Особенности атомно-кристаллического строения металлов

Металлы − один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:

• «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);

• пластичность;

• высокая теплопроводность;

• высокая электропроводность.

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико, и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов. Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определенным порядком − периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллической решетки. Другими словами, кристаллическая решетка− это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело (рис. 1.1).

Элементарная ячейка — элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.

Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

• размеры ребер элементарной ячейки а, b, с, называемые периодами решетки (расстояния между центрами ближайших атомов);

• углы между осями (α, β, γ);

• координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на
ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке;

• базис решетки − количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки;

• плотность упаковки атомов в кристаллической решетке − объем, занятый
атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как
отношение объема, занятого атомами, к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки − 0,68, для гранецентрированной кубической решетки − 0,74).

Рис. 1.1. Схема кристаллической решетки

Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток.

Основными типами кристаллических решеток являются:

1) гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1.2а), в которой атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Ag, Au, Fe_γ).

2) объемно-центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис. 1.2б), где атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Fe_α).

3) гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

• простая − атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

• плотноупакованная (ГПУ) − имеются 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк) (см. рис. 1.2в).

а) б) в)

Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток:

а − гранецентрированная кубическая; б − объемно-центрированная кубическая;

в − гексагональная плотноупакованная