Mükəmməl Kristal Nədir Və Niyə Onlar Yoxdur? 👨‍🏭

Mükəmməlliyə can atmağin əbədi axtariş olduğu metallurgiya sahəsində bir konsepsiya parildayan mayak kimi seçilir: mükəmməl kristal. Bu, əsrlər boyu elm adamlarinin və mühəndislərin zehinlərini ovsunlayan, onlari öz sirlərini açmağa sövq edən valehedici bir müəmmadir.

Qüsursuz quruluşu və bənzərsiz xüsusiyyətləri ilə mükəmməl kristal ağlasiğmaz imkanlar dünyasini açmaq üçün açardir.

Lakin onun gücündən istifadə etmək yarişi gücləndiyi üçün vaxt çox vacibdir.

Bu yazida biz bu qeyri-adi fenomenin dərinliklərinə variriq, onun cazibəsini, potensialini və onun qaçilmaz təbiətini dərk etməyin təcili ehtiyacini araşdiririq.

Materiallari başa düşməyinizə meydan oxuyacaq və sizi yalniz əlçatmaz olan mükəmməlliyə həsrət qoyacaq bir səyahətə çixmağa hazirlaşin.

Mükəmməl kristal nədir?

Metallurgiya kontekstində mükəmməl kristal heç bir nöqtə, xətt və ya müstəvi qüsurlari olmayan bir kristaldir. Termodinamikanin üçüncü qanununun əsas formalaşdirilmasinda vacib olan hipotetik anlayişdir.

Kristalloqrafiyada 'mükəmməl kristal' ifadəsi ''xətti və ya müstəvi qüsurlar yoxdur'' mənasinda istifadə edilə bilər, çünki başqa cür qüsursuz kristalda kiçik miqdarda nöqtə qüsurlarini ölçmək çətindir.

Qüsurlar müxtəlif termodinamik proseslər nəticəsində yaranir.

Metallarda kristallar kristallaşma deyilən bir proses vasitəsilə əmələ gəlir. Metallar əridildikdə atomlar nizamsiz vəziyyətdə olur. Metal soyuduqca, atomlar kiçik kristallar əmələ gətirmək üçün bir yerə yiğilmağa başlayir.

Bu kiçik kristallar atomlarin proqressiv əlavə edilməsi ilə ölçülərini artirir və taxil adlanan çoxlu kiçik kristallar əmələ gətirir.

Yaranan bərk maddə bir kristal deyil, əslində bir çox kiçik kristaldir.

Müvafiq xarici formaya malik mükəmməl kristallar yalniz həddindən artiq soyutma dərəcəsinin çox cüzi olduğu şəraitdə kristallaşma inkişaf etdikdə əldə edilə bilər.

Metalin ümumi mikro strukturu onun xüsusiyyətlərini müəyyənləşdirir və əksər metallar əmələ gəldikdə üç müxtəlif qəfəs və ya kristal quruluşdan birini qəbul edirlər: bədən mərkəzli kub (BCC), üz mərkəzli kub (FCC) və ya altibucaqli six paketlənmiş (HCP) .

Mükəmməl bir kristalin xüsusiyyətləri

Mükəmməl kristal heç bir nöqtə, xətt və ya müstəvi qüsurlari olmayan kristal materialdir. Mükəmməl bir kristalin əsas xüsusiyyətləri bunlardir:

Nöqtə, xətt və ya planar qüsurlar yoxdur
Həddindən artiq güc
Zəif sərtlik
Metalda dislokasiya və taxil sərhədləri yoxdur
Çox çətin

Mükəmməl bir kristalin əsas xüsusiyyətləri haqqinda bəzi fikirlər:

Heç bir qüsuru və ya nizamsizliği olmayan davamli, qirilmamiş kristal qəfəsə malikdir. Mükəmməl bir kristal atom səviyyəsində mükəmməl nizamlanir.

Maksimum nəzəri gücə və sərtliyə malikdir. Gərginlik konsentratoru kimi çixiş edə bilən qüsurlar olmadan mükəmməl kristal məhsul vermədən əvvəl böyük gərginliklərə tab gətirə bilər.

Bununla belə, mükəmməl kristallar zəif möhkəmliyə və çevikliyə malikdir. Sürüşməyə imkan verən çatlari və dislokasiyalari kəsmək üçün heç bir qüsuru olmayan mükəmməl kristallar kövrək olur.

