Физическое состояние материалов

Материалы могут существовать в твёрдом, жидком, газообразном состояниях. Каждое состояние характеризуется степенью упорядоченности в расположении частиц и силами их взаимодействия.

Подавляющее большинство твёрдых тел в природе имеет кристаллическое строение. Почти все минералы и все металлы являются кристаллами. Характерная черта кристаллического состояния, отличающая его от жидкого и газообразного состояний, заключается в наличии анизотропии, т.е. в зависимости ряда свойств от направления.

Тела, свойства которых одинаковы по всем направлениям, называется изотропными. Изотропны все газы, жидкости (за отдельными исключениями), а также аморфные твёрдые тела.

Причиной анизотропии кристаллов служит упорядоченное расположение частиц (атомов, молекул), из которых они построены.

В природе кристаллические тела встречаются, как правило, в виде поликристаллов, смеси сросшихся между собой, беспорядочно ориентированных мелких кристалликов. Создав специальные условия кристаллизации из расплава или раствора, можно получить большие одиночные монокристаллы.

Некоторые материалы при одинаковом химическом составе могут иметь разные кристаллические решётки в зависимости от условий затвердевания (графит, алмаз). Это явление называется полиморфизмом.

Материалы могут состоять из одного металла (химического элемента) или нескольких. Для получения материалов с заданными свойствами применяют сплавление двух или нескольких компонентов с получением сплава. Компоненты сплава будем обозначать буквами А и В. Фазой сплава (системы, смеси) называют его часть однородную по свойствам, агрегатному состоянию, химическому составу, кристаллической структуре и физическим свойствам. Фазы системы отделены друг от друга поверхностями раздела, при переходе которые скачкообразно меняются агрегатное состояние, химический состав, кристаллическая структура и свойства.

Фазами сплава могут быть чистые элементы, химические соединения, жидкие и твёрдые растворы.

Наиболее распространённый металлургический способ получения сплавов состоит в растворении друг в друге расплавленных компонентов. Различают три разновидности сплавов: химические соединения, твёрдые растворы, эвтектика.

Химические соединения образуются из элементов А и В, сильно отличающихся по химическим и физическим свойствам. Соотношение атомов элементов соответствует химической формуле A_nB_m (n, m ― целые числа), например Fe₂O₃. В химическом соединении образуется новая, более сложная кристаллическая решётка. Химическое соединение гомогенно, состоит из одной фазы, его свойства резко отличаются от свойств компонентов. Химические соединения обычно имеют высокие значения твёрдости и удельного электрического сопротивления, низкие значения пластичности и теплопроводности. Химические соединения считаются устойчивыми, если не разлагаются при нагревании до температуры плавления.

Твёрдые растворы ― это сплавы, при образовании которых сохраняется кристаллическая решётка основного компонента ― растворителя.

В основном компоненте может быть растворено различное количество другого элемента. Атомы растворённого элемента могут располагаться в узлах кристаллической решётки, образуя твёрдый раствор замещения или между узлами, образуя твёрдый раствор внедрения.

При образовании твёрдых растворов замещения размеры атомов растворителя и растворяемого элемента должны отличаться не более чем на 15%. Примером такого раствора является сплав медь-золото, медь-никель.

Образование твёрдых растворов сопровождается увеличением электрического сопротивления, уменьшением температурного коэффициента электрического сопротивления. Твёрдые растворы менее пластичны и более твёрдые, прочные по сравнению с чистыми металлами. Твёрдые растворы составляют основу большинства радиоматериалов.

Эвтектика ― это механическая смесь двух и более видов кристаллов, одновременно кристаллизовавшихся из жидкости. Эвтектика (греч.) обозначает „легко плавящийся”. В некоторых случаях разнородные вещества в процессе кристаллизации не образует общую кристаллическую решётку, т.е. не образуют ни химического соединения, ни твёрдого раствора. Фазами эвтектики могут быть чистые элементы А и В; химические соединения A_nB_m и твёрдые растворы А(В), В(А).