Кристаллические решетки металлов

Металлы обычного способа производства имеют кристаллическое строение. В кристаллах атомы расположены строго упорядоченным образом так, что, если через их центры провести воображаемые линии вдоль трех координатных осей, они образуют пространственную (кристаллическую) решетку (рис. 1.2.1).

Рис. 1.2.1. Пространственная кристаллическая решетка

Основное свойство кристаллических решеток – их пространственная периодичность. Это значит, что любую кристаллическую решетку можно представить состоящей из множества одинаковых соприкасающихся микрообъемов, называемых элементарными ячейками. В общем случае элементарная ячейка представляет собой параллелепипед, построенный на трех векторах , , (рис. 1.2.1).

Тип кристаллической решетки определяется формой элементарной ячейки и характером расположения в них атомов.

Количественно кристаллические решетки описываются тремя основными характеристиками:

1. Период (или параметр) решетки – расстояние между соседними узлами решетки вдоль трех координатных осей. В общем случае решетка характеризуется тремя параметрами – скалярными величинами а, в, с (рис. 1.2.1.).

В случае простой кубической решетки (рис. 1.2.2) имеется один параметр решетки, равный ребру элементарной ячейки (куба).

α

Рис. 1.2.2. Элементарная ячейка простой кубической решетки (а) и схема упаковки в ней атомов (б)

Очевидно, что величина параметра решетки очень мала (в металлах ≈0,2…0,6 нм; 1 нм = 10^-9м) и определяется рентгеноструктурным анализом.

2. Координационное число (К) – число ближайших соседей, окружающих данный атом и находящихся от него на одинаковых расстояниях. Для оценки величины К нужно представить, что элементарная ячейка со всех сторон окружена себе подобными (рис. 1.2.3).

Рис. 1.2.3. Определение координационного числа и относительной плотности упаковки в простой кубической решетке

Видно, что в простой кубической решетке К = 6.

3. Относительная плотность упаковки решетки атомами (q) – отношение объема, занимаемого атомами в ячейке, к объему самой ячейки, т.е.

q = %, (1.2.1)

где r – радиус атома, а – параметр решетки (см. рис. 1.2.2), n – число целых атомов, приходящихся на одну ячейку.

Очевидно, что в простой кубической решетке n = (см. рис. 1.2.3), поэтому легко подсчитать (учитывая, что а = 2 r), что в простой кубической решетке q = 52 %. Такая решетка является «рыхлой», так как 48 % ее объема приходится на межатомные пустоты.

Металлическим элементам свойственны плотноупакованные решетки с высокой степенью компактности, т.е. с большими значениями К и q.

Многие металлы имеют объемноцентрированную (ОЦК) и гранецентрированную (ГЦК) решетки, их характеристики приведены на рис. 1.2.4.

Рис. 1.2.4. Объемноцентрированная (ОЦК) и гранецентрированная (ГЦК) решетки

Например, ОЦК решетку имеет Fe_α (или α–Fe), а ГЦК решетку – Fe_γ (или γ–Fe). Такая способность некоторых веществ иметь различный тип решетки называется полиморфизмом.

Полиморфизм железа играет важнейшую роль в формировании структуры и свойств железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов (Темы 2.1 и 2.2 «Опорного конспекта»).