Кристаллит – это небольшой или даже микроскопический кристалл , который образуется, например , при охлаждении многих материалов. Кристаллиты также называют зернами .
Бациллит – это разновидность кристаллита. [1] Он стержневидный с параллельными лонгулитами. [2]
Ориентация кристаллитов может быть случайной без предпочтительного направления, называемой случайной текстурой , или направленной, возможно, из-за условий выращивания и обработки. Хотя структура монокристалла очень упорядочена, а его решетка непрерывна и неразрывна, аморфные материалы, такие как стекло и многие полимеры, некристаллические и не имеют какой-либо структуры, поскольку их составляющие не расположены упорядоченным образом. Поликристаллические структуры и паракристаллические фазы находятся между этими двумя крайностями. Поликристаллические материалы, или поликристаллы, представляют собой твердые тела, состоящие из множества кристаллитов различного размера и ориентации. Большинство материалов являются поликристаллическими и состоят из большого количества кристаллитов, скрепленных тонкими слоями аморфного твердого тела. Большинство неорганических твердых тел являются поликристаллическими, включая все распространенные металлы, многие керамические изделия , камни и лед. [ нужна цитата ]
Области, где встречаются кристаллиты, известны как границы зерен .
Размер кристаллитов в монодисперсных микроструктурах обычно аппроксимируется на основе рентгенограмм и размера зерен с помощью других экспериментальных методов, таких как просвечивающая электронная микроскопия. Твердые объекты, достаточно большие, чтобы их можно было видеть и манипулировать ими, редко состоят из одного кристалла, за исключением нескольких случаев ( драгоценные камни , монокристаллы кремния для электронной промышленности, некоторые типы волокон , монокристаллы суперсплава на основе никеля для турбореактивных двигателей и т. д.). некоторые кристаллы льда, диаметр которых может превышать 0,5 метра). [3] Размер кристаллитов может варьироваться от нескольких нанометров до нескольких миллиметров.
Степень кристалличности твердого тела ( кристалличность ) оказывает важное влияние на его физические свойства. [4] Сера , обычно поликристаллическая, может также встречаться в других аллотропных формах с совершенно другими свойствами. [5] Хотя кристаллиты называются зернами, зерна порошка отличаются тем, что сами могут состоять из более мелких поликристаллических зерен. [6] Как правило, поликристаллы нельзя перегревать ; они быстро расплавятся, как только их доведут до достаточно высокой температуры. Это связано с тем, что границы зерен аморфны и служат точками зарождения жидкой фазы . Напротив, если при охлаждении жидкости нет твердого ядра, она имеет тенденцию переохлаждаться . Поскольку это нежелательно для механических материалов, разработчики сплавов часто принимают меры против этого (путем измельчения зерна ).
Изломы материала могут быть как межкристаллитными , так и транскристаллитными . С зернами порошка существует неясность: зерно порошка может состоять из нескольких кристаллитов. Таким образом, «размер зерна» (порошка), определенный с помощью лазерной гранулометрии, может отличаться от «размера зерна» (скорее, размера кристаллитов), определенного с помощью дифракции рентгеновских лучей (например, метода Шеррера ), с помощью оптической микроскопии в поляризованном свете или с помощью сканирующая электронная микроскопия (обратно рассеянные электроны).
Если отдельные кристаллиты ориентированы совершенно случайно, достаточно большой объем поликристаллического материала будет примерно изотропным . Это свойство помогает применить упрощающие предположения механики сплошной среды к реальным твердым телам. Однако большинство производимых материалов в некоторой степени совпадают со своими кристаллитами, что приводит к текстуре , которую необходимо учитывать для точного прогнозирования их поведения и характеристик. Когда кристаллиты в основном упорядочены со случайным разбросом ориентаций, получается мозаичный кристалл . Аномальный рост зерен , когда небольшое количество кристаллитов значительно превышает средний размер 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. размер.
Крупнозернистые породы формируются очень медленно, а мелкозернистые – быстро, в геологических временных масштабах. Если горная порода образуется очень быстро, например, в результате затвердевания лавы , выброшенной из вулкана , кристаллов может вообще не быть. Так образуется обсидиан .
Границы зерен — это границы раздела, где встречаются кристаллы разной ориентации. Граница зерна представляет собой однофазную границу раздела, в которой кристаллы по обе стороны границы идентичны, за исключением ориентации. Иногда, хотя и редко, используется термин «граница кристаллита». Области границ зерен содержат те атомы, которые были смещены 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 необходимо пять переменных. Первые два числа берутся из единичного вектора, определяющего ось вращения. Третья цифра обозначает угол поворота зерна. Последние два числа определяют плоскость границы зерна (или единичный вектор, перпендикулярный этой плоскости).
Границы зерен нарушают движение дислокаций через материал. Распространение дислокаций затруднено из-за поля напряжений в области зернограничных дефектов, отсутствия плоскостей скольжения и направлений скольжения, а также общего выравнивания по границам. Таким образом, 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 зависимость размера кристаллитов от прочности определяется соотношением Холла – Петча . Высокая межфазная энергия и относительно слабая связь на границах зерен делают их предпочтительными местами возникновения коррозии и выделения 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 границ зерен и заставляет зерна скользить. Это означает, что мелкозернистые материалы на самом деле обладают плохим сопротивлением ползучести по сравнению с более крупными зернами, особенно при высоких температурах, поскольку более мелкие зерна содержат больше атомов на границах 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 в критической степени, материал может разрушиться .
При зернограничной миграции шаг, определяющий скорость, зависит от угла между двумя соседними зернами. На малоугловой дислокационной границе скорость миграции зависит от диффузии вакансий между дислокациями. В большеугловой дислокационной границе это зависит от транспорта атомов одиночными скачками от сжимающихся зерен к растущим. [7]
Границы зерен обычно имеют ширину всего несколько нанометров. В обычных материалах кристаллиты достаточно велики, поэтому границы зерен составляют небольшую часть материала. Однако достижимы очень маленькие размеры зерен. В нанокристаллических твердых телах границы зерен составляют значительную объемную долю материала, что оказывает глубокое влияние на такие свойства, как диффузия и пластичность . В пределе мелких кристаллитов, когда объемная доля границ зерен приближается к 100%, материал перестает иметь кристаллический характер и, таким образом, становится аморфным твердым телом .
Границы зерен также присутствуют в магнитных доменах магнитных материалов. Например, жесткий диск компьютера сделан из твердого ферромагнитного материала, содержащего области атомов, магнитные моменты которых можно перестроить с помощью индуктивной головки. Намагниченность варьируется от региона к региону, а несовпадение между этими регионами образует границы, которые являются ключевыми для хранения данных. Индуктивная головка измеряет ориентацию магнитных моментов этих доменных областей 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 зерен, тем больше данных можно сохранить.
Из-за опасности границ зерен в некоторых материалах, таких как лопатки турбин из суперсплавов , были сделаны большие технологические прорывы, чтобы минимизировать, насколько это возможно, влияние границ зерен в лопатках. Результатом стала обработка направленной кристаллизации , при которой границы зерен были устранены путем создания столбчатых зеренных структур, ориентированных параллельно оси лопасти, поскольку обычно это направление максимального растягивающего напряжения, ощущаемого лопастью во время ее вращения в самолете. В результате лопатки турбины состояли из одного зерна, что повышало надежность.