Кристаллические вещества

К кристаллическим веществам относят 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. 1.1).

а б в

Рис. 1.1. Основные типы кристаллических решеток металлов:

а – кубическая объемно центрированная;

б – кубическая гранецентрированная;

в – гексагональная

В узлах ковалентных (атомных) решеток находятся нейтральные атомы, которые связаны друг с другом ковалентной 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. Такие решетки образуются за счет ковалентной и ионной связей.

Каждое вещество обычно образует кристаллы определенной формы. Порядок взаимного расположения атомов в кристалле может быть различен.

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 измеряются в нанометрах или ангстремах (1А= м). Параметр кубической решетки обозначается буквой а и находится в пределах 0,28-0,6 нм. Параметр решетки хрома равен 2,9 Å, алюминия – 4,04 Å. Следовательно, в кристаллическом веществе на 1 мм размещаются десятки миллионов атомов.

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

кубическая объемно центрированная (рис 1.1, а), ее имеют α - железо, хром, вольфрам, ванадий;

кубическая гранецентрированная (рис. 1.1, б), ее имеют γ - железо, медь, алюминий;

гексагональная (рис. 1.1, в), ее имеют бериллий, кадмий, магний и др. 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 (∆l/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 направлений в кристаллических решетках (индексы Миллера). Кристаллографические плоскости и их индексация представлены на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Кристаллографические плоскости в кубических кристаллах

Плоскость І (рис. 1.3, 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, пооси 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. 1.3, б). Индексы этой плоскости следующие: по оси X n/n=1,по оси Y n/n=1, Z n/∞=0. Следовательно, плоскость II имеет индексы (100).

Плоскость III (рис. 1.3, 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 .

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

Рис. 1.4. Условное изображение точечных несовершенств:

1 – вакансия; 2 – дислоцированный атом; 3 – примесный атом

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 появляются в результате образования вакансий (атомных дырок) или внедрение атомов в междуузлие (рис. 1.4).

Атомы металлов находятся в колебательном движении относительно положения равновесия. При нагревании амплитуда колебаний атомов возрастает. Большинство атомов в данной кристаллической решетки 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, а места, где находились атомы, остаются в решетке незаполненными и на­зываются вакансиями.

Причинами точечных несовершенств 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 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. 1.5).

Рис. 1.5. Линейные дислокации

Дислокации бывают краевыми, винтовыми и смешанными.

Поверхностные несовершенства 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.

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.

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 тел 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 текстурными.

К поликристаллическим материалам относятся металлы и многие керамические материалы.