происходит разрыв материала,
F=2?S/?l.
Зная силу F, можно определить предел прочности, т.е. то напряжения, при
котором происходит разрыв:
? = F/S; ? =2?S/?lS; ? = 2?/?l.
Чтобы показать, как найти модуль Юнга, характеризующий упругие свойства
материала, надо предположить, что до самого разрыва образца деформация
остаётся упругой, т.е. справедлив закон Гука: ? =E?.
Следовательно, при абсолютном удлинении ??, найдём относительную
деформацию ? = ??/?.
Следовательно модуль Юнга равен Е= ?/?.
Мы видим, что только часть механических свойств можно более или менее
точно объяснить, исходя из модели идеального газа. Поэтому была выдвинута
гипотеза о том, что причина расхождения теоретических расчётов и
экспериментальных результатов заключается в несовершенстве кристаллической
решётки. Эта гипотеза нашла своё блестящее подтверждение в последующих
экспериментальных исследованиях.
Таким образом, некоторые механические свойства материалов не связаны со
структурными несовершенствами. Эти свойства называют структурно –
нечувствительными свойствами. Те же механические свойства, которые тесно
связаны со структурными несовершенствами кристаллов или с дефектами
кристаллов, называют структурно - чувствительными свойствами.
4.3.Точечные дефекты и их образования
Точечные дефекты - это нарушение кристаллической решётки в
изолированных друг от друга точках. К точечным дефектам относятся вакансии,
т.е. такие узлы решётки, в которых нет атомов (дырки) (рис48а). Точечными
дефектами могут быть атомы внедрения, т.е. лишние атомы, поместившиеся в
промежутках между атомами, расположенными в узлах кристаллической решётки
(рис 48б). Это могут быть и примеси (инородные атомы), занимающие места в
решётке (рис48в). Размеры точечных дефектов примерно равны диаметру атома.
Образования дефектов: в результат теплового движения атомов и их
взаимодействия возможны отклонения энергии отдельных атомов от среднего
значения, при котором атом удерживается в узле кристаллической решётки.
При этом большие отклонения от средней величины менее вероятны, чем малые
отклонения. Однако большие отклонения, превышающие среднее значение энергии
на несколько порядков всё-таки возможны.
Дефекты могут появиться также в процессе роста кристалла.
Образование точечных дефектов возможно в процессе роста кристалла и из-
за флуктуации энергии.
Экспериментально подтверждает наличие точечных дефектов в кристаллах
явление диффузии в твёрдых телах.
На самом деле, в кристалле без дефектов никакой диффузии не должно
было бы быть. Если атомы колеблются около узлов кристаллической решётки и
не «покидают» эти положения, то не может быть проникновения атомов одного
кристалла в другой.
Между тем установлено, что диффузия в твёрдых телах происходит, хотя
и в меньших масштабах, чем в газах и жидкостях. Особенно интересно, что
интенсивность этого процесса растёт с увеличением температуры.
Согласно этой теории диффузия в кристаллах происходит за счёт движения
атомов внедрения, движения вакансии или какого-либо обмена местами между
атомами. Для того чтобы атомы внедрения «перебрались» в другие промежутки
между узлами, а вакансии - в другие узлы, необходимо, чтобы атомы,
составляющие непосредственное окружение точечного дефекта, «расступились».
При повышении температуры атомы «расступаются» чаще и дефекты перемещаются
по кристаллу быстрее, а следовательно, и процесс диффузии происходит
быстрее. Кроме того, с ростом температуры увеличивается и число точечных
дефектов. Однако определяющим фактором в увеличении интенсивности диффузии
при увеличении температуры является не рост числа дефекта, а их
продвижение.
4.4 Дислокации
Дислокации - это перемещения. Различают два вида дислокаций:
краевую и винтовую. Краевая дислокация (рис24).
[pic][pic]
рис. 24
рис. 25
Искажение кристаллической структуры вызвано тем, что, и части объёмного
кристалла в процессе его роста возникла лишняя атомная «полуплоскость».
Искажения сосредоточено в основном вблизи нижнего края «полуплоскости»
«лишних» атомов. Под дислокацией в подобных случаях понимают линию,
проходящую вдоль края лишней атомной «полуплоскости».
Искажение сосредоточено вблизи дислокационной линии. На расстоянии же
нескольких атомных диаметров в сторону искажения настолько малы, что в этих
местах кристалл имеет почти совершенную форму. Искажения возле края «лишней
полуплоскости» вызваны тем, что ближайшие атомы как бы «пытаются»
согласовать своё расположение с резким обрывом «лишней полуплоскости».
Любая царапина на поверхности кристалла может стать причиной
краевой дислокации. Действительно, царапину на поверхности кристалла можно
рассматривать как нехватку одной атомной плоскости. В результате теплового
движения атомы из соседних областей могут перейти на поверхность, а
дислокация тем самым переместится во внутрь.
Винтовая дислокация (рис 25).
