§ 64. Типичные кристаллические структуры металлов.

Каждый металл при кристаллизации обнаруживает совершенно определенную кристаллическую структуру, однако некоторые металлы изменяют структуру при изменении внешних условий — температуры и давления. Это явление называется полиморфизмом; модификации, отличающиеся строением решетки, обозначаются обычно греческими буквами. Так, железо при температуре ниже 910° называется -железом, при более высокой температуре решетка его перестраивается, соответствующая модификация называется -железом или аустенитом.

Наиболее распространенными типами кристаллических структур металлов являются следующие три:

1. Гексагональная плотноупакованная структура. Представим себе атомы в виде твердых шаров одинакового диаметра. Уложим плотно первый слой этих шаров, как показано на рис. 80 сплошными линиями. Второй слой плотно уложенных шаров показан на том же рисунке пунктиром. На этот слой можио положить третий таким образом, что центры шаров третьего слоя окажутся в точности над центрами шаров первого слоя. Четвертый слой укладывается таким образом, что расположение шаров воспроизводит их расположение во втором слое, и т. д.

На рис. 81 показана основная ячейка гексагональной плотноупакованной структуры. Точки изображают центры атомов, буквы устанавливают соответствие между рис. 80 и рис. 81, индексы при

Рис. 80.

буквах указывают на номер слоя. Отрезки, показанные на схеме рис. 81 сплошными линиями, равны между собой и равны диаметру шара. Легко подсчитать, что отношение высоты шестигранной призмы к стороне основания есть 2 У у

Гексагональную плотноупакованную структуру имеют магний, цинк, -никель и другие металлы.

2. Кубическая гранецентрированная структура. Эта структура является также плотноупакованной. Дело в том, что способ плотной укладки шаров, приведенный при рассмотрении гексагональной структуры, не является единственным. После того как первый ряд шаров уложен, соединив центры их отрезками прямых, мы получим чередующиеся ряды треугольников, расположенных вершинами вниз и вершинами вверх.

Шары второго слоя мы положили так, что их центры приходятся над центрами треугольников, обращенных вершинами вверх. При укладке третьего слоя имеются две возможности. Если мы помещаем шары третьего слоя так, что центры их приходятся под центрами обращенных вниз вершинами треугольников второго слоя, третий слой повторяет первый. Продолжая эту систему укладки, мы получаем гексагональную структуру. Но если мы будем укладывать каждый слой, одинаковым способом, например так, что центры шаров следующего слоя помещаются над центрами обращенных вершинами вверх треугольников предыдущего слоя, мы получим другую структуру, называемую кубической гранецентрированной (рис. 82). В ней четвертый слой повторяет расположение шаров первого слоя. Основная ячейка гранецентрированиой кубической решетки изображается обычно так, как показано на рис. 83. Плоскостям, в которых укладываются слои шаров, соответствуют октаэдрические плоскости куба, то есть сечения, наклоненные одинаково по отношению к трем ребрам куба. Если вершина соответствует отмеченному той же буквой на рис. 82 центру шара четвертого слоя, атомы, расположенные в плоскости BCD, соответствуют шарам третьего слоя, плоскость EFQ соответствует второму слою, атом Н изображается шаром первого ряда. Соответствие между рис. 83 и рис. 82 легко установить, если смотреть на куб по направлению диагонали АН.

Рис. 81.

Кубическая гранецентрированная решетка характерна для ряда металлов, применяемых в технике, такую структуру имеет -железо, алюминий, медь, никель, свинец и многие другие металлы и сплавы, в том числе некоторые сплавы на железной основе, так называемые аустенитные стали.

3. Кубическая объемноцентрированная структура. Элементарная ячейка такой структуры изображена на рис. 84. Эту структуру имеют -железо, большинство сплавов на железной основе, хром, молибден, ванадий и другие металлы. Тип кристаллической решетки для данного металла может быть установлен при помощи рентгенографического исследования. Структура реальных кристаллов никогда не бывает идеально правильной.

Рис. 82.

Рис. 83.

Рис. 84.

Помимо местных дефектов, о которых будет сказано ниже, в кристаллах наблюдается так называемая мозаичная, или блочная, структура, кристалл разбивается на блоки величиной порядка см, незначительно отличающиеся ориентировкой кристаллографических плоскостей.

Как мы видели, упругая деформация кристаллов является результатом изменения междуатомных расстояний. Чтобы получить законы упругости, необходимо рассмотреть действительное расположение атомов в кристаллической решетке и учесть, что все атомы взаимодействуют между собой. Простая модель двух атомов, приведенная в § 63, конечно, недостаточна. Такого рода расчеты производились и хорошо подтверждены экспериментами. Существенно заметить, что строение кристаллической решетки сразу указывает, что упругие свойства будут различными для разных направлений; кристаллы не являются изотропными.