Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow ХУДОЖЕСТВЕННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: ЮВЕЛИРНЫЕ ИЗДЕЛИЯ
Посмотреть оригинал

ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Структура вещества в твердом состоянии

В твердом состоянии большинство неорганических материалов (более 96%) имеют упорядоченное кристаллическое строение.

Кристаллическое строение вещества — это правильное, упорядоченное, периодическое расположение атомов, ионов или молекул в пространстве.

Характер расположения атомов, ионов или молекул в пространстве принято описывать с помощью кристаллической решетки. Если мысленно соединить центры тяжести атомов, ионов или молекул прямыми, то образуется пространственная решетка, в узлах которой находятся те частицы, из которых состоит вещество. Поскольку положение атомов в пространстве является периодическим, правильным, а следовательно, симметричным, то и кристаллическая решетка также будет обладать определенной симметрией.

Симметрия — это одинаковость, соразмерность отдельных частей фигуры в пространстве.

На рис. 4.1 показан пример правильного, периодического расположения атомов в пространстве и кристаллическая пространственная решетка.

Схема расположения атомов в твердом веществе

Рис. 4.1. Схема расположения атомов в твердом веществе

В кристаллической решетке можно выделить минимальный объем (на рисунке заштрихован), с помощью которого можно описать положение атомов и симметрию решетки в целом. Этот параллелепипед называется элементарной ячейкой. Элементарная ячейка показана на рис. 4.1, б. Ребро такого параллелепипеда называется периодом, или параметром решетки. Величина параметра решетки соизмерима с размерами атома. Для металлов параметры решетки составляют 0,2—0,6 Нм в зависимости от размера атома и типа кристаллической решетки. В зависимости от расположения атомов в пространстве полученный параллелепипед может иметь прямые или косые углы, ребра параллелепипеда могут быть равны друг другу или не равны, а следовательно, симметрия параллелепипеда различна.

По симметрии элементарные ячейки, а следовательно, и кристаллические решетки, разделены на три категории: низшую, среднюю и высшую. Низшая категория содержит три сингонии: триклинную, моноклинную и ромбическую. Средняя— также три сингонии: триго- нальную, тетрагональную и гексагональную. Высшая категория включает одну сингонию — кубическую (табл. 4.1).

Классификация кристаллических решеток по семи сингониям проведена на основе их симметрии. Наименее симметрична триклинная сингония, наиболее симметрична — кубическая.

Свойства вещества зависят от природы тех частиц, из которых оно состоит, типа связи и ее энергии, а также от типа кристаллической решетки. Например, углерод в твердом состоянии существует в двух кристаллических формах: в виде графита с гексагональной решеткой и в виде алмаза с кубической решеткой. Возможность одного и того же вещества существовать в нескольких кристаллических состояниях называется аллотропией, или полиморфизмом. Этим свойством обладают некоторые металлы (олово, железо, титан, марганец и др.).

Любое вещество в природе может существовать в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. В подавляющем большинстве случаев твердая фаза вещества образуется из жидкого состояния.

Процесс перехода вещества из жидкого в твердое состояние называется кристаллизацией. Кристаллизация происходит путем образования и роста кристаллов из жидкой фазы. В расплавленном жидком состоянии металл не имеет правильного кристаллического строения. Однако расположение атомов не полностью хаотично. В жидкости имеются группы атомов с правильным расположением, характерным для кристаллической решетки данного вещества. Группы эти нестабильны из-за большой подвижности атомов. Они образуются, рассыпаются, вновь образуются в других местах. Эти группы атомов служат зародышами кристаллов в процессе кристаллизации. Переход вещества из жидкого в твердое состояние происходит при температурах ниже температуры плавления—кристаллизации. Эта температура является константой для каждого данного вещества. Так, у меди температура плавления составляет 1083°С, у серебра — 960°С и т.д. Ниже этих температур и медь, и серебро существуют в твердом состоянии, а если переохладить расплав этих металлов ниже температуры плавления, произойдет кристаллизация.

Таблица 4.1

Варианты кристаллических решеток

Кинетика процесса кристаллизации. Скорость зарождения — четыре зародыша в секунду; скорость роста — 1 мм в секунду

Рис. 4.2. Кинетика процесса кристаллизации. Скорость зарождения — четыре зародыша в секунду; скорость роста — 1 мм в секунду

Процесс кристаллизации начинается с зарождения мелких кристалликов — зародышей кристаллизации. Зарождение носит случайный характер. Другими словами, возникновение кристалла может произойти в любой части объема жидкости. Одновременно зарождается не один, а несколько кристаллов (в некоторых случаях множество). Скорость зарождения — это число кристалликов, появляющихся в единице объема в единицу времени.

Образованные кристаллики растут за счет присоединения атомов из жидкости. При этом грань растущего кристалла перемещается в сторону жидкой фазы. Линейная скорость перемещения грани растущего кристалла называется скоростью роста кристалла.

На рис. 4.2 приведен пример кристаллизации в схематическом виде. Скорость зарождения принята четыре зародыша в секунду, скорость роста — 1 мм/с. За первую секунду в объеме образовалось четыре кристаллика (см. рис. 4.2). За вторую — еще четыре, а ранее возникшие кристаллы выросли на 1 мм с каждой стороны. В следующую секунду образовалось еще четыре кристалла и выросли все, образованные ранее, и т.д.

