Стекло не плавится, так как жидкости не приходится плавиться. Плавление – это переход от расположения молекул в строгом порядке к беспорядочному расположению. А в твёрдом стекле молекулы и так расположены беспорядочно. Значит, повышение температуры стекла лишь увеличивает размах колебаний его молекул, даёт им постепенно всё большую и большую свободу перемещения. У стекла и подобных ему веществ нет основного свойства «настоящего» твёрдого кристаллического тела, в отношении которого мы можем уверенно сказать: «до такой-то температуры оно твёрдое, а вот теперь наряду с твёрдым телом начинает появляться – в результате его расплавления – жидкость».
17. Истинно твёрдые тела построены из кристаллов
Итак, подавляющее большинство твердых тел имеет кристаллическое строение. Металлы и камни состоят из маленьких кристалликов – зёрен, видимых большей частью только в микроскоп.
Свойства кристалликов, их размер, их взаимное расположение определяют свойства всего твёрдого тела. Советские учёные затратили много труда на выяснение этой связи и достигли крупнейших успехов.
Постараемся дать читателю представление об огромной важности этих исследований для нашей техники.
Всякая обработка металла сказывается на его зёрнах. Вот получен кусок литого металла: зёрна его расположены беспорядочно, размер их довольно велик. Из металла делают проволоку, протягивают её. Как ведут себя при этом кристаллические зёрна?
Исследования показали, что изменение формы твёрдого тела при протягивании проволоки или другой механической обработке вызывает раздробление кристаллических зёрен. Одновременно под действием механических сил в их расположении появляется некоторый порядок.
О каком порядке может идти здесь речь? Ведь обломки зёрен совершенно бесформенны.
Это верно, внешняя форма обломка может быть какой угодно, но обломок кристалла есть всё же кристалл: ионы в его решётке упакованы так же правильно, как и в хорошо огранённом кристалле. Поэтому в каждом обломке можно указать, как расположена его элементарная ячейка. До обработки ячейки строго упорядочены только в пределах каждого отдельного зерна – общего порядка обычно нет. После же обработки зёрна выстраиваются так, что в расположении их ячеек проступает некоторый общий порядок, называемый текстурой, например, диагонали ячеек всех зёрен устанавливаются примерно параллельно направлению обработки.
На рисунке 40, б текстура изображена на примере упорядоченности некоторых определённых отмеченных нами в зёрнах плоскостей – плоскостей наиболее плотного заполнения ионами, которые обозначены рядами точек.
Рис. 40. Отсутствие текстуры (слева) и её наличие (справа).
Явление текстуры было впервые обнаружено советскими учёными – проф. Н.Е. Успенским и чл.-корр. АН С.Т. Конобеевским.
Различные виды обработки (прокат, ковка, протяжка) приводят к текстурам различных типов. В одних случаях зёрна поворачиваются так, что их элементарные ячейки выстраиваются вдоль направления обработки диагональю, в других случаях – ребром куба и т.д. Чем совершеннее прокат или протяжка, тем совершеннее и текстура кристаллических зёрен металла. Наличие текстуры очень сильно влияет на механические свойства изделия. Изучение расположения и величины кристаллических зёрен в металлических изделиях пролило свет на сущность механической обработки металлов и указало, как следует правильно вести её.
С перестройкой кристаллических зёрен связан и другой важнейший технический процесс – отжиг. Если нагревать прокатанный или протянутый металл, то при достаточно высокой температуре начинается рост новых кристаллов за счёт старых. В результате отжига текстура постепенно разрушается; новые кристаллы располагаются беспорядочно. По мере повышения температуры (или просто при увеличении длительности отжига) новые зёрна растут, старые исчезают. Зёрна могут вырасти до видимых глазом размеров. Отжиг резко меняет свойства металла. Металл становится более пластичным, менее твёрдым. Это происходит потому, что зёрна становятся крупнее и текстура исчезает.
Наиболее сложным и в то же время наиболее интересным является процесс закалки стали, сущность которого была открыта «отцом русской металлургии» Дмитрием Константиновичем Черновым.
Мы рассказывали на стр. 37 о разных упаковках, построенных из одних и тех же атомов. Каждая из упаковок имеет «излюбленный» промежуток температур, в котором она устойчиво существует. К таким веществам принадлежит и железо. При высоких температурах порядка 1000° атомы железа образуют гранецентрированную решётку, при нормальной температуре железу свойственна объёмноцентрированная решётка (см. выше рис. 29). Если температуру понижать медленно, то атомы железа перестраивают свою решётку и образуют при комнатной температуре нормальную упаковку. Иначе будет происходить этот процесс, если температуру снизить быстро, например, бросить раскалённый кусок стали в холодную воду. В этом случае перестройка атомов не успевает произойти, и мы получаем при низкой температуре то строение, которое обычно свойственно лишь высокой температуре.
Для чего же это нужно? А нужно это по той причине, что железо, в котором атомы упакованы в гранецентрированной решётке, имеет значительно лучшие механические свойства: закалённая сталь (железо с небольшой примесью углерода и некоторых других веществ) обладает во много раз большей твёрдостью и крепостью, чем незакалённая.
Зернистое кристаллическое строение определяет свойства не только металлов, но и других твёрдых тел.
Рост дерева сопровождается образованием, ростом и изменением расположения кристалликов целлюлозы.
Свойства молочных продуктов определяются изменениями кристаллов вещества, называемого лактозой.
Прочность каучука зависит от количества в нём кристаллов.
Число примеров легко можно умножить, охватив почти все отрасли народного хозяйства, так как, за небольшими исключениями, все твёрдые тела, окружающие нас, либо одиночные кристаллы, либо состоят из мелких кристаллов. Кристаллическому строению твёрдых тел и влиянию этого строения на их свойства посвящено много книг.
Если слово «кристалл», связанное часто с чем-то редким, драгоценным, исключительным, стало для читателя более знакомым и близким, если читатель понял, что мы живём в мире кристаллов, и если у читателя появился интерес к области изучения свойств, структуры и способов получения кристаллов – области, принесшей уже немало пользы нашей Родине, – то задача этой маленькой книжки выполнена.