Mükəmməl bir kristal taxil sərhədləri olmayan tək kristaldir. Bütün istiqaməti vahiddir.

Bəs niyə mükəmməl kristallar mövcud deyil?

Həqiqi kristallarda həmişə bəzi qüsurlar olur - başqa heç nə olmasa, səthlər və interfeyslər qüsur kimi çixiş edir. Beləliklə, biz kiçik həcmlərdə mükəmməlliyə yaxinlaşa bilsək də, həqiqətən mükəmməl bir kristal mövcud ola bilməz.

Metallurgiyada metallar və ərintilər üç çox yayilmiş strukturdan birində kristallaşir: gövdə mərkəzli kub (bcc), altibucaqli six qablaşdirilan (hcp) və ya kubik six qablaşdirilan (fcc). Metallarin kristal təbiəti elədir ki, onlar istilik emal yolu ilə və ya məhlulun azaldilmasi və ya elektrokaplama kimi digər üsullarla hazirlandiğindan asili olmayaraq, kristallaşmaya çox güclü meyllidirlər.

Kristal ölçüsünə və mükəmməlliyinə nəzarət edən ən vacib amillər temperatur, vaxt, lazimi elementlərin bolluğu və axinin olmasi və ya olmamasidir.

Kristalloqrafiya və onun mükəmməl kristallarin dərk edilməsində rolu

Metallurgiyada mükəmməl kristallarin başa düşülməsində kristalloqrafiya mühüm rol oynayir. Metallurgiyada kristalloqrafiyadan istifadənin bəzi yollari bunlardir:

Müxtəlif materiallari xarakterizə etmək: Materialşünaslar müxtəlif materiallari xarakterizə etmək üçün kristalloqrafiyadan istifadə edirlər. Tək kristallarda atomlarin kristal düzülüşün təsirləri tez-tez makroskopik olaraq görmək asandir, çünki kristallarin təbii formalari atom quruluşunu əks etdirir.
Kristal strukturlari anlamaq: Kristal strukturlari başa düşmək kristalloqrafik qüsurlari başa düşmək üçün vacib şərtdir.
Fiziki xüsusiyyətlərə nəzarət: Fiziki xüsusiyyətlər çox vaxt kristal qüsurlarla idarə olunur.

Kristalloqrafiya maddənin quruluşunu atom səviyyəsində anlamaq üçün əczaçiliq və biologiya kimi digər sahələrdə də istifadə olunur.

Mükəmməl kristallarin metallarin mexaniki xassələrinə təsiri

Mükəmməl kristallar metallarin mexaniki xüsusiyyətlərinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. Mükəmməl kristallarin metallarin mexaniki xassələrinə təsirinin bəzi yollari bunlardir:

Müvafiq xarici formaya malik mükəmməl kristallar yalniz həddindən artiq soyutma dərəcəsinin çox cüzi olduğu şəraitdə kristallaşma inkişaf etdikdə əldə edilə bilər.
Metallarin kristal quruluşu onlarin fiziki və mexaniki xüsusiyyətlərinə, o cümlədən möhkəmliyə, elastikliyə, çevikliyə, kövrəkliyə və sərtliyə təsir göstərir.
Qüsurlar metallarin mexaniki xassələrinə kömək edir və mükəmməl kristallarda qüsurlu olanlardan daha az qüsur var.
Mükəmməl bir kristalin kövrək olmasi lazim deyil və çirkləri əlavə etməklə metali kövrək etmək daha asandir.
Metalin quruluşu onun xüsusiyyətlərinə böyük təsir göstərir və təmiz metaldaki hər bir taxil digər taxillarla eyni kristal quruluşa malikdir.
Kristallarda dislokasiya kimi qüsurlar metallarin mexaniki xassələrinə təsir edir və onlardan azad bir kristal əldə etmək üçün çox diqqətli olmaq lazimdir.

Metallarin mükəmməl kristallarina nail olmaq olar, lakin bu, metalin növündən asilidir. Cs, Ga və Hg istisna olmaqla, bütün metal elementlər otaq temperaturunda kristal bərk maddələrdir. Metallar asanliqla kristallaşir və çox sürətli soyutma ilə belə şüşəli metal əmələ gətirmək çətindir.

Bununla belə, şüşəvari metallar ərintilərin sürətlə soyudulmasi ilə hazirlana bilər, xüsusən də tərkib atomlari müxtəlif ölçülərə malikdirsə.

Müvafiq xarici formanin mükəmməl kristallari yalniz kristallaşma nəzarət olunan şəraitdə baş verərsə əldə edilə bilər.

