Mukammal Kristal Nima Va Ular Nima Uchun Mavjud Emas? 👨‍🏭

Barkamollikka intilish abadiy izlanish bo‘lgan metallurgiya sohasida bir tushuncha yaltiroq mayoqdek ajralib turadi: mukammal kristal. Bu asrlar davomida olimlar va muhandislarning ongini o‘ziga rom etib, ularni o‘z sirlarini ochishga chorlagan jozibali jumboqdir.

O'zining benuqson tuzilishi va misli ko'rilmagan xususiyatlari bilan mukammal kristall tasavvur qilib bo'lmaydigan imkoniyatlar olamini ochish uchun kalit hisoblanadi.

Ammo vaqt juda muhim, chunki uning kuchini ishlatish uchun poyga kuchaymoqda.

Ushbu maqolada biz ushbu g'ayrioddiy hodisaning chuqurligini o'rganamiz, uning jozibasi, salohiyati va uning tushunib bo'lmaydigan tabiatini tushunish zarurligini o'rganamiz.

Materiallar haqidagi tushunchangizni shubha ostiga qo'yadigan va sizni erishib bo'lmaydigan mukammallikka intilishni qo'zg'atadigan sayohatga tayyorlaning.

Mukammal kristal nima?

Metallurgiya kontekstida mukammal kristall - bu kristall bo'lib, unda nuqta, chiziq yoki tekislik nuqsonlari mavjud. Bu termodinamikaning uchinchi qonunini asosiy shakllantirishda muhim bo'lgan faraziy tushunchadir.

Kristallografiyada "mukammal kristall" iborasi "chiziqli yoki tekislik kamchiliklari yo'q" ma'nosida ishlatilishi mumkin, chunki aks holda nuqsonsiz kristalldagi kichik miqdordagi nuqta kamchiliklarini o'lchash qiyin.

Kamchiliklar turli termodinamik jarayonlar natijasida yuzaga keladi.

Metalllardagi kristallar kristallanish deb ataladigan jarayon orqali hosil bo'ladi. Metall eritilganda atomlar tartibsiz holatda bo'ladi. Metall sovishi bilan atomlar mayda kristallar hosil qilish uchun birlasha boshlaydi.

Bu mayda kristallar atomlarning progressiv qoʻshilishi natijasida kattalashib, donalar deb ataladigan koʻplab mayda kristalllarni hosil qiladi.

Olingan qattiq modda bitta kristal emas, balki juda ko'p kichikroq kristallardir.

To'g'ri tashqi shakldagi mukammal kristallarni faqat kristallanish super sovutish darajasi juda oz bo'lgan sharoitlarda rivojlansa olinishi mumkin.

Metallning umumiy mikro tuzilmasi uning xususiyatlarini aniqlaydi va ko'pchilik metallar uchta turli panjara yoki kristalli tuzilmalardan birini egallaydi: tana markazlashtirilgan kub (BCC), yuz markazlashtirilgan kub (FCC) yoki olti burchakli yaqin o'ralgan (HCP) .

Mukammal kristallning xususiyatlari

Mukammal kristall - bu kristalli material bo'lib, unda nuqta, chiziq yoki tekislik nuqsonlari mavjud. Mukammal kristalning asosiy xususiyatlari:

Nuqta, chiziq yoki tekislik nuqsonlari yo'q
Ekstremal kuch
Yomon qattiqlik
Metallda dislokatsiyalar va don chegaralari yo'q
Juda qiyin

Bu erda mukammal kristalning asosiy xususiyatlari haqida ba'zi fikrlar mavjud:

U uzluksiz, uzluksiz kristall panjaraga ega bo'lib, unda hech qanday nuqson va nosimmetrikliklar mavjud. Mukammal kristal atom darajasida mukammal tartiblangan.

U maksimal nazariy kuch va qattiqlikka ega. Stress kontsentratori vazifasini bajaradigan nuqsonlarsiz mukammal kristall hosil bo'lishidan oldin juda katta stresslarga bardosh bera oladi.

Biroq, mukammal kristallar zaif pishiqlik va egiluvchanlikka ega. Sirg'anishga imkon beradigan yoriqlar va dislokatsiyalarni yo'qotish uchun hech qanday nuqsoni bo'lmagan holda, mukammal kristallar mo'rt bo'ladi.

Mukammal kristall don chegaralari bo'lmagan yagona kristalldir. U butun yo'nalishda bir xil yo'nalishga ega.

