1403

Большинство металлов и ряда других материалов хорошо полируются вплоть до зеркального блеска.

Блеск - характеристика поверхности, отражающей свет (характери­ стика фактуры поверхности). Блеск есть зеркальное отражение света наря­ ду с его рассеянным (диффузным) отражением. Глаз человека воспринима­ ет зеркальное отражение света на фоне его диффузного отражения.

Материалы с хаотичной шероховатой поверхностью отражают лучи света в разных направлениях (рассеянно), поскольку различные участки их поверхности, включая ничтожно мелкие, расположены под разными угла­ ми к потоку падающего света. Такая поверхность воспринимается как ма­ товая. Выделяют промежуточную между зеркальной и матовой поверхно­ стями глянцевую поверхность.

Таким образом, фактура поверхности определяется ее рельефом в за­ висимости от крупности неровностей. Цвет затененных частей поверхно­ сти отличен от цвета ее освещенных частей. Неровности одновременно дают тень, что создает своеобразное светотеневое восприятие поверхности. Зачастую с различных направлений взгляда и падающего света фактура поверхности воспринимается по-разному. Если свет падает перпендику­ лярно поверхности, ее неровности практически не дают теней и та же са­ мая поверхность будет восприниматься близко к глянцевой.

Различают два вида рельефных фактур:

-организованную, то есть с повторяющимся, нередко с геометрически правильным рисунком рельефа;

-неорганизованную, то есть с хаотичным рисунком. Приблизительный размер d элемента фактуры (рельефа), обеспечи­

вающего его визуальную четкость, определяется по формуле

d £ 3 /• Ю-4,

где I - дистанция от реального предмета (объекта) или его фрагмента, с ко­ торой обеспечивается четкая заметность рельефной структуры материала. Эта величина корректируется в зависимости от цвета и уровня освещенно­ сти рельефной поверхности, характеристики и расположения источников света, положения поверхности по отношению к наблюдателю и ряда дру­ гих факторов.

Примером естественной фактуры могут быть сколы камня. Камень подвергают обработке, за счет которой добиваются от шероховатой (мато­ вой) до блестящей (полированной) фактуры. Фактуры древесины также можно разделить на рельефные (колотая, тесаная, резная, шероховатая, пи­ леная) и гладкие (строганная, полированная). Возможно получить большое разнообразие фактурной обработки лицевого бетона, штукатурки и т.д. Много таится возможностей фактурной обработки поверхностей керами­ ческих, стеклянных, гипсовых, асбестоцементных, полимерных и других

материалов с целью декоративной отделки предметов, интерьеров, фасадов и т.д. Например, золочение изделий из резной древесины может быть илг блестящее, или матовое. В этом случае можно говорить о создании искус­ ственной фактуры, которая не только определяет состояние поверхности изделия и его цвет, но и может нести другие свойства (например, повы­ шать коррозионную стойкость).

Однако в большинстве случаев фактура более «материальна», чеу любое искусственное покрытие в том смысле, что фактура формируется ж материала самого изделия путем соответствующей технологической обра­ ботки.

Разнообразие и неповторимость фактур дают широкие возможности для создания художественного образа. Правильный выбор фактуры, а зна­ чит, и правильный выбор материала и технологии его обработки помогаю: в создании образа. Фактура, как и цвет, не может существовать без формы Фактуру вне конкретного материала и формы представить невозможно Соответствие формы и фактуры, их единство - одна из важнейших про­ блем, которую необходимо решить художнику.

2.5. Текстура

Текстурой (от лат. textura - связь, строение, ткань) или рисунком ма­ териала называют визуально видимую ориентацию структуры в кристал­ лических и аморфных телах. Текстура принадлежит материалу, рисуног поверхности которого является естественным и отражает характерно1, особенности его внутренней структуры. Рисунок материала может бьо цветным.

Полировка материала ярко выявляет текстуру материала. Например.; естественного необработанного камня текстура обеднена по сравнению t полированным (например, в виде зерен и прожилок различной величины часто имеющих разную цветность).

Текстура и цвет служат диагностическими признаками распознавайиг материалов. Специалисты легко различают породы деревьев или виз природных камней по характерным признакам их текстурных срезов.

