1. Моя освіта – реферати, конспекти, доповіді
  2. Фізика
  3. Дефекти кристалічної решітки

Дефекти кристалічної решітки

Один філософ сказав, що творчість – це здатність побачити в житті те, чого ще в ньому немає, але що може бути, якщо прикладеш зусилля. Г.Тейлор потрібні зусилля доклав. Він припустив, що дефекти кристалічної решітки полегшують ковзання однієї частини кристала щодо іншої.

Їх ніхто не бачив? Це, звичайно, свідчить не на користь виготовленого припущення, але і не означає, що їх немає взагалі. Просто їх не навчилися виявляти наявні в розпорядженні дослідників методами, тому що це дефекти на атомному рівні. Нептун теж не був відомий астрономам, але він заявляв про собі своїм впливом на орбіту Урана і тим самим дозволив себе виявити. Спочатку – на папері, а потім вже – на небі. Так і дефекти кристалічної решітки зобов’язані існувати, бо тільки їх присутність може пояснити спостережувані на практиці явища.

Дислокації

Що саме є дефекти кристалічної решітки? Один з можливих варіантів наведено на малюнку. Уявіть собі, що одна з атомних площин коротше інших. Нехай вертикальний ряд атомів 3-3 недобудований до кінця.

Дефекти кристалічної решітки
Дефекти кристалічної решітки

Начебто між декількома однаковими сторінками книги поклали половинку сторінки. Недобудована атомна площину називається екстраплоскості. У безпосередній близькості від нижнього краю екстраплоскості виникає спотворення решітки (воно обведено кружком). Це спотворення є лінійним дефектом в тому сенсі, що його довжина (в напрямку осі X) у багато разів перевищує розміри в двох напрямках (У і Z). У напрямку X розмір спотворення дорівнює товщині кристала (тобто становить кілька міліметрів або навіть сантиметрів), в той час як в напрямках У і Z, він обмежений кількома періодами решітки (тобто близько 10 -8см). Такі лінійні дефекти називають дислокациями.

У кристалах можуть існувати й інші дефекти – точкові (мають у всіх трьох напрямках величину, близьку до міжатомній відстані), поверхневі (що мають товщину порядку декількох періодів і велику протяжність в двох інших напрямках), але нас цікавлять тільки дислокації, оскільки, як виявилося, саме вони допомогли знайти вихід з утворився тупика. У кристалі, що містить дислокації, для здійснення зсуву потрібні набагато менші зусилля, ніж в бездефектної кристалі.

Механізм зсуву при наявності дислокацій

Наявність дислокацій в корені міняє механізм зсуву. Він відбувається не одночасно по всій площині ковзання, як в ідеальній решітці, а послідовно: починається в одному або декількох ділянках і поширюється поступово уздовж площини ковзання. Для зсуву на одне міжатомна відстань немає необхідності розривати відразу всі зв’язки між атомами, що лежать в площинах А і В. Досить спочатку розірвати зв’язки між атомами 2 і 4, як це показано на рис. с, потім атоми 4 з’єднати з атомами ряду 1 (рис. а), що утворюють нижній край екстраплоскості. Розрив і возз’єднання атомів здійснюються в уже спотвореному ділянці решітки, для проходження цих процесів потрібна напруга в сотні разів менше, ніж розраховане за рівнянням Френкеля, (докладніше: Межа плинності матеріалу), то є відповідне реальним значенням межі текучості при зсуві. Під дією цього ж напруги на наступному етапі розривається зв’язок 3-5 і возз’єднується зв’язок 2-5 і т. Д. При кожному розриві старих і утворення нових зв’язків відбувається зміщення дислокації на одне міжатомна відстань. У нашому випадку зрушення можна розглядати як рух дислокації зліва направо. Коли дислокація дійде до правого краю решітки, відбудеться зсув верхньої частини щодо нижньої на одне міжатомна відстань. Якщо в матеріалі багато дислокацій, вихід кожної з них на його поверхню буде приводити до додаткового зсуву на величину періоду кристалічної решітки. Таким чином рух дислокацій по площині ковзання буде викликати пластичну деформацію. Зазвичай рух дислокацій порівнюють з рухом складки на килимі. Великий килим дуже важко цілком тягнути по підлозі, але якщо на ньому робити складки і пересувати їх по черзі від одного кінця до іншого, то буде відбуватися переміщення килима в цілому, і для такого пересування знадобляться зовсім невеликі зусилля. Складка – це дефект на килимі, дислокації – дефекти в кристалах. Дислокації були передбачені теоретиком, щоб звести кінці з кінцями, усунути виявлене протиріччя і узгодити теорію з практикою. І спочатку мало хто вірив, що вони існують насправді. Але дислокації дозволяли пояснити дуже багато в поведінці кристалічних матеріалів. Завдяки їм вдалося зрозуміти такі процеси, як зміцнення металів при різних видах обробки, закономірності зміни фізичних, хімічних та інших властивостей.

Дислокаційний механізм пластичної деформації

Копіткі і тривалі пошуки увінчалися успіхом. В кінці 40-х років з удосконаленням електронних мікроскопів вдалося побачити дислокації на власні очі, спостерігати їх рух. Ці спостереження повністю підтвердили гіпотезу теоретиків про дислокаційний механізмі пластичної деформації. Так кінчиком пера вдалося відкрити таємничу завісу, приховувала особливості будови металів і механізм їх деформації. Зробити це було не простіше, ніж виявити планету. Зараз можна з упевненістю стверджувати, що пластична деформація є результат руху дислокацій. Отже, якщо дислокацій немає, кристал буде мати опір деформації, близьке до теоретичного, передбаченого Я. І. Френкелем. Коли вони з’являються, міцність падає, причому чим більше дислокацій, тим легше деформується матеріал. Але до певної межі. Якщо дислокацій стає дуже багато, вони починають переплітатися, утворювати клубки і заважати один одному переміщатися. А це означає, що деформування ускладнюється, межа плинності підвищується. Якщо зобразити графічно залежність межі текучості або міцності від загальної довжини дислокацій, що містяться в 1 см матеріалу, то вона буде мати вигляд кривої з мінімумом. Отже, існує два способи зміцнення металів. Перший – створення матеріалів, що містять дуже малу кількість дислокацій або не сприймають їх взагалі (гілка кривої лівіше мінімуму). Другий – отримання матеріалів з дуже великою кількістю дислокацій (права гілка кривої).

Зміцнення матеріалу

Виходячи з графічної залежності, навіть при дуже великій кількості дислокацій не вдається наблизитися до теоретичної міцності. І тим не менше саме цей шлях поки використовується в якості основного. Тому що створення бездислокаційних матеріалів – завдання хоча і здійсненна, але дуже трудомістка. Такі матеріали поки дуже дорогі, їх можна отримувати тільки у вигляді найтонших волокон, використання яких в реальних конструкціях представляє дуже складну проблему. А от створити матеріал з великою щільністю дислокацій не важко. Для цього досить піддати його пластичної деформації. При цьому дислокації інтенсивно розмножуються лавінобразно зростає і може доходити до 1014 см / см3 (це число позначає, що сумарна довжина всіх дислокації, що містяться в 1 см3 матеріалу, становить в середньому 1014 см). При такій кількості дислокацій не може бути й мови про якесь незалежне русі кожної з них. Будь дислокації доводиться пробиратися через ліс інших дислокацій, і такий рух, природно, дуже утруднено. Тому і міцність таких матеріалів висока. Збільшення дефектів в кристалічній решітці, збільшує міцність матеріалу.

ПОДІЛИТИСЯ: