•Ионные соединения, как окислы, нитриды и хлориды металлов,— очень твердые и к тому же весьма прочные соединения. В них правильное расположение ионов, и потому твердое вещество имеет кристаллическое строение. Совершенно очевидно, что плотное плотное расположение ионов не может быть таким эффективным, если атомы имеют слишком большое различие в размерах. В этом случае симметрия кристаллической структуры будет значительно меньшей в твердом состоянии таких структур. В действительности большинство металлов имеет совершенную кристаллическую структуру.
10
СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ
•Вещества, находящиеся в твердом состоянии (твердые тела), способны сохранять свою форму и размеры (при постоянной температуре), т. е. они обладают прочностью и жесткостью. Под действием внешних сил в твердом теле возникают внутренние силы, представляющие собой результат взаимодействия между частицами, вызванного изменением расстояния между ними. При низких температурах все вещества переходят в твердое состояние. Равновесное состояние тела с заданной структурой определяется из условия минимума полного термодинамического потенциала:
F=U − S + PV
•где U – внутренняя энергия; S – энтропия; Р – давление; V – объем; θ – температура.
•При одинаковом составе исходных частиц твердые тела могут иметь несколько различных кристаллических структур. Эта способность – полиморфизм –
обусловлена наличием нескольких относительных
минимумов термодинамического потенциала (метастабильных состояний). 11
•Монокристаллические тела
(монокристаллы), для которых характерен дальний порядок структуры, обладают анизотропией свойств, состоящей в том, что механические и физические характеристики в каждой точке тела являются функциями параметров направления.
•Поликристаллы, состоящие из множества беспорядочно ориентированных монокристаллитов, а также аморфные тела изотропны.
12
•Для описания внутреннего строения кристаллов кристаллов используется понятие кристаллической решетки, т. е. пространственной сетки, в узлах которой располагаются частицы (атомы, ионы или молекулы). Кристаллическая решетка является математической абстракцией. В основе кристаллической решетки лежит элементарная ячейка, представляющая собой параллелепипед, простым перемещением которого в трех направлениях (вдоль трансляций) может быть построена пространственная кристаллическая решетка. Длины ребер параллелепипеда а, b, с
(параметры решетки) и значения углов между её ребрами 0, 0, 0 (рис. 1.6, ) характеризуют кристаллическую решетку.
13
• ПАРАМЕТРЫ РЕШЕТКИ
Рис. 1.6 |
14 |
|
z |
|
|
|
|
c |
|
|
0 |
0 |
b |
|
|
|
||
|
0 |
y |
|
|
|
|
|
|
1 |
а |
б |
|
|
z
|
x3 |
|
|
0 |
x2 |
|
|
|
|
x1 |
|
г |
д |
ж |
в |
з |
Рис.1.6. 1 - Схематическое изображение кристаллической решетки
кубическая сингония 0 = 0 = 0 = 90°, а = b = с (а - простая, б -объемно- и в - гранецентрированная. гексагональная сингония 0 = 0 = 90°, 0 = 120°, а = b с)
: г – одна гексагональной сингонии и д – три ячейки, образующие шестигранную призму; тетрагональной сингонии ( 0 = 0 = 0 = 90°, а = b
с) ж – простая, з – объемно-центрированная |
15 |
|
•Французский кристаллограф Огюст Бравэ в 1848 г. показал, что в зависимости от величины и взаимной ориентации ребер элементарной ячейки возможно существование 14 типов кристаллических решеток (решетки Бравэ). Различают как наиболее типичные базоцентрированные, объемно-центрированные и гранецентрированные решетки кристаллов. Если узлы кристаллической решетки находятся только в вершинах параллелепипеда, решетка называется примитивной, или простой; если, кроме того, узлы есть и в центре оснований параллелепипеда – базоцентрированной; если узел размещен в центре ячейки – объемно-центрированной, а если имеются узлы в центре каждой боковой грани – гранецентрированной.
16
В зависимости от углов 0, 0, 0 между ребрами ячейки и отношениями между длинами ее ребер а, b, с различают семь кристаллографических систем (сингоний): 1) кубическая; 2) гексагональная; 3) тетрагональная; 4) тригональная, или ромбоэдрическая; 5) ромбическая; 6) моноклинная; 7) триклинная.
17
Кубическую объемно-центрированную решетку имеют V, W, Mo, Ta, Cr; Fe при температуре θ 910 °C; Ti при θ 882 C; Zr при θ
863 C.
Кубическую гранецентрированную решетку имеют Al, Cu, Ni, Pb; Fe при θ 910 C; Co при θ 400 C.
Гексагональную плотноупакованную решетку имеют Be, Mg, Zn; Ti
при θ 882 C; Zr при θ 863 C; Co при θ 400 C.
В чистом железе модуль нормальной упругости в направлении пространственной диагонали куба равен 290 ГПа, в направлении
ребра куба – 135 ГПа, для этих же направлений в изменяется от
160 до 220 МПа, а относительное остаточное удлинение после разрыва − от 31 до 84 %. Модуль нормальной упругости зависит
от параметра решетки и находится по формуле Е=к/аm , где k и m
– некоторые постоянные.
Упругие свойства анизотропных тел характеризуются от 3 до 21
коэффициентов в случае самого общего вида анизотропии. |
18 |
|
Несовершенства (дефекты) строения кристаллов
Кристаллическая решетка является идеальной. На основе физики твердого тела теоретически найдены механические характеристики, которые должны быть у кристаллов строго идеальной структуры.
Сопоставление этих характеристик с определяемыми в эксперименте показывает значительное превышение теоретическими значениями опытных (в десятки и в сотни раз).
Это расхождение объясняется тем, что в реальных кристаллах всегда имеются отклонения от идеального строения атомной решетки, несовершенства или дефекты строения кристаллов.
Дефекты существенно влияют на процессы деформации и разрушения твердых тел.
19