Некоторые металлы в зависимости от температуры могут кристаллизоваться в разных типах решеток. Например, сходная с алмазом решетка олова возможна при температуре ниже 13°С. При таких условиях его атомы, подобно углероду, имеют четыре ковалентные связи с соседями. Выше 13°С оторвавшиеся от атомов электроны создают электронную среду, т, е. образуется металлическая связь. Это приводит к возникновению сложной объемно-центрированной структуры с металлическими свойствами (белое олово). Чтобы отличать разные кристаллические образования одного и того же элемента, вводят обозначения: ‘, ’, “, ” и т. д. Так, в случае олова ‘-модификация низкотемпературная неметаллическая (серое олово), ’-модификация металлическая (белое олово).

типы решеток

Особенно часто такая термическая аллотропия (называемая полиморфизмом) встречается у переходных металлов. Типичным примером является железо. Ниже 110°С оно образует ‘-модификацию с объемно-центрированной кубической решеткой; между 110 и 1400°С существует “-железо с плотной границентрированной кубической решеткой; выше 1400°С железо превращается в ”-форму, похожую на ‘-модификацию, но с иными параметрами объемно-центрированной решетки. Аллотропная ’-модификация железа существует между 761 и 110°С. Она сохраняет структуру ‘-железа, но отличается по магнитным свойствам (‘-ферромагнитна, а ’-форма нет). Полиморфные превращения обычно происходят путем образования и роста зародышей новой (рис. 1) структуры внутри старой и начинаются всегда там, где свободнее — в местах нарушения идеальности кристаллической структуры. Вблизи температуры превращения, где старая структура становится неустойчивой, небольшие группы атомов образуют при своем взаимодействии элементарную ячейку новой модификации.

Рост кристаллов

Рис. 1. Схема роста кристаллов и образование блоков:
а — возникновение зародышей; б — образование центров кристаллизации;
в — блоки соприкасаются; г — блочная структура.

Если только несколько десятков атомов заняли положение, соответствующее новому порядку, то дальше происходит ориентированный рост кристалла. К ним начинают "присоединяться" окружающие атомы из старой структуры. Зародыш растет до тех пор, пока процесс не закончится по всему кристаллу, Укажем еще на одну особенность, с которой сталкиваются исследователи при изучении металлов. В реальных металлах расположение далеко от идеального. Определенные опытным путем пределы прочности в сотни и даже десятки тысяч раз меньше, чем рассчитанные теоретически. Это означает, что в кристаллах имеются определенные особенности.

1. Атомы и ионы в реальных кристаллах не остаются неподвижными, а постоянно колеблются относительно некоторого среднего положения. Частота этих колебаний определяется межатомными силами, а их амплитуда — температурой.
2. Наличие атомов посторонних элементов и случайных примесей. Инородные атомы могут быть рассеяны по всему кристаллу или группироваться вместе. И в том и в другом случае они искажают кристаллическую решетку.
3. Встречаются такие нарушения, которые не зависят ни от колебаний атомов, ни от наличия примесей. Это неправильное расположение атомов, составляющих решетку: отсутствие там, где они должны быть (возникают незанятые места вакансии), и появление атомов в промежутках между теми, которые сохраняют свое нормальное положение.
4. В кристаллические несовершенства включаются и видимые нарушения порядка расположения. Характер отражения рентгеновских лучей и картины, получающиеся при травлении, убеждают, что большинство кристаллических тел имеют мозаичное или блочное строение (рис. 1, г). Между такими блоками (зернами) правильное расположение во многих случаях нарушено. Размеры блоков чаще всего бывают от 1000 до 10 000 атомных диаметров (10 000-10-8 см=10-4 см = 0,01 мм), а на их границах образуется область с неправильным расположением атомов.

Конечно, свойства твердого вещества, в частности металла, зависят не только от того, какой у них тип кристаллической решетки. Вещества, сходные по этому признаку, могут иметь разный характер. Большую роль играет тип связи между компонентами, а также особенности структуры их атомов. Силы взаимодействия между частицами в решетках влияют на физико-химические свойства твердого тела. По характеру этих сил кристаллические вещества можно разделить на несколько основных групп.

Ионные кристаллы. В узлах решеток расположены разноименно заряженные ионы. Каждый положительный ион окружен отрицательными (и наоборот). Электростатическое притяжение приводит к образованию твердого тела, отличающегося тугоплавкостью и твердостью (например, КС1).

Атомные кристаллы. В узлах решетки — нейтральные атомы элементов, связанные за счет спаривания валентных электронов (например, алмаз).

Молекулярные кристаллы. Нейтральные молекулы образуют решетку за счет сил межмолекулярного взаимодействия. Это слабые (вандерваальсовы) силы притяжения, поэтому вещества с такими связями легкоплавки.

Металлические кристаллы. В узлах решеток расположены ионы металлов. Они связаны между собой за счет полусвободных электронов, находящихся в общем пользовании для всех ионов, что обеспечивает прочную связь.