Кристаллит — это небольшой или даже микроскопический кристалл , который образуется, например, при охлаждении многих материалов. Кристаллиты также называют зернами .
Бациллит — это тип кристаллита. [1] Он имеет стержневидную форму с параллельными продольными выступами. [2]
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 отдельного кристалла высоко упорядочена, а его решетка непрерывна и неразрывна, аморфные материалы, такие как стекло и многие полимеры, являются некристаллическими и не демонстрируют никаких структур, поскольку их компоненты не расположены упорядоченным образом. Поликристаллические структуры и паракристаллические фазы находятся между этими двумя крайностями. Поликристаллические материалы, или поликристаллы, представляют собой твердые тела, которые состоят из множества кристаллитов различного размера и ориентации. Большинство материалов являются поликристаллическими, состоящими из большого числа кристаллитов, удерживаемых вместе тонкими слоями аморфного твердого тела. Большинство неорганических твердых тел являются поликристаллическими, включая все распространенные металлы, многие виды керамики , горные породы и лед. [ необходима цитата ]
Области, где встречаются кристаллиты, называются границами зерен .
Размер кристаллита в монодисперсных микроструктурах обычно аппроксимируется из рентгеновских дифракционных картин и размера зерна другими экспериментальными методами, такими как просвечивающая электронная микроскопия. Твердые объекты, достаточно большие, чтобы их можно было увидеть и потрогать, редко состоят из одного кристалла, за исключением нескольких случаев ( драгоценные камни , кремниевые монокристаллы для электронной промышленности, некоторые типы волокон , монокристаллы никелевого суперсплава для турбореактивных двигателей и некоторые ледяные кристаллы, которые могут превышать 0,5 метра в диаметре). [3] Размер кристаллита может варьироваться от нескольких нанометров до нескольких миллиметров .
Степень, в которой твердое тело является кристаллическим ( кристалличность ), имеет важное влияние на его физические свойства. [4] Сера , хотя обычно и поликристаллическая, может также встречаться в других аллотропных формах с совершенно другими свойствами. [5] Хотя кристаллиты называются зернами, порошковые зерна отличаются, так как они сами могут состоять из более мелких поликристаллических зерен. [6] Как правило, поликристаллы не могут быть перегреты ; они быстро расплавятся, как только их доведут до достаточно высокой температуры. Это происходит потому, что границы зерен аморфны и служат точками зародышеобразования для жидкой фазы . Напротив, если при охлаждении жидкости нет твердого ядра, она имеет тенденцию становиться переохлажденной . Поскольку это нежелательно для механических материалов, проектировщики сплавов часто принимают меры против этого (путем измельчения зерна ).
Изломы материала могут быть как межзеренными , так и трансзеренными . С зернами порошка существует неоднозначность: зерно порошка может состоять из нескольких кристаллитов. Таким образом, «размер зерна» (порошка), найденный с помощью лазерной гранулометрии, может отличаться от «размера зерна» (точнее, размера кристаллита), найденного с помощью рентгеновской дифракции (например, метода Шеррера ), оптической микроскопии в поляризованном свете или сканирующей электронной микроскопии (обратнорассеянные электроны).
Если отдельные кристаллиты ориентированы совершенно случайным образом, достаточно большой объем поликристаллического материала будет приблизительно изотропным . Это свойство помогает упрощающим предположениям механики сплошных сред применяться к реальным твердым телам. Однако большинство изготовленных материалов имеют некоторое выравнивание своих кристаллитов, что приводит к текстуре , которую необходимо учитывать для точного прогнозирования их поведения и характеристик. Когда кристаллиты в основном упорядочены со случайным распределением ориентаций, получается мозаичный кристалл . Аномальный рост зерен , когда небольшое количество кристаллитов значительно больше среднего размера кристаллита, обычно наблюдается в различных поликристаллических материалах и приводит к механическим и оптическим свойствам, которые расходятся с аналогичными материалами, имеющими монодисперсное распределение размеров кристаллитов с похожим средним размером кристаллитов.
