Одним із найпоширеніших матеріалів, з яким завжди вважали за краще працювати люди, був метал. У кожну епоху перевага надавалася різним видам цих дивовижних речовин. Так, IV-III тисячоліття до нашої ери вважаються віком хальколіту, або мідним. Пізніше його змінює бронзовий, а потім набирає чинності той, що і до цього дня є актуальним - залізний.

Сьогодні взагалі складно уявити, що колись можна було обходитися без металевих виробів, адже практично все, починаючи від предметів побуту, медичних інструментів та закінчуючи важкою та легкою технікою, складається з цього матеріалу або включає до свого складу окремі частини із нього. Чому ж метали зуміли здобути таку популярність? У чому виявляються особливості і як це закладено у їхній будові, спробуємо розібратися далі.

Загальне поняття про метали

"Хімія. 9 клас" - це підручник, яким проходять навчання школярі. Саме у ньому докладно вивчаються метали. Розгляду їх фізичних та хімічних властивостейвідведено великий розділ, адже різноманітність їх надзвичайно велика.

Саме з цього віку рекомендують давати дітям уявлення про дані атоми та їх властивості, адже підлітки вже можуть оцінити значення подібних знань. Вони чудово бачать, що різноманітність предметів, машин та інших речей, що їх оточує, має в своїй основі саме металеву природу.

Що таке метал? З точки зору хімії, до даних атомів прийнято відносити ті, що мають:

• мале на зовнішньому рівні;
• виявляють сильні відновлювальні властивості;
• мають великий атомний радіус;
• як прості речовини мають низку специфічних фізичних властивостей.

Основу знань про ці речовини можна отримати, якщо розглянути атомно-кристалічна будова металів. Саме воно пояснює всі особливості та властивості даних сполук.

У періодичній системі для металів відводиться більша частина всієї таблиці, адже вони утворюють всі побічні підгрупи та головні з першої по третю групу. Тому їхня чисельна перевага очевидна. Найпоширенішими є:

• кальцій;
• натрій;
• титан;
• залізо;
• магній;
• алюміній;
• калій.

Усі метали мають низку властивостей, які дозволяють об'єднувати в одну велику групу речовин. У свою чергу ці властивості пояснює саме кристалічна будова металів.

Властивості металів

До специфічних властивостей аналізованих речовин відносять такі.

1. Металевий блиск. Усі представники простих речовинїм володіють, причому більшість однаковим Лише деякі (золото, мідь, сплави) відрізняються.
2. Ковкість і пластичність - здатність деформуватися та відновлюватися досить легко. У різних представників виражена неоднаковою мірою.
3. Електропровідність і теплопровідність - одна з основних властивостей, що визначає галузі застосування металу та його сплавів.

Кристалічна будова металів і сплавів пояснює причину кожного з зазначених властивостей і говорить про виразність їх у кожного конкретного представника. Якщо знати особливості такої будови, то можна впливати на властивості зразка і підлаштовувати його під потрібні параметри, що роблять люди вже багато десятиліть.

Атомно-кристалічна будова металів

У чому полягає така будова, чим характеризується? Сама назва говорить про те, що всі метали є кристалами у твердому стані, тобто за звичайних умов (крім ртуті, яка є рідиною). А що таке кристал?

Це умовне графічне зображення, побудоване шляхом перетину уявних ліній через атоми, що вибудовують тіло. Інакше кажучи, кожен метал складається з атомів. Вони розташовуються в ньому не хаотично, а дуже правильно та послідовно. Так от, якщо подумки поєднати всі ці частинки в одну структуру, то вийде гарне зображення у вигляді правильного геометричного тілабудь-якої форми.

Це і прийнято називати кристалічною решіткою металу. Вона дуже складна та просторово об'ємна, тому для спрощення показують не всю її, а лише частину, елементарну комірку. Сукупність таких осередків, зібрана разом і відображена і утворює кристалічні решітки. Хімія, фізика та металознавство – це науки, які займаються вивченням особливостей будови таких структур.

Сама - це набір атомів, які розташовуються на певній відстані один від одного і координують довкола себе суворо фіксоване число інших частинок. Вона характеризується щільністю упаковки, відстанню між складовими структурами, координаційним числом. У цілому нині ці параметри є характеристикою і всього кристала, отже, відбивають і проявляються металом властивості.

Існує кілька різновидів Об'єднує їх усі одна особливість - у вузлах знаходяться атоми, а всередині розташовується хмара електронного газу, яка формується шляхом вільного пересування електронів усередині кристала.

Типи кристалічних грат

Чотирнадцять варіантів будови решітки прийнято поєднувати в три основних типи. Вони такі:

1. Об'ємно-центрована кубічна.
2. Гексагональна щільноупакована.
3. Гранецентрована кубічна.

Кристалічна будова металів була вивчена тільки завдяки коли стало можливим отримувати більші збільшення зображень. А класифікацію типів ґрат вперше навів французький вчений Браве, на прізвище якого їх іноді називають.

Об'ємно-центровані грати

Будова кристалічної решітки металів даного типу є такою структурою. Це куб, у вузлах якого є вісім атомів. Ще один розташовується в центрі вільного внутрішнього просторуосередки, що і пояснює назву "об'ємно-центрована".

Це один з варіантів найбільш простої будовиелементарного осередку, а отже, і всієї решітки загалом. Такий тип мають такі метали:

• молібден;
• ванадій;
• хром;
• марганець;
• альфа-залізо;
• бетта-залізо та інші.

Основні властивості таких представників - високий ступіньковкості та пластичності, твердість та міцність.

Гранецентровані грати

Кристалічна будова металів, що мають гранецентровані кубічні грати, є наступною структурою. Це куб, який включає до свого складу чотирнадцять атомів. Вісім з них формують вузли ґрат, а ще шість розташовані по одному на кожній грані.

Подібну структуру мають:

• алюміній;
• нікель;
• свинець;
• гамма-залізо;
• мідь.

Основні відмінні властивості – блиск різного кольору, легкість, міцність, ковкість, підвищена стійкість до корозії.

Гексагональні грати

Кристалічна будова металів, що мають решітки, така. В основі елементарного осередку лежить шестигранна призма. У її вузлах розташовується 12 атомів, ще два на підставах і три атоми вільно лежать усередині простору в центрі структури. Усього сімнадцять атомів.

Подібну складну конфігурацію мають такі метали, як:

• альфа-титан;
• магній;
• альфа-кобальт;
• цинк.

Основні властивості – високий ступінь міцності, сильний сріблястий блиск.

Дефекти кристалічної будови металів

Однак усі розглянуті типи осередків можуть мати природні недоліки, або так звані дефекти. Це може бути пов'язано з різними причинами: сторонніми атомами та домішками в металах, зовнішніми впливами та іншим.

Тому існує класифікація, що відбиває дефекти, які можуть мати кристалічні ґрати. Хімія як наука вивчає кожен з них з метою виявлення причини та способу усунення, щоб властивості матеріалу не були змінені. Отже, дефекти такі.

1. Крапкові. Вони бувають трьох основних видів: вакансії, домішки чи дислоковані атоми. Приводять до погіршення магнітних властивостей металу, електро- та теплопровідності його.
2. Лінійні, чи дислокаційні. Виділяють крайові та гвинтові. Погіршують міцність та якість матеріалу.
3. Поверхневі дефекти. Впливають на зовнішній вигляд та структуру металів.

В даний час розроблено методики усунення дефектів та отримання чистих кристалів. Однак зовсім викоренити їх не вдається, ідеальної кристалічної решітки не існує.

Значення знань про кристалічну будову металів

З вищевикладеного матеріалу очевидно, що знання про тонку структуру та будову дозволяють спрогнозувати властивості матеріалу та вплинути на них. І це дає змогу робити наука хімія. 9 клас загальноосвітньої школиробить у процесі навчання наголос на те, щоб сформувати у учнів чітке поняття про важливе значення основного логічного ланцюжка: склад - будова - властивості - застосування.

Відомості про кристалічну будову металів дуже чітко ілюструє і дозволяє вчителю наочно пояснити і показати дітям, наскільки важливо знати тонку структуру, щоб правильно та грамотно використати всі властивості.

