Кристаллическое строение вещества
Для изучения физических явлений, ответственных за процессы пластической деформации и разрушения металлов, важное значение имеют представления о кристаллическом строении вещества и теории дефектов кристаллической решетки. Знание общих закономерностей фазовых превращений и структурных изменений в металлах и сплавах позволяет сравнительно быстро находить технологические приемы повышения уровня механических и технологических свойств, а также эксплуатационных характеристик металлопродукции.
Вещество может находиться в четырех агрегатных состояниях: твердое, жидкое, плазменное и газообразное. Вещества в твердом состоянии могут быть аморфные и кристаллические. Особенностью кристаллического строения является наличие пространственной периодичности расположения частиц. В зависимости от типа химической связи атомов частицами являются либо атомы, либо ионы, либо молекулы. Для аморфных тел, также как и для жидких и газообразных веществ, дальний порядок в расположении атомов отсутствует. Частицы в кристаллах совершают периодическое движение относительно их равновесного состояния, а для тел, находящихся в жидком и особенно в газообразном состояниях, наблюдается хаотичное движение частиц.
Аморфные тела (металл в аморфном состоянии, стекло, смола, эбонит) иногда называют “замороженными” жидкостями, так как для них характерным является вязкое течение вещества при нагружении, т. е. изменение формы во времени.
Свойства упругости, пластичности и деформационного упрочнения характерны для кристаллических тел, в меньшей степени — для аморфных твердых тел, и практически отсутствуют для жидкостей и газов. При этом не отрицается свойство жидкостей и газов упруго изменять объем.
Механические и физические свойства кристаллических веществ зависят от типа химической связи атомов и типа кристаллической структуры. Различают ионные кристаллы, для которых характерна ионная связь, обусловленная переходом электронов от одного атома к другому с образованием положительных и отрицательных ионов. Такая связь характерна для солей и оксидов. Ионные кристаллы имеют малую теплопроводность, которая возрастает при нагреве. Для ковалентных кристаллов характерна связь, возникающая в случае, когда электроны, находящиеся на внешней оболочке, принадлежат двум соседним атомам. Сила притяжения атомов по сравнению с ионными кристаллами уменьшается, но она достаточная для прочного фиксирования взаимного расположения атомов. Такая связь характерна для алмаза, кремния, германия и др. Ковалентные кристаллы имеют электронную проводимость, однако электропроводность низкая. Они обладают высокой твердостью и температурой плавления, но малой пластичностью. Даже малые деформации приводят к нарушению межатомных связей и разрушению (например, сурьма, висмут и др.)
В узлах кристаллической решетки молекулярных кристаллов находятся молекулы с прочной атомной связью. Связь между молекулами осуществляется за счет смещения центров электрических зарядов в молекулах, но кулоново притяжение частиц значительно слабее, чем в ковалентных и, особенно ионных кристаллах. Молекулярные кристаллы образуются у водорода и инертных газов при затвердевании при низких температурах. Молекулярные кристаллы имеют низкую температуру плавления и легко переходят из твердого состояния в газообразное, то есть сублимируются.