1.2. Метали, особливості атомно-кристалічної будови

З-поміж величезної кількості матеріалів метали з давніх часів завжди займали особливе місце.

Підтвердження цьому: в назвах епох (золоте, срібне, бронзове, залізне століття), на які греки ділили історію людства; в археологічних знахідках металевих виробів (ковані мідні прикраси, сільськогосподарські знаряддя); в побутовому використанні металів і сплавів в сучасній техніці.

Причина цього – в особливих властивостях металів, що вигідно відрізняють їх від інших матеріалів і роблять у багатьох випадках незамінними.

Метали – один із класів конструкційних матеріалів, що характеризується відповідним набором властивостей: «металевий блиск» (добра відбивна здатність), пластичність, висока теплопровідність, висока електропровідність.

Дані властивості обумовлені особливостями будови металів. Згідно теорії металевого стану, металом є речовина, що складається з позитивних ядер, навколо яких по орбітах обертаються електрони. На останньому рівні число електронів невелике і вони слабо зв'язані з ядром. Ці електрони мають можливість переміщуватися по всьому об’єму металу, тобто належати цілій сукупності атомів.

Таким чином, пластичність, теплопровідність і електропровідність забезпечуються наявністю «електронного газу».

Усі метали, що твердіють у нормальних умовах, є кристалічними речовинами, тобто укладання атомів у них характеризується відповідним порядком – періодичністю як у різних напрямах, так і у різних площинах. Цей порядок визначається поняттям «кристалічна решітка».

Іншими словами, кристалічна решітка – це уявні просторові ґрати, у вузлах яких розташовуються частинки, створюючи тверде тіло.

Елементарний осередок – елемент об’єму з мінімального числа атомів, багаторазовим перенесенням якого в просторі можна побудувати весь кристал.

Елементарний осередок характеризує особливості будови кристала. Основними параметрами кристала є (рис. 1.1):

• розміри ребер елементарного осередку (а, в, с);

• відстані між центрами найближчих атомів;

• кути між вісями (α, β, χ);

• координаційне число (К) вказує на число атомів, розташованих на найближчій однаковій відстані від будь-якого атома в ґратах;

• щільність упаковки атомів у кристалічній решітці – об'єм, зайнятий атомами, які умовно розглядаються як жорсткі кулі. Її визначають як відношення об'єму, зайнятого атомами, до об'єму осередку (для об'ємноцентрованих кубічних ґрат – 0,68, для гранецентрованих кубічних ґрат – 0,74).

Класифікація можливих видів кристалічних решіток була проведена французьким вченим О. Браве; відповідно, вони отримали назву «Ґрати Браве».

Усього для кристалічних тіл існує чотирнадцять видів ґрат, розбитих на чотири типи;

• примітивний – вузли ґрат співпадають із вершинами елементарних осередків;

• базцентрований – атоми займають вершини осередків і два місця в протилежних гранях;

• об'ємно-центрований – атоми займають вершини осередків і їх центр;

• гранецентрований – атоми займають вершини осередків і центри всіх шести граней.

Рис. 1.1. Схема кристалічної решітки

Основними типами кристалічних ґрат є:

1. Об'ємно-центрована кубічна (ОЦК) (рис. 1.2 а): атоми розташовуються у вершинах куба і в його центрі (V, W, Ti, Fe).

2. Гранецентрована кубічна (ГЦК) (рис. 1.2 б): атоми розташовуються у вершинах куба і по центру кожної з 6 граней (Ag, Au, Fe).

3. Гексагональна, в основі якої лежить шестикутник: проста – атоми розташовуються у вершинах осередку і по центру двух основ (вуглець у вигляді графіту);

4. Щільноупакована з трьома додатковими атомами в середній площині (Zn).

Рис. 1.2. Основні типи кристалічних решіток: а – об'ємно-центрована кубічна; б – гранецентрована кубічна; в – гексагональна щільноупакована