Bəzi cüt elementlər metal kristallar olan ərintilər əmələ gətirir və onlar təmiz elementlərlə nümayiş etdirilənlərdən fərqli faydali xüsusiyyətlərə malikdirlər.

Buna görə də bəzi metallarda mükəmməl kristallara nail olmaq mümkündür, lakin bütün metallarda deyil.

Metallurgiyada mükəmməl kristallarin praktik tətbiqi

Mükəmməl kristallar metallurgiyada praktik tətbiqlərə malikdir, o cümlədən:

Metal keçiricilərin son performansini başa düşmək.
Katalitik kimya, səth fizikasi, elektronlar və monoxromatorlar kimi əsas elmləri başa düşmək.
Kristallarda qüsurlarin mənşəyini və təbiətini öyrənmək üçün vasitənin təmin edilməsi.
Metallarin strukturunun müəyyən edilməsi.
Metallarin taxil ölçüsünün təyini.

Bərk cisimlərin mikro strukturunda qüsurlarin olmasi səbəbindən mükəmməl kristallar təbiətdə nadirdir. Bununla belə, metallar təəccüblü şəkildə tək kristal şəklində istehsal edilə bilər. Lazimi laboratoriya şəraiti çox vaxt istehsalin maya dəyərini artirir.

Mükəmməl kristallarda nəzəri gəlir gücü və parçalanma

Mükəmməl bir kristal qəfəs quruluşunun nəzəri məhsuldarliği plastik axinin başlanğicinda müşahidə olunan gərginlikdən xeyli yüksəkdir. Nəzəri məhsuldarliq gücünü atom səviyyəsində məhsuldarliq prosesini nəzərə alaraq təxmin etmək olar.

Mükəmməl bir kristalda kəsmə atomlarin bütün müstəvisinin aşağidaki müstəviyə nisbətən bir atomlararasi ayrilma məsafəsi, b ilə yerdəyişməsi ilə nəticələnir.

Atomlarin hərəkət etməsi üçün qəfəs enerjisini aşmaq və yuxari müstəvidəki atomlari aşaği atomlar üzərində və yeni qəfəs sahəsinə köçürmək üçün xeyli güc tətbiq edilməlidir.

Mükəmməl qəfəsin kəsilməyə qarşi müqavimətini aradan qaldirmaq üçün tətbiq olunan gərginlik nəzəri axin gücüdür, Ï„max.

Parçalanma kristal materiallarin müəyyən kristalloqrafik struktur müstəviləri boyunca parçalanma meylidir. Bir kristal simmetriya istiqamətində parçalandiqda, onun maddi xüsusiyyətlərinə təsir göstərir.

Mineralin parçalanma üsulu onun kristal quruluşu haqqinda fikir verir.

Parçalanma keyfiyyəti təyyarədəki və boyunca olan bağlarin gücündən asilidir.

Yaxşi parçalanma o zaman baş verir ki, yer içindəki bağlarin gücü təyyarədəki bağlardan daha güclüdür.

Zəif parçalanma kristal müstəvisində bağlanma gücü güclü olduqda baş verə bilər.

Mükəmməl parçalanmaya malik minerallar heç bir kobud səth buraxmadan parçalanacaq, zəif parçalanmaya malik minerallar isə kobud səthlər buraxacaq.

Bölünmə və dekolte vərdişi nümayiş etdirən tərəflərin sayi da dekoltenin keyfiyyətini təsnif etmək üçün istifadə olunan amillərdir.

Parçalanma dizayn zəifliyi səbəbindən baş verir, ayrilma isə böyümə qüsurlarindan qaynaqlanir.

Yarimkeçirici materiallarin sintetik monokristallari ümumiyyətlə parçalanmasi daha asan olan nazik vaflilər kimi satilir.

Vakansiyalar və onlarin mexaniki xassələrə təsiri

Mükəmməl bir metal kristal qəfəsdə, kristalin yerində bir atom əskik olduqda boş yerlər yaranir. Vakansiya sixliği adətən artan qəfəs vibrasiyasi səbəbindən temperaturun artmasi ilə eksponensial şəkildə artir, bu da bəzi atomlari normal yerlərindən "yirtir".

Vakansiyalar toplu modulu azalda və materialin sərtliyini artira bilər.

Bununla belə, vakansiyalarin tətbiqi materialin çevikliyini azaldir.

