Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х ч. Ч. 1 - Вест А.
ISBN 5-03-000056-9
Скачать (прямая ссылка):
Экспериментально показано, что если базовая плоскость магния ориентирована к оси стержня иначе, чем под углом 45°, то для пластического течения требуется большая нагрузка, так как действующим является сдвиговое усилие, параллельное базовой плоскости. Поясним это более детально. При растягивающей силе Т7 (рис. 9.23, г) удельная нагрузка 5А, приложенная к плоскости скольжения, определяется соотношением
8А=Р/Апс=Р (со* 0/Лст)
(9.15)
428
9. Дефекты в кристаллах и нестехиометрия
где Лет —площадь поперечного сечения стержня, Лпс —площадь плоскости скольжения, а 0 — угол между Лет и Лпс. Нагрузка на плоскость скольжения содержит компоненту 5в, параллельную направлению скольжения в плоскости скольжения, которая определяется выражением
где ф— угол между направлением скольжения и осью нагрузки, а 5в — результирующее напряжение сдвига. Величина 5в, необходимая для того, чтобы началось пластическое течение, называется критическим результирующим напряжением сдвига. Поскольку углы 0 и ф взаимозависимы, то 5в достигает максимального значения при 0 = 0 = 45°, т. е.
тде 5 — напряжение, приложенное к кристаллу. Из уравнения »(9.16) следует, что если плоскости скольжения перпендикулярны или параллельны направлению приложенной нагрузки, то результирующее сдвиговое напряжение равно нулю, и скольжение, таким образом, происходить не может.
Способность ГЦК-металлов выдерживать большие пластические деформации, чем ГПУ- и в особенности ОЦК-металлы, вполне объяснима. В ГЦК-металлах имеются четыре плоскости и шесть направлений плотнейшей упаковки, в которых может происходить скольжение. Поэтому при любом направлении приложенной нагрузки всегда находятся как минимум одна плоскость и одно направление (а обычно больше, чем 1 плоскость и 1 направление), которые удачно ориентированы относительно нагрузки и обеспечивают скольжение. В ГПУ-металлах, напротив, скольжение может легко проходить лишь в некотором диапазоне ориентации внешней нагрузки относительно кристалла. Различие двух групп металлов ярко проявляется при сравнении механических свойств не только монокристаллов, но и поликристаллических образцов. Из-за того что в любом поликристаллическом образце ГПУ-металлов практически наверняка имеются зерна, плоскости скольжения которых перпендикулярны или параллельны направлению нагрузки, пластическая деформация образца в целом оказывается сильно ограниченной. Напротив, ГЦК-металлы проявляют ковкость и пластичность как в виде монокристаллов, так и в поликристаллическом состоянии.
Критическое напряжение сдвига в них обычно невелико: так, для меди оно составляет 63,1, серебра 37,0, золота 90,5, алюминия 101,5 Н/см2. Соответствующие значения для ГПУ-металлов позволяют разделить их на две группы. Первую образуют металлы с критическими приведенными напряжениями, близкими к тем, которыми обладают ГЦК-металлы: 2п 17,8, Со" 56,2 и
5В = 5А СОБ ф — (/7ЛСТ) СОБ 0 СОБ ф
(9.16)
ЗБ—^МстН1^ Для 0-0- 45°
(9.17)
Дислокации, механические свойства твердых тел
429
43,2 Н/см2. Другая группа характеризуется гораздо более высокими значениями, например Ве 3910, И 10 976 Н/см2 (скольжение в титане возможно также в другой плотноупакованной плоскости, не являющейся базовой; в этом случае критическое приведенное напряжение сдвига составляет 4871 Н/см2). Причина столь высокого критического напряжения сдвига в Ве, Тл, а также 2т заключается, по-видимому, в некотором сжатии элементарных ячеек этих металлов вдоль оси с (перпендикулярно базовой плоскости). Идеальная гексагональная элементарная ячейка характеризуется отношением параметров с/а, равным 1,632, а для 2п, Сб. и эти величины составляют 1,856; 1,836 и 1,624, что больше идеального значения или близко к нему. Для Ве, Т1 и 2т значения с/а, напротив, заметно меньше идеального (1,586; 1,588; 1,590), что отражает факт уменьшения расстояния между соседними слоями, лежащими в базовой плоскости. В результате скольжение вдоль базовой плоскости сильно затрудняется.
Для О ЦК-металлов критическое приведенное напряжение сдвига также велико (в частности, для а-Ре оно составляет — 2744 Н/см2), так как в их структуре, хотя она и обладает четырьмя направлениями с плотнейшей упаковкой, полностью отсутствуют плотноупакованиые плоскости.
9.8,3. Дислокации, вакансии и дефекты упаковки
Часто принято считать, что дислокации и точечные дефекты, хотя они и представляют собой два типа несовершенств одного и того же кристалла, все же должны изучаться разными направлениями науки о твердом теле. При этом вакансии, межузель-ные атомы и дефекты упаковки считают «химическими» дефектами, свойственными данной структуре, и отводят им важную роль в химических реакциях и массопереносе. Дислокации же рассматривают скорее как «физические» дефекты и считают их ответственными в основном за механические свойства материалов. Однако на современном уровне понимания поведения дефектов стало вполне ясно, что в реальных процессах дислокации и точечные дефекты тесно связаны. Вакансии, например, играют свою роль при движении дислокаций путем переползания (рис. 9.24). Атомы, находящиеся на конце добавочной полуплоскости, составляющей дислокацию, могут передвигаться, если с ними соседствуют вакансии. В результате такого перемещения атомов дислокация становится короче или, как говорят, начинает «ползти» из кристалла. Тесная связь существует также между дислокациями и обсуждавшимися выше (разд. 9.6.2) дефектами упаковки. На рис. 9.25 показаны проекции двух слоев структуры ГЦК-металла. В верхнем слое (светлые кружки) пропущен один
