Кристаллическая форма многих твердых тел свидетельствует о том, что атомы в них образуют те или иные упорядоченные структуры. В аморфном, или некристаллическом, веществе строгий порядок в расположении атомов отсутствует. Существует несколько типов кристаллических структур, простейшей из которых является кубическая. Хлорид натрия (поваренная соль) состоит из ионов натрия и хлора. В кристалле соли эти ионы формируют так называемую гранецентрированную кубическую решетку. Строение твердых тел можно установить, изучая дифракцию на них рентгеновских лучей и используя полученные рентгеновские снимки для выяснения структур сложных кристаллов.
Примером вещества с ионной кристаллической решеткой служит хлорид натрия. Атомы других кристаллических веществ, например алмаза, образуют правильную решетку, соединяясь друг с другом ковалентными химическими связями, в которых один или более электронов принадлежат совместно соседним атомам. В воске и подобных ему веществах молекулы лишь слабо удерживаются так называемыми ван-дер-ваальсовыми силами. Кристаллическая решетка металлов образована положительными ионами, в промежутках между которыми движутся свободные электроны.
Если к металлу приложить электрический потенциал, электроны начинают дрейфовать между ионами. По этой причине металлы и их сплавы хорошо проводят электричество.

Под микроскопом кристаллы соли имеют вид аккуратных
кубиков. Идеальные, т. е. с ненарушенной решеткой,
кристаллы имеют строго правильную форму. Помимо
показанных на рисунке кубических кристаллов сущест-
вует еще шесть различных их форм.

Кристаллы состоят из регулярно соединенных одинаковых
элементарных ячеек. Каждая ячейка может содержать один -
единственный атом, как в кристаллах меди, или сотни и
даже тысячи атомов различных типов, как в кристаллах белка.
Упорядоченность и симметрия в строении кристаллов су-
щественно помогают при исследовании структуры материалов.
Элементарные ячейки кристаллов подразделяются на 14 ос-
новных типов. Обычно их объединяют в семь групп: кубические
решетки (А, Б, В); ромбические (Г, Д, Е, Ж); моноклинные (3, И),
триклинные (К), тетрагональные (Л, М), тригональные (Н) и
гексагональные (О).

Колебания атомов

Все межмолекулярные силы по своей природе являются электрическими. Они вызывают притяжение между молекулами, расположенными на относительно больших расстояниях, и отталкивание при близком их расположении. Теми же силами объясняются и упругие свойства твердых тел. При растяжении материала расстояния между атомами слегка увеличиваются, при этом результирующее растяжение оказывается пропорциональным вызывающему его механическому напряжению (эта зависимость выражена в известном законе Гука). При сжатии тела атомы сближаются, тогда как сдвиг заставляет слои атомов скользить друг относительно друга.
Атомы в твердых телах, даже имеющих кристаллическую структуру, совершают непрерывные колебания около некоторых средних положений в решетке. При нагревании чистого твердого тела колебания становятся более интенсивными. И если тепловая энергия достаточна, чтобы атомы могли преодолеть силы, удерживающие их вместе, то кристаллическая структура «распадается» и твердое тело плавится.
Монокристалл чистого металла значительно менее прочен, чем можно было бы ожидать. Это вызвано несовершенством решетки, связанным с наличием дислокаций. Обычный кусок металла имеет поликристаллическую структуру, иными словами, состоит из многих неупорядоченно расположенных кристалликов. Под действием давления слои атомов в каждом кристаллике скользят друг относительно друга. Однако атомы примесей, присутствующих в кристаллике, «цепляются» за дислокации, препятствуя скольжению. Поэтому сплав, включающий два или более металла, обычно гораздо прочнее каждого из них.

Дифракция рентгеновских лучей на правильной периодической
решетке кристалла создает на экране систему пятен (А). Каждое
из них формируется рентгеновскими лучами, которые, последова-
тельно отражаясь от плоскостей кристалла, проходят путь, равный
целому числу длин волн (В). Симметрия и регулярность в располо-
жении пятен помогают кристаллографу определить, с каким типом
ячейки он имеет дело. Например, дифракционная картина А соот-
ветствует гексагональной структуре, так что ячейка типа Б не может
присутствовать в этом кристалле. По относительной интенсивности
пятен и их фазам можно рассчитать кристаллическую структуру.

Усталость металла: ее причины и борьба с нею

Способность некоторых твердых металлов к пластической деформации называется ползучестью. Она связана с движением дислокаций в кристаллических зернах, скольжением на их границах или смещением слоев кристалла по определенным плоскостям скольжения. Усталостью называется такое изменение свойств металла, которое может привести к его внезапному разрушению.
Металлы удается вытягивать в тонкие волокна, свободные от дислокаций. Эти волокна, называемые усами, очень прочны; внедренные в структуру другого материала, они образуют так называемый композиционный материал, обладающий высокой прочностью.

