В зависимости от соотношения энергии теплового движения час­тиц (атомов, ионов или молекул), образующих данное вещество, и энергии их взаимодействия все материалы при нормальных условиях могут находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии. Особым видом существования вещества является плазменное со­стояние, которое образуется при высоких температурах (выше 5000°С) или при воздействии электрических разрядов и представляет собой сильно ионизированный газ. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое и далее в твердое сопровождается ростом упорядоченности в расположении частиц в пространстве.

Вещества находятся в газообразном состоянии тогда, когда энер­гия теплового движения частиц превышает энергию их взаимодейст­вия. Такими частицами в газах являются молекулы: реже одноатом­ные (Не, Ne, Аr, Кr, Хе, Rn), чаще двух-, трех- и многоатомные (Н₂, О₂, СО₂, Н₂О, СН₄, С₂Н₆ и т.п.). Молекулы газа находятся в по­стоянном хаотическом движении. Под действием внешних энергети­ческих воздействий незначительная часть молекул ионизирует с образованием ионов и электронов.

В жидком состоянии энергия теплового движения частиц, обра­зующих вещество, сравнима с энергией их взаимодействия. В ди­электриках этими частицами являются молекулы, которые образуют неустойчивые комплексы, непрерывно распадающиеся и вновь обра­зующиеся. Если молекулы полярные, то часть их будет диссоцииро­вана на положительные и отрицательные ионы. В жидкостях имеет место ближний порядок – некоторая закономерность в расположении частиц, находящихся в непосредственной близости.

Неионизированные газы и недиссоциированные жидкости явля­ются диэлектриками. Сильно ионизированные газы (плазма), рас­плавы и водные растворы электролитов представляют собой провод­ники второго рода.

В твердом состоянии энергия взаимодействия частиц, образую­щих вещество, значительно превышает энергию их теплового движе­ния. Такими частицами являются атомы, ионы или молекулы, кото­рые расположены либо в геометрически правильном порядке, образуя кристаллическое тело, либо хаотически, в беспорядке, обра­зуя аморфное тело.

В аморфных телах в расположении частиц (атомов, ионов или молекул) наблюдается только ближний порядок. Аморфные тела проявляют изо­тропность физических свойств. Строение твердых тел, находящихся в аморфном состоянии, сходно со строением жидкостей. Для них, в отличие от жидкостей, характерна очень высокая вязкость.

В кристаллическом теле наблюдается как ближний, так и дальний порядок расположения частиц, т.е. частицы размещаются в простран­стве на определенном расстоянии друг от друга в геометрически правильном порядке, образуя кристалл. В кристалле сформирована пространственная кристаллическая решетка. Многократно повто­ряющимся элементом решетки является элементарная (кристалло­графическая) ячейка, вершины которой называют узлами, а расстоя­ние между двумя соседними узлами – периодом или постоянной решетки (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Модель кристаллической решетки

Каждое вещество имеет кристаллы определенной формы, кото­рая отражает их внутреннее строение. Форма кристаллов определяет­ся величиной периодов а, b, с и осевых углов (рис. 1.1). Геометрически возможны лишь четырнадцать различных простран­ственных решеток, образующих семь кристаллографических систем (сингоний).

Наиболее распространены кристаллические решетки следующих типов:

· объемно центрированная кубическая (ОЦК);

· гранецентрированная кубическая (ГЦК);

· гексагональная, которая бывает плотноупакованная (ГПУ) и неплотноупакованная.

Подавляющее большинство металлов имеет отмеченные типы кристаллических решеток (рис. 1.2). Менее распространены ромбоэдрическая, тетрагональная и более сложные решетки.

Рис. 1.2. Расположение атомов в кристаллической решетке:

а – объемно центрированной кубической; б – гранецентрированной кубической; в – гексагональной плотноупакованной

Кристаллическую решетку характеризуют следующие основные параметры:

· период решетки;

· атомный радиус;

· энергия кристаллической решетки;

· координационное число;

· базис решетки;

· коэффициент компактности.

Периодом решетки называется расстояние между центрами двух соседних частиц (атомов, ионов) в элементарной ячейке решетки.

Под атомным радиусом понимают половину межатомного расстояния между центрами ближайших атомов в кристаллической решетке элемента при нормальной температуре и атмосферном давлении. Однако атомный радиус не является постоянной величиной, а изменяется в зависимости от ряда факторов, важнейшими из которых являются координационное число и тип химической связи между атомами в кристалле.

Энергия кристаллической решетки определяется как энергия, выделяющаяся при образовании кристалла из ионов, атомов или других частиц, образующих кристалл, когда исходное состояние этих частиц газообразное. От величины энергии решетки зависят такие свойства вещества, как температура плавления, модуль упругости, прочность, твердость и др. Увеличение валентности атомов приводит к увеличению энергии решетки.

Координационное число (К), показывает количество атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке.

Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

Коэффициент компактности (η) решетки определяется отношением объема, занимаемого атомами (V_a), ко всему объему решетки (V_p), т.е.

При рассмотрении схемы элементарных ячеек (см. рис. 1.2) выясняется, что плотность упаковки атомов в разных плоскостях и по разным направлениям в кристалле разная. Поэтому и свойства кристаллического тела в разных направлениях будут разные. Такое явление, когда свойства вещества зависят от направления, называется анизотропией. Это свойство кристаллических тел широко используется в технике.

В зависимости от того, какие частицы (атомы, ионы или молеку­лы) находятся в узлах решетки, различают следующие основные типы кристаллических структур: атомные, металлические, ионные и молекулярные. Характерная особенность кристаллических тел – анизотропия их свойств, которая значительно проявляется только у монокристаллов и слабо – у текстурированных материалов.

Рис. 1.3. Структура поликристаллического твердого тела:

а – схематическое изображение; б – микрошлиф

Монокристалл – это огромное число одинаково ориентиро­ванных элементарных ячеек, т.е. это большой одиночный кристалл. В природе некоторые минералы встречаются в виде монокристалов. Однако большинство кристаллических веществ являются поликристаллическими. Они состоят из множества сросшихся мелких кристаллов, не имеющих одинаковой ориентации, и по­этому проявляют изотропность физических свойств. При кристаллизации кристаллы сталкиваются друг с другом и теряют правильную геометрическую форму. Такие кристаллы называют кристаллически­ми зернами, просто зернами или кристаллитами (рис. 1.3). Они малы, и в обыч­ных металлах их можно увидеть только в микроскоп.

Текстурирование – это некоторая упорядоченность в ориентации кристаллических зерен, достигаемая специальной обработкой (на­пример, прокаткой) поликристаллических материалов.