Xo'sh, nega mukammal kristallar mavjud emas?

Haqiqiy kristallar har doim ba'zi kamchiliklarga ega - agar boshqa hech narsa bo'lmasa, yuzalar va interfeyslar nuqson sifatida ishlaydi. Shunday qilib, chinakam mukammal kristal mavjud emas, lekin biz kichik hajmlarda mukammallikka yaqinlasha olamiz.

Metallurgiyada metallar va qotishmalar uchta juda keng tarqalgan tuzilmalardan birida kristallanadi: tanaga markazlashtirilgan kubik (bcc), olti burchakli yaqin o'ralgan (hcp) yoki kubik yaqin o'ralgan (fcc). Metalllarning kristalli tabiati shundaki, ular issiqlik bilan ishlov berish yoki eritmani pasaytirish yoki elektrokaplama kabi boshqa usullar bilan qilingan bo'ladimi, ular kristallanishga juda kuchli moyillikka ega.

Kristal hajmi va mukammalligini nazorat qiluvchi eng muhim omillar harorat, vaqt, zarur elementlarning ko'pligi va oqimning mavjudligi yoki yo'qligi.

Kristallografiya va uning mukammal kristallarni tushunishdagi roli

Kristallografiya metallurgiyada mukammal kristallarni tushunishda muhim rol o'ynaydi. Metallurgiyada kristallografiyadan foydalanishning ba'zi usullari:

Turli materiallarni tavsiflash: Materialshunoslar turli materiallarni tavsiflash uchun kristallografiyadan foydalanadilar. Yagona kristallarda atomlarning kristall joylashuvi ta'sirini makroskopik jihatdan ko'rish oson, chunki kristallarning tabiiy shakllari atom tuzilishini aks ettiradi.
Kristal tuzilmalarni tushunish: kristall tuzilmalarni tushunish kristallografik nuqsonlarni tushunish uchun muhim shartdir.
Jismoniy xususiyatlarni nazorat qilish: Fizik xususiyatlar ko'pincha kristall nuqsonlar bilan boshqariladi.

Kristallografiya boshqa sohalarda, masalan, farmatsevtika va biologiyada atom darajasidagi moddalarning tuzilishini tushunish uchun ham qo'llaniladi.

Metalllarning mexanik xususiyatlariga mukammal kristallarning ta'siri

Mukammal kristallar metallarning mexanik xususiyatlariga sezilarli ta'sir ko'rsatadi. Bu erda mukammal kristallar metallarning mexanik xususiyatlariga qanday ta'sir qilishining ba'zi usullari mavjud:

To'g'ri tashqi shakldagi mukammal kristallarni faqat kristallanish super sovutish darajasi juda oz bo'lgan sharoitlarda rivojlansa olinishi mumkin.
Metalllarning kristall tuzilishi ularning fizik-mexanik xususiyatlariga, jumladan mustahkamlik, egiluvchanlik, egiluvchanlik, mo'rtlik va qattiqlikka ta'sir qiladi.
Qusurlar metallarning mexanik xususiyatlariga hissa qo'shadi va mukammal kristallar nomukammallarga qaraganda kamroq nuqsonlarga ega.
Mukammal kristal mo'rt bo'lishi shart emas va aralashmalar qo'shib metallni mo'rtlashtirish osonroq.
Metallning tuzilishi uning xususiyatlariga katta ta'sir ko'rsatadi va sof metallning har bir donasi boshqa donalar kabi bir xil kristalli tuzilishga ega.
Kristallardagi nomukammalliklar, masalan, dislokatsiyalar metallarning mexanik xususiyatlariga ta'sir qiladi va ularsiz kristall hosil qilish uchun juda ehtiyot bo'lish kerak.

Metalllarning mukammal kristallariga erishish mumkin, ammo bu metallning turiga bog'liq. Cs, Ga va Hg dan tashqari barcha metall elementlar xona haroratida qattiq kristall moddalardir. Metallar tezda kristallanadi va juda tez sovutganda ham shishasimon metall hosil qilish qiyin.

Biroq, shishasimon metallar, ayniqsa, tarkibiy atomlar turli o'lchamlarga ega bo'lsa, qotishmalarni tez sovutish orqali tayyorlanishi mumkin.

To'g'ri tashqi shakldagi mukammal kristallarni faqat kristallanish nazorat qilinadigan sharoitlarda sodir bo'lganda olish mumkin.

