Кристалічна будова металів

Кристалічна будова характеризується геометрично правильним розташуванням атомів (іонів) у просторі. Атоми металу перебувають на певній відстані між собою, при якій енергія взаємодії позитивно і негативно заряджених частинок мінімальна. В площині атоми утворюють атомну сітку, а в просторі – атомно-кристалічну гратку. Атоми коливаються навколо точки рівноваги з великою частотою.

Властивості металів визначаються певним типом кристалічної гратки. Переважна більшість металів має кубічну об'ємноцентровану, кубічну гранецентровану або гексагональну щільноукладену гратку.

Рис. 1.1. Елементарні кристалічні гратки:

а – об’ємноцентрований куб; б - гранецентрований куб;

в – гексагональна гратка.

В кристалічній гратці об'ємноцентрований куб (ОЦК) вісім атомів розташовано на перетині ребер куба і один — на перетині його діагоналей. Таку будову (ОЦК) мають метали: калій, натрій, β-титан, β-цирконій, тантал, вольфрам, ванадій, α-залізо, хром та інші.

Кристалічну решіткухарактеризується її лінійним розміром. Для кубічної комірки це довжина ребра куба а, яка вимірюється в нанометрах (нм). Один нанометр 1 нм = 10^{-9 м} . Для металів з кубічною елементар­ною решіткою значення а перебуває в межах 0,2...0,6 нм.

Елементарна кристалічна гратка гранецентрований куб (ГЦК) має вісім атомів на перетині ребері шість атомів — на перетині діагоналей граней куба. Така будова влас­тива для свинцю, нікелю, срібла, золота, платини, γ-заліза та інших металів.

У гексагональній щіпьноукладеній гратці (ГЩУ) атоми розташовані в кутах і в центрі основ шестигран­ної призми, а три атоми — між її основами, всього 17. Таку решітку ма­ють магній, α-титан, кадмій, реній, осмій, рутеній, цинк, бери­лій та інші метали.

Дефекти кристалічної будови

Реальні кристали на відміну від ідеальних мають багато різ­них дефектів. Під дефектом розуміють зону кристалу, де порушено правильне розташування атомів. За геометричною ознакою дефекти кристалічної будови поділяють на: точкові, лінійні, поверхневі, об'ємні.

Точкові дефекти дуже малі в усіх трьох ви­мірах упросторі: їх розміри не перевищують декількох параме­трів кристалічної гратки. До таких дефектів належать вакан­сії, міжвузлові атоми, атоми домішок тощо.

Вакансією називається порожнє місце в кристалі, де мав би перебувати атом. Окремий атом, що коливається з вищою енергією, покидає вузол кристаліч­ної гратки і потрапляє на поверхню кристалу або на границю між зернами. На місці, де перебував цей атом,утворилась вакан­сія, яку заповнює згодом інший атом. В результаті відбувається міграція вакансії в глибину кристалу.

Рис. 1.2. Точкові дефекти:

Рис. 1.2. Точкові дефекти:

а – вакансія; б – міжвузловий атом; в – атом домішки

Кожній температурі відповідає своя рівноважна концентра­ція вакансій. Що вища температура кристалу, то більше в ньо­му вакансій і частіше вони переходять від вузла до вузла. При температурі, близькій до температури плавлення металу, кіль­кість вакансій становить близько 1 % кількості атомів у крис­талі. Зі збільшенням кількості вакансій зменшуються густи­на, електро- і теплопровідність кристалу.

Міжвузловим називають атом, що вийшов із положення рівноваги і зайняв простір між вузлами. На його місці утворилась вакансія. Перехід атомів у між-вузлове положення викликає опромінення нейтро­нами, при цьому значно менший вплив мають теплові коливан­ня атомів.

Атоми домішок є навіть у найчистішому металі. Вони або заміщають атоми основного металу у вузлах кристалічної гратки, або розташовуються між вузлами. У близькому оточенні точкових дефектів кристалічна гратка викривлюється. Такі спотворення суттєво не по­значаються на механічних властивостях металу, зате вони по­значаються на деяких його фізичних властивостях, наприклад на електроопорі.

В різних площинах кристалічної гратки атоми розміщені з різною щільністю і тому властивості кристалу в різних напрямах різні. Таке явище називається анізотропією.

Найбільш суттєвим лінійним порушенням будови кристалу є дислокації. Одним із способів утворення дислокації є зсув частини атомів кристалу відносно іншої частини атомів. В невеликій спотвореній зоні міжатомні відстані менші або більші від нормальних, а поза межами цієї зони вони нормальні. Дислокації виникають під час кристалізації, пластичної деформації, фазових перетворень.