Усі метали у твердому стані мають кристалічну будову. Атоми у твердому металі розташовані впорядкування та утворюють кристалічні грати (рис. 1).

Рис. 1. Схеми кристалічних ґрат: а - об'ємно-центрована кубічна; б-гранецентрована; в – гексагональна щільноупакована

Кристалічна решіткаявляє собою найменший об'єм кристала, що дає повне уявлення про атомну структуру металу, і зветься елементарним осередком.

Для металів характерні кристалічні ґрати трьох видів: кубічна об'ємно-центрована (ОЦК), в якій атоми розташовані по вершинах елементарного осередку та один у її центрі; кубічна гранецентрована (ГЦК), в якій атоми розташовані по вершинах елементарного осередку та в центрах її граней; гексагональна щільноупакована (ГПУ), що є шестигранною призму, в якій атоми розташовані в три шари.

Властивості матеріалу залежать від виду кристалічної решітки і параметрів, що її характеризують:

1) міжатомна відстань, Вимірюється в ангстремах 1А ° = 10 -8 см

2) щільність упаковки ( базис решітки- Число частинок, що припадають на один елементарний осередок). Кубічна проста - Б1, ОЦК - Б2, ГЦК - Б4, ГПУ - Б6.

3) координаційне число(КЧ) – максимальна кількість атомів рівновіддалених та що знаходяться на найближчій відстані від атома, взятого за точку відліку. Кубічна проста - КЧ = 6, ОЦК - КЧ = 8, ГЦК - КЧ = 12, ГПУ - КЧ = 12.

Властивості матеріалу, визначені у напрямку передньої площини та діагональної площини, відрізняються – це явище називається анізотропія, тобто нерівномірність властивостей у різних напрямках. Ця властивість має всі металеві матеріали. Аморфні тіла мають властивість ізотропії, тобто. мають однакові властивості у всіх напрямках.

Кристалічні грати можуть мати різні структурні недосконалості, які істотно змінюють властивості матеріалу. Реальний одиничний кристал завжди має вільну (зовнішню) поверхню, де вже внаслідок поверхневого натягу решітка спотворена.

Дефекти внутрішньої будовиподіляють на точкові, лінійні та площинні.

До точкових дефектів відносяться вакансії (коли окремі вузли кристалічних ґрат не зайняті атомами); дислоковані атоми (якщо окремі атоми виявляються в міжвузлях) або домішкові атоми, кількість яких навіть у чистих металах дуже велика. Біля таких дефектів грати будуть пружно спотвореними на відстані одного-двох періодів (рис. 2, а).

Рис. 2. Дефекти кристалічних ґрат: а - точкові; б – лінійні; в - площинні

Лінійні дефекти малі у двох вимірах і досить великі у третьому. До таких дефектів належать усунення атомних площин або дислокації та ланцюжка вакансій (рис. 2, б). Найважливішою властивістю таких дефектів є їх рухливість усередині кристала та активна взаємодія між собою та іншими дефектами.

Зміна кристалічної решітки матеріалу можлива під впливом зовнішніх факторів, а саме температури та тиску. Деякі метали в твердому стані в різних температурних інтервалах набувають різних кристалічних ґрат, що завжди призводить до зміни їх фізико-хімічних властивостей.

Існування одного і того ж металу в декількох кристалічних формах зветься поліморфізму. Температура, за якої відбувається зміна кристалічних ґрат – називається температурою поліморфного перетворення. На цьому явищі ґрунтуються всі процеси термічної обробки. Поліморфні модифікації позначають грецькими літерами (a, b, g та іншими, які як індекс додають до символу елемента).

Молекулярні кристали. У вузлах кристалічної решітки розташовуються нейтральні молекули речовини, сили взаємодії між якими зумовлені незначним взаємним зміщенням електронів електронних оболонкахатомів. Ці сили називаються ван-дер-ваальсовими, оскільки вони мають ту саму природу, що й сили тяжіння між молекулами, що призводять до відхилення газів від ідеальності. Молекулярними кристалами є, наприклад, більшість органічних сполук(парафін, спирт, гума і т. д.), інертні гази (Ne, Ar, Кг, Хе) та гази 2 , Про 2 , N2 у твердому стані, лід, а також кристали брому Вг 2 йоду 1 2 . Ван-дер-ваальсові сили досить слабкі, тому молекулярні кристали легко деформуються.

