Информационно-познавательный сайт     Материаловедение     Электроматериаловедение  

1. Общие сведения о строении вещества

1.2. Кристаллические вещества


top include

 

Меню разделов:
Аквариумистика
Биология
Вирусология
История
Материаловедение
Менеджмент
Радиоэлектроника
Фармация
Физика

 

top-2 include right include

 

К кристаллическим веществам относятся все металлы и металлические сплавы.

Кристалл состоит из множества сопряженных друг с другом элементарных кристаллических ячеек. В элементарной кристаллической ячейке содержится наименьшее число атомов.

Для описания структуры кристаллических тел пользуются понятием пространственной кристаллической решетки, которая представляет собой пространственную сетку, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело (рис. 1.3).

 

Основные типы кристаллических решеток металлов

 

В узлах ковалентных (атомных) решеток находятся нейтральные атомы, которые связаны друг с другом ковалентной связью.

В узлах ионных решеток располагаются чередуясь положительные и отрицательные ионы, которые связаны друг с другом ионной связью.

В узлах металлических решеток расположены положительные ионы, в промежутках между которыми находятся свободные электроны. Они образуют решетку с помощью металлических связей.

В узлах молекулярных решеток находятся молекулы. Молекулярные решетки образуются за счет ковалентной и ионной связей. Каждое вещество обычно образует кристаллы определенной формы. Порядок взаимного расположения атомов в кристалле может быть различным.

Простейшим типом элементарной кристаллической ячейки является простая кубическая решетка. Размеры кристаллической решетки характеризуются ее параметрами. Под параметром решетки понимают расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку. Эти расстояния очень малы и их измеряют в нанометрах или ангстремах 1А = 10-10 м). Параметр кубической решетки (рис. 1.4) обозначается буквой а и находится в пределах 0,28...0,6 нм. Параметр решетки хрома равен 2,9 А, алюминия - 4,04 А. Следовательно, в кристаллическом веществе на 1 мм размещаются десятки миллионов атомов.

 

Элементарна ячейка кубической решетки

 

Стремление атомов металлов к сближению и уплотнению приводит к образованию более сложных типов решеток. Наиболее распространенными типами кристаллических решеток являются:

кубическая объемно центрированная (см. рис. 1.3, а), ее имеют α-железо, хром, вольфрам, ванадий;

кубическая гранецентрированная (см. рис. 1.3, б), ее имеют γ-железо, медь, алюминий;

гексагональная (см. рис. 1.3, в), ее имеют бериллий, кадмий, магний и другие металлы.

Наиболее плотно и компактно размещены атомы гексагональной и кубической гранецентрированной решеток.

Упорядоченное расположение атомов в кристаллах приводит к различному расположению и плотности атомов в разных направлениях. Этим обусловлено различие свойств металлов в разных направлениях.

Изменение свойств кристаллов (металлов) в зависимости от направления называют анизотропией. Степень анизотропности свойств металлов может быть значительной. Например, предел прочности на растяжение у меди изменяется от 120 до 360 МПа, а относительное удлинение при растяжении (Δl/l = 10) - до 55%.

Однако промышленные сплавы обычно состоят из большого числа кристаллов, кристаллические решетки которых по-разному ориентированы в пространстве, поэтому свойства сплавов не зависят от направления.

Учитывая анизотропию свойств кристаллов в разных направлениях, применяют количественную индексацию плоскостей и направлений в кристаллических решетках (индексы Миллера). Кристаллографические плоскости и их индексация представлены на рис. 1.5.

 

Кристаллографические плоскости в кубических кристаллах

 

Плоскость I (рис. 1.5, а) отсекает от оси X отрезок, равный длине n ребра куба, и проходит параллельно осям Y и Z, т.е. пересекается с ними в бесконечности. Индексами выбирают отношения длины этого отрезка к длине ребра куба. Индексы записывают в круглых скобках.

Индексы плоскости I определяются следующим образом: по оси X n/n = 1, по оси Y n/ = 0, по оси Z n/ = 0. Следовательно, плоскость I имеет индексы (100).

Плоскость II отсекает по осям X и Y отрезки, равные n, и пересекается в бесконечности с осью Z (рис. 1.5, б). Индексы этой плоскости следующие: по оси Х n/n = 1, по оси Y n/n = 1, по оси Z n/ = 0. Следовательно, плоскость II имеет индексы (110).

Плоскость III (рис. 1.5, в) имеет индексы (111).

