1.2. Строение кристаллов металла

Все металлические тела кристаллические. Их атомы в кристаллах имеют определенное, закономерное расположение в пространстве. Атомы состоят из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов. Электроны у металлов слабо связаны с ядром и могут легко переходить от одного иона к другому. Этим объясняется высокая электро- и теплопроводность металлов.

Воображаемые линии, проведенные через центры атомов (положительно заряженных ионов), образуют так называемую кристаллографическую плоскость. Многократное повторение кристаллографических плоскостей, расположенных параллельно, образует пространственную кристаллическую 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).

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) (рис. 5).

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

кубической решетки (и)

В ячейке решетки кубической объемно центрированной атомы расположены в вершинах и в центре куба; такую решетку имеют, например, хром, ванадий, вольфрам и др. В ячейке кубической гранецентрированной решетки атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани куба; такую решетку имеют алюминий, никель, свинец и др. В решетке гексагональной плотноупакованной атомы расположены в вершинах шестиугольных оснований призмы, в центрах этих оснований и внутри призмы; такую решетку имеют магний, титан, цинк и др.

Из изложенного выше понятно, что характерные признаки металлов обусловлены их внутренним строением (структурой). Геометрическая правильность расположения атомов в кристаллической решетке придает им особенности, которых нет у аморфных тел (смола, стекло).

Вплоскостях и направлениях кристаллической решетки атомы расположены с различными плотностью, расстоянием друг от друга, и потому свойства кристаллов (физические, химические, механические) в различных направлениях разные (рис. 6). Такое различие свойств называетсяанизотропией. Все кристаллы анизотропны. В металлах, состоящих из большого количества по-разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов, свойства во всех направлениях одинаковы (усредненные). Если в структуре металла создается одинаковая ориентировка всех кристаллов, то появляется анизотропия всего металла.

Рис. 6. Кристаллографические плоскости и направления

в объемно центрированной кубической решетке: а – в направлении

граней (четыре атома); по диагонали: б – три, в – четыре атома

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 обладают одинаковой (средней) энергией и значения их амплитуды колебаний 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.

Наиболее легко перемещаются атомы поверхностного слоя кристалла (например, атом 1 на рис. 7, а). Место, где находился такой атом, оказывается свободным и называетсявакансией. Через некоторое время в свободный узел перемещается другой атом (например, атом 2 на рис. 7, б). В освободившееся место перемещается следующий атом (атом 3 на рис. 7, в). Таким образом, вакансия перемещается по кристаллу. Наличие вакансий искажает атомную решетку кристалла, оказывая влияние на свойства металла (рис. 7, г).

Сувеличением температуры увеличивается число вакансий и они чаще переходят из одного узла в другой. Вакансии играют определяющую роль в диффузионных процессах, протекающих в металлах и сплавах.

Линейные несовершенства. Наиболее распространенными являются несовершенства, имеющие протяженность только в одном направлении, или линейные дефекты. Их называют дислокациями. Дислокации образуются в результате местных смещений (сдвигов) кристаллографических плоскостей, происходящих в кристаллической решетке кристаллов. Наиболее распространены краевые дислокации (рис. 8). 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. 8).

Образование дислокаций может происходить при кристаллизации, термической обработке и при других процессах. Дислокации оказывают большое влияние на механические свойства – понижают прочность, но обеспечивают способность металла пластически деформироваться (рис. 9).

Поверхностные несовершенства – границы зерен и блоков металла. 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. 10).

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. 11). Для определения свойств металлов стандартами предусматривается проведение соответствующих испытаний.