1.2. Строение кристаллов металла

Все металлы – тела кристаллические, их атомы в кристаллах имеют определенное, закономерное расположение в пространстве. Воображаемые линии, проведенные через центры атомов, образуют так называемую кристаллографическую плоскость. Многократное повторение кристаллографических плоскос-тей, расположенных параллельно, образует пространственную кристалличес-кую решетку (рис. 5). Атомы в узлах кристаллической решетки колеблются с определенными амплитудой и частотой и находятся под действием сил взаимного притяжения и отталкивания. Размеры кристаллической решетки (расстояния между центрами соседних атомов) называются параметрами и измеряются в ангстремах – Å (1Å = 110^-8 см) или в килоиксах – кХ (1кХ = 1,00202Å), или в нанометрах – нм (1нм = 110^-9 см = 0,1 Å).

Рис. 5. Схема расположения атомов в металле: а – в плоскости;

б – в пространстве; кубические решетки металлов: объемно

центрированный куб (в) и ячейка его кристаллической решетки (г);

гранецентрированный куб (д) и ячейка его кристаллической решетки (е);

элементарные ячейки: объемно центрированной кубической решетки (ж);

гранецентрированной кубической решетки (з); плотноупакованной

гексагональной решетки (и)

Стремление атомов металлов занять места, наиболее близкие друг к другу, приводит к образованию трех типов кристаллических решеток:кубической объемно центрированной (ОЦК), кубической гранецентрированной (ГЦК) и гексагональной плотноупакованной (ГПУ) (см. рис. 5).

В действительности реальный кристалл в отличие от идеального представления о его кристаллической решетке имеет структурные несовершенства (дефекты): точечные, линейные, поверхностные.

Точечные несовершенства. Как указывалось, атомы находятся в колебательном движении в узлах решетки. Чем выше температура, тем больше амплитуда этих колебаний. Хотя атомы в кристаллической решетке имеют одинаковую (среднюю) энергию и значения амплитуды колебаний у них одинаковы, всегда есть отдельные атомы, у которых и энергия, и амплитуда больше, чем у других. Такие атомы могут перемещаться из одного узла в другой, оказавшийся свободным. Например, атом 1 на рис. 6, а. Место, где находился такой атом, оказывается свободным и называется вакансией. Через некоторое время в свободный узел перемещается другой атом (например, атом 2 на рис. 6, б). В освободившееся место перемещается следующий атом (атом 3 на рис. 6, в). Таким образом, вакансия перемещается по кристаллу. Наличие вакансий искажает атомную решетку кристалла, оказывая влияние на свойства металла (рис. 6, г).

Линейные несовершенства. Наиболее распространенными являются несовершенства, имеющие протяженность только в одном направлении, линейные дефекты, их называют дислокациями. Дислокации образуются в результате местных смещений (сдвигов) кристаллографических плоскостей, происходящих в кристаллической решетке кристаллов. Наиболее распространены краевые дислокации (рис. 7). Краевая дислокация – это нижняя граница (край) как бы лишней, не имеющей продолжения полуплоскости АВ. Линию атомов нижней границы полуплоскости АВ и называют дислокацией (см. рис. 7).

Перемещаясь под действием внутреннего напряжения, дислокации оказывают значительное влияние на механические свойства металла – понижают прочность, но обеспечивают способность металла пластически деформироваться.

Поверхностные несовершенства – границы зерен и блоков металла (рис. 8, а). На границе между зернами (кристаллами) атомы имеют менее правильное расположение, чем в объеме зерна. Зерна разориентированы, повернуты относительно друг друга на несколько градусов. По границам зерен скапливаются дислокации и вакансии. Зерно состоит из большого количества областей, называемых блоками, границы которых представляют собой дислокации, разделяющее зерно на блоки (рис. 9).

Итак, в реальной кристаллической решетке металлов всегда есть вакансии, дислокации, атомы примесей (имеющие другие атомные размеры), искажающие форму кристаллических ячеек и их параметры. Все это оказывает влияние на реальные свойства металлов (рис. 10). Наличие дислокаций в реальном металлическом крис-талле является причиной более низкой его прочности по сравнению с теоретической и одновременно придающей способность пластически деформироваться. Способность реального металла пластически деформироваться является его важнейшим полезнейшим свойством.