Все кристаллические вещества при нагревании сохраняют твердое состояние до определенной температуры. Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, совершают непрерывные колебательные движения. Чем выше температура вещества, тем больше амплитуда этих колебаний. При достижении определенной температуры амплитуда колебаний атомов настолько увеличивается, что происходит разрушение кристаллической решетки. Атомы переходят в хаотическое состояние, а вещество превращается из твердого в жидкое. Температура, при которой происходит фазовое превращение твердого вещества в жидкое, называется температурой плавления вещества Тпл.

Обратный переход кристаллических веществ из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией вещества. Температура, при которой происходит фазовое превращение жидких веществ в кристаллические, называется температурой кристаллизации вещества Ткр.

Строение металлов, когда атомы образуют геометрически правильную кристаллическую структуру, может быть только в идеальном случае. В реальных условиях кристаллы имеют большое число дефектов, наличие которых оказывает существенное влияние на свойства металлов и сплавов.

Основными дефектами кристаллических решеток являются точечные, линейные, поверхностные и объемные (трехмерные) несовершенства.

Точечные несовершенства кристаллических решеток появляются в результате образования вакансий (атомных дырок) или внедрения атомов в междуузлие (рис. 1.6).

 

Условное изображение точечных несовершенств

 

Атомы металлов находятся в колебательном движении относительно положения равновесия. При нагревании амплитуда колебаний атомов возрастает. Большинство атомов в данной кристаллической решетке обладает одинаковой средней энергией, поэтому амплитуда их колебаний при данной температуре одинакова, но отдельные атомы имеют энергию, значительно превышающую среднюю, и амплитуда колебаний их также больше среднего значения. Такие атомы могут перемещаться из одного места в другое и выходить из узла в междуузлие. Атомы, вышедшие из узла решетки, называются дислоцированными кристаллов, а места, где находились атомы, остаются в решетке незаполненными и называются вакансиями.

Причинами точечных несовершенств атомов являются условия кристаллизации, наличие примесей в металлах и сплавах, неравномерное распределение энергии между атомами кристаллической решетки.

Точечные дефекты влияют на диффузионные процессы. Например, при изготовлении полупроводниковых интегральных схем нагревание до температуры плавления приводит к увеличению вакансий на 2%.

Линейные несовершенства кристаллов представляют собой изменения структуры, протяженность которых в одном измерении гораздо больше, чем в двух других. Такие несовершенства называют дислокациями. Появление дислокаций вызвано воздействиями на металл напряжений разного происхождения. При воздействии сосредоточенной нагрузки на некоторый участок происходит перераспределение напряжений в образце. Этот процесс сопровождается медленным сдвигом атомов. Граница между сдвинутыми участками и сохранившейся без изменения областью является дислокацией (рис. 1.7).

 

Линейные дислокации атомов

 

Дислокации бывают краевыми, винтовыми и смешанными.

Поверхностные несовершенства кристаллов характеризуются значительными изменениями в двух измерениях. Примером поверхностного несовершенства является граница между кристаллами в реальных сплавах.

Кристалл состоит из блоков, которые по-разному ориентируются в пределах этого кристалла, образуя мозаичную структуру. На границах повернутых друг относительно друга блоков возникают напряжения, приводящие к искажению кристаллической решетки (рис. 1.8).

 

Поверхностные несовершенства атомов (мозаичная структура кристаллов)

 

Объемные несовершенства кристалла имеют существенные размеры во всех трех измерениях. К объемным дефектам относятся пустоты, включения отдельных кристаллических зерен или кристаллической модификации.

По структуре кристаллические материалы бывают монокристаллическими и поликристаллическими.

Монокристаллические материалы - это однородные анизотропные тела, у которых атомы расположены по всему объему в правильном порядке. При этом сами атомы состоят из периодически повторяющихся одинаковых кристаллических ячеек.

Поликристаллические материалы состоят из большого числа сросшихся между собой мелких кристаллических зерен (кристаллитов), которые хаотически ориентированы в разных направлениях. За счет усреднения свойств отдельных кристаллов свойства тела в целом не зависят от направления, и поликристаллические материалы обычно изотропны. Однако с помощью специальной обработки (холодная прокатка с последующим отжигом, намагничивание, поляризация и т.д.) материал становится анизотропным. Материалы с искусственно созданной анизотропией называют текстурами.

К поликристаллическим материалам относятся металлы и многие керамические материалы.   

 

1.1. Виды связи
1.2. Кристаллические вещества
1.3. Аморфные и аморфно-кристаллические вещества

botton include

 


author include