Образования винтовой дислокации можно представить таким образом. Мысленно
надрежем кристалл по плоскости и сдвинем одну его часть относительно другой
по этой плоскости на один период решётки параллельно краю надреза. При этом
линия искажения пойдёт вдоль края разреза. Эту линию и называют винтовой
дислокацией. При винтовой дислокации лишнего ряда атомов нет. Искажение
пространственной решётки кристалла состоит в том, сто атомные ряды
изгибаются и меняют своих соседей.
Установлено, что винтовые дислокации чаще всего образуются во время роста
кристалла. Однако приложение напряжений может увеличить число винтовых
дислокаций.
Дислокации, как и точечные дефекты, могут перемещаться по
кристаллической решётке. Однако движение дислокаций связано с большими
ограничениями, так как дислокация всегда должна быть непрерывной линией.
Возможны два основных вида движений дислокаций: переползание и скольжение.
Переползание дислокаций происходит благодаря добавлению или удалению атомов
из лишней полуплоскости, что бывает вследствие диффузии. При скольжении
дислокации, лишняя полуплоскость, занимавшая определённое положение в
кристаллической решётке соединяется с атомной плоскостью, находящейся под
плоскостью скольжения, а соседняя атомная плоскость становится теперь
лишней полуплоскостью. Такое плавное скольжения линии дислокации вызывается
действием напряжений сдвига, приложенных к поверхности кристалла.
Наблюдения показывают, что перемещение дислокаций в реальном кристалле в
одних случаях может быть облегчённо, в других – затруднённо, в зависимости
от характера тех искажений, которые вносит дислокация в кристаллическую
решётку.
4.5. Экспериментальные методы изучения дефектов кристаллов
В настоящее время с помощью ионного проектора и электронного
микроскопа получают фотографии структуры кристаллов с имеющимися в них
дефектами. Для изучения дефектов кристаллов используют также метод
протравливания. На поверхность кристалла наносят химические травители,
которые наиболее активно взаимодействуют с теми областями кристалла, в
которых сосредоточены наибольшие искажения, вызванные дислокациями.
В результате травления на поверхности кристалла появляются ямки,
свидетельствующие о наличии дислокации в этом месте. Ямки рассматривают в
обычный оптический микроскоп. Этот метод используют для определения
плотности дислокаций. На рисунке 26 представлена схема фотографии травления
чисто отполированной поверхности германия.
[pic]
рис. 26
Интересен также метод моделирования процессов, связанных с взаимодействиями
дислокаций. Для этого используют пузырьковую модель кристалла. Такую модель
получают выдуванием через мыльный раствор воздушных пузырьков диаметром от
1 до 2 мм. При определённых способах приготовления раствора и выдувания
пузырьков можно получить модель совершенной кристаллической структуры
(рис27). Производя в этой модели некоторые возмущения, моделируют дефекты и
процессы, связанные с ними (рис28).
[pic]
рис.27 рис. 28
4.6. Влияние дислокации и других дефектов на механические свойства
материалов и на процесс деформирования
Изучение дефектов кристаллов имеет важное практическое значение, так
как механические свойства твёрдых тел, их пластичность, сопротивление
деформированию связаны с дислокациями и другими дефектами в кристаллах.
Экспериментальное изучение механических свойств материалов показывает, что
чистые металлы в большинстве являются мягкими и пластичными. Пластичность
кристаллов, их относительно малая прочность определяется возникновением
дислокаций в процессе роста кристалла. При группировке точечных дефектов
образуются микротрещины. Хрупкое разрушение происходит в том случае, если
пластическое течение затруднено в виду затруднения дислокаций
микротрещинами и другими дефектами, присутствующими в исходном состоянии и
возникающими в процессе деформации.
В практике обращает на себя внимания и такой вид разрушений, как
усталостное. Усталость-это вид разрушения материала, происходящих в течение
продолжительного времени под действием периодически изменяющихся нагрузок
при таких напряжениях, которые не приводят к разрушению при статических
нагрузках.
В настоящее время хорошо известны основные особенности усталости и
меры, которые должны быть приняты для предотвращения её появления. Острые
надрезы и переходы на поверхности, отверстия под заклёпки, царапины,
коррозия приводят к заметному снижению усталостной прочности машин.
Хорошее качество поверхности и защита от коррозии способствует увеличению
сопротивления усталости. Однако, несмотря на наличие таких эффективных
средств исследования, как электронная микроскопия, многое в механизме
усталости остаётся неясным. Усталость является особенно серьёзной проблемой
для металлов и сплавов, так как эти материалы широко используются в машинах
и конструкциях, подвергающихся действию периодически меняющихся нагрузок.
Итак, на прочность кристаллических материалов влияют дислокации, их
движение и взаимодействие, а также другие дефекты, встречающиеся в
кристаллах.
4.7. Повышение прочности материалов
Дислокации и их движение оказывают большое влияние на прочность
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
