4.2. Кристаллические и аморфные тела

В процессе конденсации частицы вещества стремятся занять места в пространстве, соответствующие их минимуму потенциальной энергии. Сконденсированные тела, которые приобрели способность обладать упругими свойствами, получили название твердых тел. Твердые тела по их строению и свойствам разделяются на кристаллические и аморфные.

Для кристаллических тел характерными являются далеко распространенные строго направленные связи с вполне определенными расстояниями и анизотропией (неоднородностью) физических, механических и других свойств материала. При нагреве до температуры плавления кристаллического тела требуется затрата дополнительной энергии, необходимой для разрушения кристаллической решетки, а рост температуры в момент достижения температуры плавления прекращается. При охлаждении же до этой температуры происходит обратный процесс - выделение тепла, и температура также не меняется в течение некоторого времени. К группе кристаллических тел относятся металлы, минералы и подобные им материалы.

У аморфных тел межатомные связи распространяются на небольшие расстояния, и взаимная ориентация сохраняется только между близлежащими частицами. Аморфные тела по своей структуре в известной степени напоминают жидкость, отличаясь от последней лишь меньшим межатомным расстоянием и подвижностью атомов. Им свойственна изотропия (однородность) физических и других свойств в разных направлениях. Переход у подобных тел из твердого в жидкое состояние происходит монотонно (без скачков температур). Характерными представителями аморфных тел являются стекло, смолы, многие полимеры и т.д.

При одних и тех же температурах и давлениях аморфные тела обладают большим удельным объемом, большей внутренней энергией и большей энтропией по сравнению с кристаллическими телами. Благодаря этому аморфные тела можно рассматривать и как тела, находящиеся в метастабильном состоянии, которое с течением времени (возможно, и чрезвычайно длительного) должно самопроизвольно закристаллизироваться. Поэтому наибольший интерес с точки зрения строения и свойств материалов имеют кристаллические тела, хотя при фрикционных процессах большое влияние могут оказывать и аморфные тела.

4.3. Монокристаллы и поликристаллы. Элементарная кристаллическая ячейка

В процессе конденсации атомы, ионы и молекулы, занимая относительно друг друга в пространстве положение с минимумом потенциальной энергии, образуют единую кристаллическую решетку вещества, получившего название монокристалла. Если в кристаллизационном объеме одновременно зарождается большое количество кристаллов, то образовавшееся в таких условиях твердое тело (поликристалл) представляет собой конгломерат сросшихся между собой беспорядочно расположенных кристаллов неопределенной формы (кристаллитов) с размерами чаще всего от 1 до 10^-3 см. В поликристалле кристаллиты отделены друг от друга межкристаллической прослойкой, в которой несколько нарушается порядок атомов (рис. 4.3). И если в каждом из кристаллитов наблюдается явно выраженная анизотропия его свойств, то поликристалл в целом обладает уже некоторой усредненной изотропией физических свойств. Наименьшим элементом кристалла, достаточно полно отражающим его свойства, является элементарная кристаллографическая ячейка (рис. 4.4, табл. 4.2). Наиболее распространенными ячейками являются: гранецентрированная кубическая (ГЦК), объемно-центрированная кубическая (ОЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Многократным повторением элементарных ячеек в трех направлениях можно получить монокристалл в целом. В таком кристалле механические и другие свойства во многом определяются межатомными расстояниями по различным направлениям.

Рис. 4.3. Схематическое изображение межкристаллических

прослоек в поликристалле

Так, если в кристалле (рис. 4.5) b>с>а, то и прочность на разрыв в нем через плоскость, проходящую перпендикулярно плоскости чертежа и ось ОВ, меньше, чем через плоскости, проходящие вдоль ОС и ОА. Эта разница у кристаллов может достигать как нескольких процентов, так и нескольких раз. Благодаря этому у многих кристаллов имеются явно выраженные слабые и сильные плоскости скольжения, по-разному реагирующие на воздействие внешних сил.

Рис. 4.4. Наиболее характерные и распространенные элементарные ячейки твердых тел: а - ОЦК; б - ГЦК; в - ГПУ

Таблица 4.2

Кристаллические решетки различных металлов

ОЦК	Li, Na, К, V, Та, -Cr, Mo, W, -Fe
ГЦК	Cu, Ag, Аu, Al, Th, Pb, j-Fe, -Co, Ni, Ph, Pd, Jr, Pt
ГПУ	Be, Mg, Zn ,Cd ,Tl ,Ti ,Zr ,He ,Ru ,Ds

Рис. 4.5. Анизотропия свойств кристаллических тел