Металлы и сплавы, несмотря на все их разнообразие, имеют одну общую черту — кристаллическую структуру. Это означает, что атомы материала расположены в определенных точках пространства и на фиксированном расстоянии друг от друга. В пределах одного кристалла схема расположения атомов повторяется.
Для описания атомной структуры используется понятие кристаллической решетки (КР) — пространственной сетки, в узлах которой располагаются ионы (атомы) металлов, а между ними свободно перемещаются электроны. Наименьшей единицей КР является элементарная ячейка. С ее помощью можно построить всю пространственную структуру материала путем параллельных переносов.
Ниже мы рассмотрим основные типы кристаллических решеток металлов и расскажем про их значение при создании новых сталей и прецизионных сплавов.
К основным типами КР металлов относятся гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетка и кубические гранецентрированная (ГЦК) и объемно-центрированная (ОЦК). Каждая из них характеризуется координационным числом (количеством ближайших атомов), расстоянием между ними и плотностью упаковки, а также отражает проявляемые металлами свойства.
Представляет собой куб, состоящий из девяти атомов: восемь из них располагаются в узлах элементарной ячейки, а девятый — на пересечении диагоналей. ОЦК-решетка характерна для таких металлов, как ванадий, вольфрам, молибден, хром и альфа-железо (Feα). В последнем (Feα) эта структура существует при температурах до 911℃.
Сплавы на основе железа, в которых легирующие элементы внедряются непосредственно в решетку Fe, имеют именно такую кристаллическую структуру при комнатной температуре. Это характерно для углеродистых и низколегированных сталей (65Г, 65С2А, 70С2ХА, У8А), а также для сплавов на основе железа с достаточно большой добавкой другого химического элемента, например, кобальта, как в прецизионном магнитно-мягком сплаве 27КХ.
Как и ОЦК, ГЦК-решетка представляет собой куб, но с дополнительными атомами. Частицы элемента располагаются не только в узлах КР и внутри куба (в сумме 9), но и в середине каждой грани на пересечении диагоналей (в сумме 6, всего 14). Гранецентрированная кубическая структура характерна для таких металлов, как алюминий, серебро, золото, никель, медь, а также гамма-железо (Fe𝛾) при температуре от 911℃ до 1 392℃. Кроме того, ГЦК-решеткой обладает большинство сплавов на основе никеля, например, прецизионный магнитно-мягкий сплав с высокой магнитной проницаемостью 79НМ.
ГПУ-решетка имеет сложную структуру, которая представляет собой гексагональную (шестигранную) призму. Элементарная ячейка состоит из 17 атомов. Они располагаются в узлах каждого основания, а также в их центрах (всего 14 атомов). В середине призмы находятся еще три атома, образующие равносторонний треугольник. Гексагональная плотноупакованная структура характерна для таких материалов, как марганец, цинк, титан, кобальт и кадмий.
Кристаллическая решетка — это основной строительный блок материалов, определяющий их структуру и свойства. Понимание типов кристаллических решеток важно для разработки новых сталей и прецизионных сплавов по нескольким причинам, которые описаны ниже.
Знание типа кристаллической решетки позволяет определить точную структуру материала, включая расположение атомов или ионов внутри него. Это крайне важно для понимания особых свойств материала, таких как прочность, упругость и электропроводность. Например, прецизионный магнитно-мягкий сплав 49К2ФА демонстрирует процессы упорядочивания, которые требуют особого технологического подхода при производстве. Понимание кристаллической структуры таких материалов позволяет точно контролировать их свойства.
Кристаллические решетки могут претерпевать различные деформации при изменении условий окружающей среды или при механическом воздействии. Знание типа решетки помогает понять, как материал будет реагировать на деформации и какие свойства будут модифицированы в результате этих изменений. Исследования деформаций кристаллической решетки открывают путь к разработке материалов с улучшенными механическими свойствами и повышенной устойчивостью к различным воздействиям.
Знание типа кристаллической решетки материала позволяет инженерам и ученым проектировать новые материалы с желаемыми свойствами. Опираясь на знания и понимание структуры и свойств существующих материалов, они могут создавать инновационные сплавы с уникальными характеристиками. Примером может служить новый материал ХН53МТЮБ (NN 178), разработанный НИЦ ПЗПС, который отличается улучшенными механическими и термическими свойствами.
Итак, знание типов кристаллических решеток материалов является ключевым фактором при создании новых сплавов. Оно позволяет определять их структуру, прогнозировать и контролировать их деформационное поведение, а также разрабатывать материалы с оптимальными свойствами для различных сфер применений. Понимание кристаллической решетки становится неотъемлемой частью современной науки и технологии материалов, открывая новые горизонты для инноваций и прогресса в области материаловедения и инженерии.
Если ваши проекты требуют разработки новых материалов или исследования применяемых сталей и сплавов, научно-исследовательский центр ПЗПС приглашает вас к сотрудничеству. Узнать подробнее о направлениях деятельности, аналитических возможностях и условиях сотрудничества вы можете, позвонив по телефону +7 812 740-76-87 или оставив заявку на сайте.
