lekcii (774103), страница 2
Текст из файла (страница 2)
1.1. Кривые охлажденияа) кристаллического телаб) аморфного• Длякристаллическихтелхарактерноупорядоченноерасположение частиц (атомов, ионов, молекул) в пространстве,что подтверждено рентгеноструктурным анализом. Дляаморфных – неупорядоченное, типичное для жидкости. Типтвѐрдого тела определяет свойства материалов.• Упорядоченное положениечастиц в пространстве вкристаллических материалах описывают с помощью модели кристаллической решѐтки.Кристаллическая решѐтка –схема, в которой точками показаны центры масс частиц (ионов,атомов), а положение в пространстве – отрезками,соединяющими центры масс частиц, рис.
1.2.• Кристаллы обладают симметрией расположения частиц иразличаются типом этой симметрии.• Рис. 1.2. Кристаллическаярешѐтка• а) модель; б) схема.• Всегда можно выделить фигуру минимальных размеров,многократным повторением которой заполним весь объѐмкристалла. Такая фигура называется элементарной ячейкой.• Выберем три направления х, у, z не лежащих в одной плоскостирис.1.2. Расстояния между частицами по этим направлениямобозначим a, b, c (периоды решѐтки), а углы междунаправлениями (осями) α, β, γ.
В общем случае они имеютразличные значения. Некоторые системы кристалловприведены в табл.1.1.• Наиболее часто встречаются простая кубическая, объѐмноцентрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная(ГЦК), гексагональная плотно-упакованная (ГП)решѐтки,рис.1.3, 1.4.О степени сложности решѐтки судят по числу частиц,приходящихся на 1 элементарную ячейку. Например, в простойкубической решѐтке на 1 ячейку приходится 1 частица (8вершин, каждая из которых принадлежит 8 ячейкам,рис.1.4 а.В объѐмно-центрированной решѐтке 2 частицы/ячейку,рис.
1.4 б.Рис.1.3. Типы исхемы решѐток,а, г-ГП; б, д- ГЦК; в, еОЦК.Рис. 1.4. ТипырешѐтокЗначения a, b, c и α, β, γ, а также число частиц на ячейкуоднозначно определяют положение частиц в кристалле.Дополнительными характеристиками являютсякоординационное число и коэффициент компактности.• Координационное число –количество ближайшихравноудалѐнных соседей в решѐтке. Например, в ОЦК такихсоседних частиц – К=8. Для простой кубической К=6.• Для ГЦК – К=12.• Коэффициент компактности- отношение объѐма частиц/ячейку кобъѐму всей ячейки.
КК составляют• 0,52(К)-0,68(ОЦК)-0,74(ГЦК)• Оставшийся объѐм- поры. Возможны поры двух типов –октаэдрические, радиусом 0,41R частицы и тетраэдрические0,22R.Рис. 1.5. Октаэдрические и тетраэдрическиепоры в ГЦК решѐтке.• Положение частиц в ячейке указывают с помощью индексанаправления. Индекс направления – координаты частицы,через которую проходит соответствующая прямая. Координатывыражают целыми числами, кратными соответствующимпараметрам решѐтки a, b, c. Индексы заключают в квадратныескобки. Например [111], [110], [010], рис.1.6. Число в скобкахможет быть отрицательным (черта над числом). Второй точкой,определяющей прямую является начало координат.Рис. 1.6. Индексынаправлений в кристаллахПоложение плоскости в пространстве определяется индексамиплоскости . Индексы плоскости h=1/ m, k=1/ n, l=1/ p , где m, n,p - длины отрезков отсекаемыми плоскостью по координатнымосям, указывают в целых числах, кратных параметрам решѐткиa, b, c.Индексы плоскости заключают в круглые скобки, например(101), (010), рис.
1.7. Число в скобках может бытьотрицательным (черта над числом).Рис. 1.6. Индексы плоскостейв кристаллах• Анизотропия – зависимость свойств кристаллов отнаправления. Возникает вследствие различного расстояниямежду частицами в различных кристаллографическихнаправлениях. Присуща многим свойствам кристаллов.Характерна для систем с низкой симметрией, табл.1.2.• А. проявляется в монокристаллах. В природных условияхполикристаллы, множество мелких разнонаправленныхкристаллов, свойства по направлениям усредняются, табл. 1.3.Поликристаллы мнимо изотропны.
При некоторых видахобработки, например прокатки, волочения возникаетпреимущественное ориентирование кристаллов – текстура,что также приводит к анизотропии свойств.Табл. 1.3.4. Типы связей в кристаллах• Частицы вещества присближении вступают вовзаимодействие, возникаетсвязь. Возникают силыпритяжения междуразноимѐнно заряженнымипротонами и электронамисближенных атомов, которыеуравновешиваются силамиотталкивания одноимѐннозаряженных протонов.Последние растутинтенсивнее, чем силыпритяжения. Некоторомурасстоянию d0 соответствуетминимум энергии связи Есв,рис.1.8.• что делает связь и кристалл в целом, термодинамическистабильными, рис.
