Типы кристаллов и их свойства. Металлические и ионные кристаллы. Ковалентные и молекулярные кристаллы. Полиморфизм кристаллических тел

Большинство твердых тел находится в кристаллическом состоянии, которое характеризуется дальним порядком, то есть трехмерной периодичностью структуры по всему объему твердого тела (кристаллической решеткой). Кристаллические вещества имеют определенную температуру плавления, энергию и постоянную кристаллической решетки и координационное число. Координационным числом называется число частиц, непосредственно примыкающих к данной частице в кристалле. Постоянная решетки характеризует расстояние между центрами частиц, занимающих узлы в кристалле. Энергия кристаллической решетки - это энергия, необходимая для разрушения 1 моль кристалла и удаления частиц за пределы их взаимодействия. По природе частиц в узлах кристаллической решетки и природе химических связей между ними все кристаллы делятся на молекулярные, атомно-ковалентные, ионные и металлические. Кроме того, существуют кристаллы со смешанными химическими связями.

Молекулярные кристаллы. В узлах решетки находятся молекулы, между которыми действуют вандерваальсовы силы или водородные связи. Энергия кристаллической решетки невысока (5-25 кДж/моль), молекулярные кристаллы имеют низкие температуры плавления и кипения.
Атомно-ковалентные кристаллы. В узлах кристаллов располагаются атомы, связанные ковалентными связями. Это обуславливает высокую энергию решетки и физические свойства веществ. Из-за направленности ковалентных связей координационные числа и плотность упаковки в атомно-ковалентных кристаллах обычно невелики.

Ионные кристаллы. Структурные единицы - ионы, связанные между собой силами электростатического взаимодействия. Энергия кристаллической решетки велика.

Металлические кристаллы и связь. Большинство элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева относятся к металлам, которые имеют общие свойства: высокую электропроводность (10⁶ - 10⁸ См), теплопроводность, ковкость, пластичность, металлический блеск, высокую отражательную способность по отношению к свету. Общие свойства металлов можно объяснить особым типом химической связи, называющейся металлической.

Многие вещества могут существовать в нескольких кристаллических модификациях (фазах), отличающихся физическими свойствами. Это явление называется полиморфизмом. Переход из одной модификации в другую называется полиморфным переходом. Интересным и важным примером полиморфного перехода является превращение графита в алмаз. Этот переход при производстве искусственных алмазов осуществляется при давлениях 60–100 тысяч атмосфер и температурах 1500–2000 К.

4) Понятия «сплав», «фаза». Виды фаз. Твердые растворы. Промежуточные фазы. Промежуточные связи с металлической связью, фазы внедрения. Анизотропия.

Металлическим сплавом называется вещество, полученное сплавлением двух и более исходных веществ, преимущественно металлических, и обладающее металлическими свойствами.

В настоящее время сплавы получают:

- сплавлением;

- спеканием (порошковая металлургия);

- электролизом;

- возгонкой (сублимацией);

- плазменным напылением и др.

Вещества, образующие сплав, называются компонентами.

В сплавах компоненты могут различно взаимодействовать друг с другом, образуя те или иные фазы.

Фазой называется однородная по химическому составу, кристаллической структуре, физическим свойствам часть гетерогенной термодинамической системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура изменяются скачком.

Система – это совокупность фаз, находящихся в равновесии и разграниченных поверхностями раздела.

При кристаллизации сплавов могут образовываться следующие основные твердые фазы: твердые растворы, химические соединения, механические смеси.

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого или других компонентов располагаются в кристаллической решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды).

Твердые растворы имеют металлический тип связей. По характеру распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы: замещения, внедрения, вычитания

Помимо твердых растворов в сплавах имеют место промежуточные фазы, которые могут быть образованы только металлами (интерметаллидные фазы), а также металлами с неметаллами. Особенностью промежуточных фаз является то, что они не сохраняют кристаллическую решетку металла растворителя, а имеют свою собственную решетку.

Существует большое количество промежуточных фаз, отличающихся химическим составом, строением и оказывающих значительное влияние на механические и технологические свойства сплавов. Различают интерметаллидные фазы, к ним относятся электронные соединения,σ-фазы, фазы Лавсса. Кроме того, к промежуточным фазам относятся химические соединения, фазы внедрения и вычитания.

Фазы внедрения, которые образуют металлы переходных групп с металлоидами, имеющими малый атомный радиус.

