Строение твердого тела

Влияние типа связи на свойства кристалла

Типы твердых тел отличаются между собой по характеру сил взаимодействий, типу связи и тому, какие частицы расположены в узлах кристаллической решетки.

1. Кристаллы, в узлах которых правильно чередуются положительные и отрицательные ионы, имеют ионную связь. Осуществление такой связи происходит путем перехода внешних электронов от электроположительных к электроотрицательным атомам с образованием соответственно положительных и отрицательных ионов этих атомов. Связь в таких соединениях строго не направлена, и со всех сторон электрон к ядру притягивается одинаково. Вещества с ионной связью очень прочные, твердые, хрупкие. Обычно это вещества типа NaCl, KF, …

2. Ковалентная связь наблюдается у веществ типа Cl ₂.

Здесь происходит перекрытие электронных оболочек и образование устойчивых электронных конфигураций. Два электрона являются общими и дополняют внешние электрические оболочки до 8 электронов.

3. Для металлической связи характерно наличие большого количества электронов, которые движутся среди ионов, образуя «электронный газ». В основе металлической связи лежит притяжение между положительными ионами и свободными общими электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии один от другого, при котором энергия взаимодействия минимальна. Поэтому в металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов. Именно «электронному газу» обязаны металлы высокой электро- и теплопроводностью, сочетанием механической прочности, пластичности и ковкости, блеском.

Аморфное и кристаллическое состояние

Твердые тела в зависимости от скорости охлаждения при кристаллизации делят на аморфные и кристаллические.

Аморфный металл получается при скоростях охлаждения 10⁶…10⁷ °С/с и более. Атомы при этом не располагаются в правильном порядке, не образуют кристаллов. Аморфное твердое тело является изотропным, т.е. обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях. Кроме того, ему присущи высокая твердость, хорошая коррозионная стойкость и др. свойства. Если такое тело нагреть до определенной температуры, которая приведет к значительному повышению тепловой активности атомов, то аморфное состояние его перейдет в кристаллическое. Можно получить и смешанную структуру: аморфная основа и образовавшиеся в ней кристаллы.

В кристаллических твердых телах (при меньших скоростях охлаждения) атомы расположены в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы и создавая кристаллическую решетку или воображаемую пространственную сетку. Кристаллическое строение является общим свойством металлов и сплавов и характеризуется определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с атомами (ионами) в узлах.

Атомно-кристаллическая структура может быть представлена изображением не ряда периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Элементарной ячейкой называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Трансляцией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла. Наиболее часто металлы имеют кристаллические решетки следующих типов.

Объемноцентрированный куб (ОЦК)	Гранецентрированный куб (ГЦК)	Гексагональная плотноупакованная (ГПУ)
а, с – параметры (периоды) решетки
а=с
К = 68 %	К = 74 %	К = 74 %
Na, K, V, Nb, Cr, Mo, W	Cu, Ag, Au, Pt, Al, Pb, Ni	Be, Mg, Zn, Cd

Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары, то не трудно видеть, что в решетке помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т.е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности К. Расчеты компактности показали, что решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК.

Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. При полиморфном превращении меняются форма и тип кристаллической решетки. Это явление называется перекристаллизацией. При переходе из одной полиморфной формы в другую меняются свойства вещества. На явлении полиморфизма основана термическая обработка. Известны полиморфные превращения железа Fe_a«Fe_g (ОЦК-ГЦК-ОЦК: 911°-1392°), титана Ti_a«Ti_g, олова (пластинчатое белое олово – хрупкий порошок серого олова).

a – полиморфная модификация, устойчивая при более низких температурах;

g – полиморфная модификация, устойчивая при более высоких температурах.

Кристаллическим веществам свойственна анизотропия свойств, они имеют различные свойства в разных направлениях. Причем, разница в физико-химических и механических свойствах кристаллов в разных направлениях может быть весьма существенной. Например, коэффициент линейного расширения в двух взаимно-перпендикулярных направлениях может различаться в 3-4 раза, а прочность в 2 раза. Это объясняется тем, что число атомов, приходящихся на то или иное плоское сечение кристаллической решетки неодинаково.

Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов (монокристаллов). Большинство технических металлов, затвердевших в обычных условиях, имеют поликристаллическое строение. Они состоят из большого числа кристаллов (зерен). При этом каждое отдельное зерно анизотропно. Различная ориентировка отдельных зерен приводит к тому, что в целом свойства поликристаллического металла усреднены. При обработке металлов давлением большинство зерен металла приобретает одинаковую ориентировку – текстуру, после чего металл становится анизотропным. Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления главной деформации могут существенно различаться. Анизотропию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии получения деталей.