1. Строение конструкционных материалов.

Металлы — кристаллические тела, атомы которых располага¬ются в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы, в отличие от аморфных тел (например, смола), атомы которых находятся в беспорядочном состоянии. Металлические и большинство не¬металлических твердых материалов имеют кристаллическое строение. Характер¬ными признаками кристаллических тел являются способность сохранять свою форму и оставаться твердыми при нагреве вплоть до критической температуры, при которой они дискретно переходят в жидкое состояние. Переход кристаллических тел из твердого в жидкое состояние и на¬оборот совершается изотермически, т. е. при определенной температуре, называ¬емой температурой плавления.

2. Типы кристаллических решеток.

Металлы — кристаллические тела, атомы которых располага¬ются в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы, в отличие от аморфных тел (например, смола), атомы которых находятся в беспорядочном состоянии.

Располагаясь в металлах в строгом порядке, атомы в плоскости образуют атомную сетку, а в пространстве — атомно-кристаллическую решетку. Линии на этих схемах являются услов¬ными; в действительности никаких линий не существует, а атомы колеблются возле точек равновесия, т. е. узлов решетки с большой частотой. Элементарные ячейки таких кристаллических решеток приве¬дены на рис. 1. Все кристаллические тела образуют семь разновидностей кристаллических решеток, из которых для металлов наиболее характерны объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) (рис. 1)

В ячейке кубической объемно-центрированной решетки атомы расположены в вершинах куба и в центре куба; такую решетку имеют хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. В ячейке кубической гранецентрированной решетки атомы расположены в вер¬шинах и в центре каждой грани куба; такую решетку имеют алю¬миний, никель, медь, свинец и др. В ячейке гексагональной решетки атомы расположены в вершинах шестиугольных оснований призмы, в центре этих оснований и внутри призмы; гексагональную решетку имеют магний, титан, цинк и др. В реальном металле кристалли¬ческая решетка состоит из огромного количества ячеек.

Размеры кристаллической решетки характеризуются ее пара¬метрами, измеряемыми в ангстремах — А (1А = 10 -8 см или lA = 0,1 Нм). Параметр кубической решетки характеризуется дли¬ной ребра куба, обозначается буквой а и находится в пределах 0,28—0,6 Нм (2,8 — 6А). Для характеристики гексагональной решетки принимают два параметра — сторону шестигранника а и высоту призмы с. Когда отношение с/а -- 1,633, то атомы упако¬ваны наиболее плотно, и поэтому такая решетка называется гекса¬гональной плотноупакованной.

3. Анизотропия кристаллов и его влияние на свойства материалов.

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

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

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

4. Дефекты кристаллических решеток.

Строение и свойства реальных кристаллов отличаются от иде¬альных, 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 натяже¬ния решетка будет искажена. Это искажение может распростра¬няться и на прилегающую к поверхности зону.

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 за¬няты 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, аЛинейные дефекты малы в двух измерениях кристаллической решетки и достаточно велики в третьем. К таким дефектам отно¬сятся смещения атомных плоскостей или дислокации и цепочки вакансий (рис. 5, б). Поверхностные дефекты малы только в одном направле¬нии; в двух других они могут достигать размера кристаллита.

5. Влияние дефектов кристаллических решеток на свойства материалов.

Влияние дефектов строения на свойства материалов огромно. Например, прочность реальных кристаллов на сдвиг из-за наличия дефектов строения уменьшается на три-четыре порядка по сравне¬нию с той же характеристикой идеального кристалла. Влияние дефектов строения на прочностные характеристики металлов не однозначно. Из представленной на рис. 6 зависимости видно, что прочность практически бездефектных кристаллов (так называемых «усов») очень высока. Увеличение количества п дефектов строения в 1 см3 приводит к резкому снижению прочности. Точка Рк характеризует прочность металлов, которые принято называть «чистыми». Дальнейшее увеличение дефектов, например, введением легирующих примесей или методами специального искажения кристаллической решетки повышает реальную прочность металлов. Для создания наиболее прочных материалов стараются получить оптимальное количество дефектов.

Дефекты кристаллической решетки, распределенные необходимым образом по объему кристалла, позволяют создавать в одном образце области с различными типами проводимости, что является необходимым при изготовлении некоторых полупровод¬никовых элементов.