Vakansiya konsentrasiyasi kritik dəyərdən böyük olduqda, elastikliyin artmasi və sərtliyin azalmasi baş verir ki, bu da materialin degenerasiyasini göstərir.

Buna görə boş yerlər metallarin mexaniki xüsusiyyətlərinə, o cümlədən onlarin çevikliyinə əhəmiyyətli təsir göstərir.

Mükəmməl kristal quruluşu ilə mexaniki davraniş arasinda əlaqə

Mükəmməl kristal quruluşu ilə metallarin çevik/kövrək mexaniki davranişi arasindaki əlaqə mürəkkəbdir və sadə deyil. Burada nəzərə alinmali bəzi əsas məqamlar var:

Mükəmməl bir kristalin kövrək olmasi lazim deyil. Əslində, çirkləri əlavə etməklə metali kövrəkləşdirmək daha asandir.
Bir çox ''kövrək'' metallar yüksək temperaturda deformasiyaya uğradiqda çevik olurlar.
Kövrək materiallardan fərqli olaraq, çevik materiallar makroskopik uğursuzluqdan əvvəl plastik deformasiyalar nümayiş etdirir.
Ən ideal kristal böyümə şəraitində belə, metallar kristalloqrafik cəhətdən mükəmməl deyillər. Bunun əvəzinə, qəfəsdə metalin mexaniki davranişina təsir göstərə bilən dislokasiyalar, boş yerlər və taxil sərhədləri kimi bir çox qüsur ola bilər.
Kristalin kövrək və çevik davranişinin mexaniki modelləşdirilməsi Rays və Tomsonun işindən başlamişdir. Onlarin modeli kristal quruluşunu, yükləmə istiqamətinə görə kristalin oriyentasiyasini və qüsurlarin mövcudluğunu nəzərə alir.
Mükəmməl bir kristal quruluş mütləq kövrək davranişla əlaqəli deyil və bir çox metal şəraitdən asili olaraq həm çevik, həm də kövrək davraniş nümayiş etdirə bilər.

Mükəmməl kub kristallarinin mülahizələri bizə real metal materiallarin xüsusiyyətləri haqqinda bir neçə yolla məlumat verə bilər:

Metallarin və ərintilərin kristal quruluşu onlarin möhkəmlik, çeviklik və möhkəmlik kimi bəzi xüsusiyyətlərini müəyyən edə bilər.
Əksər metallar və ərintilər üç çox yayilmiş strukturdan birində kristallaşir: gövdə mərkəzli kub (bcc), altibucaqli six qablaşdirilan (hcp) və ya kubik six qablaşdirilan (ccp, həmçinin üz mərkəzli kub, fcc adlanir).
Metal atomlarinin koordinasiya sayi (yəni, bərabər məsafədə olan ən yaxin qonşularin sayi) kifayət qədər yüksəkdir: bcc üçün 8, hcp və ccp üçün 12. Metal kristallardaki atomlarin bu cür düzülüşü onlarin xassələrinə təsir edə bilər.
Metal kristallardaki atomlar məkani səmərəli şəkildə dolduran six tənzimləmələrdə yiğilmağa meyllidirlər. Sadə kubik quruluşun əsaslandiği sadə kvadrat qablaşdirma səmərəsizdir və buna görə də metallarda çox rast gəlinmir.
Metal kristallar mükəmməl deyil və boş yerlər və dislokasiyalar kimi qüsurlara malik ola bilər. Bu qüsurlar, həmçinin taxillarin və taxil sərhədlərinin mövcudluğu metallarin xüsusiyyətlərinə də təsir edə bilər.
Metal kristallar metal elementlərdən hazirlanmiş kristallardir və metallarin malik olduğunu düşündüyümüz parlaq parilti ilə parildayir. Bu parilti metal minerallari müəyyən etmək üçün istifadə edilə bilən bir xüsusiyyətdir.
Mükəmməl metal kristalin atom quruluşu onun kütləvi mexaniki xassələrinin bir neçə yolla müşahidəsi ilə bağlidir.