Крупнозернистые породы образуются очень медленно, тогда как мелкозернистые породы образуются быстро, в геологических масштабах времени. Если порода образуется очень быстро, например, при застывании лавы , выброшенной вулканом , кристаллов может вообще не быть. Так образуется обсидиан .
Границы зерен — это интерфейсы, где встречаются кристаллы с разной ориентацией. Граница зерен — это однофазный интерфейс, 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 исходных узлов решетки, дислокации и примеси, которые мигрировали к границе зерна с более низкой энергией.
Рассматривая границу зерна геометрически как интерфейс одного кристалла, разрезанного на две части, одна из которых повернута, мы видим, что для определения границы зерна требуется пять переменных. Первые два числа берутся из единичного вектора, который задает ось вращения. Третье число обозначает угол поворота зерна. Последние два числа задают плоскость границы зерна (или единичный вектор, который нормален к этой плоскости).
Границы зерен нарушают движение дислокаций через материал. Распространение дислокаций затруднено из-за поля напряжений в области дефекта границ зерен и отсутствия плоскостей скольжения и направлений скольжения и общего выравнивания по границам. Поэтому уменьшение размера зерна является распространенным способом повышения прочности , часто без какого-либо ущерба для ударной вязкости, поскольку более мелкие зерна создают больше препятствий на единицу площади плоскости скольжения. Эта связь размера кристаллита и прочности задается соотношением Холла-Петча . Высокая межфазная энергия и относительно слабая связь в границах зерен делают их предпочтительными местами для начала коррозии и осаждения новых фаз из твердого тела.
Миграция границ зерен играет важную роль во многих механизмах ползучести . Миграция границ зерен происходит, когда на плоскость границ зерен действует сдвиговое напряжение 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, поскольку более мелкие зерна содержат больше атомов в местах границ зерен. Границы зерен также вызывают деформацию, поскольку они являются источниками и стоками точечных дефектов. Пустоты в материале имеют тенденцию собираться в границах зерен, и если это происходит в критической степени, материал может разрушиться .
Во время миграции границ зерен скорость, определяющая шаг, зависит от угла между двумя соседними зернами. В границе с малым углом дислокации скорость миграции зависит от диффузии вакансий между дислокациями. В границе с большим углом дислокации это зависит от переноса атомов с помощью одиночных скачков атомов из сжимающихся в растущие зерна. [7]
Границы зерен, как правило, имеют ширину всего несколько нанометров. В обычных материалах кристаллиты достаточно велики, чтобы границы зерен составляли малую долю материала. Однако достижимы очень малые размеры зерен. В нанокристаллических твердых телах границы зерен становятся значительной объемной долей материала, оказывая глубокое 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. Например, жесткий диск компьютера сделан из твердого ферромагнитного материала, который содержит области атомов, магнитные моменты которых могут быть перестроены индуктивной головкой. Намагниченность меняется от области к области, и несовпадение между этими областями образует границы, которые являются ключевыми для хранения данных. Индуктивная головка измеряет ориентацию магнитных моментов этих областей домена и считывает либо «1», либо «0». Эти биты являются считываемыми данными. Размер зерна важен в этой технологии, поскольку он ограничивает количество бит, которые могут поместиться на одном жестком диске. Чем меньше размеры зерна, тем больше данных можно сохранить.
Из-за опасностей границ зерен в некоторых материалах, таких как лопатки турбин из суперсплава , были сделаны большие технологические скачки, чтобы максимально минимизировать влияние границ зерен в лопатках. Результатом стала направленная кристаллизационная обработка, при которой границы зерен устранялись путем создания столбчатых структур зерен, выровненных параллельно оси лопатки, поскольку это обычно направление максимального растягивающего напряжения, испытываемого лопаткой во время ее вращения в самолете. Полученные лопатки турбины состояли из одного зерна, что повышало надежность.