Ba'zi bir juft elementlar metall kristallar bo'lgan qotishmalarni hosil qiladi va ular sof elementlardan farq qiladigan foydali xususiyatlarga ega.

Shuning uchun ba'zi metallarda mukammal kristallarga erishish mumkin, ammo barcha turdagi metallarda emas.

Metallurgiyada mukammal kristallarning amaliy qo'llanilishi

Mukammal kristallar metallurgiyada amaliy qo'llanmalarga ega, jumladan:

Metall o'tkazgichlarning yakuniy ishlashini tushunish.
Katalitik kimyo, sirt fizikasi, elektronlar va monoxromatorlar kabi asosiy fanlarni tushunish.
Kristallardagi nuqsonlarning kelib chiqishi va tabiatini o'rganish uchun vositani taqdim etish.
Metalllarning tuzilishini aniqlash.
Metalllarning don hajmini aniqlash.

Qattiq jismlarning mikro tuzilishida nuqsonlar mavjudligi sababli mukammal kristallar tabiatda kam uchraydi. Biroq, metallar hayratlanarli darajada bitta kristalli shaklda ishlab chiqarilishi mumkin. Zarur laboratoriya sharoitlari ko'pincha mahsulot tannarxini oshiradi.

Mukammal kristallarda nazariy oqim kuchi va parchalanish

Barkamol kristall panjara strukturasining nazariy oqim kuchi plastik oqim boshlanishida kuzatilgan stressdan ancha yuqori. Nazariy rentabellikni atom darajasida hosil bo'lish jarayonini hisobga olgan holda taxmin qilish mumkin.

Mukammal kristallda kesish natijasida atomlarning butun tekisligi quyida joylashgan tekislikka nisbatan bitta atomlararo ajralish masofasi b ga siljiydi.

Atomlarning harakatlanishi uchun katak energiyasini yengish va yuqori tekislikdagi atomlarni quyi atomlar ustidan va yangi panjara maydoniga o'tkazish uchun katta kuch qo'llanilishi kerak.

Mukammal panjaraning kesishga chidamliligini engish uchun qo'llaniladigan kuchlanish nazariy oqim kuchi, Ï„maks.

Yirilish - kristall materiallarning ma'lum kristallografik struktura tekisliklari bo'ylab bo'linish tendentsiyasi. Kristal simmetriya yo'nalishi bo'ylab yorilib ketganda, u uning moddiy xususiyatlariga ta'sir qiladi.

Mineralning parchalanish usuli uning kristall tuzilishi haqida tushuncha beradi.

Yirilish sifati tekislik ichidagi va bo'ylab bog'lanishlar kuchiga bog'liq.

Yaxshi bo'linish joy ichidagi aloqalarning kuchi tekislik bo'ylab kuchliroq bo'lganda sodir bo'ladi.

Bog'lanish kuchi kristall tekislik bo'ylab kuchli bo'lganda yomon parchalanish paydo bo'lishi mumkin.

Mukammal parchalanishga ega bo'lgan minerallar qo'pol yuzalarni qoldirmasdan yorilib ketadi, yomon parchalanishga ega minerallar esa qo'pol sirtlarni qoldiradi.

Yorqinlik va yorilish odatini ko'rsatadigan tomonlar soni ham yorilish sifatini tasniflash uchun ishlatiladigan omillardir.

Bo'linish dizaynning zaifligi tufayli yuzaga keladi, ajralish esa o'sish nuqsonlari natijasida yuzaga keladi.

Yarimo'tkazgichli materiallarning sintetik monokristallari odatda yupqa gofretlar sifatida sotiladi, ularni kesish osonroq.

Vakansiyalar va ularning mexanik xususiyatlarga ta'siri

Mukammal metall kristall panjarada, kristalldagi joydan atom yo'qolganda bo'sh o'rinlar hosil bo'ladi. Bo'sh joy zichligi, odatda, ba'zi atomlarni oddiy joylaridan "yirtib tashlaydigan" panjara tebranishining kuchayishi tufayli harorat oshishi bilan eksponent ravishda oshadi.

Bo'sh ish o'rinlari ommaviy modulni kamaytirishi va materialning qattiqligini oshirishi mumkin.

Biroq, bo'sh ish o'rinlarining kiritilishi materialning egiluvchanligini pasaytiradi.

Vakansiya kontsentratsiyasi kritik qiymatdan kattaroq bo'lsa, egiluvchanlikning oshishi va qattiqlikning pasayishi sodir bo'ladi, bu materialning degeneratsiyasini ko'rsatadi.

