Атомно-кристалічна структура металів

Під атомно-кристалічною структурою розуміють взаємне розміщення атомів у кристалі. Кристал складається з атомів (іонів), розміщених у певному порядку, який періодично повторюється у трьох вимірах. Кристалічна гратка (рис.1.2) представляє собою уявну просторову сітку, у вузлах якої розташовуються атоми (іони), що утворюють тверде кристалічне тіло (в даному випадку - метал). Потовщеними лініями на малюнку виділений найменший паралелепіпед, послідовним переміщенням у просторі якого вздовж трьох осей може бути побудована вся гратка. Найменший об’єм кристала, що дає уявлення про атомну структуру металу у всьому об'ємі, називається елементарним кристалічним осередком.

Рис.1.1. Сили взаємодії двох атомів Рис.1.2. Кристалічна гратка

Кристалічні просторові гратки, виходячи зі співвідношення між осьовими одиницями та кутами, поділяють на сім систем - сингоній: триклинна, моноклинна, ромбічна, гексагональна, ромбоедрична, тетрагональна, кубічна (рис.1.3.).

Кристалічні гратки, в яких на долю одного елементарного осередку припадає один атом, називають простими. Гратки, в яких на долю одного елементарного осередку припадає декілька атомів, називають складними.

Переважне число технічно важливих металів утворюють одну з таких симетричних складних граток із щільним упаковуванням атомів: кубічну об’ємноцентровану (ОЦК), кубічну гранецентровану (ГЦК) і гексагональну.

На рис.1.4. приведені умовно показані кристалічні гратки і схеми розташування або упаковування атомів (іонів), які дають наочну уяву про кожну з структур. У схемах упаковування атоми (іони) зображені сферами такого розміру, що вони дотикаються один одного. Однак не варто робити висновок, що ці сфери являють собою нестисливі об’єми, оскільки дуже малі по розмірах ядра атома оточені електронними оболонками порівняно невисокої щільності.

Рис.1.3. Кристалічні системи (сингонії): а – кубічна; б – тетрагональна;

в – гексагональна; г – ромбічна; д – ромбоедрична; е – моноклинна;

ж - триклинна

В ОЦК-гратках атоми розташовані у вузлах осередку й один атом - у центрі обсягу куба (рис.1.4, а). ОЦК-гратки мають метали: Rb, K, Na, Li, Ta, Fe_α, Mo, W, V, Cr.

У ГЦК-гратках атоми розташовані в кутах куба й у центрі кожної грані (рис.1.4, б). Таку гратку мають метали: Ca_α, Ce, Sr_α, Th, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Ir, Fe_γ, Cu.

У гексагональній щільноупакованій (ГЩУ) гратці (рис.1.4, в) атоми розташовані в кутах і центрі шестикутних основ призми і три атоми в середній площині призми. Таке упаковування атомів мають метали: Hf_α, Mg, Ti_α, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Be, Zr_α.

Деякі метали (Sn_β,In) мають тетрагональну гратку.

Розміри кристалічних граток характеризуються періодами a, b, c, під якими розуміють відстань між найближчими рівнобіжними атомними площинами, що утворюють елементарний осередок (рис.1.4). Період вимірюється в нанометрах (нм) (1 нм=10^-9 м=10 А) і знаходиться в межах 0,1…0,7 нм.

На один елементарний осередок ОЦК-гратки в цілому припадає два атоми: один атом у центрі куба й один атом по масі сумарно вносять атоми, що розташовуються у кутах куба (кожний атом у кутах куба одночасно належить восьми сполученим елементарним осередкам і на даний осередок припадає лише 1/8 маси цього атома, а на весь осередок 1/8^х8=1 атом). На елементарний осередок ГЦК-гратки припадають чотири атоми; з них один атом вносять атоми у кутах куба, а три атоми сумарно (1/2^х6=3) вносять атоми, які знаходяться на середині грані, тому що кожний з таких атомів належить двом граткам. На елементарний осередок ГЩУ-гратки припадає шість атомів (3+1/6^x12+1/2^x2=6).

Щільність кристалічної гратки - об’єму, зайнятого атомами, що умовно можна розглядати як жорсткі кульки (рис.1.4), характеризується координаційним числом, під яким розуміють число атомів, які знаходяться на рівній і найменшій відстані від даного атома. Чим більше координаційне число, тим більша щільність упаковування атомів. В ОЦК-гратці найменша відстань між атомами відповідає d=0,5а√3. На цій відстані від даного атома знаходяться 8 сусідів (рис. 1.5, а). Отже, координаційне число для цієї гратки - 8 і позначається К8. Коефіцієнт заповнення осередку - відношення об’єму, зайнятого атомами, до об’єму осередку, складає 68 %.

Для ГЦК-гратки координаційне число дорівнює 12 (К12) - кожний атом має 12 найближчих сусідів на відстані d=0,5а√2, що відповідає найбільшій щільності упаковування або укладки у виді кульок (рис.1.5, б)

ГЩУ-гратка, для якої с/а =1,633, має координаційне число 12 (Г12) (рис.1.5, в). У багатьох металів, які кристалізуються в гексагональній системі, відношення с/а може знаходитися у межах 1,57...1,64.

Гранецентрована кубічна і гексагональна щільноупакована гратки - найкомпактніші. Їхній коефіцієнт заповнення об’єму атомами - 74 відсотки. При зменшенні координаційного числа в гратці Г12 до 6 коефіцієнт заповнення складає 50 відсотків, а при координаційному числі 4 - усього 25 відсотків.

Половину найменшої відстані між центрами атомів називають атомним радіусом. Атомний радіус зростає при зменшенні координаційного числа, тому що при цьому збільшується простір між атомами.

Кристалографічні позначення атомних площин. Для визначення положення атомних площин у кристалічних гратках користуються індексами (hkl), які представляють собою три цілі раціональних числа, розмірами, оберненими відрізкам осей, що відтинається даною площиною на осях координат. Одиниці довжини вздовж осей вибирають рівними довжинам ребер елементарного осередку.

Наведемо приклади позначення площин кубічної гратки. У ній, окрім площин куба (рис.1.6, а), розрізняють площину октаедра (111) (рис.1.6, в) і площина ромбічного додекаедра (110) (рис.1.6, б).

Рис.1.4. Кристалічні ґратки металів: Рис.1.5. Координаційні числа

а – об’ємноцентрована кубічна; для різних кристалічних граток

б – гранецентрована кубічна;

в – гексагональна щільноупакована

Дата добавления: 2014-01-07