Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела (2-е издание, 2008) (1135799), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Принято считать, что повышенная прочность аморфных сплавов (см. 1.2) связана с отсутствием в них дислокаций. Очень мелкие нанокристаллы, называемые усами, и наночастицы не содержат дислокаций, при добавлении их в композиционный материал значительно повышается его прочность. Происхождение дислокаций. Как уже отмечалось, дислокации появляются главным образом в результате пластической деформации кристаллов (см. рис. 2.9, 2.11). Еще одним из источников дислокаций при пластической деформации считают источник Франка — Рида, схематически изображенный на рис.
2.22. Пусть дислокация 1 закреплена в точках А и В. Такими точками могут быть скопления атомов иного размера, область другой фазы и т.п. При приложении внешнего механического напряжения дислокация перемещается, последовательно занимая положения 2, 3, 4. Наконец, в положении 5 левая и правая полупетли дислокации схлопываются и появляется вторая дислокация, образуя дислокационную петлю 6 округлой формы, которая под влиянием механического напряжения снова примет форму 1, далее процесс повторится и зародится следующая дислокация и т.д. Замкнутые дислокации также появб ляются в случае образования дископодобных скоплений вакансий (рис.
2.23) при охлаждении кристалла. 3 Винтовые дислокации и рост кри- сталлов. Винтовые дислокации способ- А В ствуют росту кристаллов (как из расплаб вов, так из растворов и паров), поскольку ступенька на поверхности кристалла (рис. 2.24), обусловленная винтовой дисРис. 2.22. Источник дис- локацией, облегчает осаждение атомов локаций Франка — Рида на поверхность кристаллов в местах, 11О А — А Рис. 2.23. Дископодобные скопления вакансий, эквивалентные дислокации смешанного типа в виде замкнутой линии обозначенных на рис. 2.24 буквой А. Атомы прикрепляются под ступенькой ббльшим числом химических связей, чем на гладкой поверхности кристаллов.
На поверхности совершенных кристаллов часто наблюдаются следы подобных ступенек. ГЮ Рис. 2.24. Винтовая дислокация на поверхности кристалла, облегчающая его рост (а) и последовательное изменение формы дислокации (б) при осаждении атомов на поверхность кристалла преимущественно в области под ступенькой — в области А 11! Задача 2.3. Изобразите; а) пару дислокаций, которая эквивалентна прямой линии вакансий; б) дислокацию, которая эквивалентна дискообразному однослойному скоплению вакансий.
Решение. Дислокация (замкнутая, криволинейная), эквивалентная дискообразному однослойному скоплению вакансий, изображена на рис. 2.23; пара дислокаций, которая эквивалентна прямой линии вакансий, соответствует верхней части рис. 2.23, но между линиями дислокаций промежуток равен одному атому. Задача 2.4.
Покажите, что механические напряжения при деформации сдвига максимальны в плоскости, нормаль к которой образует угол 45' с осью цилиндрического образца для испытания на растяжение. Решение. Рассмотрим плоскость скольжения с нормалью, составляющей угол а с осью цилиндрического образца, площадь сечения которого 5. Площадь поверхности сечения образца этой плоскостью вычисляется по формуле 5, =5!соз(а).
При приложении силы вдоль образующей цилиндра Е ейп(а) Р гйп(а) соз(а) Р ейп(2а) о 5, 5 25 Это выражение имеет максимальное значение при а = 45'. Отметим, что сдвиг по плоскости скольжения, повернутой на угол 45', должен начаться при наименьшем значении приложенной к образцу силы Е, а при большем значении Р оказываются возможными скольжения и по плоскостям скольжения, повернутым на углы а ~ 45'. 2.3. Поверхностные и объемные дефекты Поверхностные и объемные дефекты — сравнительно крупные дефекты, состоящие из большого числа атомов. В случае поверхностные дефектов область кристалла с сильно нарушенным периодическим расположением атомов имеет форму некоторой поверхности, толщина этой области в направлении нормали к поверхности составляет 1-2 межплоскостных расстояния. В случае объемных дефектов область кристалла с нарушенным периодическим расположением атомов имеет форму некоторого тела, например эллипсоида, все размеры которого превышают несколько межатомных расстояний.