Материал, обладающий естественной декоративной текстурой, слез ет эффектно использовать при создании предметов (например, при травте нии литого титана на его поверхности проявляется крупнозернисты структура, которая хорошо сохраняется во время эксплуатации изделий;.

Характерными особенностями обладает древесина (рис. 9). Древесин породы с четко выраженными, заметными на продольном разрезе шире: ми продольными образованиями обладают «штриховой структурой». Если эти «штрихи» образуют широкие полосы (дуб, ясень и др.), то такая тек­ стура называется «плоскоштриховой», а если «штрихи» расположены ке

порядочно (грецкий орех, эвкалипт и др.), то - «рассеянно-штриховой». По­ роды древесины с четко различимыми сердцевинными лучами (дуб, бук, пла­ тан и др.), которые видны на радиаль­ ных срезах в виде блестящих зеркалец (прерывистые полоски или пятна), ха­ рактеризуются «зеркальчатой» струк­ турой. На тангенциальных срезах этих пород видна «чешуйчатая» текстура. Породы древесины со слабо различным анатомическим строением (береза, самшит, груша и др.) называют «слабо­ текстурными». Созданию своеобразной текстуры способствуют «пороки» строения древесины - сучки, кап (на­ плывы) и пр.

Как и у камня или искусственных стеклокристаллических материалов (каменное литье), полировка древес­ ных материалов усиливает вырази­ тельность их текстуры, которую можно долго сохранять, покрывая полирован­

ную поверхность прочными прозрачными полимерными пленками или тонким слоем лака. Текстуровыразительность полированной поверхности усиливается направленным освещением, игрой светопроницаемых, глухих или блестящих включений.

Искусственную текстуру материала создают путем нанесения рисунка на его поверхность печатью, напылением и другими способами (рис.9). Искусственные текстуры различаются по характеру, масштабу, цветовой гамме, раппорту (от фр. rapporter - приносить обратно, то есть по повто­ ряемости рисунка) и т.д. Рисунок может располагаться под прозрачным верхним слоем (слоистое рисунчатое стекло, прозрачные эмали, глазуро­ ванные изделия, полимерные пленки и др.). Он может создаваться не толь­ ко цветом, но и сочетанием с фактурой (например, травлением на стекле или металле). Искусственную текстуру следует отнести к декоративным и одновременно к антикоррозионным покрытиям.

Есть материалы, которые даже после их технологической обработки не имеют явно выраженной текстуры, то есть «бестекстурные», «безрисунчатые» материалы (например, полированные металлы).

ной (гетерогенной) двухфазной системой (вода и лед - фазы). Системы бывают многофазными (число фаз >2).

Равновесие системы характеризуется равенством температуры, давле­ ния и других параметров всех частей этой системы. Любая изолированная система с течением времени достигает состояния равновесия. Достижение равновесия может быть процессом бесконечно медленным, в котором сис­ тема проходит через ряд бесконечно близких друг к другу равновесных со­ стояний. Равновесный процесс - процесс обратимый. Внешние силы могут вывести систему из равновесия.

Подавляющее число твердых тел, - металлов и неметаллов, - кристал­ лические вещества. Исключением являются стекла и некоторые гелеобраз­ ные вещества - они аморфны, т.е. не имеют кристаллической структуры.

Кристалл (от греч. Krystallos, первоначально - лед) - структурное об­ разование, состоящее из атомов, ионов (для неметаллов - молекул), кото­ рые образуют упорядоченную структуру в виде кристаллической решетки с пространственным периодическим расположением частиц в кристалле. Места расположения этих частиц называются узлами решетки.

Кристаллические вещества различают по характеру связей между час­ тицами, образующими пространственную кристаллическую решетку. Та­ кая решетка может быть образована нейтральными атомами одного эле­ мента (например, в алмазе), ионами, которые бывают одноименно заря­ женными (как в металлах), или разноименно заряженными (например, в углекислый кальций СаСОз, состоит из Са+2 и СОз—2), целыми молекулами (например, вода в виде льда).

Частицы, из которых состоит вещество, связаны между собой.

Все металлы и сплавы из них в твердом состоянии имеют кристалли­ ческое строение, характерное тем, что их атомы располагаются в про­ странстве с определенной закономерностью, образуя кристаллическую решетку. Многие неметаллические материалы тоже имеют кристалличе­ ское строение.

