Строение и физические свойства металлов и сплавов в жидком и твердом состояниях, страница 3

В металлах наиболее распространенными являются следующие типы кристаллических решеток: гексагональная плотно упакованная (ГПУ), кубическая гранецентрированная (ГЦК), кубическая объемноцентрированная (ОЦК).

Структура ГПУ называется плотно упакованной, потому что она обладает максимальной плотностью упаковки – каждый атом окружен двенадцатью ближайшими соседями (рис. 3): шесть атомов находятся в одной и той же плоскости и по три атома в верхней и нижней плоскостях. Такой решеткой обладают следующие металлы: бериллий, магний, кобальт, цинк, кадмий, рений, осмий.

ГЦК также является плотно упакованной решеткой (рис. 4). В ней атомы (ионы) занимают все вершины куба и центр каждой грани. В этой решетке каждый атом также имеет 12 соседних атомов. Решетку гранецентрированного куба имеют алюминий, медь, никель, свинец, платина, золото, серебро, железо (при температуре от 720 до 910°С).

Решетка ОЦК обладает менее плотной упаковкой атомов (рис. 5). Эта элементарная ячейка представляет собой куб с атомами (ионами) в каждой вершине и в центре куба. Здесь каждый атом окружен восемью соседями. Решеткой объемноцентрированного куба характеризуются следующие металлы: литий, натрий, калий, ванадий, вольфрам, ниобий, железо (при температуре ниже 720°С и выше 910°С).

Три вышеприведенные типы элементарных кристаллических решеток имеют большинство металлов, но не все. Так марганец имеет простую кубическую решетку, а висмут, сурьма – ромбоэдрическую и т.д.

Основными параметрами кристаллических решеток являются кратчайшее межатомное расстояние – d, атомный радиус – r_a и атомный объем – V_a.

В табл. 1 приведены типы структур и основные параметры кристаллических решеток наиболее распространенных металлов.

При изучении свойств металлов многие из них хорошо согласуются со свойствами описанных кристаллических решеток: плотность, удельная теплоемкость, упругие свойства. Эти свойства называются структурно-чувствительными. Однако целый ряд других свойств не согласуется со свойствами кристаллических решеток: прочность, пластичность и другие. Так прочность металлов, рассчитанная на основе механики кристаллических решеток примерно на два порядка выше реальной прочности. Объяснение подобных явлений дает рассмотрение несовершенств кристаллических решеток, т.е. фактические структуры имеют отклонения от идеальных геометрических образований.

Таблица 1

Структуры и параметры кристаллической решетки металлов