Shuning uchun bo'sh ish o'rinlari metallarning mexanik xususiyatlariga, shu jumladan ularning egiluvchanligiga sezilarli ta'sir ko'rsatadi.

Mukammal kristalli tuzilish va mexanik xatti-harakatlar o'rtasidagi bog'liqlik

Mukammal kristall struktura va metallarning egiluvchan/mo'rt mexanik harakati o'rtasidagi bog'liqlik murakkab va oddiy emas. Bu erda ko'rib chiqilishi kerak bo'lgan ba'zi asosiy fikrlar:

Mukammal kristal mo'rt bo'lishi shart emas. Darhaqiqat, aralashmalarni qo'shish orqali metallni mo'rtlashtirish osonroq.
Ko'pgina "mo'rt" metallar yuqori haroratlarda deformatsiyalanganda egiluvchan bo'ladi.
Mo'rt materiallardan farqli o'laroq, egiluvchan materiallar makroskopik buzilishdan oldin plastik deformatsiyalarni namoyon qiladi.
Hatto eng ideal kristall o'sishi sharoitida ham metallar kristallografik jihatdan mukammal emas. Buning o'rniga, panjara metallning mexanik harakatiga ta'sir qilishi mumkin bo'lgan dislokatsiyalar, bo'sh joylar va don chegaralari kabi ko'plab nuqsonlarni o'z ichiga olishi mumkin.
Kristalning mo'rt va egiluvchan harakatlarini mexanik modellashtirish Rays va Tomson ishlaridan boshlangan. Ularning modeli kristall tuzilishini, kristalning yuklanish yo'nalishiga nisbatan yo'nalishini va nuqsonlarning mavjudligini hisobga oladi.
Mukammal kristalli strukturaning mo'rtligi bilan bog'liq bo'lishi shart emas va ko'plab metallar vaziyatga qarab ham egiluvchan, ham mo'rt bo'lishi mumkin.

Mukammal kubik kristallar haqidagi mulohazalar bizga haqiqiy metall materiallarning xususiyatlari haqida bir necha jihatdan aytib berishi mumkin:

Metall va qotishmalarning kristall tuzilishi ularning ba'zi xususiyatlarini, masalan, mustahkamlik, egiluvchanlik va qattiqlikni aniqlashi mumkin.
Aksariyat metallar va qotishmalar uchta juda keng tarqalgan tuzilmalardan birida kristallanadi: tana markazli kub (bcc), olti burchakli yaqin o'ralgan (hcp) yoki kubik yaqin o'ralgan (ccp, shuningdek, yuz markazlashtirilgan kub, fcc deb ataladi).
Metall atomlarining koordinatsion soni (ya'ni, teng masofadagi eng yaqin qo'shnilar soni) ancha yuqori: bcc uchun 8 ta, hcp va ccp uchun 12 ta. Metall kristallardagi atomlarning bunday joylashishi ularning xususiyatlariga ta'sir qilishi mumkin.
Metall kristallardagi atomlar bo'shliqni samarali ravishda to'ldiradigan zich tuzilmalarda to'planish tendentsiyasiga ega. Oddiy kubik strukturaga asoslangan oddiy kvadrat o'rash samarasiz va shuning uchun odatda metallarda topilmaydi.
Metall kristallar mukammal emas va bo'sh joylar va dislokatsiyalar kabi nuqsonlarga ega bo'lishi mumkin. Bu kamchiliklar, shuningdek, donalar va don chegaralarining mavjudligi metallarning xususiyatlariga ham ta'sir qilishi mumkin.
Metall kristallar metall elementlardan yasalgan kristallar bo'lib, biz metallar haqida o'ylagan yorqin porlash bilan porlaydi. Bu yorqinlik metall minerallarni aniqlash uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan xususiyatdir.
Mukammal metall kristallning atom tuzilishi bir necha jihatdan uning massaviy mexanik xususiyatlarini kuzatish bilan bog'liq.

