- •Материаловедение
- •1. Атомно-кристаллическое строение материалов
- •1.1 Агрегатные состояния вещества
- •1.2 Аморфное и кристаллическое состояние твёрдых тел
- •1.3 Понятие кристаллической решётки
- •1.4 Структура кристаллов
- •1.5 Поликристаллическое (зернистое) строение материалов
- •1.6 Анизотропия кристаллов
- •1.7 Дефекты кристаллической структуры
- •2. Структура и свойства металлов
- •2.1 Общая характеристика и классификация металлов
- •2.2 Металлическая межатомная связь и модель «электронного газа»
- •2.3 Кристаллическая структура металлов
- •2.4 Полиморфизм металлов
- •3. Формирование микроструктуры металлов
- •3.1 Энергетические причины процесса кристаллизации
- •3.2 Кривые охлаждения металлов
- •3.3 Механизм процесса кристаллизации
- •3.4 Строение слитка металла
1.2 Аморфное и кристаллическое состояние твёрдых тел
Вещества, находящиеся в твёрдом состоянии, могут быть либо аморфными, либокристаллическими. Аморфное состояние твёрдых тел характеризуется тем, что атомы, молекулы или ионы вещества располагаются в пространстве хаотически. Аналогичную внутреннюю структуру имеют жидкости, но в них частицы вещества за счёт энергии теплового движения совершают частые перескоки с места на место, что и является причиной текучести жидкостей. В аморфных материалах более сильное взаимодействие удерживает частицы вещества вместе и не позволяет им совершать частые перескоки с места на место. В результате образец остаётся твёрдым и не течёт, хотя и имеет структуру жидкости. Учитывая вышесказанное, аморфное состояние обычно отождествляют с переохлаждённой жидкостью, у которой бесконечно высокая вязкость. С повышением температуры вязкость этой «твёрдой жидкости» плавно понижается, вещество размягчается и постепенно переходит из твёрдого состояния в жидкое. Примером материала, находящегося в аморфном состоянии, является обычное оконное стекло, а также янтарь – окаменевшая смола древних деревьев.
Кристаллические материалы переходят в жидкое состояние при постоянной температуре, называемой температурой плавления. Обратный переход осуществляется также при постоянной температуре, называемойтемпературой кристаллизации.
В кристаллических твёрдых телах частицы вещества располагаются в пространстве упорядоченно, т.е. выстроены правильными рядами, плоскостями, симметричными блоками, что придаёт отдельным кристаллам (монокристаллам) характерную правильную огранку. Кристаллическое состояние твёрдых тел встречается в природе чаще, чем аморфное, поскольку обладает меньшей свободной энергией и, в силу этого, является более стабильным. С течением времени многие аморфные тела стремятся перейти в кристаллическое состояние. Примерами кристаллических материалов являются различные горные минералы (кварц, гранит, рубин, алмаз и т.д.), а также соль, речной песок и глина, состоящая в основном из мелких кристалловAl2O3. Металлы и сплавы также являются кристаллическими материалами. Однако они, в отличие от монокристаллов, имеютполикристаллическое строение, т.е. состоят из множества микроскопических кристалликов неправильной формы (зёрен), случайным образом ориентированных в пространстве.
Необходимо отметить, что одно и то же вещество может быть получено как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, в металлах и сплавах при их сверхбыстром охлаждении из жидкого или газообразного состояний не успевает сформироваться упорядоченная кристаллическая структура и образуется аморфное твёрдое тело (metalglass- металлическое стекло). При этом свойства аморфного металла могут заметно отличаться от свойств кристаллического образца, что свидетельствует о важности внутренней атомной структуры материала в формировании его свойств. Аморфное состояние металлов чаще всего оказывается крайне нестабильным при комнатной температуре. С течением времени наблюдается переход из такого состояния в более стабильное кристаллическое состояние и этот процесс ускоряется с повышением температуры. В тоже время путём подбора химического состава металлических материалов их аморфное состояние иногда удаётся застабилизировать. Примером может служить металлическое стеклоFe80B20, аморфное состояние которого является достаточно стабильным при комнатной и более высоких температурах.