Кристаллиттер: құрылымы, қасиеттері және түрлері

Кіріспе

Белгілі бір жағдайларда пайда болатын кішкентай кристалл.

Кристаллит – көптеген материалдарды салқындату кезінде пайда болатын кішкентай, тіпті микроскопиялық кристалл. Кристаллиттерді түйіршіктер деп те атайды. Бациллит – кристаллиттің бір түрі. Ол таған тәрізді және параллель бойлық сызықтарымен сипатталады.

Құрылымы

Кристаллиттердің бағыты ешқандай артықшылықты бағыты жоқ, кездейсоқ текстура деп аталатын кездейсоқ болуы мүмкін, немесе өсу және өңдеу жағдайларына байланысты бағытталған болуы мүмкін. Жеке кристаллдың құрылымы жоғары реттелген және оның кристалдық торы үздіксіз және бұзылмаған болса, шыны және көптеген полимерлер сияқты аморфты материалдар кристалдық емес және ешқандай құрылымды көрсетпейді, себебі олардың құраушылары ретсіз орналасқан. Поликристаллдық құрылымдар мен паракристаллдық фазалар осы екі шектік жағдайдың арасында орналасқан. Поликристаллдық материалдар немесе поликристалдар – әртүрлі өлшемдегі және бағыттағы көптеген кристаллиттерден тұратын қатты денелер. Көптеген материалдар поликристаллды болып келеді, олар жұқа аморфты қатты зат қабаттарымен байланысқан көптеген кристаллиттерден тұрады. Көптеген бейорганикалық қатты заттар поликристаллды болып табылады, оның ішінде барлық таралған металдар, көптеген керамикалық материалдар, тау жыныстары және мұз кіреді. Кристаллиттер кездесетін жерлер дәншекаралары деп аталады.

Өлшемі

Монодисперстік микроқұрылымдардағы кристаллит өлшемі әдетте рентгендік сәулелердің дифракциялық суреті және басқа эксперименттік әдістермен, мысалы, трансмиссиялық электрондық микроскопия арқылы зертелінетін дәнек өлшемдерінен шамаланады. Көзбен көріп, қолмен ұстауға болатын қатты денелер көбінесе бір кристаллдан тұрмайды, тек бірнеше жағдайда ғана (асыл тастар, электроника өнеркәсібі үшін кремнийдің бір кристаллдары, белгілі бір типтегі талшықтар, турбореактивті қозғалтқыштарға арналған никель негізді суперқоспадағы бір кристаллдар және 0,5 метрден асатын диаметрі бар кейбір мұз кристаллдары) осылай болады. Кристаллит өлшемі бірнеше нанометрден бірнеше миллиметрге дейін ауытқуы мүмкін.

Материалдың физикалық қасиеттеріне әсері

Қатты заттың кристалдық (кристаллиндік) болу дәрежесі оның физикалық қасиеттеріне маңызды әсер етеді. Күкірт, әдетте поликристалл түрінде бола тұра, мүлдем басқа қасиеттері бар басқа аллотроптық түрлерде де кездеседі. Кристаллиттерді дәндер деп атағанмен, ұнтақ дәндері әртүрлі, себебі олар кіші поликристалликалық дәндерден тұруы мүмкін. Жалпы, поликристалдарды аса қыздыруға болмайды; жеткілікті жоғары температураға жеткеннен кейін олар дереу балқиды. Бұл себебі, дән шекаралары аморфты болып келеді және сұйық фазаның пайда болу ошағы ретінде қызмет етеді. Егер сұйық салқындағанда қатты ядро болмаса, ол суперсуытылып қалады. Механикалық материалдар үшін мұндай жағдайға жол беруге болмайтындықтан, қорытпа жасаушылар оның алдын алу үшін шаралар қолданады (дәндерді ұсарту арқылы). Материалдың сынуы дәншелер аралық немесе дәншелер арқылы болуы мүмкін. Ұнтақ дәншелеріндегі түсініксіздік мынада: ұнтақ дәншесі бірнеше кристаллиттен тұруы мүмкін. Осылайша, лазерлік гранулометриямен анықталған (ұнтақ) "дән мөлшері", рентгендік дифракция (мысалы, Шеррер әдісі), поляризацияланған жарық астындағы оптикалық микроскопия немесе сканерлі электрондық микроскопия (кері шашыраған электрондар) арқылы анықталған "дән мөлшерінен" (немесе кристаллит мөлшерінен) өзгеше болуы мүмкін. Егер жеке кристаллиттер толығымен кездейсоқ бағытталған болса, поликристалликалық материалдың жеткілікті үлкен көлемі шамамен изотропты болады. Бұл қасиет үздіксіз механиканың қарапайым ережелерін нақты әлемдегі қатты денелерге қолдануға мүмкіндік береді. Дегенмен, көптеген өндірілген материалдарда кристаллиттердің белгілі бір бағытта орналасуы байқалады, бұл олардың мінез-құлқы мен сипаттамаларын дәл болжау үшін ескерілуі тиіс текстураны құрайды. Кристаллиттер көбінесе кездейсоқ бағыттардың шашыраңқы таралуымен реттелгенде, мозаикалық кристалл пайда болады. Аномальды дән өсуі, яғни кристаллиттердің шағын саны орташа кристаллит мөлшерінен едәуір үлкен болғанда, әртүрлі поликристалликалық материалдарда жиі кездеседі және осы материалдардың механикалық және оптикалық қасиеттері, ұқсас орташа кристаллит мөлшеріне ие, бірақ кристаллит мөлшерінің біртекті таралуы бар материалдардан өзгеше болады. Ірі дәнды тау жыныстары геологиялық уақыт өлшемдері бойынша өте баяу, ал ұсақ дәнды тау жыныстары тез қалыптасады. Егер тау жынысы өте жылдам пайда болса, мысалы, жанартаудан шыққан лаваның қатаюынан пайда болса, онда онда кристаллдар мүлдем болмауы мүмкін. Обсидиан осылай түзіледі.

