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 |
оС-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 (<тв = 350 ... 180 МПа; 6 = 10 ... 50 %). Для поликристаллической меди ств = 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! |
Мы поможем в написании ваших работ!