Металлические кристаллы

Среди кристаллов распространено явление полиморфизма — способ­ность в твердом состоянии при различных температурах (или давлении) иметь различные типы кристаллических структур. Эти кристаллические структуры называют аллотропическими формами, или модификациями. Низкотемпературную модификацию называют (альфа), а высокотемпературные — (бетта), (гамма) и т.д.

Стабильность модификаций при определенных температуре и давле­нии определяется значением термодинамического потенциала:

G = H -ST.

Более стабильной при данной темпера­туре будет модификация, имеющая меньшее алгебраическое значение термодинамического потенциала, что может быть достигнуто либо вследствие уменьшения энтальпии, либо путем увеличения энтропии.

Температурным полиморфизмом обладают около тридцати металлов (табл. 1.3). Быстрое охлаждение может сохранить высокотемпературную модификацию в течение длительного времени при 20... 25 грС, так как низ­кая диффузионная подвижность атомов при таких температурах не спо­собна вызвать перестройку решетки.

При нагреве до 2000грС и давлении ~ 10е10 Па углерод в форме графита перекристаллизуется в алмаз. При очень больших давлениях в железе обнаружена низкотемпературная модификация с ГП решеткой.

Рост давления может приводить к превращению при низких тем­пературах менее плотноупакованных модификаций в плотноупакованные структуры. В Ge, Si и Sn при больших давлениях обнаружено превра­щение ковалентных кристаллов с решеткой алмаза (К4) в металлические кристаллы с тетрагональной объемно-центрированной решеткой (К8).

Энергия металлической связи несколько меньше, чем ковалентной, поэтому металлы в большинстве случаев по сравнению с ковалентными кристаллами имеют более низкие температуры плавления, модуль упру­гости, но более высокий температурный коэффициент линейного расши­рения.

Для большинства случаев с увеличением энергии связи Е(связи) растут температура плавления Т(плав), модуль упругости Е, энергия активации са­модиффузии Q(диф), а коэффициент линейного расширения (альфа), наоборот, уменьшается (табл. 1.4). Закономерность обнаружена экспериментально и имеет ряд исключений: аномально завышен модуль упругости у бериллия, что позволяет использовать его сплавы как материалы повышенной жест­кости; титан и цирконий имеют заниженные значения не только модуля упругости, но и энергии активации самодиффузии (последнее объясняет их пониженную жаропрочность).

Вследствие ненаправленности металлической связи и образования плотноупакованных структур металлические кристаллы более пластичны и менее тверды, чем ковалентные. Хорошая электрическая проводимость обеспечивается наличием у них свободных подуровней в валентной энер­гетической зоне. Температурный коэффициент электрического сопроти­вления у металлических кристаллов имеет положительное значение, т.е. электрическое сопротивление при нагреве растет.

Титан: ГП до 882, ОЦК 882-1668

Железо: ОЦК до 911, ГЦК 911-1392, ОЦК 1392-1539