Для металлов наиболее характерными являются три типа кристалли­ ческих решеток: объемно-центрированная кубическая (о.ц.к), характерная для хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и др., гранецентрированная ку­ бическая (г.ц.к.), характерная для никеля, меди, алюминия, свинца и др., и гексагональная плотноупакованная (г.п.у.), характерная для цинка, магния, бериллия, кадмия и др.

Ковалентная связь, реализованная в электронных парах, характерна для кристаллов простых веществ (алмаз, графит) или кристаллов некото­ рых соединений из двух элементов (карборунд, нитриды и др.). Атомы в молекуле могут быть соединены ковалентной одинарной (Н-Н, Н3 С-СН3 ), двойной (Н2 С = СН2 ) или тройной (N =N, НС =СН) связью. Твердые ве­

щества, в которых преобладает ковалентная связь, обладают высокой прочностью и твердостью, повышенной температурой плавления.

Ионы (от греч. ion - идущий) - заряженные частицы, образующиеся из атома (молекулы) в результате потери или присоединения одного или нескольких электронов. В растворах положительно заряженные частицы называются катионами, отрицательно заряженные ионы - анионами.

Ионная связь - один из видов связи, при которой реализуется электро­ статическое взаимодействие между противоположно заряженными иона­ ми. Материалы, имеющие главным образом ионные связи, имеют, как пра­ вило, невысокую твердость и прочность, не водостойки.

В сложных кристаллах осуществляются ковалентная и ионная связь

_2

Например, в кальците СаСОз внутри сложного иона СОз связь ковалент ная, но сам он имеет с ионом Са ионную связь. Свойства подобных ве­ ществ весьма разнообразны.

Ковалентная связь и ионная связь в сильнейшей степени влияют на ход химического взаимодействия контактирующих веществ. Эти связи следует рассматривать, наряду с физическими свойствами, как химические свойства веществ. Физико-химические связи в веществах - сложное явле­ ние природы на электронном уровне, определяющие силу взаимного при тяжения атомов и, следовательно, свойств веществ (материалов). Проявле­ ние этих связей разнообразно. Молекулярные кристаллические решетки и соответствующие им молекулярные связи преимущественно реализуются в кристаллах тех веществ, в молекулах которых связи ковалентные. Кри­ сталлы этих веществ построены из целых молекул, которые удерживаются друг с другом сравнительно слабыми силами межмолекулярного притяже­ ния, называемыми ван-дер-ваальсовыми силами (например, в кристаллах льда). При нагревании эти силы весьма ослабевают, поэтому такие вещест­ ва имеют низкую температуру плавления.

Широко, в большом разнообразии и с различными свойствами рас­ пространены природные и искусственные силикаты, основную роль в ко торых играет молекула кремнезема SiC>2 .

Так, волокнистые материалы состоят из параллельных силикатных цепей, связанных между собой положительными ионами, расположенными между цепями. Ионные силы слабее ковалентных связей внутри каждой цепи. Поэтому механические силы, необходимые для отделения одной це­ пи от другой, значительно слабее сил, необходимых для разрыва самих це­ пей, и такие материалы волокнисты (например, асбест).

образующих плоские сетки. Это одно из проявлений силикатных структхр, построенных из тетраэдров [SiQ*]^, связанных между собой благодаря на

линию на вершинах тетраэдра свободных валентностей у атомов кислоро­ да. При образовании силикатной структуры атомы кислорода на каждой вершине тетраэдра становятся «общими» с контактирующими тетраэдра­ ми. Такие силикатные структуры могут образовываться в виде колец, це­ пей, лент, слоев, каркасов, островов (орто-, диорто- и др.). При построении силикатных структур за счет свободных валентностей кислорода в них внедряются (или в них внедряют) атомы отдельных металлов (ионы метал­ лов), благодаря чему получаются (или получают) различные по свойствам материалы (например, с повышенной термостойкостью). Это дает основа­ ние рассматривать силикатные системы как неорганические полимеры.

Металлические сплавы являются системами, состоящими из 2 и более элементов, представляющими собой неоднородные смеси, химические од­ нородные соединения или твердые однородные растворы. Как правило, сплавы получают через жидкое состояние веществ соответствующего со­ става. Основным методом придания сплавам полезных свойств (антикор­ розионных, повышенных механических и др.) является легирование, когда в металлический расплав в процессе его приготовления вводятся в опреде­ ленных количествах металлы (например, хром, никель, молибден и др.) или неметаллы (например, углерод, мышьяк, кремний).

