Структура и свойства кристалла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кристамллы (от греч. ксэуфбллпт, первоначально -- лёд, в дальнейшем -- горный хрусталь, кристалл) -- твёрдые тела, в которых атомырасположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку -- кристаллическую решётку.

Кристаллы -- это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений, составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов).

Свойства:

Однородность. Это свойство проявляется в том, что два одинаковых элементарных объема кристаллического вещества, одинаково ориентированные в пространстве, но вырезанные в разных точках этого вещества, абсолютно одинаковы по всем своим свойствам: имеют один и тот же цвет, удельный вес, твердость, теплопроводность, электропроводность и др.

Необходимо иметь в виду, что реальные кристаллические вещества очень часто содержат постоянные примеси и включения, искажающие их кристаллические решетки. Поэтому абсолютной однородности в реальных кристаллах часто не бывает.

Анизотропия кристаллов

Многим кристаллам присуще свойство анизотропии, то есть зависимость их свойств от направления, тогда как в изотропных веществах (большинстве газов, жидкостей, аморфных твёрдых телах) или псевдоизотропных (поликристаллы) телах свойства от направлений не зависят. Процесс неупругого деформирования кристаллов всегда осуществляется по вполне определённым системам скольжения, то есть лишь по некоторым кристаллографическим плоскостям и лишь в некотором кристаллографическом направлении. В силу неоднородного и неодинакового развития деформации в различных участках кристаллической среды между этими участками возникает интенсивное взаимодействие через эволюцию полей микронапряжений.

В то же время существуют кристаллы, в которых анизотропия отсутствует.

В физике мартенситной неупругости накоплен богатый экспериментальный материал, особенно по вопросам эффектов памяти формы и пластичности превращения. Экспериментально доказано важнейшее положение кристаллофизики о преимущественном развитии неупругих деформаций почти исключительно посредством мартенситных реакций. Но принципы построения физической теории мартенситной неупругости неясны. Аналогичная ситуация имеет место в случае деформации кристаллов механическим двойникованием.

Значительные успехи достигнуты в изучении дислокационной пластичности металлов. Здесь не только понятны основные структурно-физические механизмы реализации процессов неупругой деформации, но и созданы эффективные способы расчёта явлений.

Способнось самоотгоняться - свойство кристаллов образовывать грани при свободном росте.Так. если выточенный из какого-либо вещества шарик, например поваренная соль, поместить в ее пересыщенный раствор, то через некоторе время этот шарик примет форму куба. В противоположенность этому стеклянный шарик не изменит свою форму так как аморфное вещество не может самоотгоняться.

Постоянная точка плавления. Если нагревать кристаллическое тело, то температура его будет повышаться до определенного предела, при дальнейшем нагревании вещество начнет плавиться, а температура некоторре время останется постоянной, так как все тепло пойдет на разрушение кристаллической решетки. Температура, при которой начинается плавленеиЮ называется температурой плавления.

Систематика кристаллов

Кристаллическая структура

Кристаллическая структура, будучи индивидуальной для каждого вещества, относится к основным физико-химическим свойствам этого вещества. Кристаллимческая структумра -- такая совокупность атомов, в которой с каждой точкой кристаллической решётки связана определённая группа атомов, называемая мотивной единицей, причем все такие группы одинаковые по составу, строению и ориентации относительно решётки. Можно считать, что структура возникает в результате синтеза решётки и мотивной единицы, в результате размножения мотивной единицы группой трансляции.

В простейшем случае мотивная единица состоит из одного атома, например в кристаллах меди или железа. Возникающая на основе такой мотивной единицы структура геометрически весьма сходна с решёткой, но все же отличается тем, что составлена атомами, а не точками. Часто это обстоятельство не учитывают, и термины «кристаллическая решётка» и «кристаллическая структура» для таких кристаллов употребляются как синонимы, что нестрого. В тех случаях, когда мотивная единица более сложна по составу -- состоит из двух или большего числа атомов, геометрического сходства решётки и структуры нет, и смещение этих понятий приводит к ошибкам. Так, например, структура магния или алмаза не совпадает геометрически с решёткой: в этих структурах мотивные единицы состоят из двух атомов.

