Классификация решеток

Сингония	Решётки Бравэ
Триклинная (параллелепипед)
Моноклинная (правильная призма с параллелограммом в основании (изображен сверху);	простая	базоцентрированная
Ромбическая (ромбоэдр)	простая	базоцентрированная	объёмноцентрированная	гранецентрированная
Тетрагональная (прямой параллелепипед)	простая	объёмноцентрированная
Тригональная (ромбоэдрическая) (равносторонний ромбоэдр)
Гексагональная (призма с основанием правильного центрированного шестиугольника)
Кубическая (правильный куб)	простая	объёмноцентрированная	гранецентрированная

Анизотропия

Всем кристаллам присуща анизотропия, т.е. неравномерность свойств в различных направлениях, определяемая различными расстояниями между атомами в кристаллической решетке. Наиболее сильно анизотропия выражена у металлов, имеющих ассиметричное кристаллическое строение. От направления действия сил в кристалле существенно зависят показатели физических свойств. Анизотропия характерна и для поверхностных слоев кристаллов.

Малоугловые границы

--Соответствуют углу разориентировки <10˚

-- Имеют дислакационное строение (вертикальные стенки дислокаций)

Малоугловые границы разделяют субзерна (длоки мазайки, ячейки) в пределах одного зерна. В результате рекристаллизации может происходить процесс полигонизации. Угол разориентировки Θ зависит от расстояния между дислакациями в стенке и от вектора Бюргерса b.

Θ=b/D

Эти границы могут быть симметричны и несимметричны. Малоугловые границы сохраняют дислокационную структуру до тех пор, пока D>b. При малых значениях D Θ возрастает. При уменьшении D и стремлении D к случаю, когда D<b, дислакации теряют свою индивидуальность в стенке, граница превращается в большеугловую, ее строение не описывается мтенкой дислакаций.

Большеугловые границы зерен

При увеличении Θ (угла разориентировки) расстояние между дислакациями в стенке уменьшается и ни теряют свою индивидуальность, т.е. дислакационная модель для большеугловых границ зерен лишена физического смысла.

В поликристаллах большеугловые границы зерен принимают активное участие в пластической деформации тела, начиная с первых моментов его пластического течения. Это следует: из отсутствия I стадии деформационного упрочнения в поликристаллах, сплющивания зерен при перемещении их границ, испускании и поглощении решеточных дислокаций (РД) большеугловыми границами (БУГр) и многих других экспериментальных и теоретических данных. Границы зерен первыми испытывают “наклеп”: появление в структуре под действием внешних напряжений избыточных зернограничных дислокаций (ЗГД) и возврат структуры (исчезновение внесенных ЗГД), весьма быстро “перерабатывают” дефекты кристаллического строения, поступающих в них из кристаллов. Это предопределяет активное, а зачастую ведущее участие границ зерен в пластической деформации металла.

ФАЗА

В сплавах, в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов, могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения.

Фаза-совакупность тождественных по химическому составу гомогенных частей термодинамической системы, одинаковым по всем свойствам, не зависим от массы.

Фаза-однородые объемы, разграниченные друг от друга поверхностями раздела-границами, при переходе через которые свойства могут изменяться скочкообразно.

Каждая фаза системы характеризуется термодинамическими параметрами-температура, давлением, концентрациями) компанентов. Компанентами системы называются химические индивыды, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз термодинамической системы.

Неограниченная взаимная растворимость обусловливает однофазность смеси при любом соотношении компонентов (в равновесных условиях).

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

Дефекты внутреннего строения подразделяют на нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (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; примесные атомы, количество которых даже в чистых металлах весьма велико. Хотя относительная концентрация точечных дефектов может быть невелика, она вызывает чрезвычайно большие изменения физических свойств кристалла.

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. Основным 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 число на 1 куб.см. достигает 10 -10 ; при пластическом деформировании возникают новые дислокации и их число увеличивается в тысячи раз.

Двухмерные дефекты характерны для поликристаллических материалов, т.е. для материалов, состоящих из большого числа мелких кристаллов, различно ориентированных в пространстве.

