Дефекты строения кристаллов

Современные методы исследования строения металла позволяют установить, что в строении реального кристалла металла имеются дефекты. Дефекты или несовершенства внутреннего кристаллического строения реальных металлов принято делить на точечные, линейные и поверхностные. Точечные дефекты малы во всех измерениях. Линейные дефекты охватывают в длину многие ряды атомов, однако их протяженность в двух других направлениях, поперек линии распространения дефектов, мала. Поверхностные дефекты малы лишь в одном измерении.

Точечные дефекты бывают нескольких типов: вакансии, смещения и инородные атомы

Вакансии

Несмотря на то, что большинство атомов металла в кристаллической решетке обладают одинаковой (средней) энергией и колеблется при данной температуре с одинаковой амплитудой, отдельные атомы имеют энергию и амплитуду колебаний, значительно превышающие средние. Такие атомы могут перемещаться из одного места в другое. Легче, чем все остальные, перемещаются атомы поверхностного слоя, которые выходят даже не поверхность. Место, где находился такой атом, называется вакансией. Оно остается свободным. Через некоторое время на это место перемещается один из соседних атомов, расположенных в более глубоком слое; оставленный им узел становится вакансией. Затем будут перемещаться другие атомы. Так постепенно вакансия переместится вглубь кристалла, исказив кристаллическую решетку. С повышением температуры количество вакансий увеличивается, при этом они чаще переходят из одного узла в другой.

Смещения

Смещения – это ионы в междоузлиях. Появляются, когда сместившийся ион на некоторое время не находит свободного узла в кристаллической решетке и оказывается между другими ионами.

Инородные атомы. В металле, даже химически чистом, содержатся примеси инородных атомов. Каждый атом примеси имеет размеры и свойства, отличающиеся от размеров и свойств основного металла. Поэтому эти атомы вызывают искажения кристаллической решетки. Например, в химически чистом алюминии содержится 99,999% алюминия и только 0,001% примесей. Но если посчитать количество инородных атомов в 1 см такого металла, то получится внушительная цифра

3-6 *10 атомов.

Линейные дислокации

Вакансии не остаются неподвижными. Они могут перемещаться и объединяться в группы, образуя большие линейные дефекты. Такие дефекты называются дислокациями. В отличие от вакансий дислокации имеют большую протяженность. В местах расположения дислокаций наблюдается искажение строения кристаллов, вызывающее концентрацию напряжений, которые при воздействии на металл внешних сил могут быть причиной образования трещин. Согласно данным различных авторов, реальный кристалл содержит около10 дислокаций на 1 см . дислокации обладают легкой подвижностью, это вызывает разупрочнение металла.

Структура материалов

Структура – совокупность устойчивых связей материала, обеспечивающих его целостность и сохранение основных свойств при внешних и внутренних изменениях.

Структура определяется множеством факторов: строением атомов, ионов, молекул, распределением в них электронов, типом связей между частицами.

В материаловедении принято рассматривать три уровня строения материалов: атом – молекула – фаза.

Всякое вещество состоит из отдельных очень маленьких частиц. И различие между веществами обусловлены различием между их частицами (частицы одного вещества одинаковы, частицы разных веществ различны) при всех условиях частицы вещества находятся в движении; чем выше температура тела, тем интенсивнее движение.

Для большинства веществ частицы представляют собой молекулы. Молекулы в свою очередь состоят из атомов.

Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

Атом – наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами.

В состав молекулы может входить различное число атомов. При этом атомы могут соединяться друг с другом не только в различных соотношениях, но и различным образом. Поэтому при сравнительно небольшом числе химических элементов число различных веществ очень велико.

Не во всех случаях частицы, образующие вещество, представляют собой молекулы. Многие вещества в твердом и жидком состоянии, имеют не молекулярную, а ионную структуру. Многие простые вещества имеют атомное строение, т. е состоят не из молекул, а из атомов. К таким простым веществам относятся инертные газы и металлы.

Ковалентная химическая связь образуется двумя электронами, причем эта электронная пара принадлежит двум атомам.

Ионная связь осуществляется в результате взаимного электростатического притяжения противоположно заряженных ионов.

Металлическая связь – это связь, в которой электроны каждого отдельного атома принадлежат всем атомам, находящимся в контакте. При этом валентные электроны способны свободно перемещаться в объеме кристалла.