Курс общей физики. Механика и молекулярная физика - Ландау Л.Д.
Скачать (прямая ссылка):
Разумеется, предел текучести не всегда может быть достигнут, так как тело может задолго до того сломаться. Для наблюдения текучести удобно пользоваться такими деформациями, как одностороннее сжатие или кручение. Напротив, простое растяжение легко приводит к разрыву тела.
Существенную роль в разрыве играет наличие в теле мельчайших, часто микроскопических трещинок. Это могут быть трещины как на поверхности тела, так и внутри него (например, мельчайшие зазоры между зернами поликристаллического тела). Такие трещины действуют как рычаги, приводящие к сильной концентрации приложенных извне к телу сил: упругие напряжения у острой вершины трещины сравнительно легко достигают значений, достаточных для дальнейшего разрыва атомных связей и удлинения трещины, приводящего в конце концов к полному разрыву тела. Роль состояния поверхности тела для его разрыва ясно демонстрируется опытом с кристаллами каменной соли: если погрузить кристалл в воду, соль растворяется с его поверхности, причем имевшиеся на поверхности трещинки зализываются и находящаяся в воде каменная соль разрывается значительно труднее, чем кристаллы, находящиеся на воздухе.
Пластическая деформация вблизи вершин трещинок может сгладить их острия и тем самым в определенной степени снять концентрацию упругих напряжений вблизи них. В этом смысле пластичность играет положительную роль в сопротивлении тела разрыву. Роль этого-фактора проявляется в зависимости ломкости металлов от температуры. Так, сталь, с трудом разрывающаяся при обычных температурах, § 105]
дефекты в кристаллах
331
становится ломкой при низких температурах. Это явление в значительной степени связано с уменьшением пластичности при понижении температуры, о чем еще будет идти речь в § 106.
§ 105. Дефекты в кристаллах
Уже самый факт сильной зависимости пластических свойств тела от его обработки, наличия примесей и т. п. указывает на тесную связь этих свойств "с особенностями кристаллического строения реальных тел — особенностями, отличающими реальные кристаллы от идеальных.
О нарушениях идеальной кристаллической структуры говорят как о дефектах кристаллов. Наиболее простой тип дефектов (которые можно назвать точечными) состоит в отсутствии атома в узле решетки (свободная вакансия) или в замене «правильного» атома в узле чужеродным (атомом примеси), во внедрении лишнего атома в межузельное пространство и т. п. Нарушение правильности структуры решетки распространяется на небольшое (порядка величины нескольких периодов) расстояние вокруг такой точки.
Наиболее важную роль в механических свойствах твердых тел играют, однако, дефекты другого рода, которые можно назвать линейными, поскольку нарушение правильности структуры кристаллической решетки сосредоточено вблизи некоторых линий. Эти дефекты называют дислокациями.
Изображенную на рис. 7 дислокацию можно представить себе как дефект решетки, вызванный наличием в ней одной лишней кристаллической полуплоскости, вдвинутой между двумя «правильными» плоскостями (слоями атомов). Линией дислокации (которую в данном случае называют краевой) является перпендикулярная плоскости рисунка прямая линия, отмеченная на рисунке значком _]_; «лишний» слой атомов расположен над этим значком. Эту дислокацию можно представить и как результат сдвига верхней части кристалла (изображенного схематически на рис. 8, а) на величину одного периода (рис. 8, б).
Другой тип дислокации можно наглядно представить как результат «разреза» решетки по полуплоскости, после чего части решетки по обе стороны разреза сдвигаются навстречу друг другу на один период параллельно краю 332
твердые тела
[гл. xiii
разреза (который называется в этом случае винтовой дислокацией — пунктирная линия на рис. 9). Наличие такой дислокации превращает кристаллические плоскости в решетке в геликоидальную поверхность (подобную винтовой лестнице без ступенек).
Рис. 7.
В краевой дислокации направление сдвига перпендикулярно, а в винтовой — параллельно линии дислокации. Между этими двумя предельными случаями возможны любые промежуточные. Линии дислокаций не обязательно прямые: они могут быть и кривыми, в том числе образовывать замкнутые петли.
Существуют различные способы непосредственного наблюдения дислокаций. Так, в прозрачных кристаллах это удается сделать путем образования пересыщенных твердых растворов определенных веществ. Атомы примеси стремят- § 105]
дефекты в кристаллах
333
ся выпасть в виде коллоидальных частиц, причем рост этих частиц происходит преимущественно в местах нарушений
Рис. 8.
структуры основной решетки и, таким образом, коллоидальные частицы примеси концентрируются вдоль линий дислокаций, делая их визуально наблюдаемыми. Другой способ основан на травлении поверхности кристалла специальными реагентами. Поверхность разрушается легче в местах нарушенной структуры кристалла. Это приводит к образованию видимых ямок в точках, где линии дислокаций выходят к поверхности кристалла.
Винтовые дислокации часто играют определяющую роль в процессе роста кристаллов из жидкости или пересыщенного пара.
