Кристаллическое строение металлов

Свойства металлов и сплавов в основном определяются их внутренним строением, или структурой. Поэтому, чтобы разумно управлять свойствами металлов и изменять их в желательном для нас направлении, необходимо знать их строение. Все тела состоят из огромного количества атомов, отделенных друг от друга промежутками ничем не занятого пространства. Атомы удерживаются на месте силами взаимного притяжения и отталкивания (силами сцепления). Различие в свойствах металлов, прежде всего, обусловливается природой атомов. Атомы железа не сходны с атомами алюминия или атомами меди, поэтому каждый металл имеет свои индивидуальные свойства. Но не только природой атомов определяются свойства металлов. Они зависят еще и от того, как между собой связаны атомы: какое расстояние между ними, каков порядок их расположения. Если изменить расстояние между атомами или порядок их расположения, то и свойства металла изменятся.

В твердых телах атомы могут располагаться либо беспорядочно, либо в определенном порядке. В зависимости от этого различают тела аморфные и кристаллические. У аморфных тел атомы располагаются в пространстве беспорядочно. Наиболее типичное аморфное вещество - стекло. У кристаллических тел атомы размещаются в строго геометрически правильном порядке. Большинство твердых тел, в том числе все металлы и их сплавы, является телами кристаллическими. Порядок расположения атомов у различных металлов неодинаков. Обычно он характеризуется пространственной, или кристаллической решеткой. Такая решетка получается, если представить атомы в виде шариков и соединить их друг с другом.

Следует иметь в виду, что такое изображение кристаллической решетки является условным и используется лишь для большей наглядности. В действительности никаких линий между атомами в кристаллическом теле нет, - атомы почти соприкасаются друг с другом. Кроме того, атомы не находятся в покое, а испытывают непрерывные колебания. При нагреве тела колебание атомов возрастает, а при температуре плавления оно становится настолько большим, что атомы значительно удаляются друг от друга, связь их слабеет, и решетка разрушается. Большинство важнейших металлов имеет простые кристаллические решетки. Хром, вольфрам, молибден и некоторые другие металлы имеют кристаллическую решетку центрированного куба, элементарная ячейка. Элементарная ячейка изображает только один элемент или одну ячейку кристаллической решетки, а вся решетка в целом состоит из большого количества многократно повторяющихся элементарных ячеек. Элементарная ячейка центрированного куба имеет 9 атомов; 8 из них расположены по углам куба, а один - в центре.

Такие металлы, как медь, алюминий, никель, имеют кристаллическую решетку куба с центрированными гранями, элементарная ячейка. Приведенная элементарная ячейка состоит из 14 атомов; 8 из них расположены по углам куба и 6 - в центре каждой из его шести граней; в центре куба атома нет. Железо может иметь и тот и другой тип кристаллической решетки. Встречаются и другие типы кристаллических решеток.

Свойства металлов зависят не только от типа решетки, но и от расстояния между атомами в ней. Это расстояние, как и другие размеры кристаллической решетки, измеряется в ангстремах. Ангстрем - это одна десятимиллионная часть миллиметра. У большинства металлов расстояние между атомами колеблется в пределах от 2,8 до 6 ангстрем. Расстояние между атомами железа при комнатной температуре равно 286 миллиардным долям миллиметра. Ввиду того, что атомы представляют собой мельчайшие частицы (например, на отрезке длиной в 1 см можно разместить в один ряд 33 миллиона атомов железа), увидеть их или хотя бы кристаллическую решетку в целом невозможно даже при помощи самых сильных микроскопов. Тип кристаллической решетки и расстояние между атомами могут быть установлены лишь с помощью рентгеновых лучей.