Kittel-Ch-Vvedenie-v-fiziku-tverdogo-tela (1239153), страница 131
Текст из файла (страница 131)
Как только процесс выпадения в основном закончился и образовалось достаточно много мелких частиц, величина Ь достигает минимума, а прочность — максимума. Если выдерживать сплав при высокой температуре, то некоторые частицы начнут расти, другие— растворяться; в результате г'. снова увеличится, а прочность уменьшится. В случае разбавленных твердых растворов прочность обусловливается закреплением дислокаций растворенными атомами. Коттрел установил, что растворимость инородных атомов вблизи дислокаций выше, чем в неискаженной части кристалла, Например, атом, стремяшийся «раздвинуть» решетку кристалла, ') Частицы твердых интерметзллических фзз, например таких, кзк огнеупорные окислы, не могут быть разрушены дислонациями. 7!О будет попадать в основном в область растяжения вблизи краевой дислокации. Наоборот, атом, имеющий малый размер, будет попадать преимущественно в область сжатия вблизи дислокации, — дислокация создает в месте своего нахождения как область растяжения, так и область сжатия.
В результате сосредоточения растворенных атомов вблизи дислокаций вокруг каждой дислокации при охлаждении кристалла до температур, при которых подвижность растворенных атомов все еще велика, будет создаваться облако растворенных атомов. При достаточно низких температурах диффузия растворенных атомов резко замедляется и облако растворенных атомов закрепляется в кристалле. Когда дислокация перемещается я покидает облако растворенных атомов, энергия кристалла возрастает. Увеличение энергии может обеспечиваться только возрастающим напряжением, действующим на дислокацию, так как опо выталкивает дислокацию из облака растворенных атомов.
Таким образом, наличие в кристалле облаков растворенных атомов ведет к его упрочнению. В чистых кристаллах прохождение дислокации в плоскости скольжения не изменяет энергии связи в этой плоскости после того, как дислокация прошла через нее. Внутренняя энергия кристалла остается прежней. То же справедливо и в отношении неупорядоченных твердых растворов, поскольку н после скольжения растворенные атомы расположены в плоскости скольжения по-прежнему неупорядоченпо. Однако, как показано в гл.
19, большинство твердых растворов обладает ближним порядком. Атомы различных сортов располагаются в узлах решетки не беспорядочно; онп стремятся разместиться так, чтобы иметь вокруг себя избыток нли, наоборот, недостаток пар атомов другого сорта. Таким образом, в упорядоченных сплавах дислокации имеют тенденцию двигаться парами: вторая дислокация купорядочивает» местный беспорядок, создаваемый первой дислокацией. Прочность кристаллического материала в результате пластической деформации возрастает.
Это явление называется деформационным ппрочнением нли наклепом. Считают, что прочность возрастает из-за увеличения плотности дислокаций, что существенно затрудняет перемещение данной дислокации в плоскости скольжения, пронизанной многими другими дислокациями. Псремещение особенно затруднено, когда одна винтовая дисло кация пытается пересечь другую; при этом могут образовываться вакансии и внедренные атомы. В упорядоченных материалах часто применяется деформационное упрочнение, но область его использования ограничивается достаточно низкими температурами, при которых не происходит отжиг.
Важным фактором, способствующим деформационпому упрочнению, является не общая плотность дислокаций, а их расположение. В большинстве металлов дислокации стремятся 711 образовать ячейки областей (рис. 20.16), свободных от дислокаций, размерами порядка 1 микрона. Но если мы не можем получить однородную высокую плотность дислокаций, мы не сможем деформацпонно упрочнить металл до его теоретической прочности из-за скольжения в областях, свободных от дислокаций. Равномерная плотность достигается взрывной деформацией пли специальными термомеханическими обработками (17). Любой из механизмов упрочнения кристаллов может ловы- сить предел прочности до величины порядка !О-' — 1О-' 6.
Все механизмы становятся неэффективными при температурах, когда процессы диффузии могут проходить со значительной скоростью. Когда диффузия происходит быстро, частицы микродисперсной фазы растворяются, облака растворенных атомов перемещазотся вместе с дислокациями, ближний порядок после прохождения дислокаций восстанавливается, переползание дислокаций и отжиг ведут к уменьшению плотности дислокаций. Остаточная зависящая от времени деформация называется ползучесгью. Необратимому движению предшествует предел упругости.
