В твердом металле атомы выстраиваются в ровные линии, ряды и слои, образуя трехмерные кристаллические структуры. По определению, металлы имеют кристаллическую структуру. Очевидно, что любые рассуждения о «кристаллизации» как о причине разрушения металла не имеют под собой никаких оснований. При затвердевании металл всегда приобретает кристаллическую структуру. Образование поверхности разрушения, которую ошибочно именуют «кристаллообразной» из-за ее внешнего вида, характерно для случаев усталостного или хрупкого разрушения.
Наименьшее число атомов, образующих структуру, которая дает полное представление об их упорядоченном расположении, именуется элементарной ячейкой. Следует обратить внимание на то, что элементарные ячейки существуют не в виде самостоятельных единиц, а имеют общие атомы с соседними элементарными ячейками в трехмерной матрице.
К числу наиболее распространенных кристаллических структур, или фаз, относятся объемно-центрированная кубическая структура (ОЦК), гранецентрированная кубическая структура (ГЦК), объемно-центрированная тетрагональная структура (ОЦТ), и гексагональная плотноупакованная структура (ГП). Данные структуры показаны на рис.1.
Некоторые металлы, такие, как железо, находятся в одной твердой фазе при комнатной температуре, и в другой твердой фазе – при повышенной температуре. Переход твердого металла из одной фазы в другую при изменении температуры называется аллотропическим или твердофазным переходом. Металлический кристалл, имеющий разные структуры, но один и тот же химический состав, принять называть аллотропическим.
Объемно-центрированную кубическую элементарную ячейку можно описать как куб, в каждом из восьми углов которого находится по атому; еще один атом размещается в центре ячейки. К числу распространенных металлов, имеющих объемно-центрированную структуру, относятся железо, различные сорта углеродистой стали, хром, молибден и вольфрам.
Гранецентрированную кубическую элементарную ячейку можно представить в виде куба, имеющего по одному атому в каждом из восьми углов, а также по одному атому в центре каждой из шести граней. К числу распространенных металлов, имеющих гранецентрированную кубическую структуру, относятся алюминий, медь, никель, а также различные сорта аустенитной нержавеющей стали.
Объемно-центрированная тетрагональная элементарная ячейка напоминает объемно-центрированную кубическую элементарную ячейку с атомом в центре, одна из осей которой удлиняется, придавая структуре прямоугольную форму. Мартенсит – фаза стали, которая образуется в результате закалки резким охлаждением, — имеет объемно-центрированную тетрагональную структуру.
Гексагональная плотноупакованная элементарная ячейка представляет собой шестиугольную призму. Данную форму можно описать как два шестиугольника, образующих верхнюю и нижнюю части призмы. В центре и в каждом из углов шестиугольника размещается по одному атому. Три атома, расположенных в углах треугольника, находятся между верхним и нижним шестиугольниками. К числу распространенных металлов, имеющих гексагональную плотноупакованную структуру, относятся цинк, кадмий и магний.
