Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Polycrystalline )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Поликристаллические структуры, состоящие из кристаллитов. По часовой стрелке сверху слева:
a) ковкое железо
b) электротехническая сталь без покрытия
c) солнечные элементы из поликристаллического кремния
d) оцинкованная поверхность цинка
e) микрофотография протравленного кислотой металла с выделением границ зерен

Кристаллита маленький , или даже микроскопический кристалл , который образует, например, при охлаждении многих материалов. Кристаллиты также называют зернами .

Структура [ править ]

Ориентация кристаллитов может быть случайной без предпочтительного направления, называемой случайной текстурой, или направленной, возможно, из-за условий роста и обработки. Волокнистая текстура является примером последнего. В то время как структура ( одного ) кристалла высокоупорядоченная и его решетка непрерывна и ненарушенная, аморфные материалы, такие как стекло и многие полимеры, не являются кристаллическими и не проявляют какие - либо структур, их составные части , которые не расположены в упорядоченном манера. Поликристаллические структуры и паракристаллическиефазы находятся посередине между этими двумя крайностями. Поликристаллические материалы или поликристаллы - это твердые тела, которые состоят из множества кристаллитов различного размера и ориентации. Большинство материалов являются поликристаллическими, состоящими из большого количества кристаллитов, удерживаемых вместе тонкими слоями аморфного твердого вещества . Большинство неорганических твердых веществ являются поликристаллическими, включая все обычные металлы, многие керамические материалы , горные породы и лед.

Области, где встречаются кристаллиты, известны как границы зерен .

Различные степени упорядоченности структур: монокристаллический кристалл, поликристаллическая структура и аморфное или некристаллическое твердое тело.

Размер [ править ]

Размер кристаллитов в монодисперсных микроструктурах обычно приблизительно определяется по дифрактограммам рентгеновских лучей и размером зерна с помощью других экспериментальных методов, таких как просвечивающая электронная микроскопия. Твердые объекты достаточно большое , чтобы увидеть и ручка редко состоит из одного кристалла , за исключением нескольких случаев ( за исключением драгоценных камней , монокристаллы кремния для электронной промышленности, некоторые виды волокон , монокристаллы никеля -Ы жаропрочный сплав для турбореактивных двигателей, и несколько кристаллов льда, которые могут превышать 0,5 метра в диаметре). [1] Размер кристаллитов может варьироваться от нескольких нанометров до нескольких миллиметров.

Влияние на физические свойства материалов [ править ]

Степень кристалличности твердого вещества ( кристалличность ) оказывает важное влияние на его физические свойства. [2] Сера , хотя обычно поликристаллическая, может также встречаться в других аллотропных формах с совершенно другими свойствами. [3] Несмотря на то, кристаллиты называют зерна, порошок зерно различно, так как они могут быть составлены из более мелких зерен поликристаллических сами по себе. [4] Как правило, поликристаллы нельзя перегревать ; они быстро тают, как только будут доведены до достаточно высокой температуры. Это связано с тем, что границы зерен аморфны и служат точками зарождения жидкости.фаза . Напротив, если при охлаждении жидкости нет твердого ядра, она имеет тенденцию к переохлаждению . Поскольку это нежелательно для механических материалов, разработчики сплавов часто принимают меры против этого (путем измельчения зерна ).

Бронзовый колокол с крупными кристаллитами внутри

Материальные переломы могут быть межкристаллитными или трансгранулярными . С зернами порошка есть неоднозначность: зерно порошка может состоять из нескольких кристаллитов. Таким образом, «размер зерна» (порошка), обнаруженный с помощью лазерной гранулометрии, может отличаться от «размера зерна» (скорее, размера кристаллитов), определенного с помощью дифракции рентгеновских лучей (например, метода Шеррера ), оптической микроскопии в поляризованном свете или растровая электронная микроскопия (обратно рассеянные электроны).

Если отдельные кристаллиты ориентированы совершенно случайным образом, достаточно большой объем поликристаллического материала будет приблизительно изотропным . Это свойство помогает применять упрощающие предположения механики сплошных сред к реальным твердым телам. Однако большинство производимых материалов имеют некоторую ориентацию на свои кристаллиты, что приводит к текстуре, которую необходимо принимать во внимание для точного прогнозирования их поведения и характеристик. Когда кристаллиты в основном упорядочены с некоторым случайным разбросом ориентаций, получается мозаичный кристалл . Аномальный рост зерна, где небольшое количество кристаллитов значительно больше среднего размера кристаллитов, обычно наблюдается в различных поликристаллических материалах и приводит к механическим и оптическим свойствам, которые отличаются от аналогичных материалов, имеющих монодисперсное распределение кристаллитов по размерам с аналогичным средним размером кристаллитов.

Крупнозернистые породы образуются очень медленно, а мелкозернистые породы образуются быстро в геологических временных масштабах. Если скала образуется очень быстро, например, при затвердевании лавы, извергнутой из вулкана , кристаллов может вообще не быть. Так образуется обсидиан .

Границы зерна [ править ]

Основная статья: Граница зерна

Границы зерен - это границы раздела кристаллов разной ориентации. Граница зерен - это однофазная граница раздела, причем кристаллы на каждой стороне границы идентичны, за исключением ориентации. Иногда, хотя и редко, используется термин «граница кристаллита». Области границ зерен содержат те атомы, которые были возмущены из своих исходных узлов решетки, дислокации и примеси, которые мигрировали к границе зерен с более низкой энергией.

Рассматривая границу зерна геометрически как границу раздела монокристалла, разрезанного на две части, одна из которых вращается, мы видим, что для определения границы зерна требуются пять переменных. Первые два числа берутся 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 дислокации затруднено из-за поля напряжений в области зернограничных дефектов и отсутствия плоскостей скольжения и направлений скольжения и общего выравнивания по границам. Таким образом, уменьшение размера зерна является распространенным способом повышения прочности , часто без какого-либо ущерба для вязкости, поскольку более мелкие зерна создают больше препятствий на единицу площади плоскости скольжения. Это соотношение размера кристаллитов и прочности дается соотношением Холла – Петча . Высокая межфазная энергия и относительно слабая связь на границах зерен делают их предпочтительными участками для начала коррозии и для выпадения осадков. 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 заставляет зерна скользить. Это означает, что мелкозернистые материалы на самом деле имеют плохое сопротивление ползучести по сравнению с более крупными зернами, особенно при высоких температурах, потому что более мелкие зерна содержат больше атомов в узлах границ зерен. Границы зерен также вызывают деформацию, поскольку они являются источниками и стоками точечных дефектов. Пустоты в материале имеют тенденцию собираться на границе зерен, и если это произойдет до критической степени, материал может сломаться .

Во время миграции границ зерен этап определения скорости зависит от угла между двумя соседними зернами. На малоугловой границе дислокации скорость миграции зависит от диффузии вакансий между дислокациями. В случае высокоугловой дислокационной границы это зависит от переноса атомов одиночными прыжками атомов от сжимающихся зерен к растущим. [5]

Границы зерен обычно имеют ширину всего несколько нанометров. В обычных материалах кристаллиты достаточно велики, чтобы границы зерен составляли небольшую часть материала. Однако достижимы очень маленькие размеры зерен. В нанокристаллических твердых телах границы зерен составляют значительную объемную долю материала, что оказывает сильное влияние на такие свойства, как диффузия и пластичность . В пределе мелких 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. Например, жесткий диск компьютера изготовлен из твердого ферромагнитного материала, который содержит области атомов, магнитные моменты которых могут быть переустановлены с помощью индукционной головки. Намагниченность варьируется от региона к региону, и несовпадение между этими областями формирует границы, которые являются ключевыми для хранения данных. Индуктивная головка измеряет ориентацию магнитных моментов этих областей домена и считывает либо «1», либо «0». Эти биты представляют собой считываемые данные. Размер зерна важен в этой технологии, поскольку он ограничивает количество битов, которые могут поместиться на одном жестком диске. Чем меньше размер зерна, тем больше данных можно сохранить.

Из-за опасности наличия границ зерен в некоторых материалах, таких как лопатки турбин из жаропрочных сплавов , были предприняты большие технологические шаги, чтобы минимизировать влияние границ зерен в лопатках. Результатом была направленная обработка затвердевания, при которой границы зерен были удалены путем создания столбчатых структур зерен, выровненных параллельно оси лопасти, поскольку это обычно направление максимального растягивающего напряжения, ощущаемого лопаткой во время ее вращения в самолете. В результате лопатки турбины состояли из цельного зерна, что повысило надежность.

См. Также [ править ]

  • Аномальный рост зерна
  • Кристаллизация полимеров
  • Микролит
  • Поликристаллический кремний

Сноски [ править ]

  1. ^ JR Petit, Р. Souchez, Н. И. Барков, В. Я.. Липенков, Д. Рейно, М. Стивенар, Н. И. Васильев, В. Вербеке и Ф. Виме (10 декабря 1999 г.). «Более 200 метров льда озера над подледниковым озером Восток, Антарктида». Наука . 286 (5447): 2138–41. DOI : 10.1126 / science.286.5447.2138 . PMID  10591641 .CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  2. ^ Категории твердых тел Университета Пердью
  3. ^ C.Michael Хоган. 2011. Сера. Архивировано 28 октября 2012 года на Wayback Machine . Энциклопедия Земли, ред. А. Йоргенсен и С. Дж. Кливленд, Национальный совет по науке и окружающей среде, Вашингтон, округ Колумбия
  4. ^ «Определение поликристаллического графита» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 21 мая 2011 года . Проверено 27 октября 2014 .
  5. ^ Доэрти, RD; Hughes, DA; Хамфрис, Ф.Дж.; Йонас, JJ; Дженсен, Д. Джуул; Касснер, Мэн; Король, МЫ; McNelley, TR; Маккуин, HJ; Роллетт, AD (1997). «Актуальные вопросы перекристаллизации: обзор». Материалы Наука и техника: A . 238 (2): 219–274. DOI : 10.1016 / S0921-5093 (97) 00424-3 .

Ссылки [ править ]

  • Аллен, Сэмюэл и Томас, Эдвин. Структура материалов. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 1999.
  • Джайлз, Дэвид. Введение в магнетизм и магнитные материалы. Лондон: Chapman & Hall / CRC, 1998.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Лау, Дж. (2009). «Реализация двумерных поликристаллических зерен в объектно-ориентированном микромагнитном каркасе» . Журнал исследований Национального института стандартов и технологий . 114 (1): 57–67. DOI : 10,6028 / jres.114.005 . PMC  4651613 . PMID  27504213 .