При разработке сплавов, пригодных для использования при высоких температурах, основной задачей является значительное понижение скорости диффузионных процессов, с тем, чтобы указанные четыре механизма упрочненпя сохраняли бы свою эффективность вплоть до высоких температур. Однако основной проблемой при создании твердых сплавов является пе прочность, а пластичность, отсутствие которой приводит к разрушению сплава. ДИСЛОКАЦИИ И РОСТ КРИСТАЛЛОВ Франком и его сотрудниками было установлено, что в некоторых случаях дислокации могут играть определяющую роль в процессах роста кристаллов '). Прн выращивании кристаллов в условиях небольшого пересыщення (порядка 1%) было за.
мечено, что наблюдаемая скорость роста значительно превышает теоретически рассчитанную для идеального кристалла. Объяснение наблюдаемой скорости роста дал Франк, исходя из днслокациониых представлений. Теория роста идеальных кристаллов предсказывает, что прп росте кристалла из паров пересыщенне (отношенне данного давления паров к равновесному) должно быть порядка 10 для возникновения кристаллических зародышей, порядка 5 — для образования жидких капелек и около 1,5 — для создания на поверхности идеального кристалла двухмерных мономолекуляр- ') Для того чтобы получить исчерпываюпсее представление о рассматриваемом вопросе, см. работы (181 н [Ш). Длнннонепочечные полимерные молекулы кристаллизуются в плоские пластинки и ил~еют необычную картину кристаллнзании; см.
обзор Келлера (20), ьммизьми а » 'Рис. 20.2!. Развитие спиральной «лесенки», образуюптейся а результате пересечения винтовой дислоканпи с поверхностью кристалла. Каждый куб нзобра ° жает собой молекулу. 1По Франку,) ных зародышей. Однако Фольмер и Шульце наблюдали рост кРисталлов иода пРи пеРесыщении паРов иода менее !а)о, пРичем минимальная наблюдавшаяся имн скорость роста была в е'ооз раз больше предсказываемой по теории роста идеальных кристаллов. Это было значительным расхождением между теорией и экспериментом.
Такое расхождение можно объяснить трудностью создания на поверхности кристалла зародышей новых мономолекулярных слоев в том случае, когда поверхность кристалла совершенна. Если же имеется винтовая дислокация типа изображенной схематически на рис. 20.21, то в зарождении нового слоя нет никакой необходимости, поскольку кристалл будет спирально расти от края ступеньки. (Атом может быть связан со ступенькой сильнее, чем с плоской поверхностью.) Вычисление скорости роста, основанное на этом механизме, дает результаты, хорошо согласующиеся с наблюдениями. Поэтому следует, видимо, считать, что все кристаллы в природе, выросшие при малых псресыщениях, содержат дислокации, ибо в противном случае оии не могли бы вырасти.
Спиральный механизм роста наблюдается для многих кри. сталлов. Прекрасный пример такого роста на отдельной винтовой дислокации показан на рис. 20.22. Рост на нескольких дислокациях показан на рис. 20.23. 713 Рис. 20.22 Микрофотография гексагональнай спирали роста в пристал.че 5~С. Высота ступеньки 155 А. (Л. й.
Неггпа,) Рис. 20.23. Микрофотография элементарных спиралей роста с почти круговок симметрией в 5)С. В левой части рисунна виден выход на поверхность кристалла правовинтовой и левовннтовой дислонапнй. Спираль левовинтовой днсэокапни делает около трех витков до встречи с выступами, образованпымн правовинтовой дислакапней. С этого момента, согласно теории, образуются замкнутые петли, имеюгпие в основном гс незначительным искажением на малом участке) круговую форму. Высота ступенек этих круговых спиралей 15 А. В правой части рисунка видна единичная левовннтовая спираль и кривая пересечения ее со ступеньками, образованными спиралями слева (А.
й. Негюа.) Рве. 20.24. Нитевидный кристалл мели, деформированный до Ц5%. (5. 5. Вгеппег.) Рис. 20.25. Нитевидный кристалл никеля диамет. роы 1000 А, согнутый в петлю. (По Дейлуа.) Если скорость роста не зависит от направления на плоскости грани, картина роста может быть описана спиралью Архимеда: г=аО, (20. 13) где а — постоянная. Такая спираль имеет некоторый предельный минимальный радиус кривизны вблизи дислокации, вз. и. чипа которого определяется степенью пересыщения. Если радиус кривизны слишком мал, атомы на этом участке кривой испаряются до тех пор, пока не установится равновесная кривизна. По мере удаления от центра каждая часть ступеньки приобретает новые атомы с постоянной скоростью, так что ктг,ггй = сопз1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
