Полиморфизм

Анизотропия кристаллов

Физические свойства кристаллов можно разделить на две группы. К одной группе относятся свойства, не за­висящие от направления в кристалле. Такими свойства­ми является, например плотность, определяемая соотно­шением между массой и объемом. Плотность не зависит от направлений для кристаллов с любым типом решет­ки. Для кристаллов кубической симметрии от направле­ния не зависят и такие свойства как проводимость и по­казатель преломления. Но большинство свойств даже для кристаллов с кубической решеткой, зависят от на­правлений, так как в разных направлениях различна плотность расположения атомов. Зависимость свойств от направления в кристаллической решетке называется анизотропией. Так, например, в ГЦК решетке расстояние между атомами вдоль ребра куба (направление [100]) на 41 % больше, чем вдоль диагонали грани ([110] или [101]) и это приводит к различию модулей упругости, маг­нитных и других характеристик измеренных в этих на­правлениях.

Если образец состоит из одного кристалла (моно­кристалла), то анизотропия свойств проявляется в са­мой большой степени. Напротив, в поликристалле, со­стоящем из большого числа различно ориентированных зерен, анизотропия свойств отсутствует, т.е. поликристаллический металл изотропен. Его свойства во всех на­правлениях одинаковы. В поликристаллических вещест­вах анизотропии свойств добиваются созданием преиму­щественно одинаковой ориентировки многих зерен в том или ином направлении. Такая преимущественная, но не абсолютно одинаковая ориентировка зерен называется текстурой. В металлах текстуры образуются в резуль­тате деформации и отжига деформированных образцов, обработки материалов в электрических и магнитных по­лях. Текстурованные образцы используют, например, при производстве электротехнических сталей.

Рассматривая вопрос о кристаллических решетках ме­таллов, следует отметить, что для одной и той же под­группы периодической системы элементов, металлы кри­сталлизуются, как правило, с образованием элементар­ной ячейки одинакового типа.

Так, большинство щелочных металлов имеет объемно-центрированную куби­ческую решетку, щелочноземельных - гексагональную плотноупакованную (за исключением бария, который имеет ОЦК решетку).

Однако для многих металлов характерно существо­вание двух и даже трех типов кристаллических решеток. Так, железо, которое при низких температурах имеет ОЦК решетку (a -железо), при нагреве до 911 ⁰С перестраива­ется в ГЦК решетку (g -железо), а при 1399 ⁰С - снова в ОЦК решетку (d -железо), но уже с периодом не­сколько отличным от низкотемпературной модификации.

Явление полиморфизма в железе было открыто Д. К. Черновым в 1868 г.

Многие другие технически важные металлы, около 20, также имеют несколько модификаций. Например, титан име­ет две модификации - ГПУ (a - Ti) и ОЦК (b - Ti), кобальт - ГПУ (a - Co) и ГЦК (b - Со). Факт существования различных кристаллических решеток у одного элемента в разных температурных областях называется полиморфизмом или аллотропией. Переход от одного типа ре­шетки к другому называется полиморфным или аллотропическим превращени­ем. Оно связано с тем, что у элементов происходит пе­рераспределение атомов потому, что, начиная с не­которой температуры, термодинамически более устойчи­во расположение атомов в конфигурации новой решетки.

Полиморфные превращения могут происходить не только в результате изменения температуры, но также и под действием высоких давлений. Наиболее ярким примером технического использования протекания поли­морфизма под действием высоких давлений (до 10⁴ МПа или 100000 ат) является получение синтетических алма­зов из графита.

Полиморфизм, как будет рассмотрено в дальнейшем, обеспечивает возможность в значительной степени изменять свойства широкого круга используемых в технике конструкцион­ных материалов (сплавов на основе железа, титана, ко­бальта и других элементов).

Дата добавления: 2014-01-05