Атомно-кристаллическое строение металлов

Атомно-кристаллическое строение металлов

Все металлы и их сплавы в твердом состоянии, в отличие от аморфных веществ (смола, янтарь и др.), являются кристалличе­скими телами. Основной признак кристаллических тел — их пра­вильное внутреннее строение, выражающееся в том, что атомы (ионы) их располагаются в пространстве в определенном порядке, образуя пространственную кристаллическую решетку. В аморфных веществах атомы находятся в беспорядочном состоянии.

На рис. 7, а показано размещение атомов в одной из кристалло­графических плоскостей. Воображаемые линии, проведенные через центры атомов, условно изображенных в виде кружков, образуют решетку. Многократное повторение подобных кристаллографических плоскостей, расположенных параллельно, дает представление о про­странственной кристаллической решетке, узлы которой являются местами расположения атомов (рис. 7, б). Для суждения об атомно- кристаллическом строении металла необходимо знать строение его элементарной кристаллической ячейки.

Пространственная кристаллическая решетка

Пространственная кристаллическая решетка

Предположение о том, что твердые тела являются телами кри­сталлическими, в которых частицы вещества расположены в опре­деленном порядке, было, высказано давно. Еще в 1890-1891 гг. кристаллограф Е. С. Федоров теоретически установил за­коны расположения молекул, атомов и ионов в пространстве и дока­зал возможность существования 230 пространственных групп и семи систем (сингоний) расположения частиц вещества в пространстве. Позже рентгенографическим анализом, примененным впервые Лауэ для исследования структуры вещества, было подтверждено сущест­вование семи сингонии расположения молекул, атомов,  ионов в пространстве (рис. 8).

Кристаллические системы

Кристаллические системы

Некоторые из этих систем имеют разновидности. Так, в кубиче­ской системе основными разновидностями решетки, кроме простой, приведенной на рис. 8, являются объемноцентрированная (рис. 9, а) и гранецентрированная (рис. 9, б) кубические решетки. Имеются и еще более сложные разновидности кубической решетки, но они встречаются в природе редко (у марганца, алмаза и др.). Как видно на рис. 9, число атомов в этих решетках разное; например, элемен­тарная ячейка объемноцентрированной кубической решетки состав­лена из девяти атомов (восемь — в узлах решетки и один — в цент­ре куба), а гранецентрированной — из 14 атомов (восемь в узлах решетки и шесть — в центре граней).

Разновидности кубической кристаллической системы

Разновидности кубической кристаллической системы

У металлов наиболее распространенными кристаллическими ре­шетками являются кубические (объемно- и гранецентрированная), тетрагональная и гексагональная. Например, железо, алюминий, медь имеют кубическую решетку; цинк, магний, кадмий, бериллий — гексагональную, а индий — тетрагональную.

Размеры элементарной кристаллической ячейки характеризуются расстояниями между атомами, называемыми параметрами, или периодами, решетки. В элементарной кубической ячейке таким параметром является длина ребра куба а (рис. 8, а). В эле­ментарной тетрагональной ячейке два параметра: длина стороны основания а и высота с (рис. 8, б). Отношение с : а характеризует степень тетрагональности. Гексагональная элементарная ячейка также имеет два параметра: длину стороны основания а и высоту с (рис. 8, в). Если отношение с : а = 1,633, то решетка называется плотноупакованной; если же с : а ≠ 1,633, то решетка носит назва­ние неплотноупакованной.

Величина параметров кристаллических решеток металлов ко­леблется в пределах от 0,1 до 0,6 нм (от 1 до 6А).

У многих металлов при одинаковой форме кристаллической ре­шетки величина параметров разная. Так, медь и алюминий имеют кубическую гранецентрированную решетку, но параметр решетки у меди равен 0,361 нм (3,61 А), а у алюминия — 0,404 нм (4,04А).

В зависимости от внешних условий (температуры, давления) металлы могут кристаллизоваться, образуя различные кристал­лические формы. Это явление, довольно широко распространенное в природе, получило название аллотропии. Например, угле­род, обычно кристаллизующийся в гексагональной системе (графит), может кристаллизоваться в сложной кубической системе, образуя алмаз.

Различные кристаллические формы вещества называют его ал­лотропическими модификациями и помечают буквами греческого алфавита α, β, γ и т. д. Буквой α обозначают модификацию, устой­чивую при самой низкой температуре. Так, железо при комнатной температуре имеет кристаллическую решетку объемноцентрированного куба — Feα, или α-железо. При 910° атомы его перегруппировы­ваются, образуя гранецентрированную кубическую решетку — Feγ, или γ-железо, которая существует до 1390°. Явление аллотропии наи­более распространено среди металлов переходных групп периодиче­ской системы элементов Менделеева. В числе их, кроме железа, можно отметить олово, титан, марганец, плутоний и др. Наиболь­шее число аллотропических модификаций (шесть) имеет плутоний. Возможно, что известны еще не все аллотропические формы метал­лов, особенно при низких температурах и всестороннем высоком давлении.

