Лекция 2. Особенности атомно-кристаллического строения металлов. Дефекты 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:

ü «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);

ü Положительный температурный коэффициент сопротивления (с увеличением температуры электрическое сопротивление металлов возрастает);

ü Высокая пластичность;

ü высокая теплопроводность;

ü высокая электропроводность;

ü термоэлектрической эмиссией – возможностью металлов в нагретом состоянии испускать электроны.

Данные свойства металлов объясняют металлическим строением вещества. Все металлы – суть тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металлах равномерно. Они состоят из большого числа кристаллов, расположенных по объёму тела и имеющих неправильную форму. Эти кристаллы называют кристаллитами или зёрнами. Кристалл состоит из атомов расположенных в определённом порядке, периодически повторяющемся в трёх измерениях. Для более удобного описания свойств кристаллов вводят понятие кристаллическая решётка. Кристаллическая решётка представляет собой сетку из атомов (ионов) расположенную в пространстве. В узлах данной сетки расположены атомы, образующие твёрдое кристаллическое тело. Наименьшее число атомов (ионов), дающее представление об атомарной структуре металла во всём объёме, называют элементарной кристаллической решёткой.

Основными параметрами кристалла являются:

- размеры ребер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определенными.

- углы между осями ( ).

- 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)

Пространственную решётку подразделяют на семь типов – сингоний, исходя из соотношений между осевыми единицами и углами:

1. триклинная: и

2. моноклинная: и ,

3. ромбическая: и

4. гексагональная: и ,

5. ромбоэдрическая: и

6. тетрагональная: и

7. кубическая и

 

 

Рис.2.1. Схема кристаллической решетки

 

Рис. 2.2. Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

 

Основными типами кристаллических решеток являются:

1. Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.2.2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, )

2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 2.2б), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Ag, Au, )

3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

- простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

- плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).