Набор элементарных ячеек кристаллических решеток металлов

Общее свойство металлов и сплавов — их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры вещества используют понятие кристаллической решетки -  воображаемой пространственной сеткой с атомами в узлах.

Атомно-кристаллическая структура может быть представлена одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Копированием такой ячейки по всем измерениям можно полностью воспроизвести структуру кристалла.
 
В кристалле атомы сближены до соприкосновения.

В 1848 г. французский ученый Огюст Бравэ показал, что изученные трансляционные структуры и элементы симметрии позволяют выделить 14 типов основных кристаллических решеток.

Среди них выделяют три основных типа элементарных ячеек кристаллических решеток, наиболее характерных для металлов:

• объемноцентрированная кубическая (ОЦК)
• гранецентрированная кубическая (ГЦК)
• гексагональная плотноупакованная (ГП)

В кубической гранецентрированной решетке атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани,
В кубической объемноцентрированной решетке атомы расположены в вершинах куба, а один атом — в центре его объема.
В гексагональной плотноупакованной решетке атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы.

Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары, то нетрудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности.
Коэффициент компактности Q равен отношению суммарного объема атомов, входящих в решетку, к объему решетки.
Для ОЦК решетки коэффициент компактности равен 68%, для ГЦК - 74%, а для ГП - 74%.

Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма. Температура превращения одной кристаллической модификации в дру¬гую называется температурой полиморфного превращения. При полиморфном превращении меняются форма и тип кристаллической решетки. Это явление называется перекристаллизацией. На явлении полиморфизма основана термическая обработка металлов и сплавов, которая широко прменяется в промышленности.

Полиморфизм олова явился одной из причин гибели полярной экспедиции английского исследователя Р. Скотта. Оловом были запаяны канистры с керосином. При низкой температуре произошло полиморфное превращение пластичного белого олова с образованием хрупкого порошка серого олова. Горючее вылилось и испарилось, и на обратном пути экспедиция осталась без топлива. Превращение белого олова в серое называют «оловянной чумой».

Металлы с одним типом решетки:
Ag,Au,Pt, Cu,Al,Pb,Ni - ГЦК
Na, K,V,Nb, Cr, Mo, W - ОЦК
Be,Mg,Zn,Cd - ГП

Металлы с полиморфным превращением:
Ca - ГЦК/ГП (температура превращения 450°С)
Ce - ГП/ГЦК (температура превращения 477°С)
Zr - ГП/ОЦК (температура превращения 882°С)
Ti - ГП/ОЦК (температура превращения 882°С)
Fe - ОЦК/ГЦК/ОЦК (температура превращения 911/1392°С)

Свойства материалов зависят от природы атомов, из которых они состоят, и силы взаимодействия между ними. В кристаллических материалах расстояния между атомами в разных кристаллографических направлениях различны. Из-за неодинаковой плотности атомов в различных направлениях кри¬сталла наблюдаются разные свойства. Различие свойств в кристалле в за¬висимости от направления испытания называется анизотропией.

Разница в физико-химических и механических свойствах в разных направлениях может быть весьма существенной. При измерении в двух взаимно перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расширения различаются в 3–4 раза, а прочности кристалла железа — более, чем в два раза.