Дефекты. Способы повышения прочности

Дальний порядок. Свойства кристаллов. Типы связей

Если энергия взаимодействия молекул больше чем энергия движения W_п>W_k, то тело находится в твёрдом состоянии. В твердом состоянии тела обладают формой и объемом. Это объясняется тем, что силы молекулярного взаимодействия у твердых тел велики, а межмолекулярные промежутки малы. Твердые тела делятся на кристаллические и аморфные. Кристал­лическое тело характеризуется определенной температурой плав­ления. У аморфного тела нельзя указать температуру плавления. При нагревании аморфное тело размягчается и постепенно пере­ходить в жидкость. Кристаллические тела делятся в свою оче­редь на монокристаллические и поликристаллические.

Атомы монокристалла располагаются в строго определённом порядке по всему объему, образуя так называемый «дальний порядок». Атомы совершают колебательные движения относительно центров рав­новесия. Если центры равновесия атомов кристалла соединить линиями, то образуется определённая геометрическая фигура, которую называют кристаллической или пространственной ре­шёткой. Внешняя форма монокристалла определяется типом ре­шётки. Если у поваренной соли решетка кубическая, то и её кристаллы имеют кубическую форму. Кристаллы при соответ­ствующих условиях могут увеличиваться в размерах, т. е. расти. В настоящее время выращивают самые различные кристаллы, даже такие как алмаз, рубин, кварц, и т.д.

Отличительным свойством кристалла является анизотропия — зависимость свойств от направления внутри кристалла. Анизот­ропия наблюдается в отношении механических, электрических, оптических и других свойств кристалла. Легко обнаружить, что теплопроводность в кристалле, например кварца, в различных направлениях различна. Для этого нужно вырезать вдоль кристалла пластинку, покрыть ее тонким слоем парафина, а затем в центре пластинки коснуться раскаленной иглой. Расплавленный участок, как покажет опыт, будет иметь форму эллипса, а не круга.

В зависимости от внешних условий, при которых идет кристаллизация, одно и то же вещество может иметь различные решетки. Это свойство кристаллов называют полимор­физмом. Примером могут служить алмаз и графит. Хотя в том и другом случае речь идет об углероде, у алмаза атомы лежат очень плотно друг к другу. Алмаз прозрачен, очень тверд. У графита упаковка слоистая. Слои располагаются на больших расстояниях относительно друг дру­га, слабо связаны и легко скользят. Поэтому графит использу­ется для сухой смазки, в карандашах и т.д.

Если тело состоит из большого количества произвольно ори­ентированных кристаллов, то его называют поликристалличес­ким. В поликристаллических телах за счет большого количества мелких и произвольно ориентированных кристаллов свойства тела становятся по всем направлениям одинаковыми. Большинство твердых тел в природе имеют поликристаллическую структуру. Следует отметить, что у аморфных тел атомы не имеют упорядо­ченного расположения, поэтому у них отсутствует кристаллическая решетка. Они не обладают анизотропией и поли­морфизмом. Примерами аморфных тел могут служить стекло, смола, отдельные виды пластмасс. Аморфные тела ещё называют твёрдыми жидкостями. Они не имеют точки плавления (разжижаются постепенно), изотропны, обладают текучестью, могут кристаллизоваться с течением времени.

На свойства кристаллических тел оказывают большое влияние различные дефекты решетки, нарушение дальнего порядка. Они могут быть вызваны внедрени­ем в решетку чужерод­ных атомов, т.е. приме­сей. Может оказаться, что в узле решетки отсутствует атом, что на­зывают вакансией. Кроме этого суще­ствует много других причин, вызывающих нарушения кристаллической решетки. Путем термической, механической обработки тел и других воздействий количество дефектов можно увеличивать или умень­шать и тем самым изменять свойства твердого тела.