АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов (ионов), существующее в реальном кристалле.

В твердом состоянии металл представляет собой постройку, состоящую из положительно заряженных ионов, омываемых «газом» из свободных коллективизированных электронов. Связь в металле осуществляется электростатическими силами. Между ионами и коллективизированными электронами проводимости возникают электростатические силы притяжения, которые стя­гивают ионы. Такая связь называется металлической.

Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии один от другого, при котором энергия взаимодействия минимальна.

Рис1. Схема энергии взаимодействия двух атомов в зависимости от межатом­ного расстояния

Поэтому в металле атомы располагаются закономерно, обра­зуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.

Кристаллическая решетка состоит из воображаемых линий и плоскостей, проходящих через точки расположения ионов в пространстве. Жирными линиями выведен наименьший парал­лелепипед, последовательным перемещением которого вдоль трех своих осей может быть построен весь кристалл.

Этот наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.

Для однозначной ее характеристики необходимо знать следую­щие величины: три ребра (а, в и с) и три угла между осями a, b, g.

Большинство металлов образует одну из следующих высоко­симметричных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную.

Как видно в кубической объемно центрированной решетке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объема куба. Кубическую объемно центрированную решетку имеют металлы: РЬ, К, Na, Li, Ti_g, Zr_p, Та, W, V, Fe_a, Cr, Nb, Ba и др.

А б

Рис 2. Кристаллические решетки металлов:

а — объемно центрированная кубическая (ОЦК), б — гранецентрированная кубиче­ская (ГЦК); в- гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (рис. 6, б). Решетку такого типа имеют металлы: Са_а, Се, Sr_a, Tn, Pb, N1, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Jr, Fe_T, Си, Со_а и др.

В гексагональной решетке (рис. 6, в) атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы. Такую упаковку атомов имеют металлы: Mg, Ti_a, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Co_p, Be, Ca_p и др.

Расстояния a, b, с между центрами ближайших атомов в эле­ментарной ячейке называются периодами решетки. Период решетки выражается в нанометрах (1 нм = 10^-9 см).

Периоды решетки для большинства металлов находятся в пре­делах 0,1—0,7 нм.

Плотность кристаллической решетки — объема, занятого ато­мами, которые условно можно рассматривать как жесткие шары (см. рис.2), характеризуется координационным числом, под которым понимают число атомов, находящихся на равном и наи­меньшем расстоянии от данного атома. Чем выше координацион­ное число, тем больше плотность упаковки атомов.

В элементарной ячейке объемно центрированной кубической решетки наименьшее расстояние между атомами находятся 8 соседей. Следовательно, координационное число для ОЦК решетки соответствует 8 и обозначается К8. Коэффициент компактности ячейки, определяемый как отношение объема, занятого атомами, к объему ячейки составляет для ОЦК решет­ки 68 %.

Для гранецентрированной кубической решетки координацион­ное число равно 12 (К12); каждый_атом имеет 12 ближайших со­седей на расстоянии рис.2, что соответствует наибольшей плотности упаковки или укладки в виде шаров. Гексагональная плотноупакованная решетка, для которой с/а = = 1,633, имеет координационное число 12 (Г12), что также соот­ветствует наибольшей плотности упаковки шаров (атомов).

Половину наименьшего расстояния между атомами в их кри­сталлической решетке называют атомным радиусом. Атомный радиус возрастает при уменьшении координационного числа, так как при этом увеличивается пространство между атомами. Поэтому атомные радиусы разных металлов обычно приводятся к К12.

Кристаллографические обозначения атомных плоскостей. Для определения положения атомных плоскостей (проходящих через атомы) в кристаллических пространственных решетках поль­зуются индексами h, k, l, представляющими собой три целых ра­циональных числа, являющихся величинами, обратными отрез­кам осей, отсекаемым данной плоскостью на осях координат. Единицы длины вдоль осей выбирают равными длине ребер эле­ментарной ячейки. Эти числа заключают в круглые скобки.

Приведем примеры обозначения плоскостей. Установим пер­воначально индексы для плоскости куба.

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки свойства (химические, фи­зические, механические) каждого монокристалла зависят от на­правления вырезки образца по отношению к направлениям в ре­шетке. Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией.

Кристалл — тело анизотропное в отличие от аморфны к тел (стекло, пластмассы и др.), свойства которых не зависят от направ­ления.

Технические металлы являются поликристаллами, т. e. со­стоят из большого числа анизотропных кристаллитов. В большин­стве случаев кристаллиты статистически неупорядоченно ориен­тированы по отношению друг к другу; поэтому во всех направле­ниях свойства более или менее одинаковы, т. е. поликристалли­ческое тело является псевдоизотропным. Такая мнимая изотроп­ность металла не будет наблюдаться, если кристаллиты имеют одинаковую преимущественную ориентацию в каких-то направ­лениях. Эта ориентированность, или текстура, создается в из­вестной степени, но не полностью (например, в результате значи­тельной холодной деформации); в этом случае поликристалли­ческий металл приобретает анизотропию свойств.

ДЕФЕКТЫКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ МЕТАЛЛОВ

В любом реальном кристалле всегда имеются дефекты строения. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на:

1- точечные (нульмерные), 2- линей­ные (одномерные), 3- поверхностные (двумерные).

Точечные дефекты. Малы во всех трех измерениях, и размеры их не превышают нескольких атомных радиусов.

вакансии, межузельные атомы, точечные несовершенства (присутствие атомов примесей)

Линейные дефекты – Малы в двух измерениях и большая протяженность в третьем.

Краевая дислокация - наличие «лишней» атомной полуплоскости.

Винтовая дислокация – прямая линия вокруг которой атомные плоскости изогнуты по винтовой поверхности.

Поверхностные дефекты. Эти дефекты малы только в од­ном измерении. Они представля­ют собой поверхности раздела между отдельными зернами или субзернами в поликристаллическом металле; к ним относятся также дефекты упаковки.

Поликристалл состоит из большого числа зерен, при этом в соседних зернах кристаллические решетки ориентированы раз­лично. Границы между зернами называют больше у еловыми, так как кристаллографические направления в соседних зернах об­разуют углы, достигающие десятков градусов.

Каждое зерно металла состоит из отдельных субзерен, образующих так называемую субструктуру. Суб­зерна разориентированы относительно друг друга от нескольких долей до единиц градусов — малоугловые границы.

Границы между отдельными кри­сталлами (зернами) обычно представляют переходную область ши­риной до 3—4 межатомных расстояний, в которой решетка одного кристалла, имеющего определенную кристаллографическую ориен­тацию, переходит в решетку другого кристалла, имеющего иную кристаллографическую ориентацию. Поэтому на границе зерна в переходной области атомы расположены иначе, чем в объеме зерна. Кроме того, по границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Несколько меньшие нарушения наблюдаются на границах субзерен.