Кристаллические вещества

К кристаллическим веществам относят все металлы и металлические сплавы.

Кристалл состоит из множества сопряженных друг с другом элементарных кристаллических ячеек. В элементарной кристаллической ячейке содержится наименьшее число атомов.

Для описания структуры кристаллических тел пользуются понятием пространственной кристаллической решетки, которая представляет собой пространственную сетку, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело (рис. 1.1).

 

а б в

Рис. 1.1. Основные типы кристаллических решеток металлов:

а – кубическая объемно центрированная;

б – кубическая гранецентрированная;

в – гексагональная

 

В узлах ковалентных (атомных) решеток находятся нейтральные атомы, которые связаны друг с другом ковалентной связью.

В узлах металлических решеток расположены положительные ионы, в промежутках между которыми находятся свободные электроны. Они образуют решетку с помощью металлических связей.

В узлах молекулярных решеток находятся молекулы. Такие решетки образуются за счет ковалентной и ионной связей.

Каждое вещество обычно образует кристаллы определенной формы. Порядок взаимного расположения атомов в кристалле может быть различен.

Простейшим типом элементарной кристаллической ячейки является простая кубическая решетка. Размеры кристаллической решетки характеризуются ее параметрами. Под параметром решетки по­нимают расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими эле­ментарную ячейку. Эти расстояния очень малы и измеряются в нанометрах или ангстремах (1А=м). Параметр кубической решетки обозначается буквой а и находится в пределах 0,28-0,6 нм. Параметр решетки хрома равен 2,9 Å, алюминия – 4,04 Å. Следовательно, в кристаллическом веществе на 1 мм размещаются десятки миллионов атомов.

Стремление атомов металлов к сближению и уплотнению приводит к образованию более сложных типов решеток. Наиболее распространенными типами кристаллических решеток являются:

кубическая объемно центрированная (рис 1.1, а), ее имеют α - железо, хром, вольфрам, ванадий;

кубическая гранецентрированная (рис. 1.1, б), ее имеют γ - железо, медь, алюминий;

гексагональная (рис. 1.1, в), ее имеют бериллий, кадмий, магний и др. металлы.

Наиболее плотно и компактно размещены атомы гексагональной и кубической гранецентрирован­ной решеток.

Упорядоченное расположение атомов в кристаллах приводит к различному расположению и плот­ности атомов в разных направлениях. Этим обусловлено различие свойств металлов в разных направлениях.

Изменение свойств кристаллов (металлов) в зависимости от направления называют анизотропией. Степень анизотропности свойств металлов может быть значительной. Например, предел прочности на растяжение у меди изменяется от 120 до 360 МПа, а относительное удлинение при растяжении (∆l/l=10) – до 55%.

Однако промышленные сплавы обычно состоят из большого числа кристаллов, кристаллические решетки которых по-разному ориентированы в пространстве, поэтому свойства сплавов не зависят от направлений в кристаллических решетках (индексы Миллера). Кристаллографические плоскости и их индексация представлены на рис. 1.3.