Кристаллическое строение металлов и дефекты кристаллических структур

ЛЕКЦИИ

Электронное строение и классификация металлов

Металлы, или вещества, находящиеся в металлическом состоянии, облада­ют электронным строением, характеризующимся наличием незаполненных поду­ровней в валентной зоне. Валентные электроны не связаны с определенными атомами, а принадлежат всему металлическому телу, образуя электронный газ, окружающий каркас из положительно заряженных ионов.

Металлическая связь между атомами ненаправленная. Каждый атом стре­мится окружить себя как можно большим числом соседних атомов, следствием чего является высокая компактность металлов.

Электроны, образующие электронный газ, называют электронами проводи­мости, поскольку они легко перемещаются во внешнем электрическом поле, соз­давая электрический ток.

Недостроенность валентных энергетических зон металлов определяет их высокую электропроводность, теплопроводность, металлический блеск и другие свойства. Все металлы имеют положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, т.е. при Т ® 0 К R® 0 (у полупроводников и неметаллов при Т ® 0 К R® ¥).

По ряду характерных признаков металлы делят на две группы: черные и цветные. К черным относят железо и его сплавы (стали, чугуны). Остальные ме­таллы и сплавы на их основе - цветные. Нередко к металлам железной группы относят Ni, Co и Мn.

Металлы с температурой плавления выше 1800°С называют тугоплавкими. К ним принадлежат Ti, Zr, Cr, V, Nb, Mo, W и др.

Металлы с низкой температурой плавления (Hg, Sn, Bi, Cd, Pb, Zn, Sb и др.) относят к легкоплавким.

К легким относятся металлы с низкой плотностью. К ним принадлежат нашедшие широкое техническое применение Mg, Be, Al, Ti.

Металлы (Ag, Au, Os, Ir, Pt, Rh, Pd и др.) составляют группу благородных. Они химически инертны. К благородным металлам часто относят медь, обла­дающую химической стойкостью в сухой атмосфере.

К редкоземельным металлам (РЗМ) относят металлы группы лантана - лан­таноиды (Се, Pr, Nd и др.) и сходные с ними Y и Sc.

Группу урановых металлов составляют используемые в атомной технике ак­тиноиды (Th, Pa, U и др.).

Li, Na, К и др. (их используют в качестве теплоносителей в ядерных реакто­рах) составляют группу щелочных металлов.

Ряд металлов (Fe, Ni, Co, Gd), в связи с особенностями их электронного строе­ния, обладает ферромагнетизмом - способностью сильно намагничиваться во внеш­нем магнитном поле. Основные свойства ферромагнетиков определяются доменной структурой их кристаллов.

Кристаллическое строение металлов и дефекты кристаллических структур

Большинство металлов имеют кристаллическую решетку. Положительно заряженные ионы, образующие каркас металлического тела, совершают непре­рывные тепловые колебания около точек, закономерно расположенных в опреде­ленных местах пространства. Эти точки являются узлами воображаемой про­странственной кристаллической решетки. Наименьший объем кристалла, при трансляции которого по координатным осям воспроизводится вся кристаллическая решетка, называют элементарной кристаллической ячейкой. Ячейка характеризуется параметрами а, b и с - перио­дами кристаллической решетки (расстояниями между атомами, расположенными на ребрах ячейки, направленных по осям x, y и z соответственно) и углами между координатными осями - a (между осями х и z), b (между у и z), g(между х и у).

Различают простые и сложные кристаллические решетки. В элементарной ячейке простой решетки атомы (ионы) расположены только в вершинах обра­зующего ячейку многогранника. В сложных - они могут находиться также внут­ри многогранника или на его гранях.

Металлы имеют сложные кристаллические решетки. В большинстве случаев – это кубическая объемно-центрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

В элементарной ячейке ОЦК атомы находятся в вершинах куба и внутри не­го, в точке пересечения пространственных диагоналей. В ячейке ГЦК атомы рас­положены в вершинах куба и в центре каждой грани. В ячейке ГПУ атомы нахо­дятся в вершинах правильной шестигранной призмы, в центре каждого ее осно­вания и, кроме того, три атома заключены внутри призмы.

Размеры элементарной ячейки определяются размерами образующих ее атомов. При этом полагают, что атомы, представляемые в виде жестких шаров, касаются друг друга в направлениях ячейки с наиболее плотным их расположением.

Во многих случаях в разных температурных интервалах один и тот же ме­талл обладает различными кристаллическими решетками. Такое явление носит название полиморфизм или аллотропия.

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

Коэффициент компактности - это отношение объема принадлежащих кристаллической ячейке атомов к объему всей ячейки. Следует иметь в виду, что в кристаллической решетке часть атомов, составляющих ячейку, относится не только к данной ячейке, но и к ячейкам, находящимся по соседству. Например, атом, расположенный в вершине кубической ячейки (простая кубическая, ОЦК, ГЦК) принадлежит еще семи соседним ячейкам, т.е. данной ячейке принадлежит лишь 1/8 атома.

Коэффициент компактности простой кубической решетки равен 52%, ОЦК -68%, ГЦК - 74% (столь же компактна решетка ГПУ). Остальное пространство занято порами. В ячейке ГЦК в центре расположена крупная октаэдрическая пора с радиусом, равным 0, 41 радиуса атома. В ячейке ОЦК больших пор нет. Поры, расположенные на ребрах ячейки, имеют радиус, равный 0, 16 радиуса атома.