Граница сросшихся при затвердевании кристаллов представляет собой тонкую (толщиной до 10 атомных диаметров) зону с нарушенным порядком в расположении атомов. В поликристаллическом теле границы отдельных кристаллов имеют криволинейные поверхности разделов, а сами кристаллы—непрерывную 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 по отношению друг к другу под небольшим углом. Границы между ними представляют собой обычно скопления дислокаций. Поверхностные дефекты малы только в одном направлении; в двух других они могут достигать размера кристаллита.

Макроструктурой тела (рис 1) (>100мкм) называют его внутреннее строение, особенности которого различимы невооруженным глазом либо с помощью лупы. Макроструктуру изучают на специально подготовленном образце (макрошлифе), поверхность которого выровнена путем фрезерования и шлифования. На нетравленом макрошлифе можно наблюдать усадочные раковины, газовые пузыри, трещины. После травления на макрошлифе выявляются: первичная зеренная структура, дендритное строение крупных зерен, зоны, обогащенные примесями.

Анализ макроструктуры позволяет получить сведения о строении изделия в целом. Такой анализ широко используется в заводской практике как способ контроля качества материала и в научных исследованиях. По макроструктуре можно в известной степени восстановить технологическую предысторию изделия.

Часто используются термины «мезоуровень», «мезоструктура» (от греческого mesos- средний, промежуточный) имеют ввиду некоторые пограничные случаи и состояния объекта. Они могут лежать как между нано- и микро- (например, малоатомные кластеры, примесные преципитаты, фрагменты макромолекул), так и между микро- и макро- (скопления дислокаций, полосы скольжения и сдвига, микродвойники и т.п.)

Приставка нано- вообще означает одну миллиардную чего-либо. Нанотехнология имеет дело с разнообразными структурами вещества, характерный размер которых—порядка миллиардных долей.

К наноматериалам (рис 2) относятся вещества, структурные элементы которых имеют как минимум один размер <100нм. Структурными элементами наноматериалов являются зерна, субзерна, ячейки, частицы, кластеры (образования из атомов).

Классификация наноматериалов:

1. По внешнему виду:

а) Кластерные

б) Слоистые

в) Пленочные

г) Объемные

2. По фазовому составу

а) Однофазные

б) Многофазные

3. По распределению фаз

а) статистическое

б) матричное

4) По химическому составу

а) Ме

б) нанокомпозитные

в) полимерные

г) бионаноструктурные

и т.д.

Характерные структурные элементы в наноматериалах являются:

1. Граница

2. Межфазные поверхности

3. Тройной стык

4. Доля границ

Удельная доля границ в наноматериалах увеличивается при уменьшении зерен. Нанокристаллические материалы—это однофазные или многофазные поликристаллы с размером зерна порядка 10нм. В таких материалах до 50% объема может приходиться на межзеренные или межфазные границы.

Для понимания наноматериалов надо в первую очередь знать их атомарную структуру, то есть определить типы атомов, являющихся строительными блоками, и их взаимное расположение в пространстве. Большинство наноструктур имеет кристаллических характер, т.е. тысячи составляющих атомов упорядочены в систему, называемую кристаллической решеткой. Решетку можно описать, задав положения атомов в элементарной ячейке, так что всю решетку можно построить путем многократного повторения этой элементарной ячейки в пространстве. Существует 17 возможных типов структур, называемых пространственными группами, что означает наличие 17-ти способов расположения атомов в двумерной элементарной ячейке.

В трехмерном случае ситуация намного сложнее. Здесь присутствуют три постоянные решетки а, b и с и три угла между ними α, β и γ. В трех измерениях существует семь кристаллических систем с 230-ю пространственными группами, распределенными по системам.

Для нанокристаллов важны определенные частные случаи кристаллических структур, относящиеся к простой кубической ПК, объемноцентрированной кубической ОЦК и гранецентрированной кубической ГЦК элементарной ячейке. Другое важное структурное упорядочивание образуется при наложении плоских гексоганальных слоев, обеспечивающих наибольшую послойную упаковку идентичных сфер. Если третий слой расположен непосредственно над первым, четвертый над вторым и т.д. в последовательности типа А-Б-А-Б…, то получается гексоганальная плотноупакованная структура. С другой стороны, если такое наложение происходит размещением третьего слоя в третьей позиции, а четвертого над первым и т.д. в последовательности А-Б-В-А-Б-В-А…, то получается ГЦК структура. Последний тип в нанокристаллах встречается наиболее часто.