!!2 Поверхностные дефекты. Поверхность кристалла является самым очевидным примером поверхностного дефекта. Известно, что вблизи поверхности кристалла в некоторой степени нарушается периодическое расположение атомов. Вследствие этого поверхностный слой находится в напряженном состоянии и обладает избыточной поверхностной энергией, подобно тому как поверхность жидкости обладает энергией поверхностного натяжения. Стремление кристалла, как любой системы, иметь минимум энергии приводит к минимальной площади поверхности кристалла. Отчасти поэтому кристаллы имеют форму выпуклых многогранников. Поверхностные дефекты встречаются и внутри кристалла, так как большинство реальных кристаллов формируется одновременно из нескольких центров кристаллизации и, следовательно, состоят из зерен с близкой ориентацией кристаллических решеток.
На границе раздела этих зерен неизбежно нарушается периодическое расположение атомов (см. рис. 2.! 7). Такие границы называют малоугловыми. Существует и другой тип границ — границы раздела между кристаллическими зернами в поликристалле (см. рис. 1,15). В этом случае кристаллические решетки соседних зерен разориентированы произвольно. Границы раздела зерен кристалла с нарушенной кристаллической решеткой находятся обычно в напряженном состоянии. Случайно ориентированные кристаллические решетки скрепляются слабее, чем две идеально смыкающиеся.
Поэтому вблизи границ раздела зерен кристалла под действием внешних, дополнительных механических напряжений и происходит чаще всего разлом кристалла. Вдоль границ раздела зерен быстрее проходит диффузия атомов (так называемая межзереяная диффузия), и, в частности, атомов газов, способных вызывать нежелательные химические реакции с атомами кристалла. В результате ухудшается коррозионная стойкость изделий из поликристаллических материалов. Продукты этих реакций (например, оксиды, нитриды и др.) будут дополнительно искажать кристаллическую решетку вблизи границ зерен, за счет чего неизбежно повысится вероятность разлома кристалла вдоль границ его зерен и в целом его хрупкость. Принято считать, что повышенные коррозионная стойкость и прочность аморфных сплавов (см. 1.2) связаны с отсутствием в них межзеренных границ. Существуют несколько способов уменьшения отрицательного влияния рассмотренных выше поверхностных дефектов на механические и коррозионные свойства кристаллов.
113 Первый, самый распространенный способ, — выдержка кристалла при температуре, которая примерно в 2 раза ниже температуры плавления. В процессе такой выдержки происходит миграция атомов, и напряжения вблизи границы раздела частично уменьшаются, вследствие чего несколько затрудняется диффузия вдоль границ и повышается коррозионная стойкость кристалла.
Второй, менее распространенный и более дорогостоящий способ, — использование монокристаллических материалов с малыми углами разориентировки соседних зерен. Его применяют, в частности, при производстве лопаток газовых турбин. Лопатки из монокристаллических материалов, в которых сведена к минимуму межзеренная диффузия, служат дольше и при более высоких температурах, чем такие же лопатки из поликристаллических материалов. Границы раздела зерен, как и другие дефекты, оказывают влияние на теплопроводность и электрическое сопротивление, поскольку на них происходит дополнительное рассеяние переносящих энергию фононов и переносящих энергию и заряд электронов.
Особенно сильное влияние поверхностных дефектов на теплопроводность и электрическое сопротивление наблюдается при низких температурах, когда длины свободного пробега фононов и электронов сопоставимы с размерами кристаллических зерен. Объемные дефекты. К объемным дефектам относятся микро- включения других фаз, поры и трещины. Последние два типа дефектов крайне нежелательны для материала, поскольку искажают практически все его физические свойства, причем наиболее значительно ухудшают прочность и пластичность изделий. Микровключения других фаз широко используют для улучшения прочности материала, поскольку они препятствуют движению дислокаций (см. 2.2). В таком случае специально создают структуру, подобную железобетону, состоящую из основной и упрочняющей фаз. Наилучшие результаты получаются, если кристаллические решетки обеих фаз «удачно стыкуются» вдоль некоторых плоскостей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
