Фундаментальное понимание свойств материалов базируется на
представлении о многоуровневой организации вещества. Наиболее
распространённо выделяют следующие уровни:
- Атомный уровень – включает расположение атомов в
кристаллической решётке, характер химических связей, электронную
структуру.
- Микроструктурный уровень – описывает наличие и
распределение зерен, фаз, дефектов, дислокаций, пор и включений.
- Макроструктурный уровень – учитывает форму и
размеры образца, характер поверхности, макродефекты (трещины, пустоты,
неоднородности).
Каждый из этих уровней вносит вклад в совокупные физико-механические,
тепловые, электрические и магнитные свойства.
Типы химических
связей и их влияние на свойства
Ионная связь формируется между атомами с большой
разницей электроотрицательностей. Характеризуется высокой прочностью,
твёрдостью, высоким значением температур плавления и хрупкостью.
Примеры: керамика, соли.
Ковалентная связь обусловлена общими электронными
парами. Такие материалы, как алмаз или кремний, обладают высокой
твёрдостью, низкой пластичностью, уникальными электронными свойствами
(полупроводники).
Металлическая связь отличается делокализацией
электронов, образующих «электронный газ». Это обеспечивает высокую
электропроводность, теплопроводность и пластичность металлов.
Ван-дер-ваальсовы взаимодействия слабее, но
определяют свойства молекулярных кристаллов и полимеров, в частности
низкие температуры плавления и мягкость.
Соотношение и комбинации различных типов связей в реальном материале
предопределяют его комплексные свойства.
Кристаллическая и аморфная
структура
Кристаллические материалы обладают дальним порядком
расположения атомов. Характерные параметры:
- тип решётки (кубическая, гексагональная и др.),
- параметры элементарной ячейки,
- плотность упаковки атомов.
Кристаллическая решётка напрямую связана с анизотропией свойств:
например, теплопроводность и электрическая проводимость могут
существенно различаться вдоль разных кристаллографических
направлений.
Аморфные материалы (стекло, аморфные металлы) лишены
дальнего порядка. Это придаёт им изотропность свойств, но снижает
показатели теплопроводности и механической прочности.
Дефекты кристаллической
решётки
Точечные дефекты – вакансии, междоузельные атомы,
примесные атомы. Они влияют на диффузионные процессы, электропроводность
и химическую активность материала.
Линейные дефекты – дислокации. Их движение
определяет пластичность и прочность металлов. Упрочнение материалов во
многом связано с торможением движения дислокаций (методы: легирование,
деформация, термообработка).
Поверхностные дефекты – границы зёрен, поверхности
раздела фаз. Они существенно влияют на механические свойства,
коррозионную стойкость и процессы рекристаллизации.
Объёмные дефекты – поры, трещины, включения. Их
присутствие часто приводит к хрупкому разрушению и снижению
эксплуатационных характеристик.
Микроструктура и фазовое
состояние
Микроструктура определяется комбинацией фаз и их распределением.
Основные факторы:
- Размер зерна. Согласно закону Холла–Петча,
уменьшение размеров зерен приводит к упрочнению материала.
- Фазовые превращения. При изменении температуры или
давления возможны переходы между различными фазами (например, феррит –
аустенит в стали), что определяет механические свойства.
- Неоднородности. Механические и электрические
свойства зависят от равномерности распределения фаз, наличия сегрегаций
примесей.
Влияние структуры на
механические свойства
- Прочность возрастает при увеличении плотности
дефектов, тормозящих движение дислокаций.
- Пластичность зависит от способности к скольжению и
размножению дислокаций.
- Твёрдость связана с типом химической связи и
плотностью упаковки атомов.
- Ударная вязкость определяется наличием
макродефектов и скоростью распространения трещин.
Влияние структуры на
тепловые свойства
- В кристаллических материалах теплопроводность определяется
колебаниями решётки (фононами) и движением электронов.
- В аморфных телах теплопроводность существенно ниже из-за рассеяния
фононов на беспорядочной структуре.
- Наличие дефектов (примеси, дислокации) снижает теплопроводность,
повышает термическое сопротивление.
Электрические и магнитные
свойства
- Металлы обладают высокой проводимостью благодаря
свободным электронам. Структурные дефекты и примеси снижают её.
- Полупроводники (Si, Ge) чувствительны к дефектам и
легированию, что позволяет управлять их свойствами.
- Диэлектрики характеризуются высокой
поляризуемостью, зависящей от симметрии кристаллической решётки.
- Магнитные свойства определяются взаимодействием
спинов электронов. Размер зерна, доменная структура и дефекты влияют на
коэрцитивную силу и магнитную проницаемость.
Обработка материалов
и контроль структуры
Структура материала не является статичной. Она изменяется при
различных воздействиях:
- Термическая обработка (отжиг, закалка, отпуск)
изменяет фазовый состав и дислокационную плотность.
- Пластическая деформация приводит к измельчению
зерна и упрочнению.
- Легирование позволяет регулировать электронные,
магнитные и механические свойства.
- Наноструктурирование создаёт материалы с
уникальными свойствами (сверхтвёрдые сплавы, квантовые точки).
Методы контроля структуры включают рентгеноструктурный анализ,
электронную микроскопию, спектроскопические методы, позволяющие
устанавливать взаимосвязь между микроструктурой и свойствами.