The extent to which a solid is crystalline (crystallinity) has important effects on its physical properties. Sulfur, while usually polycrystalline, may also occur in other allotropic forms with completely different properties. Although crystallites are referred to as grains, powder grains are different, as they can be composed of smaller polycrystalline grains themselves. Generally, polycrystals cannot be superheated; they will melt promptly once they are brought to a high enough temperature. This is because grain boundaries are amorphous, and serve as nucleation points for the liquid phase. By contrast, if no solid nucleus is present as a liquid cools, it tends to become supercooled. Since this is undesirable for mechanical materials, alloy designers often take steps against it (by grain refinement). Material fractures can be either intergranular or a transgranular fracture. There is an ambiguity with powder grains: a powder grain can be made of several crystallites. Thus, the (powder) "grain size" found by laser granulometry can be different from the "grain size" (rather, crystallite size) found by X ray diffraction (e. g. Scherrer method), by optical microscopy under polarised light, or by scanning electron microscopy (backscattered electrons). If the individual crystallites are oriented completely at random, a large enough volume of polycrystalline material will be approximately isotropic. This property helps the simplifying assumptions of continuum mechanics to apply to real world solids. However, most manufactured materials have some alignment to their crystallites, resulting in texture that must be taken into account for accurate predictions of their behavior and characteristics. When the crystallites are mostly ordered with a random spread of orientations, one has a mosaic crystal. Abnormal grain growth, where a small number of crystallites are significantly larger than the mean crystallite size, is commonly observed in diverse polycrystalline materials, and results in mechanical and optical properties that diverge from similar materials having a monodisperse crystallite size distribution with a similar mean crystallite size. Coarse grained rocks are formed very slowly, while fine grained rocks are formed quickly, on geological time scales. If a rock forms very quickly, such as from the solidification of lava ejected from a volcano, there may be no crystals at all. This is how obsidian forms.

Астық шекаралары

Grain boundaries are interfaces where crystals of different orientations meet. A grain boundary is a single-phase interface, with crystals on each side of the boundary being identical except in orientation. The term "crystallite boundary" is sometimes, though rarely, used. Grain boundary areas contain atoms that have been displaced from their original lattice sites, dislocations, and impurities that have migrated to the lower energy grain boundary. Considering a grain boundary geometrically as an interface of a single crystal cut into two parts, one of which is rotated, we see that five variables are required to define a grain boundary. The first two numbers come from the unit vector that specifies a rotation axis. The third number designates the angle of rotation of the grain. The final two numbers specify the plane of the grain boundary (or a unit vector that is normal to this plane). Grain boundaries disrupt the motion of dislocations through a material. Dislocation propagation is impeded due to the stress field of the grain boundary defect region and the lack of slip planes and slip directions, and overall alignment across the boundaries. Reducing grain size is therefore a common way to improve strength, often without sacrificing toughness, because the smaller grains create more obstacles per unit area of slip plane. This crystallite size strength relationship is given by the Hall–Petch relationship. The high interfacial energy and relatively weak bonding in grain boundaries make them preferred sites for the onset of corrosion and for the precipitation of new phases from the solid. Grain boundary migration plays an important role in many creep mechanisms. Grain boundary migration occurs when a shear stress acts on the grain boundary plane and causes the grains to slide. This means that fine-grained materials actually have a poor resistance to creep relative to coarser grains, especially at high temperatures, because smaller grains contain more atoms in grain boundary sites. Grain boundaries also cause deformation as they are sources and sinks of point defects. Voids in a material tend to gather in a grain boundary, and if this happens to a critical extent, the material could fracture. During grain boundary migration, the rate-determining step depends on the angle between two adjacent grains. In a small-angle dislocation boundary, the migration rate depends on vacancy diffusion between dislocations. In a high-angle dislocation boundary, it depends on atom transport by single-atom jumps from the shrinking to the growing grains. Grain boundaries are generally only a few nanometers wide. In common materials, crystallites are large enough that grain boundaries account for a small fraction of the material. However, very small grain sizes are achievable. In nanocrystalline solids, grain boundaries become a significant volume fraction of the material, with profound effects on properties such as diffusion and plasticity. In the limit of small crystallites, as the volume fraction of grain boundaries approaches 100%, the material ceases to have any crystalline character and thus becomes an amorphous solid. Grain boundaries are also present in magnetic domains in magnetic materials. A computer hard disk, for example, is made of a hard ferromagnetic material that contains regions of atoms whose magnetic moments can be realigned by an inductive head. The magnetization varies from region to region, and the misalignment between these regions forms boundaries that are key to data storage. The inductive head measures the orientation of the magnetic moments of these domain regions and reads out either a “1” or “0”. These bits are the data being read. Grain size is important in this technology because it limits the number of bits that can fit on one hard disk. The smaller the grain sizes, the more data that can be stored. Due to the dangers of grain boundaries in certain materials such as superalloy turbine blades, great technological leaps were made to minimize the effect of grain boundaries in the blades as much as possible. The result was directional solidification processing, in which grain boundaries were eliminated by producing columnar grain structures aligned parallel to the axis of the blade, since this is usually the direction of maximum tensile stress experienced by a blade during its rotation in an airplane. The resulting turbine blades consisted of a single grain, improving reliability.

