Кристаллическое строение металлов

Рис. 2.1.1. Основные типы кристаллических решеток металлов:

а) ОЦК; б) ГЦК; в) ГПУ.

В объемно-центрированной кубической решетке восемь атомов располагаются в вершине куба и один в центре куба (на пересечении диагоналей) (рис. 2.1.1,а). Характерным линейным размером этой решетки является расстояние амежду двумя атомами, расположенными вдоль одного ребра. Этот линейный размер называется параметром решетки. Значение параметра решетки адля различных металлов от 0,2 до 0,7 нм (1 нм = 10^{-9 м). ОЦК решетку имеют железо (при низких температурах), ванадий, вольфрам, молибден, хром и другие металлы.}

В гранецентрированной кубической решетке атомы расположены в вершинах куба и в центрах шести граней (рис. 2.1.1,б) (в центре куба атома нет). ГЦК решетку имеют алюминий, медь, никель, свинец, серебро и другие металлы.

Гексагональная плотноупакованная решетка представляет собой шестигранную призму, в основании которой расположены правильные шестиугольники (рис. 2.1.1,в). Атомы расположены в вершинах и центрах этих шестиугольников. Еще три атома расположены в вершинах правильного треугольника, находящегося посредине между основаниями. Для ГПУ решетки характерны параметры а и с. ГПУ решетку имеют магний, цинк, титан, цирконий и другие металлы.

Кроме перечисленных металлы могут иметь и другие типы кристаллических решеток.

Способность металла изменять тип своей кристаллической решетки в зависимости от температуры называется аллотропией или полиморфизмом, а переходы от одного кристаллического строения к другому называется аллотропическими или полиморфными. Основной причиной аллотропии является стремление любого вещества обладать минимальным запасом свободной энергии (F), которая является функцией абсолютной температуры F = f(T).

Некоторые металлы, например железо, титан, олово и другие, способны изменять свое кристаллическое строение, перестраивая тип элементарной ячейки. Так железо до температуры 911°С имеет ОЦК решетку, а при превышении этой температуры перестраивается в ГЦК решетку, которая сохраняется до температуры 1392°С. После чего решетка вновь перестраивается и приобретает ОЦК строение, сохраняя его плоть до температуры плавления 1539°С.

Именно благодаря полиморфизму сплавы на основе железа, титана и других металлов можно подвергать термической обработке для целенаправленного изменения их свойств.

В кристаллической решетке по различным направлениям находится разное число атомов. Из-за различной плотности расположения атомов в разных плоскостях некоторые свойства кристалла зависят от направления. Зависимость свойств от направления в кристалле называется анизотропией. Если свойства тела не зависят от направления, то такие тела называют изотропными.

Однако анизотропия может проявляться в пределах одного кристалла или монокристалла. Реальные металлы являются телами поликристаллическими. Так, в 1 см³ стального проката содержатся десятки тысяч кристаллов, которые произвольно ориентированы друг к другу своими кристаллографическими направлениями. Поэтому реальные металлы имеют примерно одинаковые свойства по всем направлениям.