Типы кристаллических структур: FCC, BCC и HCP - объяснения

Введение

Кристаллические структуры определяют, как атомы располагаются вместе в металлах и других твердых материалах. Расположение влияет на прочность, пластичность и многие другие ключевые свойства.

Диаграмма кристаллических структур

Ниже приведена простая схема трех основных кристаллических структур:
- Гранецентрированная кубическая - атомы располагаются в каждом углу куба и в центре каждой грани. Эта структура дает высокий коэффициент упаковки.
- Body Centered Cubic - атомы располагаются в восьми углах и один в центре куба. Эта структура имеет более низкий коэффициент упаковки по сравнению с кубической структурой с центром на гранях.
- Гексагональная плотная упаковка - атомы образуют слои в форме шестиугольника. Средний слой располагается между двумя такими же слоями. Такая структура очень компактна и прочна.

Каждая структура имеет свои преимущества. Их различия важны для прочности, пластичности и проводимости материала. В повседневном использовании небольшое изменение в расположении атомов может изменить характеристики металла в реальных условиях.

FCC, BCC и HCP

Гранецентрированные кубические структуры характерны для таких металлов, как медь, алюминий и золото. Их атомы соприкасаются по диагоналям граней. Это придает им отличную пластичность и легкость деформации под нагрузкой. В металлах с таким расположением часто наблюдается хорошая устойчивость к усталости и износу.

Кубические структуры, центрированные по телу, встречаются в таких металлах, как железо (при комнатной температуре), хром и вольфрам. В этих структурах атомы расположены менее плотно. Атомы соприкасаются друг с другом вдоль центральных линий куба. В результате такие материалы часто обладают высокой прочностью, но меньшей пластичностью по сравнению с кубическими материалами с гранями. Они могут быть более хрупкими в холодных условиях.

Гексагональные плотноупакованные структуры встречаются в таких металлах, как магний, титан и цинк. Здесь атомы располагаются в виде шестиугольника, а затем повторяют его в плотной упаковке. Такая структура придает металлам высокую прочность. Их системы скольжения могут быть меньше. Это может повлиять на то, как металл деформируется при нагрузках.

Каждая кристаллическая структура имеет свое координационное число и коэффициент упаковки. В кубическом гранецентрированном кристалле типичное координационное число равно 12, а коэффициент упаковки составляет около 0,74. Кубическая центрированная структура имеет координационное число 8 с коэффициентом упаковки около 0,68. Гексагональная плотная упаковка имеет координационное число 12 и фактор упаковки, аналогичный гранецентрированной кубической. Эти числа помогают нам понять различия в физических свойствах и механическом поведении.

Многие практические примеры демонстрируют каждую из этих схем в действии. Например, в автомобильной промышленности для алюминиевых деталей обычно используется кубическая компоновка с торцевым центром из-за ее способности поглощать удары. В строительстве и тяжелом машиностроении для деталей, требующих высокой прочности, выбирают кубические металлы, расположенные по центру корпуса. В аэрокосмической промышленности титан с его гексагональной структурой находит применение в областях, где требуется легкий, но прочный металл.

Типы решетки материалов

Материалы с различными типами решетки проявляют различные свойства в повседневном использовании. Медь, кубический металл с лицевым центром, достаточно мягкий, чтобы гнуться, но достаточно прочный для проводки и систем теплообмена. Кубическое железо, центрированное по телу, используется в строительстве, потому что оно не поддается деформации даже при больших нагрузках. Магний, имеющий гексагональную структуру с плотной упаковкой, используется в авиационной промышленности благодаря небольшому весу и улучшенному соотношению прочности и веса.

Когда вы выбираете материал для работы, вы также смотрите на расположение решетки. Кубическая структура с торцевым центром помогает при изготовлении деталей, которые должны выдерживать многократные изгибы без образования трещин. Кубическая структура по центру тела предпочтительна, когда детали должны обладать высокой прочностью при ударных нагрузках. Гексагональная структура с тесной упаковкой выбирается, когда требуется легкий, но прочный материал.

Инженеры и ученые используют эти наблюдения для изменения свойств материалов. Они управляют кристаллической структурой с помощью легирования и термообработки, чтобы достичь желаемых результатов в прочности, вязкости или электропроводности. Это практическое применение материаловедения привело к созданию мостов, зданий, двигателей и даже повседневных кухонных инструментов.

Заключение

Понимание различий между кубической, кубической с центром по граням, кубической с центром по телу и гексагональной с плотной упаковкой помогает выбрать подходящий материал для решения конкретной задачи. Расположение атомов - это не просто академические разговоры. Оно имеет значение для того, как металлы гнутся, растягиваются или сопротивляются силам. Надеюсь, это простое и дружелюбное руководство дало вам четкое представление об этих важных типах решеток. Помните, что даже небольшое изменение в расположении атомов может привести к значительным изменениям в работе металлов. Этот краткий обзор должен послужить вам полезным ориентиром при изучении материалов или работе с ними в полевых условиях.

Часто задаваемые вопросы

F: В чем главное преимущество гранецентрированной кубической структуры?
В: Она обладает высокой пластичностью и легкостью деформации при напряжении.

F: Почему кубическая структура с центром в теле обладает меньшей пластичностью?
В: Атомы упакованы менее плотно, что приводит к меньшей гибкости при ударе.

F: В каких областях используются металлы с гексагональной плотной упаковкой?
В: Они широко распространены в аэрокосмической промышленности и в легких, требующих высокой прочности конструкциях.

Ссылки:

[1] Kumar Saxena, Sachin & Gaur, Vidit. (2022). Advances in Fatigue Prediction Techniques. 10.5772/intechopen.99361.