Характеристики кристаллических решеток
Ю.Г. Дорофеев, В.И. Устименко, В.А. Червоный
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Учебное пособие для дистанционного обучения
Новочеркасск 2007
| ОГЛАВЛЕНИЕ | |
| 1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ | |
| 1.2. Дефекты кристаллического строения металлов | |
| 2. ТЕОРИЯ СПЛАВОВ | |
| 2.1. Кристаллизация металлов | |
| 2.2. Виды сплавов | |
| 2.3. Диаграммы состояния | |
| 3. ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА | |
| 4.ЖЕЛЕЗО И ЕГО СПЛАВЫ | |
| 5. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ | |
| 6. ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ | |
| 7. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ | |
| 8. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ | |
| 9. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ | |
| БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК | |
| ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ |
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
Для металлов характерно кристаллическое строение. Взаимное расположение атомов в пространстве представляет кристаллическую решетку. Положительно заряженные ионы расположены в узлах кристаллической решетки и совершают колебания около своего среднего положения. Отрицательно заряженные электроны перемещаются вокруг ионов, образуя электронный газ. Наименьший объем кристалла, повторение которого в пространстве воспроизводит кристалл, называется элементарной кристаллической ячейкой.
Металлы имеют сложные кристаллические решетки, у которых атомы находятся не только в вершинах многогранника, но и внутри него. Наиболее характерны для металлов: кубическая объемно-центрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК), гексагональная плотно упакованная (ГПУ) и тетрагональная, представляющая собой параллелепипед и характерная для металлов в закаленном состоянии (рис.1.1).
 |
а) б) в) г)
Рис. 1.1. Кристаллические ячейки: а – ОЦК; ‑ б – ГЦК; в – ГПУ;
г ‑ тетрагональная
В решетке ОЦК атомы находятся в вершинах куба и внутри него на пересечении пространственных диагоналей. В решетке ГЦК атомы расположены в вершинах куба и на пересечении диагоналей каждой грани. В решетке ГПУ атомы находятся в вершинах шестигранной призмы, в центре ее оснований, а также три атома находятся внутри призмы.
Для ряда металлов характерно явление полиморфизма или аллотропии, которое характеризуется существованием одного и того же элемента в разных кристаллических состояниях при разных температурах. Например, для железа характерны полиморфные превращения: α, γ и δ. Для α-Fe характерна решетка ОЦК и оно существует в интервале температур от 0 до 911 ºС, γ-Fe имеет решетку ГЦК и существует в интервале температур 911–1400 ºС, δ-Fe имеет решетку ОЦК, существует в интервале температур 14001539 ºС и называется высокотемпературной модификацией α-Fe. При полиморфных превращениях свойства металлов меняются скачком.
Характеристики кристаллических решеток
Важными характеристиками кристаллической решетки являются период, координационное число, коэффициент компактности. Период решетки – это расстояние между двумя ближайшими соседними атомами. Кристаллическая решетка характеризуется параметрами a, b, c и углами между координатными осями – α (между осями x и z), β (между y и z), γ (между (x и y).
Координационное число – это число атомов, находящихся в кристаллической решетке на равном наименьшем расстоянии от данного атома. Каждый атом простой кубической решетки имеет 6 ближайших соседей, расположенных на расстоянии длины ребра куба (периода решетки). Координационное число такой решетки обозначают К6. В ОЦК решетке у каждого атома 8 ближайших соседей и координационное число равно 8 (К8). В ГЦК и ГПУ решетках каждый атом имеет 12 ближайших соседних атомов, соответственно координационные числа К12 и Г12.
Коэффициент компактности – это отношение объема атомов, приходящихся на элементарную кристаллическую ячейку, ко всему объему ячейки. Коэффициент компактности простой кубической решетки равен 52 %, ОЦК– 68 %, ГЦК – 74 % , ГПУ – 74 %.
Многократное повторение в пространстве кристаллографических плоскостей (плоскостей, проходящих через определенные группы атомов кристаллической решетки) воспроизводит кристалл. Пространственное расположение кристаллографических плоскостей и направлений характеризуется индексами.
Для монокристаллов характерна анизотропия свойств, т.е. неодинаковость свойств в разных кристаллографических направлениях, что вызывается разной плотностью упаковки атомов в направлениях испытания. Поликристаллические тела состоят из многих зерен. В отдельно взятом зерне наблюдается анизотропия, но поскольку ориентация кристаллографических плоскостей решетки в разных зернах различна, то по всему объему материала свойства выравниваются, т.е. реальные металлы являются изотропными. Поскольку их изотропность является не истинной, а усредненной, то их принято называть квазиизотропными. Для металлов, подвергнутых обработке давлением и имеющих волокнистую структуру, т.е. текстуру – направленное расположение волокон, характерна анизотропия свойств.