Основы строения материалов. Кристаллическое и аморфное состояние вещества

Вещества (материалы) подразделяют на органические, неорганические, композиционные.

Органические вещества – это прежде всего полимеры и материалы на их основе: пластические массы, резины используемые в качестве машиностроительных (конструкционных) материалов.

Неорганические вещества включают металлы и неметаллы. Металлы и сплавы на их основе (стали, бронзы и многие другие) являются основными конструкционными машиностроительными материалами. В машиностроении достаточно широко используют и неметаллы (простые вещества – углерод в разных модификациях, различные химические соединения, например оксиды, нитриды).

Композиционные материалы – это неоднородные системы, состоящие из двух или более фаз – компонентов в различных сочетаниях: "металл – металл", "металл – неметалл", "неметалл – неметалл".

Все эти вещества могут иметь кристаллическое или аморфное, а некоторые смешанное (комбинированное) строение.

Кристаллические вещества характеризуются упорядоченным расположением в пространстве частиц, из которых они состоят (ионов, атомов, молекул).

Аморфное вещество можно рассматривать как переохлажденную жидкость. Для аморфного состояния, в отличие от кристаллического, характерно неупорядоченное расположение частиц в пространстве. Аморфное состояние можно зафиксировать как в органических (полимеры), так и неорганических (стекла) веществах. Один и тот же (по химическому составу) материал может иметь либо кристаллическое, либо аморфное строение.

Кристаллическое состояние твердого тела обладает меньшим термодинамическим потенциалом и более высокой стабильностью, чем аморфное. При энергетическом воздействии – нагреве, деформации, а в некоторых случаях и в результате длительной выдержки при комнатной температуре – происходит переход от аморфной структуры к кристаллической, при этом свойства вещества могут существенно изменяться.

Материалы с ионным типом связи. Кристаллическое строение характерно для химических соединений (см. 1.1.1 и рис. 1.1). Для некоторых стекол (основа их химического состава именно химические соединения – оксиды) возможно и кристаллическое, и аморфное строение. Переход из аморфного в кристаллическое состояние происходит при нагреве, при этом стекла теряют прозрачность, т.е. резко меняют свои свойства (в данном случае оптические).

Материалы с ковалентным типом связи. Аморфное или кристаллическое строение могут иметь полимеры.

Металлы могут находиться не только в кристаллическом (что более типично), но и аморфном, стеклообразном состоянии (металлические стекла). В кристаллическом и стеклообразном состоянии свойства одного и того же металла (сплава) существенно отличаются. Принципиально иначе меняется электрическое сопротивление при нагреве, в стеклообразном состоянии металлы могут обладать особыми магнитными свойствами и т.п.

Силы Ван-дер-Ваальса значимы у материалов с аморфной структурой – термопластичных полимеров, а также у некоторых материалов с кристаллической структурой – графита. В полимерах это связь между молекулами (макромолекулами), у графита – между слоями.

Таким образом, различные материалы, используемые в машиностроении, могут иметь кристаллическое или аморфное строение с разными типами межатомных связей, что и определяет их свойства и применение.