1. Строение конструкционных материалов

Металлические и большинство не­металлических твердых материалов имеют кристаллическое строение. Характер­ными признаками кристаллических тел являются способность сохранять свою форму и оставаться твердыми при нагреве вплоть до критической температуры, при которой они дискретно переходят в жидкое состояние. Переход кристаллических тел из твердого в жидкое состояние и на­оборот совершается изотермически, т. е. при определенной температуре, называ­емой температурой плавления.

Элементарные частицы, из которых состоят кристаллические тела (атомы, ионы, молекулы) расположены в простран­стве упорядоченно и образуют кристалли­ческие решетки. В кристаллической ре­шетке можно выделить элементарный объем, многократно повторяющийся и состоящий из минимального количества элементарных частиц, — элементарную ячейку; совокупность этих ячеек характеризует особенности строения кристаллического тела данного типа. Элементарные частицы в кристаллической решетке находятся во взаимодей­ствии, определяемом их электронным строением. От характера этого взаимодействия зависят электрические, магнитные, тепловые и оптические свойства материала, его температуры плавления и испарения, модуль упругости и другие свойства.

Металлы— кристаллические тела, атомы которых располага­ются в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы, в отличие от аморфных тел (например, смола), атомы которых находятся в беспорядочном состоянии.

Располагаясь в металлах в строгом порядке, атомы в плоскости образуют атомную сетку, а в пространстве — атомно-кристаллическую решетку. Линии на этих схемах являются услов­ными; в действительности никаких линий не существует, а атомы колеблются возле точек равновесия, т. е. узлов решетки с большой частотой.

2. Типы кристаллических решеток

Все кристаллические тела образуют семь разновидностей кристаллических решеток, из которых для металлов наиболее характерны объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) (рис. 1)

В ячейке решетки кубической объемно-центрированной атомы расположены в (Рис.2,а) вершинах куба и в центре куба; такую решетку имеют хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. В ячейке кубической гранецентрированной (Рис.2,б) решетки атомы расположены в вер­шинах и в центре каждой грани куба; такую решетку имеют алю­миний, никель, медь, свинец и др. В ячейке гексагональной плотноупакованной решетки (Рис. 2,в) атомы расположены в вершинах шестиугольных оснований призмы, в центре этих оснований и внутри призмы; гексагональную решетку имеют магний, титан, цинк и др. В реальном металле кристалли­ческая решетка состоит из огромного количества ячеек.

Р азмеры кристаллической решетки характеризуются ее пара­метрами, измеряемыми в ангстремах - А (1А =- 10 ⁸ см или lA = - 0,1 Нм). Параметр кубической решетки Нм (2,8 — 6А). Для характеристики гексагональной решетки принимают два параметра - сторону

Рис.1. Атомно-кристаллическое строение металлов.

шестигранника а и высоту призмы с. Когда отношение с/а = 1,633, то атомы упако­ваны наиболее плотно, и поэтому такая решетка называется гекса­гональной плотноупакованной.

Свойства кристалла определяются не только типом кристал­лической решетки, но и характером взаимодействия атомов, ионов и электронов между собой. При переходе паров металла в жидкость, а затем в твердое состояние его атомы сближаются настолько, что валентные электроны получают возможность пере­ходить от одного атома к другому и свободно перемещаться таким образом по всему объему металла, обеспечивая высокую электро- и теплопроводность. Между электронами и положительными ионами возникают силы электрического взаимодействия.

Рис. 2. Схемы кристаллических решеток:

а - объемно-центрированная кубическая; б — гранецентрированная плотно-упакованная; в — гексагональная плотноупакованная

Для характеристики формы и размера элементарной ячейки кристаллической решетки используют (рис.2) шесть основных параметров: расстояния по осям координат - а, Ь, с, называемые периодом решетки, и три угла - ά, β,γ, между этими отрезками. Кроме основных параметров в кристаллографии при­няты еще другие, дополнительно характеризующие кристалличе­скую решетку. венное влияние на все процессы, протекающие в металлах. Они очень сильно влияют на механические свойства, резко снижая прочность металлов.