2 Физико-химические основы материаловедения
2.1 Строение и свойства материалов
2.1.1 Строение материалов. Химические вещества могут находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Это зависит от условий, в которых они находятся, и, главным образом, от температуры и давления, при изменении которых меняются межмолекулярные расстояния и взаимодействия.
В жидком и твердом состоянии молекулы вещества (атомы) находятся значительно ближе друг к другу, чем в газообразном, а следовательно, их взаимодействие сильнее. Это обусловливает способность сохранения жидкостями и твердыми веществами объема, в отличие от газов.
Атомы жидкого тела при тепловом движении совершают малые колебания вокруг своих равновесных положений и частые перескоки из одного равновесного положения в другое, что и определяет такое свойство жидкости, как текучесть.
В природе существуют и аморфные тела, например воск, битум, янтарь. Их структура не является кристаллической решеткой, но они не являются и жидкостями. Аморфные тела с точки зрения теории термодинамики находятся в неустойчивом состоянии. Их можно считать сильно загустевшими жидкостями, которые с течением времени должны закристаллизоваться. Аморфные тела при нагревании вначале размягчаются. Они не имеют четко выраженной температуры перехода в жидкое состояние.
Атомы твердого тела, которому характерна постоянная форма, совершают вокруг своих равновесных положений только малые колебания. Это приводит к правильному расположению атомов — на одинаковых расстояниях в значительном удалении друг от друга. Такое расположение атомов с характерной повторяемостью в пространстве и определяет строение кристаллической решетки (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 Пример кристаллической решетки с элементарной кристаллической
ячейкой (жирные линии)
Элементарные кристаллические решетки по признаку симметрии делятся на семь сингоний, каждая из которых характеризуется определенным соотношением между длинами рёбер и углами между ними:
– кубическая (рисунок 2.2,а); |
– триклинная (рисунок 2.2,д); |
– тетрагональная (рисунок 2.2,б); |
– тригональная (рисунок 2.2,е); |
– ромбическая (рисунок 2.2,в); |
– гексагональная (рисунок 2.2,ж) |
– моноклинная (рисунок 2.2,г); |
|
2.1.2 Понятие о числе атомов в элементарной ячейке кристаллической решетки. Порядок расположения атомов в кристаллической решетке для разных металлов не одинаков. Большинство металлов могут иметь высокосимметричные кристаллические решетки трех видов: объемно-центрированную кубическую – ОЦК, (рисунок 2.3, а); гранецентрированную кубическую – ГЦК, (рисунок 2.3, б); гексагональную плотноупакованную – ГПУ, (рисунок 2.3, в).
Расстояния между соседними атомами (размеры а и с на рисунке 2.3) определяют параметры кристаллической решетки. Атомы могут располагаться как в вершинах элементарной ячейки, так и в узлах кристаллической решетки.
с
Рисунок 2.3 Кристаллические решетки металлов
В первом случае элементарные ячейки называются простыми, во втором — сложными. Если форма элементарной ячейки определена и известно расположение всех атомов, то имеется полное описание кристалла, т. е. известна его атомно-кристаллическая структура.
Таким образом, кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку с определенным расположением атомов.
Точечное расположение атомов в кристаллических решетках условно. В действительности же атомы имеют определенный размер и могут соприкасаться друг с другом (см. рисунок 2.3).
Кристаллические решетки ОЦК, ГЦК и ГПУ имеют несколько вариантов расположения атомов и для удобства обозначаются буквой и цифрой, например:
К8 – кубическая объемно-центрированная с атомами в вершинах условного куба (8 штук);
К12 – кубическая гранецентрированная – 8 атомов в вершинах +4 атома в гранях;
Г12 – гексагональная плотноупакованная с атомами в вершинах условной шестигранной призмы (элементарной ячейке) и т.д.
Однако, необходимо иметь в виду, что такое распределение очень условно, т.к. атомы в вершинах и на гранях элементарных ячеек принадлежат одновременно не одной ячейке, а ряду смежных ячеек.