Кристаллическое строение металлов

Положительно заряженные ионы в твердом металле располагаются не произвольным образом, а в строгом порядке, характеризующемся закономерным, периодически повторяющимся расположением атомов в пространстве, Этот порядок описывается понятием кристаллическая решетка. Кристаллическая решетка - это вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла, представляющий собой пространственную сетку, в узлах которой располагаются положительно заряженные ионы. Тип кристаллической решетки определяется видом элементарной ячейки. Элементарная ячейка – элементарный объем, трансляцией (перемещением) которого в пространстве можно воспроизвести всю кристаллическую решетку (элементарная ячейка здесь подобна кубикам, из которых что-либо складывается). Существует три основных типа кристаллических решеток металлов: объемноцентрированная кубическая (ОЦК) (рис. 2.2,а), гранецентрированная кубическая (ГЦК) (рис. 2.2,б) и гексагональная плотно упакованная (ГПУ) (рис. 2.2,в).

В ОЦК решетке ионы металла расположены в ее узлах, а также в середине пространственных диагоналей куба. Если кроме ионов в узлах решетки имеются ионы и в местах пересечения воображаемых диагоналей каждой грани куба, то это - гранецентрированный тип решетки. В ГПУ решетке ячейка имеет форму шестигранной призмы.

Р и с.2.2. Типы кристаллических решеток металлов

 

Полиморфизм (аллотропия) металлов

Полиморфизм - от древнегреческого πολύμορφος «многообразный». Аллотропия - от древнегреческого аλλος «другой» + τρόπος «поворот, свойство».

Полиморфизмом или аллотропией называется способность одного и того же металла в твердом состоянии иметь разный тип кристаллической решетки при различных температурах.

Процесс перехода от одного типа кристаллической решетки в другую называется полиморфным (аллотропическим) превращением. Различные полиморфные модификации (аллотропические формы) металлов обозначают начальными буквами греческого алфавита: альфа α, бета β, гамма γ, дельта δ и т. д. Полиморфизм ряда металлов таков:

- Ca: ГЦК(α - Ca) ← 450 °С → ГП (β - Ca) ← 839 °С (T _ПЛ.);

- Ti: ГП (α - Ti) ← 882 °С → ОЦК (β - Ti) ← 1670 °С (T _ПЛ.);

- Zr: ГП (α - Zr) ← 862 °С → ОЦК (β - Zr) ← 1855 °С (T _ПЛ.);

- Fe: ОЦК (α - Fe)←911 °С → ГЦК (γ - Fe)← 1392 °С → ОЦК

(δ - Fe) ← 1539 °С (T _ПЛ.);

- Co: ГП (α - Co) ← 477 °С → ГЦК (β - Co) ← 1768 °С (T _ПЛ.).

Здесь указаны температуры полиморфного превращения, при которых меняется тип кристаллической решетки металла при нагреве (→) или охлаждении (←), а также температуры плавления металлов (T _ПЛ.).

Например, полиморфизм железа проявляется в следующем. Железо с ОЦК решеткой, наблюдаемое в интервале температур до 911

° С, называют α -железом. В интервале температур от 911 до 1392 ° С железо имеет ГЦК решетку. Такое железо обозначают γ -Fe. В интервале температур от 1392 до 1539 ° С железо вновь имеет ОЦК решетку. Однако период кристаллической решётки этого железа чуть больше чем у α -железа. Такое железо обозначают δ -Fe. При температурах выше 1539 ° С чистое железо плавится и превращается в жидкий расплав.

Следует отметить, что не все металлы обладают полиморфизмом. Например, те металлы, которые на рис. 2.2 указаны без обозначений модификаций (α, β, γ) имеют один тип кристаллической решетки при любых температурах до температуры плавления.

 

Моно- и поликристаллы

Монокристалл – отдельный кристалл, имеющий единую непрерывную кристаллическую решётку одного направления (ориентации) в пространстве (рис.2.3);в противоположность поликристаллу - телу из многих сросшихся кристаллов. По сути, поликристаллы - твердые тела, состоящие из большого числа беспорядочно располагающихся монокристаллов, каждый из таких монокристаллов имеет свою ориентацию кристаллической решетки в пространстве (рис. 2.4).

Р и с. 2.3. Схема монокристалла

 

Рис. 2.4. Схема поликристалла

 

В металловедении отдельные монокристаллы, составляющие поликристалл, называют зернами, а поверхности их соприкосновения - границами зерен. Рис. 2.4 представляет собой плоское сечение поликристалла, поэтому границы зерен здесь – линии соприкосновения отдельных зерен).

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, являются поликристаллами. Причина этого в механизмах формирования структуры, например механизме кристаллизации (см. подраздел 2.1.7). Размер зерна является важнейшей структурной характеристикой металлов и сплавов, во многом определяющей их свойства. В большинстве случаев измельчение зерна благоприятно сказывается на свойствах и они улучшаются.

Явление анизотропии

Анизотропия (от древнегреческого аνισος - неравный и τρόπος - направление).

Характерной особенностью монокристаллов является их анизотропность, то есть зависимость свойств - механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических - от направления в кристалле. Анизотропия монокристаллов объясняется тем, что в кристаллической решетке в разных направлениях (рис. 2.5) различны расстояния (d ₁, d ₂, d ₃, d ₄) между атомными (ионными) плоскостями (1 и 1, 2 и 2, 3 и 3, 4 и 4), т. е. плотность расположения частиц кристаллической решетки по разным направлениям (например, перпендикулярным указанным плоскостям) не одинакова, что и приводит к различию свойств кристалла вдоль этих направлений. Под атомной плоскостью понимается любая плоскость в кристалле, на которой закономерно расположены атомы. Таким образом, анизотропия является результатом упорядоченного расположения атомов в кристаллических телах. В поликристаллах анизотропия наблюдается только для отдельных зерен, но их различная ориентация приводит к тому, что свойства поликристалла в целом по всем направлениям в среднем одинаковы.

Р и с. 2.5. Расстояния между атомными плоскостями кристаллической

решетки