Aşağidakilar bəzi yollardir:

Metallarin kristal quruluşu onlarin mexaniki xüsusiyyətlərini müəyyən edir. Məsələn, Î±-dəmir (Fe), xrom (Cr), vanadium (V), molibden (Mo) və volfram (W) kimi bədən mərkəzli kub (BCC) strukturu olan metallar yüksək möhkəmliyə və daimi deformasiyaya imkan verən aşaği çeviklik. Digər tərəfdən, Î³-dəmir (Fe), alüminium (Al), mis (Cu), qurğuşun (Pb), gümüş (Ag), qizil (Au) kimi üz mərkəzli kub (FCC) strukturu olan metallar. , nikel (Ni), platin (Pt) və torium (Th), ümumiyyətlə BCC metallarindan daha aşaği gücə və daha yüksək çevikliyə malikdir.
Bir metaldaki taxilin orta ölçüsü onun xüsusiyyətlərini təyin edən mühüm xüsusiyyətdir. Kiçik taxil ölçüsü dartilma gücünü artirir və digər mexaniki xüsusiyyətləri artirmağa meyllidir.
Metallardaki metal birləşmə onlarin unikal mexaniki xüsusiyyətlərindən məsuldur. Metallarin yüksək ərimə nöqtələri və qaynama nöqtələri var, bu da atomlar arasinda güclü bağlarin olduğunu göstərir. Metallardaki valent elektronlar sərbəst, delokalizasiyali, hərəkətlidir və hər hansi bir atomla əlaqəli deyil. Metallarin bu elektron-dəniz modeli təkcə onlarin elektrik xassələrini deyil, həm də elastikliyini və çevikliyini izah edir. Metal ionlarini əhatə edən elektron dənizi asanliqla bir-birinin yanindan sürüşərək metalin asanliqla deformasiyasina imkan verir.

Məsələ ilə bağli son söz

Beləliklə, biz mükəmməl kristallarin füsunkar dünyasina qədəm qoyduq, onlarin qüsursuz quruluşunu və ağillari qarişdiran xüsusiyyətlərini araşdirdiq. Ancaq indi, əziz oxucum, gəlin bir az geri çəkilib bu kristal möcüzələrin müəmmali təbiəti haqqinda düşünək.

İstəsəniz, hər şeyin mükəmməl olduğu bir dünya təsəvvür edin. Hər bir atomun qüsursuz şəkildə düzüldüyü, harmoniyani pozacaq heç bir çirkin və ya qüsurun olmadiği bir dünya. Utopiya kimi səslənir, elə deyilmi? Ancaq burada bir məqam var: mükəmməllik, ən həqiqi formada, təsəvvür etdiyimiz qədər mükəmməl olmaya bilər.

Görürsünüz, mükəmməllik çox vaxt baha başa gəlir. Kristallar səltənətində mütləq mükəmməlliyə nail olmaq ekstremal şərait və vasvasi proseslər tələb edir. O, heç bir xarici təsirdən məhrum olan, zaman və məkanin düzgün uyğunlaşdiği bir mühit tələb edir. Bəs həyati bu qədər maraqli edən məhz bu qüsurlar deyilmi?

Bu barədə düşünün. Öz həyatimizda bizi unikal və maraqli edən qüsurlar və qəribəliklərdir. Bizi ayaqda saxlayan gözlənilməz dönüşlərdir. Bəs, kristallarimiza xarakter verən qüsurlar olduğu halda, niyə biz onlarda mükəmməlliyə can atmaliyiq?

Üstəlik, mükəmməllik məhdudlaşdira bilər. Mükəmməl bir kristal qəfəsdə böyümə və ya uyğunlaşma üçün yer yoxdur. Bu, zamanla donmuş statik bir vəziyyətdir. Bəs həyat yalniz böyümə və dəyişiklikdən ibarət deyilmi? Bizə təkamül etməyə və çevrilməyə imkan verən qüsurlar deyilmi?

Bəlkə də, əlçatmaz mükəmməl kristalin arxasinca qaçmaq əvəzinə, qüsursuzluğun gözəlliyinə sarilmaliyiq. Axi kristallarda olan qüsurlar onlarin unikal optik, elektrik və mexaniki xüsusiyyətlərinə səbəb olur. Məhz bu qüsurlar onlari elektronikadan zərgərliyə qədər müxtəlif tətbiqlərdə faydali edir.

Beləliklə, dostum, mükəmməl kristallar aləminə səyahətimizi yekunlaşdirarkən, bizi əhatə edən qeyri-kamil möcüzələri qiymətləndirməyi unutmayaq. Qüsurlarin gözəlliyini və onlarin gətirdiyi sonsuz imkanlari qeyd edək. Və kim bilir, bəlkə də qeyri-kamilliyimizdə təsəvvür etdiyimizdən çox daha cəlbedici və doyumlu bir növ mükəmməllik tapacağiq.