Анизотропия является характерным свойством монокристаллов и означает, что в общем случае свойства кристалла в различных направлениях различны и лишь в частных случаях могут быть одинаковыми. Анизотропия кристаллов обусловлена различной плотностью упаковки атомов и молекул в кристаллической решетке в различных направлениях. Важным следствием существования кристаллографической анизотропии является образование текстуры — преимущественной ориентациизерен в поликристаллических материалах. Ее формирование приводит к анизотропии функциональных свойств металлических изделий, подвергнутых термомеханической обработке (прокату, штамповке и др.), волокнистых и пленочных материалов, многих композиционных материалов. На формирование комплекса магнитных свойств веществ и материалов большое влияние оказывает магнитокристаллическая анизотропия. Анизотропия свойственна также жидким кристаллам и движущимся жидкостям.

5) Понятия «сплав», «фаза». Виды фаз. Дефекты кристаллического строения: точечные, линейные, поверхностные, объемные.

Металлическим сплавом называется вещество, полученное сплавлением двух и более исходных веществ, преимущественно металлических, и обладающее металлическими свойствами.

В настоящее время сплавы получают:

- сплавлением;

- спеканием (порошковая металлургия);

- электролизом;

- возгонкой (сублимацией);

- плазменным напылением и др.

Вещества, образующие сплав, называются компонентами.

В сплавах компоненты могут различно взаимодействовать друг с другом, образуя те или иные фазы.

Фазой называется однородная по химическому составу, кристаллической структуре, физическим свойствам часть гетерогенной термодинамической системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура изменяются скачком.

Система – это совокупность фаз, находящихся в равновесии и разграниченных поверхностями раздела.

При кристаллизации сплавов могут образовываться следующие основные твердые фазы: твердые растворы, химические соединения, механические смеси.

Помимо твердых растворов в сплавах имеют место промежуточные фазы, которые могут быть образованы только металлами (интерметаллидные фазы), а также металлами с неметаллами. Особенностью промежуточных фаз является то, что они не сохраняют кристаллическую решетку металла растворителя, а имеют свою собственную решетку.

Существует большое количество промежуточных фаз, отличающихся химическим составом, строением и оказывающих значительное влияние на механические и технологические свойства сплавов. Различают интерметаллидные фазы, к ним относятся электронные соединения,σ-фазы, фазы Лавсса. Кроме того, к промежуточным фазам относятся химические соединения, фазы внедрения и вычитания.

Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. Реальные кристаллы всегда содержат несовершенства (дефекты) кристаллического строения, которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.

Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве:

1. Точечные. Точечными дефектами называются нарушения периодичности кристалла, размеры которых сопоставимы с размерами атома во всех измерениях.

К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы, примеси замещения, примеси чужеродных атомов внедрения (рис. 2.5).

Рис. 2.5.Точечные дефекты в кристаллической решетке: а- вакансия;

б - межузельный атом; в- дефект Френкеля; г- примесные атомы замещения (большой) и внедрения (маленький).

Стрелками указаны направления смещений атомов в решетке.

Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при любой температуре выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаний атомов.

Пересыщение точечными дефектами достигается при резком охлаждении после высокотемпературного нагрева, при пластическом деформировании и при облучении нейтронами. Чем выше температура, тем больше концентрация вакансий и тем чаще они переходят от узла к узлу. Вакансии являются самой важной разновидностью точечных дефектов; они ускоряют все процессы, связанные с перемещениями атомов: диффузию, спекание порошков и т. д.

2. Линейные. Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации – линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла.

Важнейшие виды линейных несовершенств - краевые и винтовые дислокации

Краевая дислокация в сечении представляет собой край «лишней» полуплоскости в решетке (рис.2.7)

Рис. 2.7. Сечение простой кубической решетки: а - с краевой дислокацией; б - без дислокации.

Вокруг дислокаций решетка упруго искажена. Схема образования атмосферы Коттрелла в кристалле представлена на рисунке 2.8.

Рис. 2.8. Образование атмосферы Коттрелла: а – атомы примеси замещения (заштрихованы) и внедрения беспорядочно расположены в решетке; б, в – атомы примеси переместились к дислокации, в результате чего энергия решетки понизилась.

3. Поверхностные (двумерные ). Под этими дефектами понимают нарушения, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью лишь в несколько межатомных расстояний в третьем измерении.

К поверхностным дефектам относятся дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен.

4. Объемные (трехмерные ). Под ними понимают нарушения, которые в трех измерениях имеют неограниченные размеры. К таким нарушениям относят трещины, поры, усадочные раковины.