Урок 2. Кристалічні та аморфні тіла. Особливості будови кристалічних тіл. Процес кристалізації. Сплави металів. Вплив механічної обробки на розмір зерен. Методи вивчення структури металів.

Кристалічні та аморфні тіла 

Твердими називають такі тіла, які зберігають об'єм і форму навіть під час дії на них інших тіл (сил). Причиною такої стійкості є характер руху і взаємодії молекул: вони не можуть змінювати положення своєї рівноваги, здійснюючи малі коливання і обертаючись навколо нього. Енергія і амплітуда коливань тим більша, чим вища температура тіла.

За впорядкованістю положення рівноваги тверді тіла поділяють на кристали і аморфні тіла.

Кристали - це тверді тіла, в яких атоми або молекули розміщені впорядковано і утворюють періодично повторювану внутрішню структуру. Можна виділити маленький об'єм (елементарну комірку), завдяки якій можна побудувати весь кристал, як будинок із цегли. Елементарна комірка може мати форму куба, паралелепіпеда, призми тощо. Правильна геометрична форма є істотною зовнішньою ознакою будь-якого кристала в природних умовах (візерунки на вікнах під час морозу, правильні форми сніжинок, кристалів кухонної солі, гірського кришталю тощо).

Умовно можна назвати чотири типи зв'язків між частинками в кристалах - іонний, атомний, металічний, молекулярний - і відповідно поділити тверді тіла на чотири типи кристалів.

У вузлах ґратки іонних кристалів містяться додатно і від'ємно заряджені іони. Сили взаємодії між ними переважно електростатичні. До таких кристалів належать кристали кухонної солі, польового шпату, MgO тощо.

Класичним прикладом атомного кристалу є кристал алмазу, який складається з нейтральних атомів вуглецю. Атомні кристали утворюються тоді, коли між атомами кристала виникають ковалентні зв'язки. Ковалентні сили забезпечують найміцніший зв'язок атомів у єдині кристалічні ґратки, тому атомні кристали характеризуються високими значеннями твердості, температури плавлення і теплоти випаровування.

У вузлах кристалічних ґраток молекулярних кристалів містяться молекули речовини, зв'язок між якими забезпечується силами молекулярної взаємодії. Оскільки ці сили слабкіші від сил іонного і ковалентного зв'язків, молекулярні кристали є менш міцними, плавляться за дуже низької температури (тверді гелій, водень, кисень, "сухий лід", нафталін, кристали брому, льоду, більшість кристалів органічних речовин).

Кристалічні ґратки металів утворюються додатними іонами металу, які містяться в її вузлах. Електрони і додатні іони металу взаємно зв'язуються. Електрони не можуть покинути метал через притягання до додатно заряджених іонів металу, а кристалічні ґратки, утворені з цих атомів, не розпадаються завдяки цементуючій дії електронного газу.

Аморфні тіла - це тіла, фізичні властивості яких однакові у всіх напрямах. Прикладами аморфних тіл є шматки затверділої смоли, янтар, вироби із скла. Аморфні тіла ізотропні. За своєю будовою аморфні тіла нагадують дуже густі рідини. Унаслідок підвищення температури час осілого життя молекул зменшується, через що аморфне тіло поступово м'якне. Аморфні тіла не мають температури плавлення і питомої теплоти плавлення. Вони на відміну від кристалів з підвищенням температури неперервно перетворюються в рідину.

Друга особливість аморфних тіл - це їх пластичність, тобто вони не мають межі пружності. Аморфний стан нестійкий: через деякий час аморфна речовина переходить в кристалічний стан. Але часто цей час буває дуже тривалим (роки і десятиріччя). До таких тіл належить скло. Будучи спочатку прозорим, протягом багатьох років воно мутніє: у ньому утворюються дрібні кристалики силікатів.

Особливості будови кристалічних тіл

Характерними особливостями твердих тіл є: здатність зберігати свої об’єм і форму.

Зовні тверді тіла можуть перебувати у суттєво різних станах, що відрізняються своєю внутрішньою будовою - це кристалічний і аморфний стан.

Для кристалічних тіл характерними є:

- Правильне розташування атомів молекул, іонів, які коливаються біля положення рівноваги, тобто створення кристалічної решітки;

- Постійність кутів між гранями любого кристалу даної речовини і існування далекого порядку в розміщенні частинок.

Процес кристалізації

Рідкий стан характеризується хаотичним, невпорядкованим розміщенням атомів, що знаходяться у безперервному русі. Перехід із рідкого стану в твердий пов’язаний з утворенням кристалічної ґратки. При цьому атоми металів займають у просторі визначені місця. 

Процес кристалізації - перехід металу із рідкого стану в твердий, пов’язаний з утворенням кристалів. І навпаки, плавлення, тобто перехід металу із твердого стану в рідкий, супроводжується руйнуванням кристалічної ґратки.

Кристалізація металів відбувається за двома процесами:.

1) "зародження" в об’ємі рідкого металу кристалічних частинок — центрів кристалізації чи зародків;.

