Металлы, особенности атомно-кристаллического строения

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место. Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в ар­хеологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сель­скохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.

Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

Металлы - один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:

• «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);

• пластичность;

• высокая теплопроводность;

• высокая электропроводность.

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принад­лежать целой совокупности атомов.

Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обес­печиваются наличием электронного газа.

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется опреде­ленным порядком - периодичностью, как по различным направлениям, так и по раз­личным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая ре­шетка.

Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространст­венная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Элементарная ячейка - элемент объема из минимального числа атомов, много­кратным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.

Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

• размеры ребер элементарной ячейки а, b, с – периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго опреде­ленными;

• углы между осями (α, β, χ);

• координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на бли­жайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке;

• базис решетки – количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

• плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубиче­ской решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74).

Рисунок 1.1 – Схема кристаллической решетки

Классификация возмож­ных видов кристалличе­ских решеток была про­ведена французским ученым О. Браве, соот­ветственно они полу­чили название «решетки Браве». Всего для кри­сталлических тел суще­ствует четырнадцать ви­дов решеток, разбитых на четыре типа:

• примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;

• базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;

• объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;

• гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней

а	б	в
Рисунок 1.2 – Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная ку­бическая; б – гранецентрированная кубическая; в –гексагональная плотноупакован­ная

Основными типами кристаллических решеток являются:

1. Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) (смотри рисунок 1.2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Fe_a).

2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (смотри рисунок. 1.2б), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из шести граней (Ag, Au, Fe_g).

3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

3.1 простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру двух оснований (углерод в виде графита);

3.2 плотноупакованная (ГПУ) – имеется три дополнительных атома в средней плоскости (цинк).