Металлы и их кристаллическое строение

Металлы – элементы, которые являются хорошими проводниками тепла и электричества, обладают характерным сильным блеском, непрозрачны (в не слишком тонком слое) и образуют с кислородом соединения преимущественно основного типа.

Металлы в твердом состоянии обладают рядом характерных свойств:

· высокой тепло- и электропроводностью;

· положительным температурным коэффициентом электросопротивления (с повышением температуры электросопротивление чистых металлов возрастает; большое число металлов обладает сверхпроводимостью – у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электросопротивление падает скачкообразно практически до нуля);

· термоэлектронной эмиссией, т. е. способностью испускать электроны при нагреве;

· хорошей отражательной способностью (металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском);

· повышенной способностью к пластической деформации.

Эти свойства металлов обусловлены их электронным строением. Металлическое состояние возникает в комплексе атомов, если при их сближении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими, т. е. коллективизируются и свободно перемещаются по определенным энергетическим уровням между положительно заряженными и периодически расположенными в пространстве ионами. Устойчивость металла, представляющего собой ионно-электронную систему, определяется электрическим взаимодействием между положительно заряженными ионами и коллективизированными электронами. Такое взаимодействие между ионным скелетом и электронным газом получило название металлической связи.

Сила связи в металлах определяется соотношением между силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстояния один от другого, чтобы энергия взаимодействия была минимальной. Этому положению соответствует равновесное расстояние d ₀ (рис. 1.2).

 

 

Рис. 1.2. Силы взаимодействия двух атомов

 

Правильное регулярное расположение атомов в твердом теле, характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях, образует кристаллическую решетку, а тела, имеющие кристаллическую решетку, называют твердыми телами. Металлы являются телами кристаллическими.

Наиболее простой кристаллической решеткой у металлов является кубическая, имеющая две разновидности: кубическую объемно центрированную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК) (рис. 1.3, а–б).

 

 

Рис. 1.3. Кристаллические решетки:
а – кубическая объемно центрированная (ОЦК); б – кубическая

гранецентрированная (ГЦК); в – гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

 

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 (1 атом на пересечении диагоналей в решетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (6 атомов в решетке ГЦК). Кристаллические решетки ОЦК имеют альфа-железо (Fe _α), хром, ванадий, вольфрам и другие металлы. Решетку ГЦК имеют гамма-железо (Fe_γ), алюминий, медь, никель и другие металлы.

Другой разновидностью кристаллических решеток у металлов является гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ). 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 магний, цинк, бериллий и другие металлы (рис. 1.3, в).

Плоскости, параллельные координатным плоскостям и находящиеся на расстоянии а, в, с, разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед называют элементарной ячейкой. Вершины параллелепипеда называют узлами пространственной решетки. Размер элементарной ячейки оценивают отрезками а, в, с, называемыми периодами решетки.

Период решетки – это расстояние между атомами по ребру элементарной ячейки. Параметры решетки измеряются в нанометрах (1 нм = 10⁻⁹ м = 10 Å).

Дополнительными характеристиками кристаллической решетки являются координационное число, коэффициент компактности, базис кристаллической решетки.

Координационное число К – число ближайших равноудаленных частиц (атомов) от любого атома в кристаллической решетке (для ОЦК – К 8, для ГЦК – К 12). Коэффициент компактности (плотность упаковки) – отношение объема всех частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки (для ОЦК – 0,68, для ГЦК – 0,74).

Базис кристаллической ячейки – число атомов, принадлежащих каждой элементарной ячейке. Для ОЦК, ГЦК и ГПУ базис соответственно равен: Б = 2, 4, 4.

Упорядоченность расположения атомов в кристаллической решетке позволяет четко выделить кристаллографические направления и плоскости (рис. 1.4). Кристаллографические направления – лучи, выходящие из какой-нибудь точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы.

 

Рис. 1.4. Основные кристаллографические направления и плоскости

Точками отсчета могут служить вершины куба, при этом кристаллографическими направлениями являются его ребра и диагонали грани.

Кристаллографические плоскости – плоскости, на которых лежат атомы, например грани куба или его диагональной плоскости. Кристаллографические направления и плоскости принято обозначать индексами Миллера. Использование понятий о кристаллографических направлениях и плоскостях и об их индексах позволяет описывать различные явления, происходящие в кристаллических телах, а также особенности свойств кристаллических тел вдоль различных направлений и плоскостей.

Физические и прочностные свойства металлов вдоль различных кристаллографических направлений зависят от числа атомов, расположенных на этих направлениях. В действительности в кристаллической решетке на различных направлениях находится разное число атомов. Например, в кубических решетках (рис. 1.4) вдоль диагонали куба ОЦК решетки [111] или диагонали грани решетки ГЦК [110], [101], [011] размещается больше атомов, чем по направлениям вдоль ребер кубов [100], [010], [001].

Из этого следует, что в кристаллических веществах должна наблюдаться анизотропия, т. е. неодинаковость свойств вдоль различных кристаллографических направлений.

Анизотропия – это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая в результате упорядоченного расположения атомов в пространстве. Анизотропия механических и других свойств наблюдается при испытании образцов, вырезанных вдоль различных кристаллографических направлений. Не всем свойствам кристаллических тел присуще явление анизотропии, например теплоемкость от направления не зависит.

Анизотропия проявляется только в пределах одного кристаллического зерна. Реальные металлы являются телами поликристаллическими, состоящими из огромного числа зерен, произвольно ориентированных друг к другу своими кристаллографическими направлениями и плоскостями. В связи с этим недостаток какого-либо свойства по одному из направлений приложения силы в одних зернах компенсируется избытком этого свойства по этому же направлению в других зернах. Поэтому реальные металлы являются квазиизотропными телами, т. е. телами с примерно одинаковыми свойствами по всем направлениям.