Типы, параметры и свойства кристаллических решеток

Для описания кристаллического строения вещества используют понятие кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка – воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются ионы или молекулы вещества.

Элементарная кристаллическая ячейка – наименьший фрагмент кристаллической решетки, дающий представление о строении вещества во всем объеме. Элементарная кристаллическая ячейка характеризуется периодами ячейки (a, b и c) и характерными углами (α, β и γ) (рис. 1.1).

Рассмотрим некоторые типы элементарных кристаллических ячеек.

1. Кубическая объемно-центрированная решетка (ОЦК) (рис. 1.2). В такой решетке выполняются следующие условия:

a = b = c; α = β = γ = 90°.

В ОЦК - решетке кристаллизуются следующие металлы: Fe_α, W, V, Cr, Li, Na, K и др.

2. Кубическая гранецентрированная решетка (ГЦК) (рис. 1.2).
В решетке выполняются следующие условия:

a = b = c; α = β = γ = 90°.

В ГЦК - решетке кристаллизуются Fe_γ, Ni, Co_α, Cu, Pb, Pt, Au, Ag и др.

Рис. 1.1. Параметры элементарной кристаллической ячейки

3. Гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ) (рис. 1.2). В решетке выполняются следующие условия:

a = b ≠ c; α = β = 90°, γ = 120°.

В ГПУ - решетке кристаллизуются Мg, Ti_α, Co_β, Cd, Zn и другие металлы.

Плотность кристаллической решетки характеризуют координационным числом и коэффициентом компактности.

Координационное число – число ионов или молекул, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного иона или молекулы кристаллической решетки. Тип решетки обозначают следующим образом: ОЦК – К8, ГЦК – К12,ГПУ – Г12.

Коэффициент компактности (К _к)– отношение объема структурных частиц (молекул, ионов), приходящихся на одну элементарную ячейку ко всему объему элементарной ячейки. Для ОЦК К _к = 0,68; для ГЦК К _к = 0,74.

Рассмотрим следующие понятия.

Плоскости скольжения – плоскости элементарной кристаллической ячейки с наибольшей плотностью структурных частиц. Относительно этих плоскостей смещаются структурные частицы при пластической деформации вещества. ГПУ решетка имеет две плоскости скольжения, ОЦК – 6, ГЦК – 8. Чем больше плоскостей скольжения, тем больше пластичность кристалла.

а) б) в)

Рис. 1.2. Типы кристаллических решеток: а – ОЦК; б – ГЦК; в – ГПУ

Анизотропия кристаллов – неодинаковость свойств (механических, физических, химических) монокристалла в различных направлениях. Изотропия - одинаковость свойств вещества в различных направлениях.

Например, (рис. 1.3) прочность монокристалла К8 в направлении плоскости АВ₁С₁Д, проходящей через диагональ куба, больше прочности в направлении плоскости АВСД, проходящей через грань куба. Это связано с разной плотностью упаковки ионов в различных плоскостях, так в первой плоскости находится пять ионов, а во второй – четыре.

Реальные металлы квазиизотропны (как бы изотропны), то есть их свойства одинаковы во всех направлениях. Это связано с тем, что реальные кристаллы являются поликристаллическими веществами. Они состоят из большого количества так называемых зерен или кристаллитов, кристаллографические плоскости которых повернуты относительно друг друга на некоторый угол α (рис. 1.4). При этом в любом направлении располагается примерно одинаковое количество зерен с различной ориентацией кристаллографических плоскостей, что приводит к независимости свойств вещества от направления. Каждое зерно состоит из отдельных элементов – блоков, которые повернуты относительно друг друга на углы порядка нескольких минут.

C ₁

C ₁

Рис. 1.3. К понятию "анизотропия" кристалла

граница зерна

зерно, кристаллит

Рис. 1.4. Поликристаллическая структура

Дата добавления: 2017-01-13