Тема 3. Особенности строения твердых материалов

В общем случае под строением понимается совокупность устойчивых связей тела, обеспечивающих его целостность. Такое определение является достаточно общим и в этой связи выделяют три уровня строения твердых материалов:

– микроструктура;

– макроструктура;

– текстура.

При характеристике микроструктуры выделяют два ее уровня: атомная структура идеальных кристаллов, определяющая их физические свойства и дефектная структура реальных кристаллов, учитывающая неоднородность их строения.

Макроструктура твердых материалов определяется элементами структуры, видимыми невооруженным взглядом или при небольшом увеличении (5–6 раз). Основу макроструктуры составляют зерна размером выше 0,1 мм. В зависимости от размера зерен макроструктуру делят на три группы: крупнозернистая – зерна более 5 мм; среднезернистая – 1–5 мм; мелкозернистая – менее 1 мм.

Текстура материала – это преимущественно ориентированное расположение элементов, составляющих материал, характеризующих рисунок его внутренних слоев или поверхности. Текстура, в отличие от структуры, не имеет такой логической связи с составом, химическими связями и свойствами и является дополнением к более широкому понятию – «структура материала». Текстура материала определяется формой зерен и пор в материале, их размерами, объемом и взаиморасположением. Например, для уточнения характера структуры применяют термины «волокнистая», «зернистая», «чешуйчатая» текстуры.

Строение идеальных кристаллических твердых тел основано на природе частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки и преобладающих силах взаимодействия между ними, которые определяют характер кристаллической решетки: атомный с ковалентными связями, молекулярный с ван-дер-ваальсовыми и водородными связями, ионный с ионными связями, металлический с металлическими связями.

Любое кристаллическое твердое тело образуется из отдельных атомов только в том случае, если это энергетически выгодно.

Р ассмотрим понятие энергии связи на следующем примере. Условно существуют два атома А и В, которые находятся друг от друга на расстоянии r₀. Это расстояние соответствует минимуму потенциальной энергии, при котором силы притяжения U_пр и силы отталкивания U_от компенсируются.

В состоянии, когда r > r₀ между атомами преобладают силы притяжения, которые сближают частицы.

При r < r₀ электронные оболочки атомов начинают взаимно проникать одна в другую, при этом возникают силы отталкивания вследствие взаимодействия положительных зарядов.

Кристалл является наиболее стабильным при минимальных значениях результирующей силы U – энергия связи, [кДж/моль]. Такое состояние называют потенциальной ямой.

Под энергией связи понимают энергию, которую необходимо затратить для полного расчленения материала на его составляющие частицы (атомы, ионы, молекулы). Энергия связи определяет основные свойства материалов, такие как температура плавления, модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения.

Значения энергии связи для различных материалов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Кристалл	Ar	CH4	Алмаз	SiC	LiF	NaCl	Fe	Na
Энергия связи, кДж/моль	7,5	10	750	1180	1000	750	390	110
Тип связи	Ван-дер-Ваальсовская		Ковалентная		Ионная		Металлическая