2) ріст кристалів із цих центрів.

На перебіг процесів кристалізації впливає охолодження рідкого металу, тобто гальмування кристалізації. Явище переохолодження певною мірою властиве всім металам. Ступінь переохолодження впливає на основні параметри процесу кристалізації —швидкість "зародження" центрів кристалізації і швидкість росту кристалів. У разі малих ступенів переохолодження, коли число "зародків" невелике, а швидкість росту досягає великих значень, після затвердіння метал стає великозернистим. Із збільшенням ступеня переохолодження (швидкості охолодження) кількість центрів кристалізації різко зростає, а це призводить до утворення дрібнокристалічної структури. Дрібнозернисту структуру металу на практиці часто створюють, вносячи в розплавлений метал спеціальні додатки — модифікатори. Такий метод регулювання структури металу називається модифікацією. Модифікація має велике практичне значення, оскільки величина зерна суттєво впливає на механічні властивості металу. У разі дрібнозернистої структури механічні показники кращі.

Алотропією, чи поліморфізмом, металів називається здатність металів у твердому стані мати різну кристалічну будову, а відповідно і властивості за різних температур. Алотропічні перетворення твердого тіла зводяться до перебудови одного виду кристалічної ґратки в іншу. Різні кристалічні форми одного елемента називаються алотропічними модифікаціями.

Вплив механічної обробки на розмір зерен

Розмір зерна має вельми істотний вплив на властивості металу. У практиці вже давно помічено, що великі зерна здебільшого супроводжуються зниженим механічним якістю металу; можуть змінюватися і інші властивості, що знаходить пояснення почасти в більшому або меншому розвитку кордонів між зернами-кристалами.

Вплив границь зерен на властивості металу в цілому позначається насамперед у тому, що ці кордони є поверхнями розділу зерен, в яких частинки (атоми) самого металу вже енергетично відмінні від атомів, розташованих в решітці усередині зерна. Вважають, що частки між зернами володіють підвищеною енергією, яка представляє поверхневу енергію, яка відіграє велику роль в явищах, що відбуваються в різних тілах і, в тому числі, в металах і їх сплавах.

Таким чином, навіть якщо уявити собі абсолютно чистий метал, то і в ньому повинна існувати прошарок між зернами в вигляді невизначено розташованих атомів, яку деякі розглядають як аморфну плівку металу і яка може впливати на властивості всього шматка металу в цілому.

Але крім таких плівок, що складаються з атомів самого металу, в практично застосовних металах завжди є домішки, які також можуть розташуватися в проміжках між зернами у вигляді плівок або включень і впливати на властивості металу.

Наприклад, якщо ці плівки неміцні (тендітні), зв'язок між зернами буде ослаблена, і руйнування металу при механічному впливі станеться по границях зерен. У цьому випадку буде спостерігатися міжкристалічний  злам металу (або інтергранулярний).

Може бути і такий випадок, коли прошарку між зернами виявляться міцнішими самих зерен; тоді руйнування відбудеться всередині самих зерен і буде видно внутрікристалічний металевий злам (або інтрагранулярний).

Методи вивчення структури металів

Дослідження структур металів та сплавів здійснюється методами макро-і мікроаналізу, рентгенівського, спектрального, термічного, а також дефектоскопії (рентгенівської, магнітної, ультразвукової). 

Методом мікроаналізу вивчається макроструктура, тобто структура, видима неозброєним оком або за допомогою лупи, при цьому виявляються великі дефекти: тріщини, усадочні раковини, газові бульбашки і т. д., а також нерівномірність розподілу домішок в металі, і розташування волокна в поковках, прокаті і т. д. макроструктури визначають за зламів металу, по макрошліфах. Макрошліф - це зразок металу або сплаву, одна із сторін якого відшліфована, протравлена і розглядається за допомогою лупи.

Мікроаналіз виявляє структуру металу або сплаву по мікрошліфів, що розглядаються під мікроскопом при збільшенні до 2000х, а в електронних мікроскопах - до 25 000х. Цей найважливіший аналіз визначає розміри і форму зерен, структурні складові, мікродефекти, що лежать під поверхнею, якість термічної обробки. Знаючи мікроструктуру, можна пояснити причини незадовільності властивостей металу, не виробляючи їх дослідження.

За допомогою рентгенівського аналізу вивчають структуру кристалів, а також дефекти, що лежать в глибині. Цей аналіз дозволяє виявити дефекти, не руйнуючи металу. Широко застосовують для дослідження структури металу гамма-промені, проникаючі в виріб на значно більшу глибину, ніж рентгенівські.

Магнітним методом досліджують дефекти в магнітних металах (стали, нікелі та інші) на глибині до 2 мм (непровар в зварних швах, тріщини і т. д.). Ультразвуковим методом здійснюються ефективний контроль якості виробів і заготовок будь-яких металів на великій глибині. Ультразвук використовують для контролю якості роторів, рейок, поковок, прокату та інших виробів при необхідності збереження цілісності виробів.

Методи обстеження металу

Перевір себе