Основными параметрами, характеризующими кристаллическую структуру, некоторые из которых взаимосвязаны, являются следующие:

§ тип кристаллической решётки (сингония, решётка Браве);

§ число формульных единиц, приходящихся на элементарную ячейку;

§ пространственная группа;

§ параметры элементарной ячейки (линейные размеры и углы);

§ координаты атомов в ячейке;

§ координационные числа всех атомов.

Структурный тип

Кристаллические структуры, обладающие одинаковой пространственной группой и одинаковым размещением атомов по кристаллохимическим позициям (орбитам), объединяют в структурные типы.

Наиболее известны структурные типы меди, магния, б-железа, алмаза (простые вещества), хлорида натрия, сфалерита, вюрцита, хлорида цезия, флюорита (бинарные соединения),перовскита, шпинели (тройные соединения).

Кристаллическая решётка

Составляющие данное твёрдое вещество частицы образуют кристаллическую решётку. Если кристаллические решётки стереометрически (пространственно) одинаковы или сходны (имеют одинаковую симметрию), то геометрическое различие между ними заключается, в частности, в разных расстояниях между частицами, занимающими узлы решётки. Сами расстояния между частицами называются параметрами решётки. Параметры решётки, а также углы геометрических многогранников определяются физическими методами структурного анализа, например, методами рентгеновского структурного анализа.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. Кристаллическая решетка

Часто твёрдые вещества образуют (в зависимости от условий) более чем одну форму кристаллической решётки; такие формы называются полиморфными модификациями. Например, среди простых веществ известны ромбическая и моноклинная сера, графит и алмаз, которые являются гексагональной и кубической модификациями углерода, среди сложных веществ -- кварц, тридимит и кристобалит представляют собой различные модификации диоксида кремния.

Виды кристаллов

Следует разделить идеальный и реальный кристалл.

Идеальный кристалл

Является, по сути, математическим объектом, имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани.

Реальный кристалл

Всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство -- закономерное положение атомов в кристаллической решётке.

Дефекты кристаллической решетки (реальное строение кристаллов)

В реальных кристаллах всегда имеются отклонения от идеального порядка в расположении атомов, называемые несовершенствами или дефектами решетки. По геометрии вызываемых ими нарушений решетки дефекты подразделяют на точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты

На рис. 1.2.5 показаны различные виды точечных дефектов. Это вакансии - пустые узлы решетки, «свои» атомы в междоузлии и атомы примесей в узлах решетки и междоузлиях. Основная причина образования первых двух видов дефектов - движение атомов, интенсивность которого возрастает с повышением температуры.

Рис. 1.2.5. Типы точечных дефектов кристаллической решетки: 1 - вакансия, 2 - атом в междоузлии, 3 и 4 - атомы примесей в узле и междоузлии соответственно

Вокруг любого точечного дефекта возникает местное искажение решетки радиусом R в 1…2 периода решетки (см. рис. 1.2.6), поэтому, если таких дефектов много, они влияют на характер распределения межатомных сил связи и, соответственно, на свойства кристаллов.

Рис. 1.2.6. Локальное искажение кристаллической решетки вокруг вакансии (а) и примесного атома в узле решетки (б)

Линейные дефекты

Линейные дефекты называются дислокациями. Их появление вызвано наличием в отдельных частях кристалла «лишних» атомных полуплоскостей (экстраплоскости). Они возникают в процессе кристаллизации металлов (из-за нарушения порядка заполнения атомных слоев) или в результате их пластического деформирования, как показано на рис. 1.2.7.

Рис. 1.2.7. Образование краевой дислокации () в результате частичного сдвига верхней части кристалла под действием усилия : АВСD - плоскость скольжения; EFGН - экстраплоскость; EН - линия краевой дислокации

Видно, что под влиянием сдвигающего усилия произошел частичный сдвиг верхней части кристалла вдоль некоторой плоскости скольжения («легкого сдвига») АВСD. В результате образовалась экстраплоскость EFGH. Поскольку она не имеет продолжения вниз, вокруг ее края EH возникает упругое искажение решетки радиусом в несколько межатомных расстояний (т.е. 10^-7см - см. тема 1.2.1), протяженность же этого искажения во много раз больше (может доходить до 0,1…1 см).

