Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х ч. Ч. 1 - Вест А.
ISBN 5-03-000056-9
Скачать (прямая ссылка):
Пример сдвига при движении дислокаций в направлении, не имеющем плотнейшей упаковки, показан на рис. 9.21, в и г. Расстояние Г—2' в этом примере больше, чем на рис. 9.21, а и б.
9.8. Дислокации, механические свойства твердых тел
425
Из простых геометрических соображений следует, что Ъ" — й~У2, и тогда Еъ—2а*2. Следовательно, для движения в направлении с плотнейшей упаковкой требуется только половина энергии, необходимой для движения в направлении с неплотной упаковкой такого типа, который изображен на рис. 9.21, е.
Выше было показано, что направления преимущественнога движения дислокаций параллельны направлениям с плотнейшей
1Ь"1 - Ш ; ЕЬ-С(,2Ь2
Еь» я гЕь'
Рис. 9.21. Векторы Бюргерса в кристаллографических направлениях с плотной (а и б) и неплотной (в и г) упаковками.
упаковкой. Можно показать также, что предпочтительные плоскости сдвига или скольжения являются, как правило, плотио-упакованными плоскостями. Это происходит потому, что расстояния йи разделяющие плоскости плотнейшей упаковки, больше, чем расстояния й2 между плоскостями с неплотной упаковкой (рис. 9.22). При сдвиге атомы, лежащие по разные стороны от плоскости скольжения, двигаются в противоположных направлениях. Возникающие в переходном состоянии искажения плотноупакованной структуры гораздо меньше, чем в случае структуры с неплотной упаковкой (9.22,6). Энергетический барьер, который вынужден преодолевать движущийся атом (например, как это показано стрелкой), перемещаясь из одной позиции в эквивалентную соседнюю, в случае .9.22, б намного больше.
Металлы с гранецентрированной кубической структурой (ГЦК) -—Си, А%, Аи, Рт,, РЬ, N1, А1 и др., как правило, более ковки и пластичны, чем металлы с гексагональной плотнейшей упаковкой (ГПУ) — И, 1т, Ве или с объемноцентрированиой кубической (ОЦК) — V, Мо, Сг, Ре. Из этого правила, впрочем*
426
9. Дефекты в кристаллах и нестехиометрия
имеются некоторые исключения, например М.ц (ГПУ) и ИЬ (ОЦК) являются пластичными и ковкими. Эти качества определяются многими факторами, в том числе количеством плоскостей и направлений с плотной упаковкой, которыми обладает данная структура. В ГЦК-металлах имеются четыре группы плотноупакованных плоскостей, что можно показать, последовательно удаляя одну за другой каждую из четырех вершин, рас-
Рис. 9.22. Механизм скольжения. По плоскостям с плотной упаковкой (а) скольжение облегчено по сравнению с другим случаем (б).
положенных на верхней грани кубической элементарной ячейки (рис. 7.1). В каждом плотноупакованном слое в свою очередь имеются три направления с плотной упаковкой: х—хг, у—у\ г—г' (рис. 7.1). Эти направления совпадают с диагоналями граней куба с индексами [ПО]; всего, таким образом, имеется шесть различных направлений с плотнейшей упаковкой.
В структуре с ГПУ имеется только одна группа слоев с плотнейшей упаковкой, которые параллельны базовой плоскости элементарной ячейки, показанной на рис. 7.5. Имеется также только три направления с плотнейшей упаковкой; все они лежат в базовой плоскости. Используя лишь рисунок, довольно трудно показать, что ГПУ обладает лишь одной группой плотноупакованных слоев (читатель должен либо принять это на веру, либо изготовить трехмерную модель, чтобы проверить этот вывод).
ОЦК-структура вообще не содержит слоев с плотной упаковкой. Координационное число атомов в этой структуре равно 8, тогда как в структурах с плотной упаковкой оно равно 12. Число направлений с плотной упаковкой в ОЦК-структуре равно четырем; эти направления соответствуют четырем объемным диагоналям куба, т. е. <111>.
9.8. Дислокации, механические свойства твердых тел
427
Поведение металлов под нагрузкой очень сильно зависит от ориентации нагрузки по отношению к плоскостям и направлениям скольжения. На рис. 9.23 показано поведение при растягивающей осевой нагрузке монокристаллического стержня из магния, приготовленного с такой ориентацией, что базовые плоскости гексагональной элементарной ячейки составляют угол 45е" с продольной осью стержня. При нагрузках, не превышающих предел текучести ( — 70 Н/см2), кристалл испытывает упругие' деформации, т. е. не подвергается непрерывному удлинению.
Рис. 9.23. а — кривая напряжение — деформация для монокристалла магния; б и в — скольжение и удлинение, происходящие под растягивающей нагрузкой; г — схема, поясняющая определение сдвигового напряжения.
Выше этой величины начинается пластическое течение, при котором наступает необратимое удлинение кристалла.
Металлический магний замечателен тем, что его можно вытянуть в несколько раз по сравнению с первоначальной длиной; схематически механизм такого удлинения показан на рис. 9.23,6.. Относительному смещению подвергаются при этом массивные области, и возникающие следы скольжения настолько велики,, что легко различимы в оптическом микроскопе. Для подобного наблюдения следов скольжения их минимальный размер должен быть равен ~2 мкм. Отдельная же дислокация, пройдя через кристалл, оставляет свой след скольжения, имеющий в высоту (или ширину) ~2 А. Следовательно, для суммарного перемещения в 2 мкм вдоль одной плоскости скольжения должны пройти по меньшей мере 10 000 дислокаций.
