Кристаллическая структура металлов

Металлы характеризуются высокой упорядоченностью атомов в пространстве, что проявляется в образовании кристаллических решёток. Кристаллическая структура определяет физические, механические и электрические свойства металлов, включая плотность, твёрдость, упругость и теплопроводность. Рассмотрение кристаллической структуры является основой для понимания процессов деформации, пластичности и фазовых превращений металлов.

Типы кристаллических решёток металлов

Металлы образуют несколько основных типов решёток:

  1. Границно-центрированная кубическая решётка (ГЦК, BCC – Body-Centered Cubic)

    • Атомы расположены в вершинах куба и в центре куба.
    • Координационное число: 8.
    • Примеры: железо α-Fe, хром, вольфрам.
    • Свойства: высокая твёрдость, низкая плотность упаковки (0,68), относительно невысокая пластичность.
    • Особенности: скольжение ограничено узкими плоскостями, что влияет на механическую прочность.

  2. Гранёноцентрированная кубическая решётка (ГЦК, FCC – Face-Centered Cubic)

    • Атомы расположены в вершинах куба и в центрах граней.
    • Координационное число: 12.
    • Примеры: медь, алюминий, золото, серебро.
    • Свойства: высокая плотность упаковки (0,74), хорошая пластичность, высокая электропроводность.
    • Особенности: большое число плоскостей скольжения обеспечивает высокую пластичность и ковкость.

  3. Гексагональная плотноупакованная решётка (ГПУ, HCP – Hexagonal Close-Packed)

    • Атомы образуют гексагональные слои, плотно упакованные.
    • Координационное число: 12.
    • Примеры: цинк, магний, титан, кадмий.
    • Свойства: высокая плотность упаковки, ограниченное число систем скольжения, что снижает пластичность по сравнению с FCC.
    • Особенности: анизотропные свойства, проявляющиеся в различной прочности по различным направлениям кристалла.

Параметры кристаллической решётки

Ключевыми характеристиками кристаллической решётки являются:

  • Параметр решётки (a, b, c) – длина ребра элементарной ячейки.
  • Угол между осями (α, β, γ) – определяет форму ячейки.
  • Координационное число – число ближайших соседей атома.
  • Плотность упаковки – отношение объёма, занятого атомами, к объёму ячейки.

Эти параметры влияют на тепловое расширение, электропроводность и механическую прочность металла.

Дефекты кристаллической решётки

Идеальная кристаллическая структура практически не встречается в природе. Реальные металлы содержат дефекты:

  1. Точечные дефекты

    • Вакансии – отсутствующие атомы.
    • Междоузельные атомы – атомы, помещённые в промежутки между узлами решётки.
    • Примеси – атомы другого элемента, замещающие основной атом или находящиеся в междоузельных позициях.

  2. Линейные дефекты (дислокации)

    • Крайовые и винтовые дислокации, которые играют ключевую роль в пластической деформации.
    • Позволяют металлу деформироваться при сравнительно низких напряжениях, смещая атомные слои.

  3. Плоскостные дефекты

    • Границы зерен, фазовые границы, стеклянные зоны.
    • Влияют на прочность, твёрдость и электропроводность.

Влияние кристаллической структуры на свойства металлов

  • Механические свойства:

    • FCC-металлы более пластичны, чем BCC и HCP, за счёт большего числа систем скольжения.
    • BCC-металлы более твёрдые при низких температурах, но становятся хрупкими.

  • Теплопроводность и электропроводность:

    • Плотность упаковки атомов влияет на количество свободных электронов и скорость их движения.

  • Анизотропия:

    • HCP-структуры проявляют различие свойств вдоль разных кристаллографических направлений.
    • FCC и BCC обладают меньшей анизотропией.

Кристаллографические направления и плоскости

Для описания механических и физических свойств металлов применяют кристаллографические индексы (Миллеровы индексы):

  • Направления [uvw] – вектор в кристалле, проходящий через атомные узлы.
  • Плоскости (hkl) – плоскости атомов, определяющие направления скольжения.
  • Взаимное расположение плоскостей и направлений влияет на деформацию, коррозионную устойчивость и адгезию металлов.

Закономерности образования кристаллов

  • Правило минимальной энергии: атомы располагаются так, чтобы минимизировать потенциальную энергию системы.
  • Принцип плотной упаковки: металлы стремятся к максимально плотной упаковке атомов, что обеспечивает стабильность структуры.
  • Влияние температуры и давления: с повышением температуры решётка расширяется, а при высоком давлении могут возникать новые фазы с другой кристаллической структурой.
Оглавление