Влияние типа связи на структуру и свойства кристаллов

Глава 1

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

1.1. Кристаллические и аморфные тела

В природе существуют две разновидности твердых тел, различающиеся по своим свойствам, — кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела остаются твердыми, т.е. сохраняют приданную им форму до вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Так, у чистых металлов переход из одного состояния в другое протекает (рис. 1.1) при определенной температуре плавления.

Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.

Кристаллическое состояние твердого тела более стабильно, чем аморфное.

Аморфные тела в отличие от жидкостей имеют пониженную подвижность частиц. Аморфное состояние можно зафиксировать во многих органических и неорганических веществах ускоренным охлаждением из жидкого состояния. Однако при повторном нагреве, длительной выдержке 20...25°С, а в некоторых случаях при деформации нестабильность аморфного твердого тела проявляется в частичном или полном переходе в кристаллическое состояние.

Примерами такого перехода могут служить помутнение неорганических стекол при нагреве, частичная кристаллизация плавленого янтаря при нагреве, а также резины при растяжении, сопровождающаяся упрочнением.

Кристаллические тела характеризуются
упорядоченным расположением в пространстве _р _г _х кривая охла-
частиц, из которых они составлены (ионов, ато- ждения при христалли-
мов, молекул). эации металла

Свойства кристаллов зависят от электронного строения атомов и характера взаимодействия их в кристалле, от пространственного расположения частиц, химического состава. Все эти детали строения кристаллов описывает понятие «структура».

В зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов их выявления используют следующие понятия: тонкая структура, микро- и макроструктура.

Тонкая структура описывает расположение частиц в кристалле и электронов в атоме; изучают ее дифракционными методами (рентгенография, электронография, нейтронография). Анализируя дифракционную картину, получаемую при взаимодействии атомов кристалла с короткими волнами (А = 10~¹⁰ ... Ю^-12 м) рентгеновских лучей (или волн электронов, нейтронов), можно получить обширную информацию о строении кристаллов.

Большинство материалов состоит из мелких кристалликов (зерен). Наблюдать такие мелкие структурные составляющие — микроструктуру можно с помощью оптического (до 10~⁷ м) или электронного (до 2-Ю^-10 м) микроскопа.

Микроскопические методы дают возможность определить размеры и форму кристаллов, наличие различных по своей природе кристаллов, их распределение и относительные объемные количества, форму инородных включений и микропустот, ориентирование кристаллов, наличие специальных кристаллографических признаков (двойникование, линии скольжения и др.). Это далеко не полное перечисление характеризует обширность тех сведений, которые можно получить при помощи микроскопа.

Изучая строение кристаллов — макроструктуру — невооруженным глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы, можно выявить характер излома, усадочные раковины, поры, размеры и форму крупных кристаллов. Используя специально приготовленные образцы (шлифованные и травленые), обнаруживают трещины, химическую неоднородность,

ВОЛОКНИСТОСТЬ.

Исследование макроструктуры, несмотря на свою простоту, является очень ценным методом изучения материалов.

1.2. Элементы кристаллографии

1.2.1. Кристаллическая решетка

Н кристалле частицы (ионы, атомы, молекулы), из которых построен кристалл, сближены до соприкосновения и располагаются различно, но закономерно но разным направлениям (рис. 1.2, «). Для упрощения

Рис. 1.2. Расположение частиц в кристалле:

а пространственное изображение; б -схема

пространственное изображение заменяют схемами (рис. 1.2, б), отмечая гонками центры тяжести частиц. Кристаллы различаются симметрией расположения частиц.

Если в кристалле провести три направления х, у, z, не лежащих в одной плоскости, то расстояния между частицами, расположенными по этим направлениям, в общем случае неодинаковы и соответственно равны а, Ь, с.

Плоскости, параллельные координатным плоскостям, находящиеся на расстоянии а, Ь, с разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед называют элементарной ячейкой. Последовательное перемещение его образует пространственную кристаллическую решетку. Вершины параллелепипеда называют узлами пространственной решетки. С этими узлами совпадают центры тяжести частиц, из которых построен кристалл.