В деяких твердих тілаходночасно може здійснюватися кілька видів зв'язку. Прикладом може бути графіт (гексагональні грати). Грати графіту (рис. 105) складається з ряду паралельних площин, в яких атоми вуглецю розташовані у вершинах правильних шестикутників. Відстань між площинами більш ніж удвічі перевищує відстань між атомами шестикутника. Плоскі верстви пов'язані один з одним ван-дер-ваальсовими силами. У межах шару три валентні електрони кожного атома вуглецю утворюють ковалентний зв'язокіз сусідніми атомами вуглецю, а четвертий електрон, залишаючись «вільним», колективізується, але не у всіх ґратах, як у випадку металів, а в межах одного шару. Таким чином, у даному випадку здійснюються три види зв'язку: гомеополярна та металева - у межах одного шару; ван-дер-ваальсова – між шарами. Цим пояснюється м'якість графіту, оскільки його слон можуть ковзати друг щодо друга.

Відмінність у будові кристалічних грат двох різновидів вуглецю - графіту та алмазу - пояснює відмінність у них фізичні властивості: м'якість графіту та твердість алмазу; графіт - провідник електрики, алмаз - діелектрик (немає вільних електронів) тощо.

Розташування атомів у кристалах характеризується також координаційним числом - числом найближчих однотипних із даним атомом сусідніх атомів у кристалічній решітці або молекул у молекулярних кристалах. Для модельного зображення

ня кристалічних структур з атомів та іонів користуються системою щільної упаковки куль. Розглядаючи найпростіший випадок щільного пакування куль однакового радіусу на площині, приходимо до двох способів їх розташування (рис. 106, а, б).Права упаковка є більш щільною, так як при рівній кількості куль площа ромба зі стороною, рівному боціквадрата, менше площіквадрат. Як видно з малюнка, відмінність в упаковках зводиться до відмінності координаційних чисел: у лівій упаковці координаційне число дорівнює 4, правою - б, т. с. що щільніше упаковка, то більше вписувалося координаційне число.

Розглянемо, за яких умов щільна упаковка куль у просторі може відповідати тій чи іншій кристалічній структурі, що наводиться раніше. Почнемо будувати решітку із шару куль, представлених на рис. 106, 6. Для спрощення подальших міркувань спроектуємо центри куль на площину, де вони лежать, позначивши їх білими кружками (рис. 107). На цю площину спроектуємо центри просвітів між кулями, які позначені на рис. 107 відповідно чорними кружальцями та хрестиками. Будь-який щільноупакований шар називатимемо шаром А якщоцентри його куль розташовані над сірими кружками, шаром У- якщо над червоними кружками, шаром З- якщо над хрестиками. Над шаром Апокладемо другий щільноупакований шар так, щоб кожна куля цього шару лежала на трьох кулях першого шару. Це можна зробити двояко: взяти як другий шар або В,або З.Третій шар "можна знову укласти подвійно і т. д. Отже, щільну упаковку можна описати як послідовність АВСВАС...,у якій можуть стояти поруч шари, позначені однаковими літерами.

З безлічі можливих комбінацій у кристалографії реальне значення мають два типи упаковки: 1) двошарова упаковка АВАВАВ...- гексагональна щільно-упакована структура (рис. 108); 2) тришарова упаковка АВСАВС...- кубічна гранецентрована структура (рис. 109). В обох ґратах координаційне число дорівнює 12 і щільність упаковки однакова - атоми займають 74% загального обсягу кристала. Координаційне число, що відповідає кубічній об'ємно центрованій решітці, дорівнює 8, решітці алмазу (див. рис. 104) дорівнює 4.

Крім дво- і тришарових упаковок можна побудувати багатошарові з великим періодом повторюваності однакових шарів, наприклад АВСВАСАВСВАС...- Шести-шарова упаковка. Існує модифікація карбіду SiC з періодом повторюваності 6, 15 та 243 шари.