Как видно на приведенной схеме (см. рис. 4.2), форма растущего кристалла остается правильной, пока он окружен жидкостью со всех сторон. Однако в ходе кристаллизации количество жидкой фазы уменьшается, кристаллы сталкиваются и рост их в этих направлениях, естественно, прекращается. При этом кристалл продолжает расти в тех направлениях, в которых кристалл соприкасается с жидкостью. В связи с этим кристалл теряет правильность формы.

Таким образом, структура металлов в твердом состоянии состоит из множества кристаллов неправильной формы. Эти кристаллы называют зерном, или кристаллитами, а саму структуру — поликристалли- ческой.

Размер зерна металла зависит от скорости зарождения и скорости роста кристаллитов при кристаллизации. Чем выше скорость зарождения, тем меньше размер получаемого зерна. Чем выше скорость роста, тем оно крупнее.

В зависимости от состава жидкости в твердом состоянии кристаллиты-зерна могут состоять из химически чистого вещества — химического элемента, например, чистого золота. Если расплав или раствор состоит не из одного, а из двух или более компонентов, то в результате кристаллизации возможны следующие виды взаимодействия.

  • 1. Состав сплава таков, что соответствует химическому соединению. Тогда в результате кристаллизации кристаллиты представляют собой это химическое соединение. Все зерна однородны по составу, соответствующему этому химическому соединению, одинаковы по структуре. Так же, как в случае кристаллизации чистого вещества, структура сплава однофазна.
  • 2. Если в составе расплава присутствуют два компонента или более, то после кристаллизации состав всех зерен оказывается однородным и соответствует составу расплава. При этом структура всех зерен также одинакова и кристаллическая решетка зерен соответствует решетке одного из компонентов. Например, при сплавлении золота и серебра в любых пропорциях образуется твердый раствор этих компонентов.

Твердые растворы наиболее часто образуются в металлических сплавах. Между двумя металлами образуется твердый раствор замещения. В этом случае атомы одного компонента замещают атомы другого компонента в его кристаллической решетке. На рис. 4.3 приведен пример такого твердого раствора. В узлах кристаллической решетки находятся не только атомы золота (они показаны светлыми кружками), но и атомы серебра — темные кружки. Количество узлов, занятых атомами серебра, соответствует составу сплава, т.е. концентрации серебра в нем. Так, если сплав содержит 20% Ag и 80% Аи, то 20% всех узлов кристаллической решетки заняты атомами серебра, а остальные 80% — золота. Если атомы двух металлов мало различаются по размерам (не более 13%) и имеют одинаковые кристаллические решетки, то между такими металлами образуются непрерывные твердые растворы. Это означает, что при любой концентрации компонентов структура сплава — твердый раствор. Пример такого взаимодействия — сплавы золота и серебра. При любой концентрации сплав золота и серебра — твердый раствор. Таким образом, между этими двумя металлами существует неограниченная растворимость в твердом состоянии.

Если атомы двух металлов значительно различаются по размерам и имеют разные кристаллические решетки, то они растворимы друг в друге ограниченно. Это значит, что твердый раствор существует только до определенной концентрации второго компонента. При увеличении концентрации выше растворимости образуется химическое соединение.

Твердые растворы могут образовываться и на базе химических соединений. Например, кристаллы корунда оксида алюминия А1203 — лейкосапфир — бесцветны. Если часть атомов алюминия замещена хромом, то цвет кристалла становится красным (рубин), если титаном, то синим (сапфир). Интенсивность окраски зависит от концентрации хрома или титана. Таким образом, рубин — это твердый раствор хрома в кристаллической решетке корунда А1203, сапфир — твердый раствор титана в решетке корунда.

3. После кристаллизации состав зерен неоднороден. Существующие зерна с одним составом, имеющие определенное кристаллическое строение, и зерна другого состава со своим кристаллическим строением.

Такое явление происходит, например, при сплавлении меди и свинца. В жидком состоянии расплав представляет собой однородную жидкость, состав которой в любой точке одинаков. После кристаллизации часть зерен состоит из чистого свинца (100% РЬ), часть — из чистой меди (100% Си). Количество тех и других зерен определяется составом сплава.

Схема кристаллической решетки твердого раствора замещения

Рис. 4.3. Схема кристаллической решетки твердого раствора замещения.

Атомная концентрация: Au:Ag = 80:20

Так, если расплав состоял из 20% РЬ и 80% Си, то количество зерен свинца и меди будет соответствовать этому составу 20/80.

Приведенный пример является крайним случаем, и подобное явление, когда при кристаллизации образуются чистые компоненты, встречается редко. Чаще всего расплав кристаллизуется с образованием двух твердых растворов или твердого раствора и химического соединения. В таком случае говорят, что сплав состоит из двух (если кристаллиты двух сортов) или из нескольких фаз (если кристаллиты разных сортов).

Под понятием фазы понимается часть системы, имеющая определенные состав, строение и свойства.

Таким образом, структура большинства веществ, в частности металлов, в твердом состоянии состоит из множества зерен-кристаллитов. Состав и кристаллическая решетка их может быть одинаковой (однофазный сплав) или различной (двух- или многофазный сплав). Размер этих зерен редко превышает доли миллиметра. Для металлов это 10—100 мкм.

Получение единичных кристаллов достаточно большого размера — десятки миллиметров и более — довольно сложная техническая задача. Она решена технически для получения синтетических минералов — ювелирных камней.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы