Кристаллит - Crystallite

Поликристаллические структуры, состоящие из кристаллитов. По часовой стрелке сверху слева:
а) ковкое железо
б) электротехническая сталь без покрытия
в) солнечные батареи сделано из мультикристаллический кремний
г) оцинкованный поверхность цинк
д) микрофотография кислотной обработки металла границы зерен

А кристаллит маленький или даже микроскопический кристалл который образуется, например, при охлаждении многих материалов. Ориентация кристаллитов может быть случайной без предпочтительного направления, называемой случайной текстурой, или направленной, возможно, из-за условий роста и обработки. Текстура волокна является примером последнего. Кристаллиты также называют зерна. Области, где встречаются кристаллиты, известны как границы зерен. Поликристаллические материалы или поликристаллы - это твердые тела, состоящие из множества кристаллитов различного размера и ориентации.

Большинство неорганических твердых веществ являются поликристаллическими, включая все обычные металлы, многие керамика, камни и лед. Степень кристалличности твердого вещества (кристалличность ) оказывает важное влияние на его физические свойства.[1] Сера, хотя обычно поликристаллический, может также встречаться в других аллотропный формы с совершенно разными свойствами.[2] Хотя кристаллиты называют зернами, порошок зерна различны, так как сами могут состоять из более мелких поликристаллических зерен.[3]

В то время как структура (не замужем ) кристалл высокоупорядочен и его решетка непрерывно и непрерывно, аморфный материалы, такие как стекло и многие полимеры, некристаллические и не имеют никакой структуры, поскольку их составляющие не расположены упорядоченным образом. Поликристаллические структуры и паракристаллический фазы находятся посередине между этими двумя крайностями.

подробности

Разная степень упорядоченности структур: a монокристаллический кристалл, поликристаллическая структура и аморфный или некристаллическое твердое вещество

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 большие, чтобы их можно было увидеть и с которыми можно было обращаться, редко состоят из монокристалл, за исключением нескольких случаев (драгоценные камни, монокристаллы кремния для электронной промышленности, некоторые типы волокно, монокристаллы никель на основе суперсплава для турбореактивный двигатели и несколько кристаллов льда, диаметр которых может превышать 0,5 метра).[4] Большинство материалов поликристаллические, состоящие из большого количества кристаллитов, удерживаемых вместе тонкими слоями аморфное твердое тело. Размер кристаллитов может варьироваться от нескольких нанометров до нескольких миллиметров.

Бронза колокол с крупными кристаллитами внутри

Если отдельные кристаллиты ориентированы совершенно случайным образом, достаточно большой объем поликристаллического материала будет приблизительно изотропный. Это свойство помогает делать упрощающие предположения механика сплошной среды для применения к реальным твердым телам. Однако большинство производимых материалов имеют некоторую ориентацию на свои кристаллиты, что приводит к текстура это необходимо учитывать для точных прогнозов их поведения и характеристик. Когда кристаллиты в основном упорядочены с некоторым случайным разбросом ориентации, мозаика кристалл. Аномальный рост зерна, где небольшое количество кристаллитов значительно больше, чем средний размер кристаллитов, обычно наблюдается в различных поликристаллических материалах и приводит к механическим и оптическим свойствам, которые отличаются от аналогичных материалов, имеющих монодисперсное распределение размеров кристаллитов с аналогичным средним размером кристаллитов.

Материал переломы может быть межзерновой или трансгранулярный перелом. С зернами порошка возникает 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 дифракция рентгеновских лучей (например. Scherrer метод), по оптическая микроскопия в поляризованном свете или сканирующая электронная микроскопия (обратно рассеянные электроны).

Крупнозернистые породы образуются очень медленно, а мелкозернистые породы образуются быстро в геологических временных масштабах. Если порода образуется очень быстро, например, при затвердевании лава изгнан из вулкан, кристаллов может и не быть. Вот как обсидиан формы.

Границы зерен

Основная статья: Граница зерна

Границы зерен - это границы раздела кристаллов разной ориентации. Граница зерен представляет собой однофазную границу 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 от их исходных узлов решетки, вывихи, и примеси, которые мигрировали к границе зерен с более низкой энергией.

Рассматривая границу зерен геометрически как поверхность раздела монокристалла, разрезанного на две части, одна из которых вращается, мы видим, что для определения границы зерен требуется 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, нормальный к этой плоскости).

Границы зерен нарушают движение дислокаций в материале. Распространение дислокации затруднено из-за поля напряжений в области дефектов границ зерен и отсутствия плоскостей скольжения и направлений скольжения и общего выравнивания по границам. Таким образом, уменьшение размера зерна является обычным способом улучшения прочность, часто без каких-либо жертв в стойкость потому что более мелкие зерна создают больше препятствий на единицу площади плоскости скольжения. Это соотношение размера кристаллитов и прочности дается Отношения Холла – Петча. Высота межфазная энергия и относительно слабая связь на границах зерен делает их предпочтительными местами для начала коррозия и для атмосферные осадки новых фаз из твердого тела.

Миграция границ зерен играет важную роль во многих механизмах ползать. 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 границах зерен, и если это произойдет до критической степени, материал может перелом.

Во время миграции границ зерен этап определения скорости зависит от угла между двумя соседними зернами. На малоугловой границе дислокаций 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 зерна. В нанокристаллических твердых телах границы зерен составляют значительную объемную долю материала, что оказывает сильное влияние на такие свойства, как распространение 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 аморфное твердое тело.

Границы зерен также присутствуют в магнитные домены в магнитных материалах. Например, жесткий диск компьютера состоит из жесткого диска. ферромагнитный материал, содержащий области атомов, магнитные моменты которых могут быть перестроены 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 считываются ли 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 суперсплав лопаток турбин, были сделаны большие технологические прорывы, чтобы максимально минимизировать влияние границ зерен в лопатках. Результат был направленное затвердевание обработка, при которой границы зерен были устранены 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.

Как правило, поликристаллы нельзя перегретый; они быстро тают, как только будут доведены до достаточно высокой температуры. Это потому, что границы зерен аморфны и служат точки зарождения для жидкости фаза. Напротив, если во время охлаждения жидкости твердое ядро ​​отсутствует, оно имеет тенденцию становиться переохлажденный. Поскольку это нежелательно для механических материалов, разработчики сплавов часто принимают меры против этого (путем измельчение зерна ).

Смотрите также

Сноски

  1. ^ Университет Пердью Категории твердых тел
  2. ^ К. Майкл Хоган. 2011 г. Сера В архиве 28 октября 2012 г. Wayback Machine. Энциклопедия Земли, ред. А. Йоргенсен и К. Дж. Кливленд, Национальный совет по науке и окружающей среде, Вашингтон, округ Колумбия
  3. ^ «Определение поликристаллического графита» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-05-21. Получено 2014-10-27.
  4. ^ Ж. Р. Пети, Р. Соуче, 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. Дои:10.1126 / science.286.5447.2138. PMID  10591641.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  5. ^ Doherty, R.D .; Hughes, D.A .; Humphreys, F.J .; Jonas, J.J .; Дженсен, Д. Джуул; Касснер, M.E .; King, W.E .; McNelley, T.R .; McQueen, HJ; Роллетт, А. Д. (1997). «Актуальные вопросы перекристаллизации: обзор». Материаловедение и инженерия: A. 238 (2): 219–274. Дои:10.1016 / S0921-5093 (97) 00424-3.

использованная литература

  • 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