Прочность материала на разрыв исследуют путем растяжения. Сначала металл
растягивают в целом, а затем растяжение концентрируют вблизи точки излома.
Кривые А и Б показывают типичные картины растяжения. Кривая для мягкой стали
(А) остается линейной, пока не достигнут предел упругости. Если напряжение
снять раньше, то металл восстанавливает свою первоначальную длину Кривая Б
типична для более мягких металлов. Справа показана диаграмма относительных
прочностей металлов.

Строительные балки изготавливают из высококачественной
стали, поскольку она обычно хорошо сопротивляется излому.
Кроме того, металл должен быть достаточно ковким, чтобы
при появлении трещины ее края можно было бы легко спла-
вить, уменьшив тем самым опасность дальнейшего расширения
трещины. В плохих сортах стали трещины увеличиваются
достаточно быстро. Это особенно опасно в конструкциях
мостов, где сталь должна быть устойчивой к температурным
изменениям.

Структура твердых тел

Молекулы природных и синтетических полимеров имеют сложную структуру. Как показывают рентгеновские снимки, при растяжении резины ее спиралевидные молекулы вытягиваются в линию. При снятии напряжения молекулы снова скручиваются, принимая прежнюю форму, что и придает резине эластичность. Аналогичный процесс вытягивания полимерных молекул происходит при производстве нейлона.
Свойства полупроводников, благодаря которым они находят широкое применение, например в транзисторах, связаны с весьма тонкими нарушениями их в основном правильной кристаллической решетки. При изготовлении транзисторов в основной элемент – кремний или германий – искусственно вводят незначительное количество примесного элемента. Атомы примеси имеют либо больше, либо, наоборот, меньше электронов по сравнению с атомами основного элемента. В результате возникает избыток или недостаток электронов (отсутствие электрона принято называть «дыркой»).
Движение избыточных электронов или дырок придает материалам их специфические электрические свойства. Если в полупроводнике имеется избыток электронов, то его носители тока заряжены отрицательно, а сам полупроводник относится к n-типу. Если же в нем содержится больше дырок, являющихся положительно заряженными носителями тока, то полупроводник относится к р-типу.
Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах позволяет исследовать микроструктуру твердых тел. Для исследования структуры материала в целом, иначе говоря, его макроструктуры, используются другие методы. Например, зернистую структуру металла можно обнаружить, протравливая поверхность железа и изучая ее в отраженном свете под микроскопом.
Гораздо большее увеличение обеспечивает электронный микроскоп. Поверхность металла протравливают и изготовляют с нее копию, отпечатывая ее на слое угля или пластика; затем с нее снимают тонкую пленку, которую и изучают под микроскопом. Для исследования можно также использовать тонкую металлическую фольгу. Сканирующий электронный микроскоп позволяет выявить трехмерную структуру поверхности.

Стуча по листу металла, чеканщик делает
его более твердым, не увеличивая при этом
его хрупкости. При ударах дислокации сдви-
гаются вдоль внутренних плоскостей сколь-
жения, пока они не встречаются и не оста-
навливаются. Это создает барьеры, препятст-
вующие движению других дислокаций – металл
становится прочнее.

Металлурги выделяют металлы из руд,
расплавляя их. При нагревании кристал-
лическая решетка металла разрушается,
и он начинает течь. Точки плавления
металлов варьируются в широком интер-
вале – от ртути, которая плавится при -38,8°С,
до вольфрама, плавящегося при температуре
3410°С.

В прочных металлах свободное движение дислокаций ограничено.
Прочность металла можно повысить, получив его сплав или измельчив
кристаллы металла, насколько это возможно. В структуре А большие
атомы примеси находятся в углах кристаллической решетки, а мален-
ькие – в центре, нарушая тем самым целостность кристалла и препятст-
вуя свободному движению дислокаций. В структуре Б границы кристалла
сильно искажены, что также мешает движению дислокаций. Металл раз-
рушается там, где либо имеется дислокация в решетке, либо происходит
скольжение граней микрокристаллов, а также вдоль плоскостей скольже-
ния. Часто повторяющиеся растяжения и изменения нагрузки вызывают
усталость металла (В). На краях излома можно видеть следы металлической
рекристаллизации. Длительное напряжение дает аналогичный эффект,
называемый ползучестью металла (Г). На рисунках В и Г мы можем видеть
разрушения лопастей турбины, изготовленных из никелевого сплава.

Увеличение давления понижает точку плавления
веществ, которые, подобно воде, расширяются
при затвердевании. Лед, тающий под давлением
коньков, действует как смазка, в результате
движения конькобежца становятся более плавными
и легкими.