Для описания элементарной ячейки кристаллической решетки используют шесть величин: три отрезка, равные расстояниям а, 6, с до Плижайших частиц по осям координат, и три угла а, (3, 7 между этими отрезками.

Соотношения между этими величинами определяются симметрией, согласно которой все кристаллы подразделяют на семь систем (табл. 1.1).

Размер элементарной ячейки кристаллической решетки оценивают о [резки а, Ь, с. Их называют периодами решетки.

В большинстве случаев решетки имеют сложное строение, так как частицы находятся не только в узлах, но и на гранях или в центре решетки (рис. 1.3). О степени сложности судят по числу частиц, приходящихся па одну элементарную ячейку. В простой пространственной решетке (см. рис 1.3, а) всегда на одну ячейку приходится одна частица. В каждой ячейке имеется восемь вершин, но каждая частица в вершине относится, в свою очередь, к восьми ячейкам. Таким образом, от узла на долю каждой ячейки приходится 1/8 объема, а всего узлов в ячейке восемь, следовательно, на ячейку приходится одна частица.

Таблица 1.1. Кристаллические системы элементов

Система	Ребра	Углы
Триклинная	афЬфс	аф/Зф-у
Моноклинная	афЬ ф с	а = /? = 90° 7 #90°
Ромбическая	афЬфс	а = /? = 7 = 90°
Ромбоэдрическая	а — Ь = с	а = /? = _т ^ 90°
Гексагональная	0 = 6 ф с	а = /? = 90° 7=120°
Тетрагональная	а — Ьфс	а = /3 = 7 = 90°
Кубическая	а — Ь — с	а = /? = 7 = 90°

В сложной пространственной решетке на одну ячейку всегда приходится больше одной частицы. На объемно-центрированную ячейку (см. рис. 1.3, б) приходятся две частицы: одна от вершины и другая центрирующая, которая относится только к данной ячейке. В гранецентрирован-ной ячейке (см. рис. 1.3, в) имеются четыре частицы: одна от вершины и три от шести центрированных плоскостей, так как частица, находящаяся в центре плоскости, относится одновременно к двум ячейкам.

Система, период и число частиц, приходящихся на элементарную ячейку, полностью определяют расположение частиц в кристалле. Дополнительными характеристиками кристаллической решетки являются координационное число и коэффициент компактности.

Число ближайших равноудаленных частиц определяет координационное число К. Например, в решетке объемно-центрированного куба (ОЦК)

Рис. 1.4. Октаэдрические (а) и тетраэдрические (б) поры в металлах с ГЦК решеткой

для каждого атома число таких соседей будет равно восьми (К8). Для простой кубической решетки координационное число будет 6 (Кб), для i ранецентрированной кубической решетки (ГЦК) — 12 (К12).

Отношение объема всех частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки определяет коэффициент компактности. Для простой кубической решетки его значение равно 0,52, для ОЦК — 0,68 и для ГЦК — 0,74.

Оставшееся пространство образуют поры, которые подразделяют на октаэдрические и тетраэдрические. На рис. 1.4 центры этих пор показаны маленькими точками на ГЦК решетке. Радиус октаэдрическои поры составляет 0,41, а тетраэдрической поры — лишь 0,22 радиуса частицы.

Для многих металлов характерна плотная упаковка частиц. Если частицы изобразить в виде шаров, а для большинства частиц это справедливо, так как они обладают шаровой симметрией, то при упаковке получаются структуры, показанные на рис. 1.5.

Рис. 1.3. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток:

а простая; б, в - сложные

Рис. 1.5. Плотная упаковка атомов в кристаллах

Рис. 1.6. Элементарные ячейки кристаллических решеток:

а, г - ГП; б, д - ГЦК; в, е - ОЦК

На первый слой шаров, обозначенных А, в лунки 1 накладывается торой слой шаров, обозначенных В. Для следующего слоя шаров воз-южны два варианта: если шары укладываются над первым слоем, то ре-:к:тка получается гексагональная плотноупакованная (ГП) (внизу); если ■рстий слой шаров С укладывается на второй над лунками 2 и только стертый слой повторяет первый слой шаров А, то получается ГЦК ре-кггка (вверху).

