Атомно-кристаллическая структура металлов

Металлы обладают рядом характерных свойств:

– высокой теплопроводностью и электропроводностью;

– термоэлектронной эмиссией, то есть способностью испускать электроны при нагреве;

– непрозрачностью и металлическим блеском;

– повышенной способностью к пластической деформации.

Такими же свойствами обладают не только металлы, но и сплавы на их основе.

В твёрдом состоянии металл представляет постройку, которая состоит из положительного заряженных ионов, которые омываются свободными коллективизированными электронами. Между ионами и электронами возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают ионы. Такая связь называется металлической. Атомы в металле располагаются закономерно и образуют правильную кристаллическую решётку [2].

Кристаллическая решётка – это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой расположены атомы (ионы), образующие данный металл. В любой кристаллической решётке можно выделить наименьший объём, который даёт представление о строении всей решётки. Этот объём называется элементарной кристаллической ячейкой.

Большинство металлов образуют одну из следующих решёток с плотной упаковкой атомов:

а) кубическую объёмно центрированную (ОЦК) (рис 1.1, а);

б) кубическую гранецентрированную (ГЦК) (рис 1.1, б);

в) гексагональную (рис 1.1, в).

В ОЦК решётке (рис 1.1, а) атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объёма куба. Такую решетку имеют металлы: Pb, K, Na, Li, W, Cr и др.

В ГЦК решетке (рис 1.1, б) атомы расположены в вершинах куба и центре каждой грани. Решетку такого типа имеют металлы: Ag, Au, Cu, Ni и др.

В гексагональной решётке (рис 1.1, в) атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома в средней плоскости призмы. Такую решетку имеют металлы: Mg, Zn, Cd, Re и др.

 

 

а) б) в)

 

Рис. 1.1. Элементарные ячейки решеток ОЦК (а), ГЦК (б) и ГПУ (в):

а, с – параметры решетки

 

Расстояние между атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку, называются периодами решетки. Их обозначают буквами а, b и c. Период решетки выражается в нанометрах (1 нм = 10^–9 м). Периоды решётки у большинства металлов находятся в пределах 0,1…0,7 нм. ОЦК и ГЦК решетки имеют один период – а, а гексогональная – два (а и с). Если с / а =1,633, то гексагональная решетка является плотноупакованной (ГПУ), если больше 1,633 – не плотноупакованной.

Число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома, называется координационным числом. Координационное число для ОЦК решетки равно 8 и обозначается К8, для ГЦК – К12, ГПУ – Г12.

Отношение суммарного объёма, занимаемого атомами в элементарной ячейке, по всему объёму ячейки называется плотностью упаковки. Плотность упаковки ОЦК – 68 %, ГЦК – 74 %, ГПУ – 74 %. Оставшееся пространство образуют поры.

Многие металлы при различных температурах или давлениях могут иметь разный тип кристаллической решётки. Это явление называется полиморфизмом, а металл полиморфным. Отдельные модификации полиморфных металлов обозначают латинскими буквами a, b, g, d и т.д.

К полиморфным металлам относится железо. Оно имеет до 911 °С – ОЦК решётку (Fe _a); 911…1392 °С – ГЦК решётку (Fe _g); 1392…1539 °С – ОЦК решётку, но с бóльшим периодом (Fe _a, Fe _d).

Свойства кристаллов определяются взаимодействием атомов. В кристаллах расстояния между атомами в различных направлениях различны, и поэтому свойства также различны. Зависимость свойств кристалла от направления называется анизотропией.

Анизотропия свойств кристаллов проявляется при использовании монокристаллов. Во всём объёме монокристалла кристаллическая решётка ориентирована одинаково (рис. 1.2).

 

 

Рис. 1.2. Схема монокристалла

 

В природных условиях кристаллические тела являются поликристаллами. Поликристалл состоит из большого количества отдельных кристаллов неправильной формы, которые называются зёрнами (рис. 1.3).

 

Зерно

Граница зерен

 

Рис. 1.3. Схема поликристалла

 

 

Эти зерна хаотически ориентированы по отношению друг к другу. Свойства такого материала как бы усредняются по всем зернам и становятся приблизительно одинаковыми по всем направлениям, то есть поликристалл квазиизотропен.

Если в результате какой-либо обоработки, например, пластической деформации, большинство зерен поликристалла приобретает одну и ту же ориентировку, он становится анизотропным.