Kristalna struktura i geometrija elementarnih kristalnih rešetki

Struktura materijala zavisi od rasporeda atom, jona ili molekula u sklopu čvrstog tela kao i od sila veza između njih.

Kristalna struktura – pravilan trodimenzionalni raspored

1. Monokristal – pravilnost rasporeda se prostire po celoj zapremini

Karakteristine: anizotropija (različita svojstva u različitim pravcima), prelaze iz rečne u čvrstu fazu na konstantnoj toploti

2. Polikristal  – uspostavlja se pravilan raspored na malom delu prostora. Pojavljuje se na velikom broju mesta i različito je orijentisan. Sastavljen je od velikog broja sitnih ili krupnih kristala spojenih u jednu celinu ‘ kvazi izotropnost’ fizičkih i mehaničkih svojstava, zbog velikog broja kristala različito orjentisanih u prostoru. Prelaze iz čvrste u tečnu fazu na konstantnoj temperaturi, imaju tačno definisanu temperaturu topljenja.

Nekristalna struktura (amorfna) – izotropni su (fizička i mehanička svojstva su ista u svakom pracu). Očvršćcavaju u jednom temperaturnom intervalu.

Kristalna struktura

–         Prilikom prelaska iz tečnog u čvrsto stanje, atomi se pravilno raspoređuju u kristalografske ravni.

–         Kristalna rešetka – više ravni postavljenih paralelno predstavlja prostornu mrežu u čijim čvorovima su smesteni atomi

–         Elementarna kristalna rešetka – najmanja grupa atoma koja se ponavlja u prostornoj kristalnoj rešetki. To je jedinična kristalna rešetka. Njena veličina i oblik defenisani su sa 3 vektora (a, b, c) i uglova među njima α, β, γ i nazivaju se parametrima kristalne rešetke. Elementarna kristalna rešetka je reprezent prostornog rasporeda atoma ili prostorne rešetke.

Kristalni sistemi

–         Sve rešetke se svrstavaju u 7 različitih kristalnih sistema u zavisnosti od vrednosti i međusobnih odnosa parametara elementarne kristalne rešetke

–         4 tipa elementarne kristalne rešetke:

1. Prosta
2. Bazno centrirana
3. Prostorno centrirana
4. Površinski centrirana

–         14 standardnih tipova rešetke

Kristalna struktura metala

–         Veliki broj metala (90%) kristališe u procesu očvršćavanja u 1 od 3 tipa gusto pakovane kristalne rešetke: kubna površinski centrirana (KPC), kubna prostorno centrirana (KZC) i heksagonalno gusto pakovana (HGP).

–         Atomi prikazani kao lopte-sfere. Rastojanje između atoma je malo i iznosi između 0,1-0,7 nm.

KZC

• atomi raspoređeni po uglovima kuba i 1 atom smesten u preseku dijagonale kuba.
• sadrži samo 2 atoma koji pripadaju rešetki: jedan u centru kuba i jedan atom po ukupnoj masi koju daju atomi raspoređeni po rogljevima kuba (svaki atom na roglju učestvuje sa 1/8).
• koordinacioni broj – određuje gustinu pakovanja rešetke, pod njim se podrazumeva broj atoma koji okružuju ili dodiruju centralni atom, veći koordinacioni broj veća gustina rešetke, za KZC koordinacioni broj je K8.
• koeficijent ispunjenja rešetke (KIR) određuje se iz odnosa zapremine atoma u rešetki i zapremine elementarne rešetke.
  KIR = zapremina atoma u rešetki / zapremina rešetke

 

KPC

• atomi raspoređeni po uglovina kuba i po 1 atom u preseku dijagonale stranice kuba.
• sadrži 4 atoma: osam atoma po rogljevima sa po 1/8 i šest atoma na stranicama kuba sa po 1/2.
• koordinacioni broj je K12

 

HGP

• po jedan atom u rogljevima i u centru šestougaonih osnova prizme i tri atoma u srednjoj ravni prizme.
• sadrži 6 atoma: tri atoma unutar prizme i dvanaest atoma na obe osnove prizme koji propadaju sa 1/6 i po dva atoma u bazama koji pripadaju sa 1/2 elementranoj rešetki.
• koordinacioni broj K12

Položaj atoma u kubnoj elementarnoj kristalnoj rešetki

Za kubne kristalne rešetke kristalografski indeksi pravaca su komponente vektora pravca razložene duž svake koordinatne ose i svedene na najmanji ceo broj.

Pravac kubne elementarne kristalne rešetke

Pravce nazivamo kristalografski ekvivalentnim kao je rastojanje atoma duž svakog pravca jednako.

Gustina

Poznajući kristalne rešetke metalnih materijala možemo izračunati njihovu gustinu ρ.
gustina ρ = masa elementarne rešetke / zapremina elementarne rešetke.

Za određivanje mase elementarne kristalne rešetke potrebno je poznavati broj atoma, koji pripadaju elementarnoj rešetki, kao i atomsku masu. Zapreminu elementarne kristalne rešetke odredićemo koristeći vrednost parametra rešetke α ili radiju atoma R.

Polimorfija (alotropija)

• kada materijali, u zavisnosti od temperature i pritiska, mogu da imaju vise tipova kristalnih rešetki.

Anizotropija

• sve ravni nisu podjednako zaposednute atomima, niti su rastojanja između atoma u svim ravnima jednaka, svojstva i ponašanje neće biti jednaki u svim pravcima.
• polimetni materijali : sastoje se od velikog broja anizotropnih kristala. Kako je veliki broj kristala međusobno različito orijentisan, to su i svojstva u različitim pravcima manje-više jednaka, pa se polikristalni materijali nazivaju „kvazi izotropni“.
• lažna izotropija : ne postoji kod kristala koji su orijentisani u istom pravcu i ovo se stvara kao rezultat obrade metala deformisanjem u hladnom stanju, ali ne u potpunosti.