Атомное строение металлов и сплавов

В твердом состоянии все металлы и металлические сплавы обладают кристаллическим строением со строго определенным расположением атомов.

Кристаллические тела состоят из множества мелких зерен — кристаллитов, внутри которых атомы расположены закономерно, образуя в пространстве правильную кристаллическую решетку. В идеальной кристаллической решетке атомы находятся на определенных расстояниях друг от друга и располагаются в определенных местах, такое упорядоченное расположение атомов отличает кристаллическое тело от аморфного.

Типы кристаллических решеток

Пространственная кристаллическая решетка любого металла слагается из множества сопряженных друг с другом элементарных ячеек, внутри которых в известном порядке размещаются отдельные атомы. Существует несколько основных типов кристаллических решеток. На рисунке 1.1 представлена пространственная кристаллическая решетка и элементарная ячейка простой кубической решетки металла.

Элементарная ячейка простой кубической решетки состоит из восьми атомов, расположенных в вершинах куба. Расстояние, а между центрами соседних атомов, расположенных в узлах ячейки, называют периодом решетки, и измеряют в ангстремах (1Е = 10 ^-8 см) или килоиксах (1 кх = 1,202· 10^-8 см).

Каждый атом в вершине куба принадлежит одновременно восьми ячейкам, т. е. на каждую ячейку в этой вершине приходится 1/8 атома. На всю ячейку в целом (8 вершин) приходится, таким образом, 1 атом. Кубическая кристаллическая решетка сокращенно обозначается индексом К6.

В кубической объемноцентрированной решетке, рисунок 1.2, а, кроме восьми атомов, находящихся в вершинах куба, имеется один атом внутри решетки, принадлежащий только одной элементарной ячейке. Таким образом, на каждую элементарную ячейку приходится два атома. Эта решетка обозначается К8. Базисом кристаллической решетки называют число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Базис характеризует плотность решетки, т.к. кроме объема, занимаемого атомами, остается еще свободное пространство.

Коэффициентом компактности называется отношение объема, занимаемого атомами, ко всему объему решетки. Чем больше коэффициент компактности, тем больше плотность элементарной ячейки.

В кубической гранецентрированной решетке К12, рисунок 1.2, б, число атомов равно четырем: 1/8· 8=1атом от числа атомов, расположенных в вершинах куба и плюс ½· 6=3 атома от числа атомов, расположенных в центре граней куба.

Взаимную связь атомов друг с другом характеризует координационное число. Под координационным числом понимают число атомов-соседей, находящихся на равном и наиболее близком расстоянии от избранного атома. Так, в простой кубической решетке на таких расстояниях находятся 6 соседних атомов. Чем больше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов.

Число атомов в различных сечениях пространственной кристаллической решетки неодинаково, вследствие этого механические, электрические и др. свойства кристаллических тел в разных направлениях будут различными — это явление называют анизотропией. Например, предел прочности монокристалла чистой меди в различных направлениях изменяется от 140 до 360 МПа, а относительное удлинение от 10% до 50%.