Основными характеристиками пространственных кристаллических решеток являются базис решетки и ее координационное число.

Базис кристаллической решетки составляют атомы, принад­лежащие одной элементарной ячейке. Учитывая повторяемость элементарных кристаллических ячеек по всему объему кристалла, можно определить число атомов, приходящихся на долю каждой ячейки. В зависимости от типа решетки это число будет разным. Например, в объемноцентрированной кубической решетке каждый из восьми атомов, находящихся в узлах элементарной ячейки, вхо­дит в состав восьми других элементарных ячеек. Только атом, рас­положенный в центре, принадлежит данной элементарной ячейке. Таким образом, на долю каждой элементарной ячейки приходится два атома (8:8 + 1 = 2). В гранецентрированной кубической ре­шетке восемь атомов, находящихся в узлах элементарной ячейки, входят также в состав восьми других элементарных ячеек, а каждый из шести атомов, расположенных в центрах граней, принадлежит одновременно двум элементарным ячейкам. Следовательно, на одну элементарную ячейку гранецентрированной кубической решетки приходится четыре атома (8:8 + 6:2 = 4). Базис решетки в пер­вом случае равен 2, а во втором — 4.

Другой характеристикой кристаллической решетки является ее координационное число, под которым понимают число атомов, находящихся на одинаковом, наиболее близком рас­стоянии от данного атома. В простой кубической решетке каждый атом, расположенный внутри решетки (а не в поверхностных слоях ее), окружен шестью атомами, находящимися от него на расстоянии, равном по величине параметру решетки α. В объемноцентрированной кубической решетке каждый атом (следует рассматривать атом, на­ходящийся в центре куба) окружен восемью атомами, находящимися от него на расстоянии, равном α√3/2. Следовательно, координационное число первой решетки равно 6, а второй — 8.

Координационным числом и базисом решетки определяются многие свойства металлов, и в первую очередь их плотность. Чем больше координационное число и базис, тем выше плотность (ком­пактность) решетки. Наиболее компактными являются гране- центрированная кубическая решетка и гексагональная плотноупакованная решетка (координационное число которых равно 12). Ме­таллы, имеющие эти типы кристаллических решеток, обладают наи­большей плотностью. Такими металлами являются γ-железо, маг­ний, цинк и др.

В настоящее время рентгеноструктурным анализом исследовано внутреннее кристаллическое строение почти всех металлов и для каждого из них известны форма и размеры кристаллической решет­ки. В то же время достаточно убедительных теоретических объяс­нений, почему металлы имеют ту или иную форму кристаллической решетки, пока не имеется.

Приведенные ранее схемы пространственных кристаллических решеток не означают, что атомы находятся в статически равновес­ном, неподвижном состоянии. Для пространственной кристалли­ческой решетки металлов характерны два вида движения составля­ющих их частиц:

  1. Перемещение электронов между положительно заряженными ионами; этот вид движения обусловливает электро- и частично те­плопроводность металлов.
  2. Колебания атомов (ионов), расположенных в узлах решетки, вокруг некоторой средней точки; этот вид движения обусловливает в основном теплопроводность металлов. Амплитуда и скорость ко­лебаний ионов зависят от температуры: чем выше температура, тем они больше. При определенных значениях амплитуды и скорости ко­лебаний происходит миграция ионов — перемещение их в решетке. Этот вид движения обусловливает диффузию, протекающую в ме­таллах, находящихся в твердом состоянии. При нагреве металла до температуры плавления амплитуда и скорость колебаний ионов воз­растают настолько, что кристаллическая решетка разрушается и ме­талл переходит из твердого состояния в жидкое — расплавляется.

Применение новейших методов исследования показывает, что реальная кристаллическая решетка металла отличается от идеальной схемы, приведенной выше, наличием кристаллических несовер­шенств. Кристаллическими несовершенствами (дефектами) называют отступления от правильного геометри­ческого строения.

Дефекты строения подразделяют на:

  • точечные;
  • ли­нейные;
  • поверхностные.

К точечным дефектам строе­ния относятся: вакансии (узлы решетки, не занятые атомами) и атомы инородных элементов (всегда имеющихся в металлах), рас­положенные в междуузлиях решетки. Основными линейными дефектами являются дислокации.

Кристаллические несовершенства под влиянием разных факто­ров (температуры, пластической деформации и др.) образуются, перемещаются и взаимодействуют друг с другом, оказывая значи­тельное влияние на структурно-чувствительные свойства металлов, такие, как прочность, пластичность, магнитную проницаемость, электрическое сопротивление и др.

Степень влияния различных видов кристаллических несовер­шенств на свойства металлов различна. Так, влияние вакансий срав­нительно невелико. Наоборот, даже небольшое количество приме­сей, внося большое число инородных атомов в кристаллическую ре­шетку металла, вызывает в ней множество неоднородностей. Наи­более важным несовершенством являются дислокации, определяю­щие многие физико-механические свойства металлов. Дислокации возникают при кристаллизации, а также при пластическом дефор­мировании, термической и других видах обработки.