Quyidagi usullardan ba'zilari:

Metalllarning kristall tuzilishi ularning mexanik xususiyatlarini aniqlaydi. Masalan, Î±-temir (Fe), xrom (Cr), vanadiy (V), molibden (Mo) va volfram (Vt) kabi tanasi markazlashtirilgan kubik (BCC) strukturali metallar yuqori mustahkamlikka ega va doimiy deformatsiyaga imkon beruvchi past egiluvchanlik. Boshqa tomondan, Î³-temir (Fe), alyuminiy (Al), mis (Cu), qo'rg'oshin (Pb), kumush (Ag), oltin (Au) kabi yuzi markazlashtirilgan kubik (FCC) tuzilishga ega metallar. , nikel (Ni), platina (Pt) va toriy (Th), odatda BCC metallariga qaraganda pastroq quvvatga ega va yuqori egiluvchanlikka ega.
Metalldagi donning o'rtacha hajmi uning xususiyatlarini aniqlaydigan muhim xususiyatdir. Kichikroq don hajmi valentlik kuchini oshiradi va boshqa mexanik xususiyatlarni oshiradi.
Metalllardagi metall bog'lanish ularning noyob mexanik xususiyatlaridan mas'uldir. Metalllar yuqori erish va qaynash nuqtalariga ega bo'lib, atomlar o'rtasida kuchli aloqalar mavjudligini ko'rsatadi. Metalllardagi valent elektronlar erkin, delokalizatsiyalangan, harakatchan va biron bir atom bilan bog'lanmagan. Metalllarning bu elektron-dengiz modeli nafaqat ularning elektr xususiyatlarini, balki egiluvchanligi va egiluvchanligini ham tushuntiradi. Metall ionlarini o'rab turgan elektronlar dengizi bir-birining yonidan osongina siljishi mumkin, bu esa metallning osongina deformatsiyalanishiga imkon beradi.

Bu masala bo'yicha oxirgi so'z

Shunday qilib, biz mukammal kristallarning maftunkor olamiga kirib, ularning benuqson tuzilishi va hayratlanarli xususiyatlarini o‘rganib chiqdik. Ammo endi, aziz o‘quvchi, keling, bir zum orqaga chekinib, bu billur mo‘jizalarning sirli tabiati haqida fikr yuritaylik.

Agar xohlasangiz, hamma narsa mukammal bo'lgan dunyoni tasavvur qiling. Har bir atom beg'ubor tarzda tekislanadigan, uyg'unlikni buzadigan hech qanday nopokliklar yoki nuqsonlar bo'lmagan dunyo. Bu utopiyaga o'xshaydi, shunday emasmi? Ammo mana shu narsa: mukammallik o‘zining haqiqiy ko‘rinishida biz tasavvur qilgandek mukammal bo‘lmasligi mumkin.

Ko‘ryapsizmi, mukammallik ko‘pincha qimmatga tushadi. Kristallar sohasida mutlaq mukammallikka erishish ekstremal sharoit va sinchkov jarayonlarni talab qiladi. U har qanday tashqi ta'sirlardan xoli bo'lgan, vaqt va makon to'g'ri mos keladigan muhitni talab qiladi. Ammo hayotni shunchalik qiziqarli qiladigan aynan shu nomukammalliklar emasmi?

O'ylab ko'r. Bizning hayotimizda bizni noyob va qiziqarli qiladigan kamchiliklar va g'ayrioddiy narsalardir. Kutilmagan burilishlar bizni oyoqqa turg‘izadi. Xo'sh, nega biz kristallarimizda mukammallikka intilishimiz kerak, ammo kamchiliklar ularga xarakter beradi?

Bundan tashqari, mukammallik cheklashi mumkin. Mukammal kristall panjarada o'sish yoki moslashish uchun joy yo'q. Bu vaqt ichida qotib qolgan statik holat. Ammo hayot o'sish va o'zgarishlardan iborat emasmi? Rivojlanish va o'zgarishga imkon beradigan nomukammalliklar emasmi?

Ehtimol, biz tushunib bo'lmaydigan mukammal kristalning orqasidan quvish o'rniga, nomukammallikning go'zalligini qabul qilishimiz kerak. Axir, kristallarning nuqsonlari ularning noyob optik, elektr va mexanik xususiyatlarini keltirib chiqaradi. Aynan shu kamchiliklar ularni turli xil ilovalarda, elektronikadan zargarlik buyumlarigacha foydali qiladi.

Shunday ekan, do‘stim, mukammal kristallar olamiga sayohatimizni yakunlar ekanmiz, keling, bizni o‘rab turgan nomukammal mo‘jizalarni qadrlashni unutmaylik. Keling, kamchiliklarning go'zalligini va ular keltiradigan cheksiz imkoniyatlarni nishonlaylik. Va kim biladi, balki bizning nomukammalligimizda biz tasavvur qilganimizdan ham ko'proq jozibali va to'liqroq bo'lgan mukammallikni topamiz.