Кристаллизацией называется переход металла из жидкого состояния в твердое. Теоретически это должно начинаться с равновесной температуры кристаллизации Ts, при которой ни процесс кристаллизации, ни процесс плавления до конца протекать не могут. В 1878 году известный русский металлург Д.К. Чернов установил, что затвердевание металлов начинается с образования центров (зародышей) кристаллизации. Формирование цен­ тров кристаллизации возможно тогда, когда металлический расплав охла­ жден несколько ниже Ts до температуры Т„, называемой фактической температурой кристаллизации (температура переохлаждения Т„), а раз­ ность (TsТп) = АТ называется переохлаждением.

Процесс кристаллизации можно представить так. Сначала, когда ме­ талл находится в жидком состоянии, температура плавно понижается до Тп < Ts. При достижении Тп на кривой охлаждения появляется площадка, близко к горизонтальной, так как отвод теплоты в окружающую среду компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. После окончания кристаллизации температура вновь плавно понижается. Чем выше скорость охлаждения, тем больше уровень переохлаждения (ДТ< АТ\ < ATi) и тем при более низкой температуре за­ канчивается процесс кристаллизации (Тп >Т„\ >Тп2 ). В объеме затверде­ вающего металла постепенно образуется кристаллический каркас из пер­ вичных кристаллов (жидко-твердое состояние). Дальнейшее формирование кристаллической структуры происходит за счет жидкого металла, распо­

Порою, в различных плоскостях кристаллической решетки металлов число атомов и расстояния между ними разные, поэтому свойства отдель­ ных кристаллов (монокристаллов) неодинаковы (анизотропны). Большин­ ство металлов и сплавов и других кристаллических материалов (в том чиспе, неметаллических) являются телами поликристаллическими и состоят из множества различно ориентированных в пространстве кристаллитов, по­ этому их свойства становятся усредненными и в разных направлениях рав­ ными (изотропными). Однако, когда условия обработки материала способ­ ствуют преимущественной кристаллографической ориентировке отдель­ ных зерен (например, при прокатке металлов), поликристаллические тела могут стать анизотропными (то есть имеют разные свойства в разных на­ правлениях прилагаемой нагрузки). Например, вдоль направления прокат­ ки прочность металлов выше, чем поперек прокатки. Прочность связей между кристаллитами влияет на прочностные показатели сплавов в твер­ дом состоянии.

При реальной кристаллизации металлов не все кристаллы формиру­ ются идеально (когда в каждом узле кристаллической решетки имеется атом). В них бывает немало дефектов (дислокаций): точечных, линейных, поверхностных и т.п.

Материалы могут находиться в твердом, жидком и газообразном со­ стояниях. Четвертым состоянием вещества является плазма - ионизиро­ ванный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных за­ рядов равны (квазинейтральность).

Перевод металлов в газ требует, как правило, высоких, порою трудно­ достижимых температур, а также способствующих этому внешних условий (например, вакуума). Переход из твердого в жидкое состояние происходит при температуре плавления металла. Вблизи температуры ликвидуса жид­ кие металлы и сплавы имеют «ближний порядок», то есть структуру, близ­ кую к кристаллической, но которая при «малом» перегреве над Глик меня­ ется в данном микрообъеме очень быстро, и жидкое состояние рассматри­ вается как однородное (однофазное). Металлы в твердом кристаллическом состоянии имеют «дальний порядок», при этом в микрообъеме существует упорядоченная, однородная структура.

При изменении внешних условий (например, температуры) структура кристаллов может меняться за счет перестроения частиц в кристалличе­ ской решетке (полиморфное или аллотропное превращение). Полимор­ физм (аллотропия) - это существование структурной составляющей одного и того же химического состава в виде простых различных веществ с раз­ ными свойствами. Он может быть результатом образования кристаллов с разным числом частиц или кристаллических форм. Например, графит и алмаз являются аллотропическими модификациями одного и того же эле­ мента - углерода. Графит имеет слоистую чешуйчатую структуру в виде