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 (на расстоянии 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 соседей (К12).

Чем выше координационное число, тем плотнее пространственная кристал­лическая решетка материала.

Базис кристаллической решетки - это таблица координат атомов, принад­лежащих элементарной ячейке, рассматриваемой в пространственных координат­ных осях. Базис простой кубической решетки (0, 0, 0), ОЦК - (0, 0, 0; 1/2, 1/2, 1/2), ГЦК- (0, 0, 0; 1/2, 0, 1/2; 0, 1/2, 1/2; 1/2, 1/2, 0).

Пространственное положение кристаллографических плоскостей (плоско­стей, проходящих через определенные группы атомов кристаллической решетки), а также кристаллографических направлений характеризуется кристаллографиче­скими индексами.

Индексы плоскости - это три целых числа, заключенных в круглые скобки и представляющих собой приведенные к целым числам значения обратных вели­чин отрезков, отсекаемых плоскостью на осях x, у, z. За единицы длины прини­мают параметры решетки а, b, с. Например, плоскость, включающая пространст­венные диагонали куба, имеет индексы (101). Если плоскость отсекает отрица­тельные отрезки, то знак минус ставится над соответствующим индексом. Кри­сталлографические индексы отражают положение не только данной плоскости, но целого семейства плоскостей, ей параллельных.

Индексы направлений - это три числа, заключенных в квадратные скобки и представляющих собой приведенные к целым значениям координаты любой точ­ки направления после его параллельного переноса в начало координат. За едини­цы длины принимают параметры кристаллической решетки. Например, направ­ление, совпадающее с пространственной диагональю куба, имеет индексы [111]. Если направление имеет отрицательные координаты, то над соответствующим индексом ставится знак минус.

В различных направлениях кристаллической решетки плотность располо­жения атомов различна, что влечет за собой различие в свойствах кристалла в зависимости от направления, в котором это свойство измерено - анизотропию. В поликристаллических телах в пределах отдельных зерен наблюдается явление анизотропии. Однако, поскольку ориентация кристаллической решетки в различ­ных зернах различна, в целом по куску материала свойства усредняются. Поэтому реальные металлы являются изотропными, т.е. телами с примерно одинаковыми свойствами по всем направлениям. Поскольку их изотропность является не ис­тинной, а усредненной, то их принято называть квазиизотропами. Если каким-либо способом, например давлением, сориентировать кристаллические решетки в зернах одинаково (создать текстуру деформации), то такое поликристаллическое тело станет анизотропным.

Реальные кристаллы всегда содержат дефекты - искажения правильного расположения атомов в пространстве. Различают точечные, линейные, поверхно­стные и объемные дефекты.

Точечные дефекты по размерам сравнимы с межатомными расстояниями. К ним относятся вакансии (отсутствие атома в узле кристаллической решет­ки), межузельные или дислоцированные атомы (атом нахо­дится в межузельном пространстве кристаллической решетки) и примесные атомы. Среди последних различают атомы замещения (чужеродный атом за­нимает место в узле кристаллической решетки) и атомы внедрения (чужеродный атом находится в межузельном пространстве решетки).

Линейные дефекты по размерам в двух направлениях сравнимы с межатом­ными расстояниями, а в третьем простираются на многие тысячи периодов кри­сталлической решетки. Важнейшими видами линейных несовершенств являются краевые (линейные) и винтовые дислокации.

Образование краевых дислокаций вызвано присутствием в кристаллической решетке неполных кристаллографических плоскостей. Такие полуплоскости, не имеющие продолжения в нижней или верхней частях кристаллической решетки, называются экстраплоскостями. Краевая дислокация представляет собой область упругих искажений, проходящих вдоль края экстраплоскости. Различают поло­жительные и отрицательные дислокации. Положительная дислокация (ее отме­чают знаком ^) возникает, если экстраплоскость находится в верхней части кри­сталла, если в нижней - отрицательная (ее отмечают знаком T).

Винтовая дислокация - это область упругих искажений кристаллической решетки, проходящая вдоль линии, вокруг которой атомные плоскости изогнуты по винтовой поверхности. В зависимости от направления изгиба различают пра­вые и левые винтовые дислокации.

Дислокации (краевые и винтовые) не могут обрываться внутри кристалла. Они выходят на границы кристалла, прерываются другими дислокациями или образуют дислокационные петли.

Поверхностные дефекты малы только в одном направлении. Они представ­ляют собой упругие искажения кристаллической решетки по границам зерен или их фрагментов (блоков мозаичной структуры). Различают большеугловые (высо­коугловые) и малоугловые (низкоугловые) границы.

Большеугловые границы представляют собой области в не­сколько периодов кристаллической решетки, на протяжении которых решетка одной кристаллографической ориентации переходит в решетку другой ориента­ции. Такое строение имеют межзеренные границы.

Малоугловые границы представляют собой цепочки дислокаций (дислокационные стенки), отделяющие одну часть кристаллической решетки от другой (один блок мозаичной структуры от другого). Плотность расположения дислокаций зависит от угла между кристаллографическими плоскостями в сосед­них блоках. Чем угол больше (в пределах до нескольких угловых градусов), тем чаще расположены дислокации.

Объемные дефекты представляют собой искажения решетки, вызванные наличием пор, трещин, раковин и других макроскопических нарушений непрерывности кри­сталлической решетки.