Раздел 1. Строение материалов. Лекция №2

1. Строение материалов

2. Взаимодействие структурных частиц вещества.

3. Кристаллическое строение металлов

4. Полиморфизм в металлах.

5. Реальное строение металлических кристаллов

6. Кристаллизация металлов и сплавов.

1. Строение материалов.

В зависимости от соотношения энергии теплового движения час­тиц (атомов, ионов или молекул), образующих данное вещество, и энергии их взаимодействия все материалы при нормальных условиях могут находиться в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком или твердом. Особым видом существования вещества является плазменное со­стояние, которое образуется при высоких температурах (выше 5000°С) или при воздействии электрических разрядов и представляет собой сильно ионизированный газ.

Переход вещества из газообразного состояния в жидкое и далее в твердое сопровождается ростом упорядоченности в расположении частиц в пространстве.

Вещества находятся в газообразном состоянии тогда, когда энергия теплового движения частиц превышает энергию их взаимодействия. Такими частицами в газах являются молекулы: реже одноатомные (Не, Nе, Аг, Кг, Хе,), чаще двух-, трех- и многоатомные ( Н₂, С0₂, Н₂0, СН₄, С₂Н₆ и т.п.). Молекулы газа находятся в постоянном хаотическом движении. В результате внешних энергетических воздействий очень незначительная часть молекул ионизирует с образованием ионов и электронов.

В жидком состоянии энергия теплового движения частиц, образующих вещество, сравнима с энергией их взаимодействия. Этими частицами являются молекулы. Если молекулы полярные, то часть их будет диссоциирована на положительные и отрицательные ионы. В жидкостях имеет место ближний порядок

Неионизированные газы и недиссоциированные жидкости явля-диэлектриками. Сильно ионизированные газы (плазма), расплавы и водные растворы электролитов представляют собой проводники второго рода.

В твердом состоянии энергия взаимодействия частиц, образующих вещество, значительно превышает энергию их теплового движения. Такими частицами являются атомы, ионы или молекулы, которые расположены либо в геометрически правильном порядке, образуя кристаллическое тело, либо хаотически, образуя аморфное тело.

Строение твердых тел, находящихся аморфном состоянии, сходно со строением жидкостей. Для них, в отличие от жидкостей, характерна очень высокая вязкость. В кристаллическом теле наблюдается дальний порядок в расположении частиц, В кристалле сформирована пространственная кристаллическая решетка. Многократно повторяющимся элементом решетки является элементарная ячейка, вершины которой называют узлами, а расстояния между двумя соседними узлами — периодом или параметром решетки.

Каждое вещество имеет кристаллы определенной формы, которая отражает их внутреннее строение.

В зависимости от того, какие частицы (атомы, ионы или молекулы) находятся в узлах решетки, различают следующие основные типы кристаллических структур: атомные, металлические, ионные и молекулярные. Характерная особенность кристаллических тел- анизотропия их свойств, которая значительно проявляется только в монокристаллах и слабо — в текстурированных материалах.

Монокристалл — это огромное число одинаково ориентированных элементарных ячеек, т.е. это большой одиночный кристалл. В природе некоторые минералы встречаются в виде монокристаллов. Однако большинство кристаллических веществ являются поликристаллическими. Они состоят из множества сросшихся мелких кристаллов, не имеющих одинаковой ориентации и этому проявляют изотропность физических свойств. При кристаллизации кристаллы сталкиваются друг с другом и теряют правильную геометрическую форму. Такие кристаллы называют зернами или кристаллитами. Текстурирование — это некоторая упорядоченность в ориентации металлических зерен, достигаемая специальной обработкой (например, прокаткой) поликристаллических материалов.

Некоторые вещества находятся в аморфно-кристаллическом состоянии, т.е. в них сосуществуют две фазы: аморфная и кристаллическая. Такое строение имеют многие полимеры, ситаллы (стекла специального состава) и др.

Свойства кристаллов зависят от электронного строения атомов и характера взаимодействия их в кристалле; от пространственного расположения элементарных частиц; химического состава, размера и формы кристаллов. 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 элементарных частиц в кристалле и электронов в атоме. Изучается дифракционными методами (рентгенография, электронография, нейтронография). Анализируя дифракционную картину, получаемую при взаимодействии атомов кристалла с короткими волнами (А.= 10~1 0-=-10~1 2м) 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 возможно с помощью оптического (размером до 10~7 м) или электронного (размером до 2-10~1 0 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 невооруженным глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы - макроструктуру, можно выявить характер излома, усадочные раковины, поры, выявить 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.