Якщо кристал побудований з атомів різних елементів, його можна у вигляді щільної упаковки куль різних розмірів. На рис. 110 наведено модельне зображення кристала кухонної солі. Великі іони хлору (г = 181 пм) утворюють щільну тришарову упаковку, у якої великі порожнечі заповнені меншими за

розміру іонами натрію (г = 98 пм). Кожен іон Na оточений шістьма іонами Про, навпаки, кожен іон С1 - шістьма іонами Na.

Дефекти у кристалах

Розглянуті в § 71 ідеальні кристалічні структури існують лише в дуже малих обсягах реальних кристалів, в яких завжди є відхилення від упорядкованого розташування частинок у вузлах решітки, звані дефектами кристалічних грат. Дефекти поділяються на макроскошпічні, що виникають у процесі утворення та зростання кристалів (наприклад, тріщини, пори, сторонні макроскопічні включення), та макроскопічні, зумовлені мікроскопічними відхиленнями від періодичності.

Мікродефекти поділяються на точкові та лінійні. Точкові дефекти бувають трьох типів: 1) вакансія - відсутність атома у вузлі кристалічних ґрат (мал. 111, а); 2) міждоуельний атом – атом; що впровадився у міжвузеловий простір (рис. 111, 6); 3) домішковий атом - атом домішки, або атом основної речовини, що заміщає, в кристалічній решітці (домішка заміщення, рис. 111, в),або впровадився в міжвузеловий простір (домішка вступу, рис. 111, б;тільки у міжвузлі замість атома основної речовини розташовується атом домішки). Точкові дефекти порушують лише ближній порядок у кристалах, не торкаючись далекого порядку, - у цьому полягає їхня характерна особливість.

Лінійні дефекти порушують далекий лад. Як випливає з дослідів, механічні властивості кристалів значною мірою визначаються дефектами особливого виду – дислокаціями. Дислокації – лінійні дефекти, що порушують правильне чергування атомних площин.

Дислокації бувають крайові та гвинтові. Якщо одна з атомних площин обривається всередині кристала, край цієї площини утворює крайову дислокацію (рис. 112, а).У разі гвинтової дислокації (рис. 112 б) жодна з атомних площин всередині кристала не обривається, а самі площини лише приблизно паралельні і замикаються один з одним так, що фактично кристал складається з однієї атомної площини, вигнутої по гвинтовій поверхні.

Щільність дислокацій (число дислокацій, що припадають на одиницю площі поверхні кристала) для досконалих монокристалів становить 10 2 -10 3 см -2 для деформованих кристалів- 10 10 -10 12 см - 2 . Дислокації ніколи не обриваються, або виходять на поверхню, або розгалужуються, тому в реальному кристалі утворюються плоскі або просторові сітки дислокацій. Дислокації та їх рух можна спостерігати за допомогою електронного мікроскопа, а також методом вибіркового травлення – у місцях виходу дислокації на поверхню виникають ямки травлення (інтенсивне руйнування кристала під дією реагенту), що «виявляють» дислокації.

Вивчення металів відповідно до періодичною системоюелементів Менделєєва показує, що крім Mn і Hg елементи підгрупи А, зокрема перехідні метали і більшість рідкісноземельних елементів, і навіть метали підгруп IB і IIB і деякі елементи групи IIIB, зокрема Al утворюють одну з наступних типових металевих структур:

А 1 - кубічні гранецентровані грати (ГЦК)

Кубічні гранецентровані гратимають такі метали: g - Fe, Al, Cu, Ni, a - Co, Pb, Ag, Au, Pt та ін.

У кубічних гранецентрованих гратах атоми розташовуються по вершинах елементарного осередку і в центрах її граней (рис.1.5).

Кожен атом у цих ґратах оточений 12-ма найближчими сусідами, що розташовуються на однакових відстанях, рівних = 0,707×а, де а- ребро елементарного осередку. Число найближчих сусідів, що дорівнює 12-ти називається координаційним числом кристалічних ґрат. Крім цих найближчих атомів, в кристалічній решітці є 6 атомів, віддалених на значно більші відстані, рівні а.