Такое несовершенство кристалла вокруг края экстраплоскости является линейным дефектом решетки и называется краевой дислокацией.

Важнейшие механические свойства металлов - прочность и пластичность (см. тема 1.1) - определяются наличием дислокаций и их поведением при нагружении тела.

Остановимся на двух особенностях механизма перемещения дислокаций.

1. Дислокации могут весьма легко (при малой нагрузке ) передвигаться вдоль плоскости скольжения посредством «эстафетного» перемещения экстраплоскости. На рис. 1.2.8 показан начальный этап такого движения (двумерный рисунок в плоскости, перпендикулярной линии краевой дислокации).

Рис. 1.2.8. Начальный этап эстафетного перемещения краевой дислокации (). А-А - плоскость скольжения, 1-1 экстраплоскость (исходная позиция)

Под действием усилия атомы экстраплоскости (1-1) отрывают от плоскости (2-3) атомы (2-2), расположенные выше плоскости скольжения. В результате эти атомы образуют новую экстраплоскость (2-2); атомы «старой» экстраплоскости (1-1) занимают освободившиеся места, достраивая плоскость (1-1-3). Этот акт означает исчезновение «старой» дислокации, связанной с экстраплоскостью (1-1), и возникновение «новой», связанной с экстраплоскостью (2-2), или, другими словами, передачу «эстафетной палочки» - дислокации на одно межплоскостное расстояние. Такое эстафетное перемещение дислокации будет продолжаться до тех пор, пока она не дойдет до края кристалла, что будет означать сдвиг его верхней части на одно межплоскостное расстояние (т.е. пластическую деформацию).

Этот механизм не требует больших усилий, т.к. состоит из последовательных микросмещений, затрагивающих лишь ограниченное число атомов, окружающих экстраплоскость.

2. Очевидно, однако, что такая легкость скольжения дислокаций будет наблюдаться лишь в том случае, когда на их пути отсутствуют какие - либо препятствия. Такими препятствиями являются любые дефекты решетки (особенно линейные и поверхностные!), а также частицы других фаз, если они присутствуют в материале. Эти препятствия создают искажения решетки, преодоление которых требует дополнительных внешних усилий, поэтому могут заблокировать движение дислокаций, т.е. сделать их неподвижными.

Поверхностные дефекты

Все промышленные металлы (сплавы) являются поликристаллическими материалами, т.е. состоят из огромного количества мелких (обычно 10^-2…10^-3 см), хаотически ориентированных кристалликов, называемых зернами. Очевидно, что периодичность решетки, присущая каждому зерну (монокристаллу), в таком материале нарушена, поскольку кристаллографические плоскости зерен повернуты относительно друг друга на угол б (см. рис. 1.2.9), величина которого колеблется от долей до нескольких десятков градусов.

Рис. 1.2.9. Схема строения границ зерен в поликристаллическом материале

Граница между зернами представляет собой переходный слой шириной до 10 межатомных расстояний, обычно с неупорядоченным расположением атомов. Это место скопления дислокаций, вакансий, примесных атомов. Поэтому в объеме поликристаллического материала границы зерен являются двумерными, поверхностными дефектами.

Влияние дефектов решетки на механические свойства кристаллов. Пути повышения прочности металлов.

Прочность - это способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием внешней нагрузки.

Под прочностью кристаллических тел понимают их сопротивление приложенной нагрузке, стремящейся сдвинуть или, в пределе, оторвать одну часть кристалла относительно другой.

Наличие в металлах подвижных дислокаций (уже в процессе кристаллизации возникает до 10⁶…10⁸ дислокаций в сечении, равном 1см²) приводит к их пониженной сопротивляемости нагружению, т.е. высокой пластичности и невысокой прочности.

Очевидно, что наиболее эффективным способом повышения прочности будет удаление дислокаций из металла. Однако такой путь не технологичен, т.к. бездислокационные металлы удается получать лишь в виде тонких нитей (так называемых «усов») диаметром в несколько микрон и длиной до 10 мкм.

