Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Кристаллическая решетка металлов

14.11.2018

Большинство конструкционных материалов — металлы, сплавы, керамика, химические неорганические соединения имеет кристаллическое строение.

Кристаллы — твердые тела, характеризующиеся закономерным периодическим расположением составляющих его частиц — атомов, ионов — в пространстве и имеющие правильную геометрическую форму. Структура кристалла — это конкретное расположение атомов или ионов в пространстве. Периодичность (упорядоченность) расположения атомов можно описать графически, многократно повторяя в пространстве одну и ту же структурную комбинацию, состоящую из малого числа атомов. Для этого существует понятие пространственной решетки.

Пространственная решетка — это геометрическое построение, которое выявляет периодически повторяющиеся атомы в кристалле.

Места в кристалле, в которых расположены атомы, называют узлами кристалла.

Расположение узлов в пространственной решетке, т.е. строение кристалла, можно описать, используя как ортогональные, так и косоугольные оси координат (рис. 3.1). Если поместить один из узлов в начало координат, а остальные — вдоль осей и соединить атомы воображаемыми линиями в трех направлениях, то получится пространственная кристаллическая решетка. Кратчайшее расстояние вдоль оси координат до соседнего узла называется периодом трансляции, или элементарной трансляцией.

В результате симметричного сдвига узлов по осям координат (их трансляции в пространстве) образуется элементарный параллелепипед. Таких параллелепипедов, симметричных и подобных друг другу, в кристалле множество (рис. 3.1, а).

Параллелепипед, построенный на трех элементарных трансляциях (наименьший из параллелепипедов), в вершинах которого расположены узлы кристалла, называется элементарной ячейкой кристалла (рис. 3.1, б). Это наименьшее структурное образование в кристалле, контур которого представляет собой составленное из атомов геометрическое тело, например куб. В кубической решетке различают вершины, ребра, грани (плоскости), углы (см. рис. 3.1, б).

Кубическая решетка может быть простой, т. е. такой, в вершинах которой находятся атомы (ионы); объемно-центрированной (ОЦК), у которой один дополнительный атом расположен в центре куба; гранецентрированной (ГЦК), в которой атомы расположены в центре каждой грани (рис. 3.2). Кристаллические решетки характеризуются параметром (межатомное расстояние, измеряемое между двумя соседними плоскостями); координационным числом (количеством атомов-соседей, находящихся на ближайшем расстоянии) и плотностью упаковки. Кристаллические решетки представляют собой идеальную, совершенную структуру кристалла.

Плотноупакованной называется кристаллическая решетка, в которой при данном параметре достигают максимальной концентрации узлов (атомов, ионов) в единице объема. Плотноупакованной является ГЦК-решетка, а также гексагональная плотноупакованная (ГП) решетка (рис. 3.3).

В Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева существуют такие элементы, которые имеют различные кристаллические решетки (две или несколько) в зависимости от температуры. Данное явление называется полиморфизмом или аллотропией. Наибольшее значение полиморфизм имеет в переходных металлах, применяемых в технике. К ним относятся металлы IV периода: скандий, титан, железо, кобальт (по две модификации), марганец (четыре модификации) (табл. 3.1).

Модификации металлов обозначают малыми греческими буквами: обычно низкотемпературную модификацию — буквой а, высокотемпературные модификации — в, у, b. Например, для обозначения модификаций железа используют а, у, b; для титана и скандия — а и в (см. табл. 3.1).

В IV периоде Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева ОЦК-решетки имеют а-железо, в-титан, ванадий, хром, молибден, вольфрам; ГЦК-решетки — у-железо, никель, алюминий, медь; ГП-решетки — а-титан, цинк.

Для всех кристаллов характерна анизотропия свойств, т. е. различие (неравенство) свойств кристаллов в разных кристаллографических направлениях вследствие различного расположения атомов в этих направлениях. Анизотропия проявляется при определении физических, механических и других свойств. Однако существуют свойства, не зависящие от кристаллографического направления, например, такие физические характеристики, как плотность и теплоемкость. Большинство же характеристик (модуль упругости E, электросопротивление р, коэффициент диффузии D и др.) обусловлено выбором кристаллографического направления, в котором их измеряют.

Свойства можно измерять на объектах, которые характеризуются определенным материальным объемом — от нескольких кубических миллиметров до десятков кубических сантиметров. Эти объекты носят название монокристаллы.

Монокристалл — одиночный кристалл, имеющий единую кристаллическую решетку.

Материалы, в которых отсутствует кристаллическое строение, являются аморфными. Они характеризуются хаотическим расположением атомов (ионов, молекул) в пространстве. Аморфные вещества — это как бы застывшие жидкости, но с более низкой подвижностью частиц (вязкостью). К аморфным материалам относится большинство органических веществ — янтарь, стекло, смола, полимеры. В настоящее время разработаны и металлические аморфные сплавы.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: