أنواع التركيب البلوري: شرح FCC وBCC وHCP

مقدمة

تحدد البنى البلورية كيفية تجميع الذرات معًا في المعادن والمواد الصلبة الأخرى. يؤثر الترتيب على القوة والليونة والعديد من الخصائص الرئيسية الأخرى.

مخطط التركيب البلوري

فيما يلي مخطط بسيط للتراكيب البلورية الرئيسية الثلاثة :
- مكعب متمركز الوجه - توضع الذرات في كل زاوية مكعب وفي مركز كل وجه. ينتج عن هذا التركيب عامل تعبئة مرتفع.
- المكعب المتمركز حول الجسم - تتواجد الذرات في الزوايا الثمانية وواحدة في مركز المكعب. يحتوي هذا التركيب على عامل تعبئة أقل مقارنةً بالمكعب المتمركز حول الوجه.
- سداسية متقاربة التعبئة - تشكل الذرات طبقات في شكل سداسي. توجد طبقة وسطى بين طبقتين متشابهتين. هذا الترتيب مضغوط وقوي للغاية.

وتأتي كل بنية بفوائدها الخاصة. وتعتبر الاختلافات بينهما مهمة لقوة المادة وليونتها وتوصيلها. وفي الاستخدام اليومي، يمكن أن يؤدي تغيير بسيط في الترتيب الذري إلى تغيير أداء المعدن في التطبيقات الواقعية.

FCC وBCC وHCP

البنى المكعبة المتمركزة الوجه شائعة في المعادن مثل النحاس والألومنيوم والذهب. تتلامس ذراتها على طول أقطار الوجه. وهذا يمنحها ليونة ممتازة وسهولة التشوه تحت الضغط. في المعادن التي تستخدم هذا الترتيب، غالبًا ما ترى مقاومة جيدة للتعب والتآكل.

تظهر الهياكل المكعبة المتمركزة في الجسم في معادن مثل الحديد (في درجة حرارة الغرفة) والكروم والتنغستن. في هذه البنى، تقدم الذرات ترتيبًا أقل كثافة. وتتصل الذرات ببعضها البعض على طول الخطوط المركزية للمكعب. ونتيجة لذلك، غالبًا ما يكون لهذه المواد قوة عالية ولكن ليونة أقل مقارنةً بالنوع المكعب المتمركز في الوجه. وقد تكون أكثر هشاشة في الظروف الباردة.

توجد البنى المتقاربة سداسية الشكل في معادن مثل المغنيسيوم والتيتانيوم والزنك. وهنا، ترتب الذرات نفسها في طبقة سداسية الشكل ثم تتكرر في شكل معبأ متقارب. وتمنح هذه الترتيبات المعادن قوة عالية. وقد تكون أنظمة انزلاقها أقل. وقد يؤثر ذلك على كيفية تشوه الفلز تحت الضغط.

كل بنية بلورية لها رقم التنسيق وعامل التعبئة الخاص بها. في المكعب المتمركز حول الوجه، يكون رقم التنسيق النموذجي 12 مع عامل تعبئة يبلغ حوالي 0.74. أما المكعب المتمركز على الجسم فيُظهر رقمًا تنسيقيًّا يبلغ 8 مع عامل تعبئة يقارب 0.68. أما المكعبات المتقاربة سداسية الأضلاع فيبلغ عدد التناسق فيها 12 وعامل تعبئة مماثل للمكعبات المتمركزة في الوجه. تساعدنا هذه الأرقام على فهم الاختلافات في الخواص الفيزيائية والسلوك الميكانيكي.

تُظهر العديد من الحالات العملية كل من هذه الترتيبات أثناء العمل. على سبيل المثال، في صناعة السيارات، تستخدم أجزاء الألومنيوم عادةً الترتيب المكعب المتمركز حول الوجه بسبب قدرته على امتصاص الصدمات. وفي مجال الإنشاءات والآلات الثقيلة، يتم اختيار المعادن المكعبة المتمركزة في الجسم للأجزاء التي تتطلب قوة عالية. أما في مجال الطيران، فيتم استخدام التيتانيوم بهيكله السداسي المتراصّ المتقارب في المجالات التي تحتاج إلى معدن خفيف وقوي في الوقت نفسه.

أنواع المواد الشبكية

تُظهر المواد ذات الأنواع الشبكية المختلفة خصائص متنوعة في الاستخدام اليومي. فالنحاس، وهو معدن مكعّب متمركز حول الوجه، ناعم بما يكفي للثني ولكنه قوي بما يكفي لتوصيل الأسلاك وأنظمة التبادل الحراري. ويستخدم الحديد المكعب المتمركز حول الجسم في البناء لأنه يقاوم التشوه حتى تحت الأحمال الثقيلة. ويستخدم المغنيسيوم، بهيكله السداسي المتراص المتقارب في صناعة الطيران نظراً لخفة وزنه وتحسين نسبة القوة إلى الوزن.

عندما تختار مادة لمهمة ما، فإنك تنظر إلى الترتيب الشبكي أيضًا. تساعد البنية المكعبة المتمركزة في الوجه في صنع المكونات التي يجب أن تتحمل الانحناء المتكرر دون تشقق. ويفضل الهيكل المكعب المتمركز حول الجسم عندما تحتاج الأجزاء إلى قوة عالية تحت أحمال الصدمات. ويتم اختيار التركيب السداسي المتراص المتقارب عندما تكون هناك حاجة إلى مادة خفيفة الوزن ولكن صلبة.

ويستخدم المهندسون والعلماء هذه الملاحظات لتكييف خصائص المواد. فهم يتحكمون في التركيب البلوري من خلال صناعة السبائك والمعالجات الحرارية من أجل الوصول إلى النتائج المرجوة في القوة أو المتانة أو التوصيل الكهربائي. وقد استرشد بهذا التطبيق العملي لعلوم المواد في تصميم الجسور والمباني والمحركات وحتى أدوات المطبخ اليومية.

الخاتمة

يساعد فهم الاختلافات بين الترتيبات المكعبة المتمركزة في الوجه، والمكعبة المتمركزة في الجسم، والمكعبة المتمركزة في الجسم، والترتيبات السداسية المتقاربة في اختيار المادة المناسبة لمهمة معينة. فوضع الذرات ليس مجرد حديث أكاديمي. فهو مهم لكيفية ثني المعادن أو تمددها أو مقاومتها للقوى. آمل أن يكون هذا الدليل البسيط والودي قد أعطاك رؤية واضحة لهذه الأنواع الشبكية المهمة. ضع في اعتبارك أنه حتى التغيير البسيط في الترتيب الذري يمكن أن يؤدي إلى تحولات كبيرة في كيفية أداء الفلزات. يجب أن تكون هذه النظرة العامة الموجزة بمثابة نقطة مرجعية مفيدة سواء كنت تدرس المواد أو تعمل معها في المجال.

الأسئلة المتداولة

س: ما هي الميزة الرئيسية للبنية المكعبة المتمركزة في الوجه؟
س: توفر ليونة عالية وسهولة في التشوه تحت الضغط.

س: و: لماذا يكون للبنية المكعبة المتمركزة حول الجسم ليونة أقل؟
س: تكون الذرات أقل كثافة، مما يؤدي إلى مرونة أقل تحت الصدمات.

ف: ما نوع التطبيقات التي تستخدم المعادن سداسية الشكل المتراصة المتقاربة؟
س: إنها شائعة في مجال الطيران والفضاء والتطبيقات التي تتطلّب قوة عالية وخفيفة الوزن.

مرجع:

[1] كومار ساكسينا، ساشين وجور، فيديت. (2022). التطورات في تقنيات التنبؤ بالتعب. 10.5772/intechopen.99361.