Будова кристалічних тіл

Конструкційні матеріали, які використовуються у вузлах тертя, діляться на кристалічні й аморфні. З фізичної точки зору твердими тілами вважаються тільки кристали. Їхні атоми розташовуються у вузлах регулярної просторової структури - кристалічної ґратки, структурною одиницею якої є елементарна комірка. Приклади ряду структурних схем кристалів приведені на рисунок 2.1. Багатократним повторенням цих комірок можна отримати тверде тіло, що було в даному випадку монокристалом.

 

 

Рисунок 2.1 – Найбільш характерні і поширені елементарні комірки

 

 

У загальному випадку елементарна комірка має вигляд косокутного паралелепіпеда (рисунок 2.1, а), що характеризується значеннями сторін а, в, с і кутів a, b, g. Певне співвідношенню сторін і кутів характеризує кристалічну систему. Для металів найбільш поширеними є гратки кубічні (рисунок 2.1, б, в) і гексагональні (рисунок 2.1, г). Якщо в центрах граней куба розташовуються додаткові атоми, то гратка називається гранецентрованою (ГЦК), якщо атом впроваджується в центр куба - гратка об’ємоцентрована (ОЦК). Гексагональна щільноупакована (ГЩУ) має комірку у вигляді шестикутника. В таблиці 2.1 приведені дані про тип кристалічних граток найпоширеніших металів.

 

Таблиця 2.1 - Кристалічні гратки різних металів

ОЦК

Li,

Na,

K,

V,

Na,

aCr,

Mo,

W,

aFe,

ГЦК

Cu,

Ag,

Au,

Al,

Th,

Pb,

gFe

aCo,

Ni,

Ph,

Pd,

Pt

ГЩУ

Be,

Mg,

Zn,

Cd,

Tl,

Zr,

Hf,

Rn,

Os

 

 

В монокристалі твердого тіла механічні і інші властивості в значній мірі визначаються міжатомною взаємодією, яка, в свою чергу, є функцією міжатомних віддалей. Міжатомні віддалі в різних напрямках елементарної комірки в більшості випадків є різними. Так, на плоскій моделі кристала (рисунок 2.2) постійна решітки b>c>a. Це означає, що міцність на розтяг в ньому через площину, що проходить перпендикулярно площині креслення, і вісь DВ менша, чим через площини, що проходять вздовж DС і DА. Вона у кристалів може мінятись від декількох відсотків до декількох раз. Завдяки цьому у багатьох кристалах є явно виражені слабкі і сильні площини ковзання, які по різному реагують на дію зовнішніх сил. Наприклад, модулі пружності Юнга у монокристала міді в трьох просторових напрямках можуть бути різними (6,67; 13,1 і 19,1) 10⁴ МПа.

 

Рисунок 2.2 - Анізотропія властивостей кристалічних тіл

Явище неоднорідності структурних, фізичних і інших властивостей в різних напрямках кристалів отримало назву анізотропія властивостей матеріалів. В тих же випадках, коли різниця в структурі фізичних і інших властивостей не спостерігається, явище називається ізотропія.

Для монокристалів характерна правильна геометрична форма і анізотропія властивостей (тобто залежність властивостей від їх напрямку).

На поверхні ідеальних монокристалів атоми розташовуються в строгому порядку. Через анізотропію монокристалу властивості його різноманітних поверхонь також неоднакові і залежать від того, по якій площині вирізаний монокристал.

У монокристалах є так звані площини легкого ковзання, за якими відбувається зміщення однієї частини кристалу відносно іншої під дією механічних напруг. Звичайно ці площини мають найбільш щільне упаковування атомів.

Технологія одержання монокристалів достатньо складна і в даний час вони використовуються порівняно рідко (зазвичай в напівпровідниковій техніці). Метали, що застосовуються в техніці є найчастіше полікристалами, які складаються з великої кількості "зерен". У межах одного зерна зберігається правильна кристалічна гратка. Для металів розміри зерен складають 1…10000 мкм, товщина меж між зернами біля 0,5 нм. Через хаотичну орієнтацію зерен полікристали (рисунок 2.3) ізотропні (тобто властивості не залежать від напрямку), і властивості будь-якої поверхні полікристалу в середньому однакові.