Вопрос 1. (Закономерности формирования структуры материала)

1) Понятие «структура материала». Атомно-кристаллическая структура материалов. Аморфные и кристаллические материалы. Элементарная ячейка и её характеристики.

Под структурой понимается совокупность устойчивых связей тела, обеспечивающих его целостность. Такое определение является достаточно общим. Поэтому его стараются конкретизировать, например, путем введения дополнительных понятий: кристаллическая структура, аморфная структура. Различают микро- и макроструктуру.

Макроструктура — строение металла, видимое невооруженным глазом или при небольших увеличениях. Выявляет характер излома, усадочные раковины, поры, размеры и форму крупных кристаллов, трещины, химическую неоднородность и тд.

Микроструктура — строение металла, выявл. с помощью свет, и эл-нных микроскопов. Определяет размеры форму кристаллов, их распределение и относительные объемные количества, форму инородных включений и микропустот, ориентирование кристаллов.

Субструктура металла, внутреннее строение зёрен, характеризуемое типом, количеством и взаимным расположением дефектов кристаллической решётки. В недеформированном металле зёрна состоят из блоков (субзёрен), развёрнутых друг относительно друга на углы порядка угловых минут; эти блоки разделены субграницами.

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решётку, называют элементарной ячейкой.

Для характеристики элементарной ячейки используют параметры кристаллической решётки: три ребра а, в, с, измеряемых в ангстремах (1Å = 1* 10^-8см) или в килоиксах – kX (1kX = 1,00202 Å) и три угла a, b, g, а также компактность структуры h - отношение объема, занимаемого атомами, к объёму ячейки (для решётки ОЦК h = 64 %, для решётки ГЦК h = 74 %) и координационное число К - число ближайших соседей данного атома

В кристаллических веществах атомы расположены в строгом порядке — в узлах кристаллической решетки. В аморфных веществах атомы расположены беспорядочно, так же, как и в жидкостях. Кристаллические вещества имеют строго определенную температуру плавления. Это объясняется так: атомы в узлах кристаллической решетки не могут свободно двигаться, а могут лишь совершать небольшие колебания. При нагревании твердого кристаллического вещества атомы в узлах решетки начинают колебаться сильнее. Наконец, при какой-то определенной температуре колебания становятся настолько сильными, что атомы больше не могут удерживаться в кристаллической решетке и вещество плавится, превращаясь в жидкость. Аморфные вещества не имеют строго определенной температуры плавления. Так как в аморфном веществе атомы расположены беспорядочно, то при повышении температуры они приобретают все большую свободу движения, и вещество не плавится, а постепенно размягчается, превращаясь в очень вязкую жидкость. Чем выше температура, тем меньше вязкость, тем более подвижна жидкость.

2) Обозначение кристаллографических плоскостей и направлений. Анизотропия. Элементарная ячейка ГПУ. Поры в кристаллической решётке.

Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая решётка. В простой кубической решётке атомы расположены (упакованы) недостаточно плотно.

Стремление атомов металла занять места, наиболее близкие друг к другу, приводит к образованию решеток других типов(объёмноцентрированной кубической решётки (ОЦК), гранецентрированной кубической решётки (ГЦК)).

гексагональная плотно упакованная решётка (ГПУ) (рис.2.2в) с параметром: с / а» 1,633

В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и в конечном результате разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией.

Чтобы понять явление анизотропии необходимо выделить кристаллографические плоскости и кристаллографические направления в кристалле.

Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографической плоскостью.

Прямая, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографическим направлением.

Для обозначения кристаллографических плоскостей и направлений пользуются индексами Миллера. Чтобы установить индексы Миллера, элементарную ячейку вписывают в пространственную систему координат (оси X,Y, Z – кристаллографические оси). За единицу измерения принимается период решетки.

Для определения индексов кристаллографической кристаллографической плоскости необходимо:

– установить координаты точек пересечения плоскости с осями координат в единицах периода решетки;

– взять обратные значения этих величин;

– привести их к наименьшему целому кратному, каждому из полученных чисел.

Полученные значения простых целых чисел, не имеющие общего множителя, являются индексами Миллера для плоскости, указываются в круглых скобках. Другими словами, индекс по оси показывает на сколько частей плоскость делит осевую единицу по данной оси. Плоскости,параллельные оси имеют по ней индекс 0 (110).

В пространственной решетке помимо атомов имеется свободное пространство, образующее поры. Различают октаэдрические и тетраэдрические поры. (плохо).