Главная  Промышленность 

0 [ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65

Глава 1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСГВА МАТЕРИАЛОВ

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. Переход из одного состояния в другое протекает (рис. 1.1) при определенной температуре плавления.

Аморфные тела при нагреве размягчаются в больщом 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 за-

фиксировать во многих органических и неорганических веществах ускоренным охлаждением из жидкого состояния. Однако при повторном нагреве, длительной выдержке при температурах 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 и оптики при длительном использовании, частичная кристаллизация плавленого янтаря при нагреве и дополнительная кристаллизация капроновой нити при растяжении, сопровождающаяся упрочнением. Частичная кристаллизация при повторном нагреве показана на структуре кремнистого полимера (рис. 1.2). Кристаллы имеют радиальную симметрию, остальная часть - аморфная.

Кристаллические тела характеризу-


Рис. 1.1. Кривые охлаждения кристаллических тел

Рис. 1.2. Структура кремнистого полимера после повторного нагрева




ются упорядоченным расположением в пространстве элементарных частщ, из которых они составлены (ионов, атомов, молекул).

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 карт1шу, получаемую при взаимодействии атомов кристалла с короткими волнами (=10"°ч- 10"м) рентгеновских лучей (или волн электронов, нейтронов), можно получить обширную информа-цшо о строении кристаллов.

Больш1шство материалов состоит из мелких кристалликов (зерен). Наблюдать такие мелкие структурные составляющие -микростру ктуру возможно с помощью оптического (размером до 10~ м) или электронного (размером до 2-10~° м) микроскопа.

Мжроскопические методы дают возможность определить размеры и форму кристаллов, наличие различных по своей природе кристаллов, их распределение и относительные обьемные количества, форму инородных включений и микропустот, ориентирование кристаллов, наличие специальных кристаллографических признаков (двойникова-ние, 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-л<якро-структуру, 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.

1.1. Элементы кристаллографии

Кристаллическая решетка. В кристалле элементарные часгтцы (ионы, атомы, молекулы), из которых построен кристалл, сближены до соприкосновения и располагаются различно, но закономерно по разным направлениям (рис. 1.3, а). Для упрощения пространственное изображение заменяют схемами (рис. 1.3,6), отмечая точками центры тяжести частиц.

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

Плоскости, параллельные координатным плоскостям, находящиеся на расстоянии а, Ь, с друг от друга, разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед называют элементарной ячейкой. Последовательное перемещение его


Рис. 1.3. Расположение элементарных частиц в кристалле:

а - пространственное изображение; 6 - схема



ТАБЛИЦА 1.1. Кристаллические элементов

Система

Ребра

Углы

Триклинная

аФЬФс

Моноклинная

аФЬФс

а = Р = 90°

Ромбическая

аЬФс

о( = Р=у = 90°

Ромбоэдрическа я

а=Ь~с

а=Р=у:90°

Гексагональная

а=Ьс

а=Р=90°

у =120°

Тетрагональная

а = Ьс

а=Р=у = 90=

Кубическая

а=Ь=с

а=Р=у=90

образует пространственную кристаллическую решетку. Вершины параллелепипеда называют узлами пространственной решетки. С этими узлами совпадают центры тяжести элементарных частиц, из которых построен кристалл.

Пространственные кристаллические решетки полностью определяют строение кристалла.

Для описания элементарной ячейки кристаллической решетки используют шесть величин: три отрезка, равные расстояниям до ближайших элементарных частиц по осям координат о, Ь, с, и три угла между этими отрезками о, Р, у.

Соотношения между этими величинами определяют форму ячейки. По форме элементарных ячеек все кристаллы подразделяют на семь систем (табл. 1.1).

Размер элементарной ячейки кристаллической решетки оценивают отрезки а, Ь, с. Их называют периодами решетки. Зная периоды решетки, можно определить ионный или атомный радиус элемента. Он равен половине наименьшего расстояния между частицами в решетке.

В большинстве случаев решетки сложны, так как элементарные частицы находятся не

только в узлах кристаллической решетки, но и на ее гранях или в центре решетки (рис. 1.4). О степени сложности судят по числу частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку. В простой пространственной решетке (рис. 1.4, о) 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 элементарная частица.

В сложной пространственной решетке на одну ячейку всегда приходится больше одной частицы. На объемно-центрированную ячейку (рис. 1.4,6) приходится две частицы: одна от вершины и другая центрирующая, которая относится только к данной ячейке. В гранецентрированной ячейке (рис. 1.4, в) имеется четыре частицы: одна от вершин и три от шести центрированных плоскостей, так как элементарная частица, находящаяся в центре плоскости, относится одновременно к двум ячейкам.

Система, период, число частиц, приходящихся на элементарную ячейку, полностью определяют расположение элементарных частиц в кристалле.

В ряде случаев используют дополнительные характеристики кристаллической решетки, вытекающие из ее геометрии и отражающие плотность упаковки элементарных частиц в кристалле. Такими характеристиками являются координационное число и коэффициент компактности.

Число ближайших равноудаленных элементарных частиц определяет координационное число. Например, в решетке объемно-центрированного куба (ОЦК) для каждого атома число таких соседей будет равно восьми (К8). Для простой кубической решетки координационное число будет 6 (Кб). Для гранецентрированной кубической решетки

»-


Рис. 1.4. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток: а - простая; б. в- сложные



0 [ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65