Основные типы кристаллических решеток

Если соединить атомы воображаемыми линиями в трех взаимно перпен­дикулярных направлениях, то получится пространственная кристаллическая решетка. Ее наименьшим структурным образованием является элементарная ячейка, контур которой представляет какое-нибудь составленное из атомов геометрическое тело, например куб или шестигранную призму. Ячейки,

Рис. 1.1. Основные типы кристаллических решеток металлов:

а — кубическая объемно-центрированная (ОЦК); б— кубическая гранецентрированная (ГЦК);

в — гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

примыкая друг к другу и многократно повторяясь, образуют более крупные образования — зерна или кристаллиты.

Ориентировка ячеек в соседних зернах металла различна, а в пределах каждого зерна одинакова. Поэтому в кристаллической решетке зерен суще­ствует ближний и дальний порядок. Ближний означает постоянство ближних атомов-соседей у каждого атома, а дальний — удаленных.

Наиболее простой кристаллической решеткой у металлов является кубическая, имеющая две разновидности: кубическую объемно-центри­рованную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК) (рис. 1.1, а, б). У обоих типов этих решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы нахо­дятся или в центре объема куба (один атом на пересечении диагоналей в решетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (шесть атомов в ре­шетке ГЦК). Кристаллические решетки ОЦК имеют альфа-железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден, бета-титан и другие металлы. Решетку ГЦК имеют гамма-железо, алюминий, медь, никель, свинец и некоторые другие металлы.

Другой разновидностью кристаллических решеток у металлов является гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ) (рис. 1.1, в). Ячейка этой решетки представляет собой шестигранную призму с центрированными ос­нованиями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех гра­ней расположены еще три атома. ГПУ решетку имеют альфа-титан, магний, цинк, кадмий, бериллий и другие металлы.

В ячейках кристаллической решетки всех типов атомы касаются друг друга внешними слоями электронных оболочек. Межатомные силы сцепле­ния, обеспечивающие морфологическую целостность кристаллической ре­шетки, создаются электромагнитным взаимодействием, обусловленным на­личием у атомов валентных электронов.

У металлов, находящихся в твердом состоянии, валентные электроны, освобождаясь от своих атомов, движутся между атомами, которые становят­ся положительно заряженными ионами. Принадлежащие всему зерну и обра­зующие электронный «газ» свободные электроны, взаимодействуя с положи­тельными ионами, обеспечивают целостность кристаллической решетки. Такая межатомная связь в кристаллической решетке получила название ме­таллической. Она может существовать как между одноименными атомами в чистых металлах, так и между разнородными — в сплавах.

Прочность металла зависит от плотности упаковки его кристаллической решетки и особенностей строения его атомов (особенно валентного и подва-лентного слоев электронной оболочки).

Плотность упаковки решетки, главным образом, определяется числом атомов, приходящихся на одну ячейку решетки, и расстоянием между ними (например, у ОЦК два атома на ячейку, а у ГЦК — четыре).

Наиболее характерным расстоянием является параметр решетки, кото­рый равен расстоянию между ближайшими атомами, составляющими грань кристаллической ячейки (см. рис. 1.1, а, б, в). У ОЦК и ГЦК решеток этот параметр одинаков по всем трем направлениям в пространстве, а у ГПУ — с> а. Параметры кристаллических решеток металлов составляют от 0,2 до 0,7 нм (1нм = 10"⁹м).

Следует помнить, что сила взаимодействия между атомами уменьшается из-за их тепловых колебаний. Результирующая сила взаимодействия тем меньше, чем выше температура.