Розглянута кристалічна решітка має два види порожнин, (міжвузлів, в яких можуть розташовуватися дрібніші атоми інших елементів у сплавах) утворюють тверді розчини впровадження.

Найбільші міжвузля чи порожнечі перебувають у центрі куба і посередині його ребер. Кожна з цих порожнин оточена шістьма атомами ГЦК решітки, що займають місця у вершинах правильного октаедра. У зв'язку з цим вони називаються октаедричними порожнечами (рисунок 1.5, б). Такі положення різних елементів у гранецентрованій кубічній решітці займають атоми Na і Cl у решітці NaCl. Такі ж положення займає вуглець у ґратах g - Fe.

Крім цих порожнин у ГЦК решітці є дрібніші порожнечі, звані тетраедричними, у зв'язку з тим, що їх оточують 4 атоми. Всього в ГЦК ґратах 8 тетраедричних порожнин (рисунок 1.5, в).

Розміри тетраедричних і октаедричних порожнин можна відчути, якщо припустити, що грати побудовані з жорстких куль, радіусом r, що стикаються один з одним; в цьому випадку в наявні проміжки можна було б помістити сфери, радіусом 0,41 r і 0,225 r відповідно для октаедричного та тетраедричного порожнин.

Найбільш щільно запакованими площинами у структурі гранецентрованого куба є площини зображені на малюнку. Їх умовне позначення(111) (рисунок 1.5., г).

Об'ємно-центровані кубічні гратиА 2 (ОЦК) мають метали a - Fe, хром, вольфрам, молібден, ванадій, натрій, літій та інші. Структура А 2 є менш щільно запакованою.

Атоми в ґратах ОЦК розташовуються у вершинах та у центрі елементарного осередку (рисунок 1.6).

Кожен атом у цьому осередку має 8 найближчих сусідів, що знаходяться на відстані де, а- Довжина ребра куба. Отже, координаційне число грат дорівнює 8. Іноді його позначають (8 + 6), т.к. наступні за віддаленістю атоми розташовано з відривом а, число їх дорівнює 6.

У структурі ОЦК також є 2 типи порожнин. Великі займають положення на гранях куба (рисунок 1.6, в). Вони оточені 4 атомами, що знаходяться у вершинах тетраедра, ребра яких попарно рівні. Дрібніші порожнечі, оточені 6 атомами, що займають місця у вершинах неправильного октаедра, розташовуються посередині ребер і граней осередку (рисунок 1.6, г). Якщо структуру ОЦК решітки побудувати з жорстких куль, то тетраедричні порожнечі можна помістити сфери радіусом 0,292 r, а в октаедричні - 0,154 r.

Таким чином, максимальний розмірсфери, яку можна помістити в порожнечі більш щільно упакованих грат ГЦК виявляється більшим, ніж у решітку ОЦК.

Впровадження інших атомів в октаедричний час ОЦК решітки викликає зміщення двох атомів у напрямку паралельними ребру куба, що викликає розширення решітки в цьому напрямку. У структурі мартенситу, де атоми вуглецю впроваджуються в октаедричні порожнечі, розташовані тільки на ребрах, паралельних осі С та в центрах граней, перпендикулярних до цієї осі, це призводить до тетрагонального спотворення решітки a - Fe.

Найбільш щільно запакованими площинами ОЦК є 12 площин сімейства (110) (рисунок 1.6). б). У цих площинах є 2 напрямки, у яких жорсткі кулі можуть стикатися.

Гексагональні щільноупаковані гратиА 3 (ГПУ) мають такі метали, як Zn, b - Co, Cd, Mg, a - Ti, a - Zr.

Гексагональна решета побудована з окремих шарів, причому таким чином, що кожен атом будь-якого шару оточений 6 розташованими на рівних відстанях сусідами, що належать цьому ж шару, і, крім того, має три найближчих сусіди в шарах, розташованих вище і нижче даного шару (рисунок 1.7).

