1.2.3. Физическое состояние материалов.

Материалы могут существовать в твёрдом, жидком, газообразном состояниях. Каждое состояние характеризуется степенью упорядоченности в расположении частиц и силами их взаимодействия.

Подавляющее большинство твёрдых тел в природе имеет кристаллическое строение. Почти все минералы и все металлы являются кристаллами. Характерная черта кристаллического состояния, отличающая его от жидкого и газообразного состояний, заключается в наличии анизотропии, т.е. в зависимости ряда свойств от направления.

Тела, свойства которых одинаковы по всем направлениям, называется изотропными. Изотропны все газы, жидкости (за отдельными исключениями), а также аморфные твёрдые тела.

Причиной анизотропии кристаллов служит упорядоченное расположение частиц (атомов, молекул), из которых они построены.

В природе кристаллические тела встречаются, как правило, в виде поликристаллов, смеси сросшихся между собой, беспорядочно ориентированных мелких кристалликов. Создав специальные условия кристаллизации из расплава или раствора, можно получить большие одиночные монокристаллы.

Некоторые материалы при одинаковом химическом составе могут иметь разные кристаллические решётки в зависимости от условий затвердевания (графит, алмаз). Это явление называется полиморфизмом.

Материалы могут состоять из одного металла (химического элемента) или нескольких. Для получения материалов с заданными свойствами применяют сплавление двух или нескольких компонентов с получением сплава. Компоненты сплава будем обозначать буквами А и В. Фазой сплава (системы, смеси) называют его часть однородную по свойствам, агрегатному состоянию, химическому составу, кристаллической структуре и физическим свойствам. Фазы системы отделены друг от друга поверхностями раздела, при переходе которые скачкообразно меняются агрегатное состояние, химический состав, кристаллическая структура и свойства.

Фазами сплава могут быть чистые элементы, химические соединения, жидкие и твёрдые растворы.

Наиболее распространённый металлургический способ получения сплавов состоит в растворении друг в друге расплавленных компонентов. Различают три разновидности сплавов: химические соединения, твёрдые растворы, эвтектика.

Химические соединения образуются из элементов А и В, сильно отличающихся по химическим и физическим свойствам. Соотношение атомов элементов соответствует химической формуле A_nB_m (n, m ― целые числа), например Fe₂O₃. В химическом соединении образуется новая, более сложная кристаллическая решётка. Химическое соединение гомогенно, состоит из одной фазы, его свойства резко отличаются от свойств компонентов. Химические соединения обычно имеют высокие значения твёрдости и удельного электрического сопротивления, низкие значения пластичности и теплопроводности. Химические соединения считаются устойчивыми, если не разлагаются при нагревании до температуры плавления.

Твёрдые растворы ― это сплавы, при образовании которых сохраняется кристаллическая решётка основного компонента ― растворителя.

В основном компоненте может быть растворено различное количество другого элемента. Атомы растворённого элемента могут располагаться в узлах кристаллической решётки, образуя твёрдый раствор замещения или между узлами, образуя твёрдый раствор внедрения.

При образовании твёрдых растворов замещения размеры атомов растворителя и растворяемого элемента должны отличаться не более чем на 15%. Примером такого раствора является сплав медь-золото, медь-никель.

Образование твёрдых растворов сопровождается увеличением электрического сопротивления, уменьшением температурного коэффициента электрического сопротивления. Твёрдые растворы менее пластичны и более твёрдые, прочные по сравнению с чистыми металлами. Твёрдые растворы составляют основу большинства радиоматериалов.

Эвтектика ― это механическая смесь двух и более видов кристаллов, одновременно кристаллизовавшихся из жидкости. Эвтектика (греч.) обозначает „легко плавящийся”. В некоторых случаях разнородные вещества в процессе кристаллизации не образует общую кристаллическую решётку, т.е. не образуют ни химического соединения, ни твёрдого раствора. Фазами эвтектики могут быть чистые элементы А и В; химические соединения A_nB_m и твёрдые растворы А(В), В(А).

Нанокристаллические материалы.

Материалы, состоящие из кристаллических зёрен размером 1÷15 нм, называются нанокристаллическими материалами. Свойства нанокристаллических материалов заметно отличаются в лучшую сторону.

Из известных на сегодняшный день материалов основное внимание уделяется углеродсодержащим наноразмерным материалам. Разработано несколько нанотехнологий получения наноматериалов. Определились перспективные области применения.

Электроника и оптоэлектроника. Созданы сверхминиатюрные транзисторы и элементы памяти, которые повышают быстродействие и эффективность компьютеров в миллионы раз.

Энергетика. Вдвое повышена эффективность солнечных элементов.

Упрочнение материалов перспективно использовать в промышленности и на транспорте.

В медицине разрабатываются новые диагностические приборы и лекарственные средства.

Имеются перспективные разработки военной техники.

Дефекты в кристаллах.

Дефектами кристаллов называют нарушения идеальной кристаллической структуры.

Такое нарушение может заключаться в отсутствии атома в узле решётки (вакансия), в замене атома данного вещества (своего атома) чужим атомом (атомом примеси), во внедрении лишнего атома (своего или чужого) в междоузельное пространство. Подобные дефекты, называются точечными. Они вызывают нарушения правильности решётки, распространяющиеся на расстояния порядка нескольких периодов (период кристалла равен длине ребра кристаллической ячейки, рис.1.2).

Рис.1.2. Условное изображение точечных дефектов: 1– вакансия; 2– дислоцированный атом; 3 – примесный атом.

Кроме точечных дефектов существуют линейные, поверхностные и объёмные. Линейные дефекты (одномерные) нарушают периодичность решётки в одном направлении. Линейно винтовую дислокацию можно представить как результат разреза кристалла по полуплоскости и последующего сдвига, лежащих по разные стороны разреза частей решётки навстречу друг другу. К поверхностным дефектам относятся двухмерные дефекты. Объёмные (трёхмерные) дефекты ― это микропустоты и включения другой фазы.

Дефекты оказывают сильное влияние на физические свойства кристаллов, в том числе на их прочность. Пластическая деформация сопровождается разрушением кристаллической решётки и образованием большого количества дефектов. Этим объясняется упрочнение материалов при холодной обработке.

Аморфные вещества.

Аморфные вещества во многих отношениях по своим свойствам ближе к жидкостям, чем к кристаллам. Аморфные вещества не обнаруживают анизотропии. В расположении частиц имеется, как у жидкостей, только ближний порядок. Переход от твёрдого аморфного состояния в жидкое при нагревании осуществляется непрерывно, в то время как переход от кристалла к жидкости совершается скачком. Это даёт основание рассматривать аморфные твёрдые тела как переохлаждённые жидкости, частицы которой вследствие сильно возросшей вязкости имеют ограниченную подвижность. Типичными аморфными твёрдыми веществами являются смолы, битумы, стекло.

Молекулы газов удалены друг от друга на большие расстояния, поэтому слабо взаимодействуют и не имеют упорядоченного положения из-за теплового движения.

Для жидкостей характерен некоторый порядок в расположении атомов и молекул. Особое положение занимают жидкие кристаллы, у которых сочетаются свойства жидкостей и кристаллов. Они обладают упорядоченным расположением молекул, анизотропией свойств, а также вязкостью и текучестью.