1.8. Говорят, что атом находится в«энергетической яме». Тип связи определяется строениематомов вещества. Энергия некоторых типов связи приведена втабл. 1.4. По характеру преобладающей связи различаютмолекулярную, ковалентную, металлическую, ионную.Табл. 1.4.• Наименьшие значения энергии имеет молекулярная связь(силы Ван-дер-Ваальса), например у инертных газов.Электронные энергетические уровни полностью достроены,обмен электронами невозможен. Силы притяжения возникаютвследствие мгновенной поляризации при сближении, рис. 1.9.• Аналогично ведут себя двухатомные Н2; N2; Cl2; H2O; CO2; J2.• Молекулярные кристаллы образуют плотноупакованныеструктуры, инертные газы, например, -ГЦК.• Энергия связи низкая, результат- низкая температураплавления (распада кристалла), возгона (испарения).Диэлектрики, т.к.
состоят из электр нейтральных атомов.• Ковалентные кристаллы обобществляют свои валентныеэлектроны, достраивая энергетические зоны.ТИПЫ СВЯЗЕЙ В КРИСТАЛЛАХКРИСТАЛЛЫМОЛЕКУЛЯРНЫЕ(силы В-д-В)КОВАЛЕНТНЫЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕИОННЫЕКовалентныекристаллыобразуются,когдапреимущественным типом связи является ковалентный.Образуется элементами IV, V, VI групп, подгруппа В.Например С, Si, Ge, Sb, Bi и др. Атомы обобществляют своивалентные электроны с соседними, достраивают валентнуюзону.
Число недостающих до полного заполнения зоныэлектронов определим по формулеn=8-N,где N- валентность элемента. Например, для С валентностьN=4, иn=8-N=8-4=4.Для ковалентной связи характерна направленность и высокаяэнергия связи.Направленность приводит к некомпактной упаковке с низкимикоординационными числами, например для ГЦК алмаза КЧ=4,а высокая энергия - к большим температурам плавления.• Полное заполнение электронных зон превращает ковалентные кристаллы в полупроводники и даже в диэлектрики.Температурный коэффициент электросопротивления у ковалентных кристаллов отрицательный.• В природе углерод встречается в 2-х кристаллическихформах, алмаз и графит, рис.1.10.• В решетке алмаза все 4 соседних атома удалены на равноерасстояние, имеют ковалентный тип связи.
Соответственноалмаз один из самых твердых кристаллов, диэлектрик свысокой температурой плавления.• Напротив, у графита один из 4-х соседних атомов удален далеедругих, связан не ковалентно, как остальные, а слабымисилами Ван-дер- Ваальса.• При деформации в первую очередь разрушаются слабые связимежду слоями, чем объясняется низкая твердость графита.• Графитэлектропроводен.Эторезультатпоявленияметаллическойсвязи,дающейсвободныеэлектроны.Ковалентные кристаллы образуют вещества из разнородныхатомов, карбид кремния, нитрид алюминия и др.• Металлические кристаллы образуют элементы всехподгрупп А и I-III подгрупп В.• Суть металлической связи состоит в передаче атомамивалентных электронов в коллективное пользование в пределахкристалла.
Электроны теряют индивидуальную привязку катому. Металлическая связь ненаправленная, следовательноКЧ- высокое, большая компактность, - ГЦК, ГП.• Для ГП теоретическое отношение с/а=1,633 имеют только Мg иСо. Отклонение от теоретического Zn, Cd, Be, Tiα, Zrα,объясняется наличием доли ковалентной связи, нарушающейсферическую симметрию атомов.
ГЦК имеют Аg, Сu, Аu, Fe, Pt,Аl, Pb. ОЦК решетка у Feα, Cr, Mo, W, V, Ta, Tiβ, Nb, Zrβ.• Энергия металлической связи меньше ковалентной, поэтомуметаллы имеют более низкие температуры плавления, модульупругости, но более высокий ТКЛР.• Для МК с увеличением энергии связи действует та жезакономерность-растутТпл,Е,энергияактивациисамодиффузии Qдиф, а ТКЛР снижается, табл.1.5.• Имеется ряд исключений. У Ве аномально высокий Е, у Ti, Zrнапротив, занижены.• Плотноупакованность и ненаправленность МК придает имповышенную пластичность и меньшую твердость, чем уковалентных.• Наличие свободных уровней в валентной энергетической зонепридает металлам высокую проводимость.• ТКЭС у металлов положителен.• Два элемента с различной валентностью могут образоватькристалл на основе ионного типа связи.• Вионномкристаллепроисходитперераспределениеэлектронов. Один элемент теряет валентные электроны,передавая их другому, который за счет полученных достраиваетсвою энергетическую зону до устойчивого состояния.• В узлах ионного кристалла находятся ионы – положительно иотрицательно заряженные.• Например, FeO состоит из Fe++ и O- -.• В решетке ионы укладываются как шары разных диаметров,рис.1.11.• Как правило, радиус неметаллического иона большеметаллического и последний находится в порах решетки,образованной ионами неметалла.•Соотношения радиусов атомов металла и неметаллаопределяютсоответствующиекоординационныечисла,табл.1.6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