Grain boundaries are interfaces where crystals of different orientations meet. A grain boundary is a single phase interface, with crystals on each side of the boundary being identical except in orientation. The term "crystallite boundary" is sometimes, though rarely, used. Grain boundary areas contain those atoms that have been perturbed from their original lattice sites, dislocations, and impurities that have migrated to the lower energy grain boundary. Treating a grain boundary geometrically as an interface of a single crystal cut into two parts, one of which is rotated, we see that there are five variables required to define a grain boundary. The first two numbers come from the unit vector that specifies a rotation axis. The third number designates the angle of rotation of the grain. The final two numbers specify the plane of the grain boundary (or a unit vector that is normal to this plane). Grain boundaries disrupt the motion of dislocations through a material. Dislocation propagation is impeded because of the stress field of the grain boundary defect region and the lack of slip planes and slip directions and overall alignment across the boundaries. Reducing grain size is therefore a common way to improve strength, often without any sacrifice in toughness because the smaller grains create more obstacles per unit area of slip plane. This crystallite size strength relationship is given by the Hall–Petch relationship. The high interfacial energy and relatively weak bonding in grain boundaries makes them preferred sites for the onset of corrosion and for the precipitation of new phases from the solid. Grain boundary migration plays an important role in many of the mechanisms of creep. Grain boundary migration occurs when a shear stress acts on the grain boundary plane and causes the grains to slide. This means that fine grained materials actually have a poor resistance to creep relative to coarser grains, especially at high temperatures, because smaller grains contain more atoms in grain boundary sites. Grain boundaries also cause deformation in that they are sources and sinks of point defects. Voids in a material tend to gather in a grain boundary, and if this happens to a critical extent, the material could fracture. During grain boundary migration, the rate determining step depends on the angle between two adjacent grains. In a small angle dislocation boundary, the migration rate depends on vacancy diffusion between dislocations. In a high angle dislocation boundary, this depends on the atom transport by single atom jumps from the shrinking to the growing grains. Grain boundaries are generally only a few nanometers wide. In common materials, crystallites are large enough that grain boundaries account for a small fraction of the material. However, very small grain sizes are achievable. In nanocrystalline solids, grain boundaries become a significant volume fraction of the material, with profound effects on such properties as diffusion and plasticity. In the limit of small crystallites, as the volume fraction of grain boundaries approaches 100%, the material ceases to have any crystalline character, and thus becomes an amorphous solid. Grain boundaries are also present in magnetic domains in magnetic materials. A computer hard disk, for example, is made of a hard ferromagnetic material that contains regions of atoms whose magnetic moments can be realigned by an inductive head. The magnetization varies from region to region, and the misalignment between these regions forms boundaries that are key to data storage. The inductive head measures the orientation of the magnetic moments of these domain regions and reads out either a “1” or “0”. These bits are the data being read. Grain size is important in this technology because it limits the number of bits that can fit on one hard disk. The smaller the grain sizes, the more data that can be stored. Because of the dangers of grain boundaries in certain materials such as superalloy turbine blades, great technological leaps were made to minimize as much as possible the effect of grain boundaries in the blades. The result was directional solidification processing in which grain boundaries were eliminated by producing columnar grain structures aligned parallel to the axis of the blade, since this is usually the direction of maximum tensile stress felt by a blade during its rotation in an airplane. The resulting turbine blades consisted of a single grain, improving reliability.