Глава 1. Кристаллическое строение и свойства металлов

Характерные свойства металлов, например высокие прочность, пластичность, электро- и теплопроводность и другие, обусловлены их строением на межатомном и внутриатомном уровнях.

Металлы являются телами кристаллическими. Это означает, что атомы в занимаемом ими пространстве расположены строго упорядоченно, находясь в определенных местах на вполне определенных расстояниях друг от друга. При этом атомы не перемещаются друг относительно друга, т. е. они имеют постоянных соседей. Находясь на своих местах, атомы вследствие термокинетического эффекта совершают колебания частотой 10¹³ Гц с изменяющей­ся в зависимости от температуры амплитудой.

В ряде случаев под влиянием локальных тепловых процессов атомы кристаллических тел все же могут перемещаться между соседями в другие положения. Такие перемещения составляют суть явления, называемого диффузией. Диффузия однородных атомов между соседями называется самодиффузией.

Таким образом, сущность кристаллического строения металлов заключается в упорядоченном расположении в них атомов друг относительно друга.

1.1. Основные типы кристаллических решеток

Если соединить атомы воображаемыми линиями в трех взаимно перпендикулярных направлениях, то получится пространственная кристаллическая решетка. Ее наименьшим структурным образованием является элементарная ячейка, контур которой представляет какое-нибудь составленное из атомов геометрическое тело, например куб или шестигранную призму. Ячейки, примыкая друг к другу и многократно повторяясь, образуют более крупные образования — зерна или кристаллиты.

Ориентировка ячеек в соседних зернах металла различна, а в пределах каждого зерна одинакова. Поэтому в кристаллической решетке зерен существует ближний и дальний порядок. Ближний означает постоянство ближних атомов-соседей у каждого атома, а дальний — удаленных.

Наиболее простой кристаллической решеткой у металлов является кубическая, имеющая две разновидности: кубическую объемно-центри­рованную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК) (рис. 1.1, а, б). У обоих типов этих решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы находятся или в центре объема куба (один атом на пересечении диагоналей в решетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (шесть атомов в решетке ГЦК). Кристаллические решетки ОЦК имеют альфа-железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден, бета-титан и другие металлы. Решетку ГЦК имеют гамма-железо, алюминий, медь, никель, свинец и некоторые другие металлы.

Другой разновидностью кристаллических решеток у металлов является гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ) (рис. 1.1, в). Ячейка этой решетки представляет собой шестигранную призму с центрированными основаниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. ГПУ решетку имеют альфа-титан, магний, цинк, кадмий, бериллий и другие металлы.

В ячейках кристаллической решетки всех типов атомы касаются друг друга внешними слоями электронных оболочек. Межатомные силы сцепления, обеспечивающие морфологическую целостность кристаллической решетки, создаются электромагнитным взаимодействием, обусловленным наличием у атомов валентных электронов.

У металлов, находящихся в твердом состоянии, валентные электроны, освобождаясь от своих атомов, движутся между атомами, которые становятся положительно заряженными ионами. Принадлежащие всему зерну и образующие электронный «газ» свободные электроны, взаимодействуя с положительными ионами, обеспечивают целостность кристаллической решетки. Такая межатомная связь в кристаллической решетке получила название металлической. Она может существовать как между одноименными атомами в чистых металлах, так и между разнородными — в сплавах.

Прочность металла зависит от плотности упаковки era кристаллической решетки и особенностей строения его атомов (особенно валентного и подвалентного слоев электронной оболочки).

Плотность упаковки решетки, главным образом, определяется числом атомов, приходящихся на одну ячейку решетки, и расстоянием между ними (например, у ОЦК два атома на ячейку, а у ГЦК — четыре).

Наиболее характерным расстоянием является параметр решетки, который равен расстоянию между ближайшими атомами, составляющими грань кристаллической ячейки (см. рис. 1.1, а, б, в). У ОЦК и ГЦК решеток этот параметр одинаков по всем трем направлениям в пространстве, а у ГПУ — . Параметры кристаллических решеток металлов составляют от 0,2 до 0,7 нм (1нм = м).

Следует помнить, что сила взаимодействия между атомами уменьшается из-за их тепловых колебаний. Результирующая сила взаимодействия тем меньше, чем выше температура.