3. Анизотропия кристаллов и его влияние на свойства материалов.

В различных плоскостях кристаллической решетки атомы рас­положены с различной плотностью и поэтому многие свойства кристаллов в различных направлениях различны. Такое различие называется анизотропией.

Все кристаллы анизотропны. В отличие от кристаллов аморф­ные тела (например, смола) в различных направлениях имеют в основном одинаковую плотность атомов и, следовательно, одина­ковые свойства, т. е. они изотропны.

В металлах, состоящих из большого количества по-разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов (поликри­сталл), свойства во всех направлениях одинаковы (усредненные). Эта кажущаяся независимость свойств от направления называется квазиизотропией *.

Если в структуре металла создается одинаковая ориентировка кристаллов, то появляется анизотропия.

При переходе металла из жидкого состояния в твердое про­исходит так называемый процесс кристаллизации. Основы теории кристаллизации разработаны основоположником науки о металлах — металловедения Д. К. Черновым, кото­рый установил, что кристаллизация состоит из двух процессов: зарождения мельчайших частиц кристаллов (зародышей кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров (рис.3).

Рис.3 . Последовательные этапы процесса кристаллизации.

Рост кристаллов заключается в том, что к их зародышам при­соединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму, но это происходит только до момента встречи растущих кристаллов. В месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается и развиваются не все, а только некоторые грани кристаллов. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы. Такие кристаллы называют кристаллитами или зернами. Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем больше кристаллов образуется в данном объеме и каждый кристалл (зерно) меньше. На образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения. Чем больше скорость охлаждения металла, тем больше возникает в нем центров кристаллизации, и зерна получаются мельче (рис.4). Это подтверждается на практике в тонких сечениях литых деталей охлаждающихся более быстро, металл всегда получается более мелкозернистым, чем в толстых массивных литых деталях, охлаждающихся медленнее. Однако не всегда можно регулировать скорость охлаждения.

Всем кристаллам присуща анизотропия, т. е. неравномерность свойств по направлениям, определяемая различными рассто­яниями между атомами в кристаллической ячейке. Наиболее сильно анизотропия выражена у металлов, имеющих асимметричное кри­сталлическое строение. От направления действия сил в кристалле существенно зависят такие показатели физических свойств, как прочностные характеристики, модуль упругости, термический коэффициент расширения, коэффициенты тепло- и электропровод­ности, показатель светового преломления и др. Анизотропия характерна и для поверхностных слоев кристаллов. Такие свой­ства, как поверхностное натяжение, электронные потенциалы, адсорбционная способность, химическая активность существенно различаются у различных граней кристалла.

Рис.4. Влияние скорости охлаждения на возникновение центров кристаллизации и на величину образующихся зерен.

1 - медленное охлаждение, 2 – ускоренное охлаждение, 3 – быстрое охлаждение.

4. .Дефекты кристаллических решеток.

Строение и свойства реальных кристаллов отличаются от иде­альных, представленных на рис. 1, вследствие наличия в них дефектов, которые подразделяют на поверхностные и внутренние. Реальный единичный кристалл обладает свободной (наружной) поверхностью, на которой уже вследствие поверхностного натяже­ния решетка будет искажена. Это искажение может распростра­няться и на прилегающую к поверхности зону.

Рис.5. Дефекты кристаллической решетки:

а — точечные; б — линейные; в - двухмерные (плоскостные)

Дефекты внутреннего строения подразделяют на нульмерные (точечные), одномерные — линейные и двухмерные, т. е. развитые в двух направлениях. К точечным дефектам относятся: вакансии в случае, когда отдельные узлы кристаллической решетки не за­няты атомами; дислоцированные атомы, когда отдельные атомы оказываются в междуузлиях, или примесные атомы, количество которых даже в чистых металлах весьма велико. Около таких дефектов решетка будет упруго-искаженной на расстоянии одного-двух ее периодов (рис. 5, а). Хотя относительная концентрация точечных дефектов может быть невелика, они вызывают чрезвы­чайно большие изменения физических свойств материала. Напри­мер, тысячные доли атомного процента примесей к чистым полу­проводниковым кристаллам изменяют их электрическое сопроти­вление в 10⁵—10⁸ раз.

Линейные дефекты малы в двух измерениях кристаллической решетки и достаточно велики в третьем. К таким дефектам отно­сятся смещения атомных плоскостей или дислокации и цепочки вакансий (рис. 5, б). Важнейшим свойством таких дефектов является их подвижность внутри кристалла и активное взаимо­действие между собой и с другими дефектами.

Плотность дислокаций в кристаллах велика: в недеформированных кристаллах их количество на 1 см³ достигает 10⁶—10⁸; при пластической деформации происходит возникновение новых дисло­каций, и это число увеличивается в тысячи раз. Двухмерные де­фекты характерны для поликристаллических материалов, т. е. для материалов, состоящих из большого количества мелких кристаллов, различно ориентированных в пространстве.

Граница сросшихся при затвердевании кристаллов предста­вляет собой тонкую, до 10 атомных диаметров, зону с нарушением порядка в расположении атомов. В поликристаллическом теле границы отдельных кристаллов имеют криволинейные поверх­ности раздела, а сами кристаллы — неправильную форму. По­этому их, в отличие от правильно ограниченных кристаллов, на­зывают кристаллитами или зернами. Зерна поликристалла при затвердевании растут из различных центров кристаллизации и ориентация осей кристаллических решеток соседних зерен раз­лична. Зерно металла состоит из отдельных блоков, ориентирован­ных один по отношению к другому под небольшим углом. Границы между ними представляют собой обычно скопления дислокаций (рис. 5, в). Поверхностные дефекты малы только в одном направле­нии; в двух других они могут достигать размера кристаллита.