Решетка металлического кристалла
Решетка металлического кристалла представляет плотно-упакованный каркас из положительных ионов, расположенных в пространстве с определенной закономерностью, и электронный “газ”, образованный свободными электронами, потерявшими связь с ядрами атомов. Электроны могут свободно перемещаться в решетке, обеспечивая хорошую тепло- и электропроводность, которая понижается с повышением температуры. Металлические кристаллы обладают сравнительно высокими упругими и пластическими свойствами, которые объясняют высокий уровень потребительских свойств металлопродукции.
Минимально возможное число атомов, характеризующее пространственную закономерность металлического кристалла, называют элементарной ячейкой. Обычно элементарную ячейку представляют в виде параллелепипеда, вершины которого называют узлами. Геометрическую форму элементарного параллелепипеда можно задать, используя значения трех углов между ребрами и длин ребер, которые называют параметрами решетки. Длина ребер для большинства кристаллических веществ составляет доли нанометров. Различают простые и сложные элементарные ячейки. В случае, если атомы располагаются только в узлах параллелепипеда, то ячейку называют простой, а на ячейку приходится всего один атом. Для сложной ячейки возможно расположение атомов как на гранях элементарного параллелепипеда, так и в объеме ячейки, таким образом, на ячейку приходится более, чем один атом.
Локализованное нарушение пространственной закономерности расположения атомных слоев называют дефектом упаковки. Геометрически дефект упаковки характеризуется шириной слоя с нарушенной закономерностью кристаллографической решетки. Вследствие смещения атомов дефект упаковки имеет энергию поверхности раздела. Энергия дефекта упаковки Е = jd0, где d0 — ширина дефекта упаковки, у — удельная энергия дефекта упаковки. Удельная энергия и ширина дефекта упаковки имеют важное значение для понимания структурных изменений и формирования механических свойств металлов и сплавов.
Для оценки степени компактности кристаллической решетки используют специальные показатели: число атомов на ячейку ия — это число атомов, принадлежащее целиком только данной элементарной ячейке; координационное число К определяет число атомов, равноудаленных от рассматриваемого атома; коэффициент компактности q характеризует отношение объема, занятого в ячейке атомами, к объему всей ячейки. Таким образом, возможно классифицировать тип кристаллической структуры и количественно оценить кристаллографические поры (пространство между атомами).
Большинство металлов имеет кристаллические структуры трех типов (рис. 2.1): объемноцентрированная кубическая или ОЦК (структурный тип вольфрама) решетка характерна для щелочных (Li, Na, К, Rb, Cs) и переходных металлов (V, Cr, Nb, Та и W), а также для полиморфных модификаций (Fe, Ti и Zr); гра-нецентрированная кубическая или ГЦК (структурный тип меди) решетка характерна для благородных (Си, Ag, Аи), многовалентных (Al, РЬ) и переходных металлов последних групп периодической системы (Ni, PI, Rh, Jr, Pt), а также полиморфных модификаций Fe и Co; гексагональная или ГПУ (структурный тип магния) решетка характерна для переходных металлов первых групп (Sc, Ti, Zc), двухвалентных металлов (Be, Mg, Zn, Cd) и большинства редкоземельных металлов.