Объёмно-центрированная кубическая решётка

Объёмно-центрированная кубическая решётка (ОЦК, body-centered cubic, BCC) — один из трёх основных типов кристаллических решёток, характерных для металлов, наряду с гранецентрированной кубической (ГЦК) и гексагональной плотноупакованной (ГПУ). ОЦК-решётка представляет собой кубическую элементарную ячейку, в которой, помимо восьми атомов в вершинах куба, один атом расположен в его центре. Такая конфигурация обеспечивает относительно высокую прочность и тугоплавкость многих металлов с данной структурой.

Кристаллографическое описание

Элементарная ячейка ОЦК-решётки содержит два атома: один — в центре куба, второй — эквивалентный сумме долей от восьми вершинных атомов (каждый из которых принадлежит восьми соседним ячейкам, то есть вклад одного вершины составляет 1/8). Таким образом, число атомов на элементарную ячейку равно 2 (1 + 8 × 1/8 = 2). Координационное число (количество ближайших соседей для каждого атома) в ОЦК-решётке составляет 8. Ближайшие соседи расположены в центрах соседних ячеек или на расстоянии, равном половине пространственной диагонали куба. Расстояние между ближайшими атомами (d) связано с параметром решётки (a) — длиной ребра куба — соотношением: d = a√3 / 2 ≈ 0,866a.

Параметр решётки a для ОЦК-металлов обычно составляет от 0,286 нм (например, α-железо) до 0,428 нм (например, ниобий). Объём, занимаемый атомами в ячейке (с учётом их сферической формы), составляет примерно 68 % от общего объёма ячейки, что соответствует коэффициенту заполнения 0,68. Это ниже, чем у ГЦК-решётки (0,74), что делает ОЦК-решётку менее плотноупакованной.

Кристаллографические направления и плоскости

В ОЦК-решётке наиболее плотноупакованными являются направления <111> (вдоль пространственных диагоналей куба), где атомы соприкасаются друг с другом. Наиболее плотноупакованными плоскостями являются плоскости семейства {110}. В этих плоскостях атомы расположены с максимальной плотностью, что определяет характер скольжения при пластической деформации — скольжение обычно происходит по плоскостям {110} в направлениях <111>.

Металлы с ОЦК-решёткой

ОЦК-решётка характерна для многих металлов, особенно для переходных элементов IV–VI групп периодической системы. Наиболее известные представители:

• α-железо (феррит) — стабильная модификация железа при температурах ниже 912 °C. Параметр решётки a = 0,2866 нм при 20 °C.
• Хром — тугоплавкий металл, a = 0,2884 нм.
• Вольфрам — самый тугоплавкий из металлов, a = 0,3165 нм.
• Молибден — a = 0,3147 нм.
• Ниобий — a = 0,3300 нм.
• Ванадий — a = 0,3024 нм.
• Тантал — a = 0,3303 нм.
• Щелочные металлы (литий, натрий, калий, рубидий, цезий) — при комнатной температуре имеют ОЦК-решётку.
• Барий — при комнатной температуре.
• β-титан — высокотемпературная модификация титана (выше 882 °C).

Некоторые металлы (например, железо, титан, цирконий) при изменении температуры претерпевают полиморфные превращения, переходя из ОЦК-модификации в ГЦК или ГПУ.

Свойства и применение

Металлы с ОЦК-решёткой, как правило, обладают высокой прочностью и тугоплавкостью, но при этом могут быть хрупкими при низких температурах. Это связано с тем, что система скольжения в ОЦК-решётке (плоскости {110}) имеет меньшее количество возможных направлений сдвига по сравнению с ГЦК-решёткой, что затрудняет пластическую деформацию. Для многих ОЦК-металлов характерен переход из пластичного состояния в хрупкое при понижении температуры (например, для α-железа — при температурах ниже −100 °C, для хрома — при комнатной температуре).

Примеры применения

• α-железо (феррит) — основа конструкционных сталей и чугунов. ОЦК-структура феррита обеспечивает магнитные свойства (ферромагнетизм) и высокую прочность.
• Вольфрам — используется в нитях накаливания, электродах для сварки, в высокотемпературных сплавах.
• Молибден — применяется в легированных сталях, в электронике, в производстве нагревательных элементов.
• Хром — компонент нержавеющих сталей, износостойких покрытий.
• Ниобий — используется в сверхпроводящих сплавах (например, NbTi), в легировании сталей.
• Щелочные металлы — в химической промышленности, в ядерной энергетике (натрий, калий — как теплоносители).

Полиморфизм

Многие металлы с ОЦК-решёткой при изменении температуры или давления могут переходить в другие кристаллические структуры. Наиболее известный пример — железо:

• При 912 °C α-железо (ОЦК) переходит в γ-железо (ГЦК, аустенит).
• При 1394 °C γ-железо переходит в δ-железо (снова ОЦК).
• При 1538 °C железо плавится.

Этот полиморфизм лежит в основе термической обработки стали (закалка, отпуск, отжиг).

Дефекты в ОЦК-решётке

Как и в любых кристаллических решётках, в ОЦК-структуре существуют точечные (вакансии, межузельные атомы), линейные (дислокации) и поверхностные (границы зёрен) дефекты. Особенностью ОЦК-решётки является относительно высокая энергия дефекта упаковки, что делает дислокации в ней менее склонными к расщеплению на частичные дислокации, чем в ГЦК-решётке. Это влияет на механизмы упрочнения и пластичности.

Интересные факты

• ОЦК-решётка является одной из трёх основных кристаллических структур, изучаемых в курсе кристаллографии и материаловедения.
• Несмотря на меньшую плотность упаковки, чем у ГЦК, ОЦК-решётка обеспечивает более высокую прочность при высоких температурах, что делает её предпочтительной для тугоплавких металлов.
• Вольфрам, имеющий ОЦК-решётку, обладает самой высокой температурой плавления среди всех металлов (3422 °C).
• Щелочные металлы при комнатной температуре имеют ОЦК-решётку, но при охлаждении до очень низких температур некоторые из них (например, литий) могут переходить в ГЦК-структуру.

Источники

• Киттель Ч. Введение в физику твёрдого тела. — М.: Наука, 1978.
• Шаскольская М. П. Кристаллография. — М.: Высшая школа, 1984.
• Новиков И. И., Золоторевский В. С. Кристаллография и дефекты кристаллической решётки. — М.: Металлургия, 1990.
• Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. — М.: Атомиздат, 1972.
• Физика металлов и металловедение: справочник / под ред. Б. Г. Лившица. — М.: Металлургия, 1985.