2.2. Кристаллические решетки металлов.

Атомы металлов находящиеся в твердом состоянии, связаны между собой металлической связью, стремятся иметь как можно большее число ближайших соседей и поэтому упаковываются в пространстве наиболее компактным образом.

Таким плотным атомным упаковкам соответствуют следующие кристаллические структуры:

1. Объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК).

Такая структура встречается у хрома (Cr), ванадия (V), вольфрама (W) и т. д., то есть у тугоплавких металлах.

• Базис равен 2

• Координационное число равно 8

• Степень компактности 0,68. Это означает, что 68% объема занято атомами, а остальное место составляют поры (пустоты).

2. Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК).

Такая структура встречается у никеля (Ni), алюминия (Al), меди (Cu) и у благородных металлов: золото (Au), серебро (Ag), платина (Pt)

• Базис равен 4

• Координационное число равно 12

• Степень компактности 0,74. Это означает, что 74% объема занято атомами, а остальное место составляют поры (пустоты).

3. Гексагональная плотно упакованная решетка (ГПУ).

Такая структура встречается у бериллия (Bi), магния (Mg), цинка (Zn) и т. д.

• Базис равен 6

• Координационное число равно 12

• Степень компактности 0,74. Это означает, что 74% объема занято атомами, а остальное место составляют поры (пустоты).

У ГЦК и ГПУ решетки степень компактности одинаковый, это наивысшая степень компактности.

Иногда у металлов встречаются структуры с гексагональной или тетрагональной решеткою, но гораздо реже, чем три выше описанных решетки.

2.3. Полиморфизм металлов.

Полиморфизм– это изменение кристаллической структуры материала с изменением внешних условий, то есть температуры и давления.

Температура и давление, при которых наблюдается смена кристаллической структуры материала, называют температурой и давлением полиморфного превращения.

Различные кристаллические модификации принято обозначать буквами греческого алфавита (α, β, γ, δ, ε и т. д.)

Примером полиморфизма у не металлов является полиморфизм углерода.

Хорошо известны две кристаллические модификации углерода – это алмаз и графит. По сути, это один и тот же элемент углерода, но у данных материалов отличие состоит в кристаллическом строение в результате и свойства материалов совершенно различные.

Полиморфизмом обладает большинство металлов. Например, у кобальта (Co) с повышением температуры ГПУ меняется на ГЦК и наоборот с понижением температуры ГЦК меняется на ГПУ.

У титана (Ti) с повышением температуры ГПУ меняется на ГЦК и наоборот с понижением температуры ГЦК меняется на ГПУ. Еще одним ярким полиморфизмом является олово (оловянная чума) при низких температурах ниже – 30⁰ белое и пластичное олово (β – Sn)превращается в серый порошок (α – Sn).

Наиболее ярко полиморфизм проявляется у железа.

ОЦК ГЦК ОЦК

α – Fe β – Fe γ – Fe δ – Fe

768⁰ 911⁰ 1392⁰ 1539⁰ T⁰ C

Комнатная температура температура плавления (жидкое

состояние)

α – Fe, β – Fe имеют одинаковую ОЦК и различаются лишь магнитными свойствами. Сначала полагали, что изменение магнитных свойств связано с изменением кристаллической структуры, но позже выяснилось, что не так, однако исторически сложившиеся деления железа, но α – Fe, β – Fe сохранилось.

При температуре выше 911⁰ железо имеет ГЦК решетку, которая отличается от ОЦК решетки большой плотностью, поэтому при нагреве железа до 9110 наблюдается сокращения образца.

Выше 1392⁰ железо имеет также ОЦК решетку, но период этой решетки несколько больше чем период решетки α – Fe.