Кристаллит -Crystallite
а) ковкий чугун
б) электротехническая сталь без покрытия
в) солнечные элементы из поликристаллического кремния
г) оцинкованная поверхность цинка
д) микрофотография протравленного кислотой металла с выделением границ зерен
Кристаллит — это небольшой или даже микроскопический кристалл , который образуется , например, при охлаждении многих материалов. Кристаллиты также называют зернами .
Бациллит представляет собой тип кристаллита. Он палочковидный с параллельными лонгулитами.
Состав
Ориентация кристаллитов может быть случайной без предпочтительного направления, называемой случайной текстурой , или направленной, возможно, из-за условий роста и обработки. В то время как структура ( мономерного ) кристалла сильно упорядочена, а его решетка непрерывна и непрерывна, аморфные материалы, такие как стекло и многие полимеры, некристалличны и не имеют какой-либо структуры, поскольку их составляющие не расположены в упорядоченном порядке. способ. Поликристаллические структуры и паракристаллические фазы находятся между этими двумя крайностями. Поликристаллические материалы или поликристаллы представляют собой твердые тела, состоящие из множества кристаллитов разного размера и ориентации. Большинство материалов являются поликристаллическими, состоящими из большого количества кристаллитов, удерживаемых вместе тонкими слоями аморфного твердого вещества . Большинство неорганических твердых тел являются поликристаллическими, включая все распространенные металлы, многие виды керамики , горные породы и лед.
Области, где встречаются кристаллиты, известны как границы зерен .
Размер
Размер кристаллитов в монодисперсных микроструктурах обычно приблизительно оценивается по рентгенограммам и размеру зерен с помощью других экспериментальных методов, таких как просвечивающая электронная микроскопия. Твердые объекты, достаточно большие, чтобы их можно было увидеть и взять в руки, редко состоят из монокристалла , за исключением нескольких случаев ( драгоценные камни , монокристаллы кремния для электронной промышленности, некоторые типы волокон , монокристаллы суперсплава на основе никеля для турбореактивных двигателей и некоторые кристаллы льда, диаметр которых может превышать 0,5 метра). Размер кристаллитов может варьироваться от нескольких нанометров до нескольких миллиметров.
Влияние на физические свойства материала
Степень кристалличности твердого тела ( кристалличность ) оказывает важное влияние на его физические свойства. Сера обычно поликристаллическая, но может встречаться и в других аллотропных формах с совершенно другими свойствами. Хотя кристаллиты называют зернами, зерна порошка отличаются друг от друга, поскольку сами могут состоять из более мелких поликристаллических зерен. Обычно поликристаллы нельзя перегревать ; они быстро растают, как только их доведут до достаточно высокой температуры. Это связано с тем, что границы зерен аморфны и служат точками зарождения жидкой фазы . Напротив, если при охлаждении жидкости нет твердых ядер, она имеет тенденцию к переохлаждению . Поскольку это нежелательно для механических материалов, разработчики сплавов часто принимают меры против этого (путем измельчения зерна ).
Разрушение материала может быть как межкристаллитным , так и транскристаллитным . С пороховыми зернами есть неясность: пороховое зерно может состоять из нескольких кристаллитов. Таким образом, «размер зерен» (порошка), определенный с помощью лазерной гранулометрии, может отличаться от «размера зерен» (скорее, размера кристаллитов), определенного с помощью рентгеновской дифракции (например, методом Шеррера ), с помощью оптической микроскопии в поляризованном свете или с помощью сканирующая электронная микроскопия (обратно рассеянные электроны).
Если отдельные кристаллиты ориентированы совершенно беспорядочно, достаточно большой объем поликристаллического материала будет примерно изотропным . Это свойство помогает упрощающим предположениям механики сплошной среды применяться к реальным твердым телам. Однако большинство производимых материалов имеют некоторую ориентацию по отношению к своим кристаллитам, что приводит к текстуре , которую необходимо учитывать для точного прогнозирования их поведения и характеристик. Когда кристаллиты в основном упорядочены с некоторым случайным разбросом ориентаций, получается мозаичный кристалл . Аномальный рост зерен , когда небольшое количество кристаллитов значительно превышает средний размер кристаллитов, обычно наблюдается в различных поликристаллических материалах и приводит к механическим и оптическим свойствам, отличающимся от аналогичных материалов, имеющих монодисперсное распределение кристаллитов по размерам с аналогичным средним размером кристаллитов. размер.
Крупнозернистые породы образуются очень медленно, а мелкозернистые – быстро, в масштабах геологического времени. Если горная порода образуется очень быстро, например, при застывании лавы , выброшенной из вулкана , кристаллов может не быть вообще. Так формируется обсидиан .