Поэтому практические способы упрочнения основаны на торможении, блокировании подвижных дислокаций путем резкого увеличения числа дефектов решетки (в первую очередь линейных и поверхностных!), а также создании многофазных материалов

Такими традиционными методами повышения прочности металлов являются:

– пластическое деформирование (явление наклепа или нагартовки),

– термическая (и химико-термическая) обработка,

– легирование (введение специальных примесей) и, наиболее общий подход, - это создание сплавов.

В заключение следует отметить, что повышение прочности, основанное на блокировании подвижных дислокаций, приводит к снижению пластичности и ударной вязкости и, соответственно, эксплуатационной надежности материала.

Поэтому вопрос о степени упрочнения необходимо решать индивидуально, исходя из назначения и условий работы изделия.

Полиморфизм в буквальном смысле слова означает многоформенность, т.е. явление, когда одинаковые по химическому составу вещества кристаллизуются в различных структурах и образуют кристаллы различных сингогий. Например алмаз и графит имеют одинаковый химический состав, но различные структуры, оба минерала резко отличаются по физ. свойствам. Другим примером может служить кальцит и арагонит - они имеют одинаковый состав СаСО₃, но представляют различные полиморфные модификации.

Явление полиморфизма связаны с условиями образования кристаллических веществ и обусловлены тем, что в различных термодинамических условиях устойчивыми являются только определенные структуры. Так, металлические олово (так называемое белое олово) при понижении температуры ниже -18 С⁰ становится неустойчивым и рассыпается образуя «серое олово» уже иной структуры

Изоморфизм. Сплавы металлов представляют собой кристаллические структуры переменного состава, в которых атомы одного элемента располагаются в промежутках кристаллической решетки другого. Это так называемые твердые растворы второго рода.

В отличие от твердых растворов второго рода в твердых растворах первого рода атомы или ионы одного кристаллического вещества могут замещаться атомами или ионами другого. Последние располагаются в узлах кристаллической решетки. Подобного рода растворы называются изоморфными смесями.

Условия необходимые для проявления изоморфизма:

1) Замещаться могут только ионы одного знака, т.е., катион на катион, а анион на анион

2) Замещаться могут только атомы или ионы близкого размера, т.е. разница величины ионных радиусов не должна превышать при совершенном изоморфизме 15% и несовершенном 25% (например Са²⁺ на Mg²⁺)

3) Замещаться могут только ионы, близкие по степени поляризации (т.е. по степени ионности-ковалентности связи)

4) Замещаться могут только элементы, имеющие одинаковое координационное число в данной кристаллической структуре

5) изоморфные замещения должны происходить таким образом. Чтобы не нарушался электростатический баланс кристаллической решетки.

6) изоморфные замещения протекают в сторону приращения энергии решетки.

Типы изоморфизма. Различают 4 типа изоморфизма:

1) изовалентный изоморфизм характеризуется тем, что в этом случае происходит ионов одинаковой валентности причем разница в размерах ионных радиусов не должна быть более 15%

2) гетеровалентный изоморфизм. При этом происходит замещение ионов различной валентности. При таком замещении один ион не может замещаться другим без того, чтобы нарушился электростатический баланс кристаллической решетки, поэтому при гетеровалентном изоморфизме замещается не ион, как при гетеровалентном, а группа ионов определенной валентности на другую группу ионов при сохранении той же суммарной валентности.

Необходимо в этом случае всегда помнить что замещение иона одной валентности на ион другой всегда связано с компенсацией валентности. Эта компенсация может происходить как в катионной, так и в анионной части соединений. При этом необходимо соблюдение следующих условий:

А) сумма валентностей замещаемых ионов должна быть равна сумме валентностей замещающих ионов.

Б) сумма ионных радиусов замещаемых ионов должна быть близка к сумме ионных радиусов замещающих ионов и может отличаться от нее не более чем на 15% (для совершенного изоморфизма)

3) изоструктурный. Происходит замещение не одного иона на другой или группы ионов на другую группу, а замещение целого «блока» одной кристаллической решетки на другой такой же «блок». Это может происходить только в том случае, если структуры минералов однотипны и имеют близкие размеры элементарных ячеек.

4) изоморфизм особого рода.

кристалл решётка дефект дислокация

Размещено на Allbest.ru