому свойства lavvx металлов в различных направлениях становятся усредненными, одинаковыми. Однако в тех случаях, когда обработка металлов способствует преимущественной кристал­лографической ориентировке отдельных зерен (при прокатке, ковке). поликристаллические металлы также становятся анизотропными. Так, например, прочность образцов, вырезанных из листа вдоль направлений прокатки, больше прочности образцов, вырезанных поперек прокатки.