Границы зерен
Границы зерен представляют собой границы раздела, где встречаются кристаллы разной ориентации. Граница зерна представляет собой однофазную границу раздела, при этом кристаллы по обе стороны границы идентичны, за исключением ориентации. Термин «граница кристаллита» иногда, хотя и редко, используется. Области границ зерен содержат те атомы, которые были возмущены из своих первоначальных узлов решетки, дислокации и примеси, которые мигрировали к границе зерен с более низкой энергией.
Рассматривая границу зерна геометрически как границу раздела монокристалла, разделенного на две части, одна из которых вращается, мы видим, что для определения границы зерна требуется пять переменных. Первые два числа исходят из единичного вектора, определяющего ось вращения. Третье число обозначает угол поворота зерна. Последние два числа определяют плоскость границы зерна (или единичный вектор, перпендикулярный этой плоскости).
Границы зерен нарушают движение дислокаций в материале. Распространение дислокаций затруднено из-за поля напряжений в области дефекта границы зерна и отсутствия плоскостей скольжения и направлений скольжения, а также общего выравнивания по границам. Таким образом, уменьшение размера зерна является распространенным способом повышения прочности , часто без ущерба для прочности , поскольку более мелкие зерна создают больше препятствий на единицу площади плоскости скольжения. Это соотношение размера кристаллитов и прочности определяется соотношением Холла-Петча . Высокая межфазная энергия и относительно слабая связь в границах зерен делают их предпочтительными местами для начала коррозии и выделения новых фаз из твердого тела.
Миграция границ зерен играет важную роль во многих механизмах ползучести . Миграция границ зерен происходит, когда напряжение сдвига действует на плоскость границы зерен и вызывает скольжение зерен. Это означает, что мелкозернистые материалы на самом деле имеют меньшее сопротивление ползучести по сравнению с более крупными зернами, особенно при высоких температурах, потому что более мелкие зерна содержат больше атомов на границах зерен. Границы зерен также вызывают деформацию, поскольку они являются источниками и поглотителями точечных дефектов. Пустоты в материале имеют тенденцию собираться на границах зерен, и если это происходит в критической степени, материал может разрушиться .
Во время миграции границ зерен шаг, определяющий скорость, зависит от угла между двумя соседними зернами. В малоугловой дислокационной границе скорость миграции зависит от диффузии вакансий между дислокациями. В высокоугловой дислокационной границе это зависит от переноса атомов одиночными скачками атомов от сжимающихся к растущим зернам.
Границы зерен обычно имеют ширину всего несколько нанометров. В обычных материалах кристаллиты достаточно велики, поэтому границы зерен составляют небольшую часть материала. Однако достижимы очень мелкие размеры зерна. В нанокристаллических твердых телах границы зерен составляют значительную объемную долю материала, оказывая сильное влияние на такие свойства, как диффузия и пластичность . В пределе малых кристаллитов, когда объемная доля границ зерен приближается к 100%, материал перестает иметь какой-либо кристаллический характер и, таким образом, становится аморфным твердым телом .
Границы зерен также присутствуют в магнитных доменах в магнитных материалах. Жесткий диск компьютера, например, сделан из твердого ферромагнитного материала, который содержит области атомов, магнитные моменты которых можно перестроить с помощью индукционной головки. Намагниченность варьируется от региона к региону, и несоответствие между этими регионами образует границы, которые являются ключевыми для хранения данных. Индуктивная головка измеряет ориентацию магнитных моментов этих доменных областей и считывает либо «1», либо «0». Эти биты представляют собой считываемые данные. Размер зерна важен в этой технологии, потому что он ограничивает количество битов, которые могут поместиться на одном жестком диске. Чем меньше размер зерна, тем больше данных можно сохранить.
Из-за опасности границ зерен в некоторых материалах, таких как лопатки турбин из жаропрочных сплавов , были сделаны большие технологические прорывы, чтобы максимально минимизировать влияние границ зерен в лопатках. Результатом стала направленная обработка затвердевания, при которой границы зерен были устранены за счет создания столбчатых структур зерен, выровненных параллельно оси лопасти, поскольку это обычно направление максимального растягивающего напряжения, испытываемого лопастью во время ее вращения в самолете. В результате лопатки турбины состояли из цельного зерна, что повышало надежность.
Смотрите также
Сноски
Рекомендации
- Аллен, Сэмюэл и Томас, Эдвин. Структура материалов. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 1999.
- Джайлс, Дэвид. Введение в магнетизм и магнитные материалы. Лондон: Чепмен и Холл/CRC, 1998.