Відстань між атомами в гексагональних шарах позначається через а, висота осередку через с. Шість найближчих сусідів, розташованих у суміжних шарах, будуть також знаходитися на відстані, а від даного атома, якщо відношення осей з/аскладе, то така структура називається ідеальною щільноупакованою. Причому координаційне число в цьому випадку, як і в ГЦК ґратах, дорівнює 12.

Більшість металів з гексагональними щільноупакованими гратами мають відношення осей з/а= 1,56 – 1,63. Винятки становлять Zn та Cd (1,86; 1,89). Це пов'язано з тим, що електронні хмари атомів Zn і Cd не володіють сферичною симетрією і витягнуті вздовж осі С. У гексагональній решітці, також як і в ГЦК, є 2 види порожнин: октаедричні і тетраедричні (рисунок 1.7, б).

Діаметри жорстких сфер, які можуть бути поміщені в ці порожнечі, так само як і для ГЦК рівні 0,41 r і 0,225 r.

Достатньо поглянути на побудову щільно запакованих площин ГЦК решітки (111) (рисунок 1.8, а), щоб знайти повну аналогію у побудові атомів у цих двох ґратах. Різниця цих грат полягає у чергуванні шарів. Якщо в гексагональних ґратах відбувається чергування шарів АВАВ і т.д., то в ГЦК решітці: АВСАВС (рисунок 1.8, б), тобто. при цьому використовується третє можливе положення щільно запакованого шару.

Різниця в енергетичному відношенні між цими двома ґратами незначна і, у зв'язку з цим, послідовність чергування шарів може легко порушитись при пластичній деформації, а також внаслідок виникнення дефектів кристала під час його зростання, так званих дефектів упаковки.

Таким чином, різниця в побудові ГПУ і ГЦК решітки, що здається, зовсім не велика (рисунок 1.8).

Вуглець у вигляді алмазу, кремній, германій, a - олово (сіре) мають подвійну кубічну грати типу алмазу(Рисунок 1.9). Вона відрізняється від ГЦК решітки наявністю чотирьох з восьми тетраедричних порожнин додатково чотирьох атомів. В результаті структура виявляється більш пухкою.

Кожен атом алмазу оточений лише чотирма найближчими сусідами, що знаходяться в кутах правильного тетраедра. Координаційне число такої структури дорівнює 4.

Як було показано вище, одні й ті ж метали за різних температур можуть мати різну кристалічну будову, що викликано їхньою алотропією.

Алотропічним (поліморфним) перетворенням називають зміну просторових ґрат кристалічного тіла.

Як приклади алотропічних перетворень можна навести перетворення низькотемпературної алотропічної форми a - Fe з об'ємно-центрованими кубічними гратами у високотемпературну форму g - Fe з гранецентрованими кубічними гратами, при температурі 910 °С і подальше перетворення при температурі 1392 °С g Fe з об'ємно-центрованими кубічними гратами, аналогічною a - Fe. Аналогічні перетворення можна спостерігати у титані, цирконії тощо. У титані та цирконії низькотемпературною алотропічною формою є a - Ti, a - Zr з гексагональними щільно запакованими гратами. При температурі вище 882 ° С для титану і 862 ° С для цирконію утворюються b - Ti і b - Zr, що мають об'ємно-центровані грати.

Як ви бачили, алотропічне перетворення полягає в тому, що атомна будовакристалічного тіла змінюється при нагріванні та охолодженні. Сам процес перебудови кристалічних ґрат відбувається ізотермічно при постійній температурі, крива охолодження сплаву зазнає алотропічні перетворення, аналогічна кривою, що спостерігається при затвердінні рідкого металу. Температура переходу називається критичною точкою перетворення. При температурі (Т0) спостерігається фазова рівновага двох алотропічних різновидів.

Аналогічно процесу кристалізації алотропічне перетворення йде з поглинанням тепла при нагріванні та виділенням його при охолодженні. Алотропічне перетворення (також за аналогією з процесом кристалізації) відбувається шляхом утворення зародків та їх подальшого зростання, у зв'язку з чим воно протікає завжди з наявністю переохолодження (при охолодженні) та перегрівання при нагріванні.

Алотропічне перетворення відбувається, як і процес кристалізації, у зв'язку з прагненням системи до зменшення вільної енергії.