Шестигранная призма на рис. 1.6 изображает ГП кристаллическую ешетку. Однако элементарной ячейкой здесь является элемент, выделений жирными линиями. В нем а — Ъ ф с; а = (i = 90°; 7 = 120°. Исходя з чисто геометрических соображений, можно определить отношение пе-иодов с/а, если частицы обладают сферической симметрией. Оно равно ,633.

При отклонении частиц от сферической симметрии возможно обра-эвание гексагональных структур с отношением периодов, отличающихся г 1,633, а также ОЦК структур (см. рис. 1.6).

Кристаллографические индексы

По параллельным направлениям свойства одинаковы, поэтому доставит указать для всего семейства параллельных прямых одно направле-ис, проходящее через начало координат. Это дает возможность задать

Рис. 1.7. Кристаллографические индексы направлений (а) и плоскостей (б)

направление прямой только одной точкой, так как другой всегда является начало координат. Такой точкой является узел кристаллической решетки, занимаемый частицей. Координаты этого узла выражают целыми числами и, v, w в единицах отрезков а, Ь, с, заключают в квадратные скобки [и, v, w] и называют индексами направления. Отрицательное значение индекса обозначают знаком «минус» над ним (рис. 1.7, а).

Положение плоскости в пространстве определяется отрезками, отсекаемыми плоскостью по координатным осям. Эти отрезки выражают целыми числами т, п, р в единицах отрезков а, Ь, с. Принято за индексы плоскостей брать обратные отрезки: h = 1/m; k = 1/n; / = 1/p. Три числа /i, k, /, заключенные в круглые скобки, называют индексами плоскости (рис. 1.7, б). Если плоскость отсекает по осям отрицательные отрезки, то это отмечают знаком «минус» над соответствующим индексом.

1.2.3. Анизотропия

Анизотропия — это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая в результате упорядоченного расположения атомов (ионов, молекул) в пространстве. Свойства кристаллов определяются взаимодействием атомов. В кристалле расстояния между атомами в различных кристаллографических направлениях различны, а поэтому различны и свойства.

Анизотропия присуща многим свойствам кристаллов. Наиболее сильно она проявляется в кристаллах со структурами, обладающими малой симметрией (табл. 1.2).

Из приведенных значений температурных коэффициентов линейного расширения в кристаллах по трем координатным осям можно заключить, что анизотропия резко проявляется у моноклинных и ромбических кристаллов и практически незаметна у кубических.

Таблица 1.2. Температурный коэффициент линейного расширения кристаллов

Система	Кристалл	«1	<*2	сч
	Кристалл	о_С-1
Моноклинная	Нитроанилин	150	8	24
Ромбическая	и„	82	-1,5	23
Гексагональная	Графит	-1,5	-1,5	28
	Zn	8	8	65
Тетрагональная
объемно-цент-
рированная	Sn^j	31	31	16
Кубическая	Алмаз	0,6	0,6	0,6
	Си	17	17	17

Анизотропия свойств проявляется при использовании монокристаллов, полученных искусственным путем. В природных условиях кристаллические тела — поликристаллы, т.е. состоят из множества мелких различно ориентированных кристаллов. В этом случае анизотропии нет, так как среднестатистическое расстояние между атомами по всем направлениям оказывается примерно одинаковым. В связи с этим поликристаллические тела считают мнимоизотропными. В процессе обработки давлением поликристалла кристаллографические плоскости одного индекса в различных зернах могут ориентироваться параллельно. Такие поликристаллы называют текстурованными и они, подобно монокристаллам, анизотропны.

Ниже приведены значения модуля упругости для моно- и поликристаллов трех металлов, ГПа:

Монокристалл* Поликристалл

Си (ГЦК)........................... .............. 68/104 121

Fe (ОЦК).............. 135/290 214

Zn (ГП)............... 35/126 100

* В числителе - минимальное значение, в знаменателе - максимальное.

Видно, что значения свойств поликристаллов занимают промежуточные положения в интервалах значений для монокристаллов.

Прочность и пластичность монокристалла меди изменяются в зависимости от направления (<т_в = 350 ... 180 МПа; 6 = 10 ... 50 %). Для поликристаллической меди ст_в = 250 МПа и 6 = 40 %.

Влияние типа связи на структуру и свойства кристаллов

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 2077; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!