Основы физики твердого тела. - Зиненко В.И.
Скачать (прямая ссылка):
многих металлов обладают сходными механическими свойствами: они обладают
высокой пластичностью, имеют сравнительно низкий предел текучести
(значение механического напряжения, при котором в твердом теле возникают
необратимые пластические деформации. Физической характеристикой материала
не является). Упрочнение металлов и сплавов (повышение сопротивления
пластической деформации) достигают, затрудняя движение дислокаций и
препятствуя их размножению. Рассмотрим некоторые способы упрочнения.
Механическое торможение дислокаций производится путем введения в чистое
вещество примесей или атомов, образующих с основными атомами решетки
твердый раствор. Чужеродные атомы, представляя собой механическое
препятствие на пути движения дислокаций, как бы "зашпиливают" их. При
растворении в железе легирующей добавки - углерода - происходит
образование новой фазы - карбида железа, частицы которого также
закрепляют дислокации, благодаря чему сплавы железа с углеродом (стали)
много прочнее чистого железа. Тем самым возникает парадоксальный
результат - для повышения механических свойств следует химически
загрязнить материал!
Другой, не менее парадоксальный, результат упрочнения кристаллических
материалов достигается путем их пластической де-
14.2. Линейные дефекты кристаллической структуры 329
формации. Различные виды термомеханической обработки (прокат, волочение,
ковка и др.), вызывая пластические деформации и, тем самым, нарушение
строения кристаллической решетки, приводят к образованию предельного
числа дислокаций. В результате движение данной дислокации в плоскости
скольжения затруднено или вовсе отсутствует вследствие наличия других
дислокаций, пронизывающих плоскость скольжения. Такой способ называют
деформационным упрочнением или наклепом.
Рассмотренные механизмы упрочнения становятся неэффективными при высоких
температурах. В этой области будут быстро протекать процессы диффузии,
которые, "залечивая" несовершенства решетки, способствуют уменьшению
концентрации дислокаций. Естественно, что увеличить их число можно
механической деформацией. Иллюстрацией этого обстоятельства является
эффектный опыт: отожженная медная полоска становится очень пластичной и
мягкой, однако, если резко закрутить ее, например, вокруг запястья, то
такой "браслет" уже не удастся легко снять!
В 1964г. Вагнер и Эллис открыли новый механизм роста: кристалла в системе
пар-жидкость-кристалл (ПЖК). Особенности этого метода, по которому растут
многие кристаллы металлов и полупроводников (Ge, GaAs, SiC, ZnS, Cu, Sn,
В н др.), приводят к получению нитевидных (диаметр - 0,1-2 мкм, длина -
2-10мм) кристаллов - "усов", имеющих совершенную кристаллическую
бездислокационную структуру.
Склонность материала к пластическим деформациям тесно связана с природой
преимущественного типа химической связи. В кристаллах с металлической
связью одни части решетки могут смещаться друг относительно друга на
значительные расстояния, при этом валентные электроны, принадлежащие
одновременно всему кристаллу, обеспечивают высокую пластичность
кристалла. Такие материалы допускают значительные пластические деформации
без разрушения (до 15%) и имеют достаточно низкий предел упругости.
В известной мере, противоположными механическими свойствами обладают
материалы с преимущественно ковалентной связью. Действительно, такая
химическая связь пространственно ориентированна и сильно ослабляется уже
при малых смещениях атомов относительно друг друга. При сдвиговой
деформации после разрыва химической связи такого типа атом "не успевает"
образовать новую связь с соседним атомом, в результате чего происходит
процесс хрупкого разрушения (наступающего после незначительной
пластической деформации или без нее). Поэтому материалы с ковалентной
химической связью (алмаз, Si, Ge, Sb, As, Se, ...) разрушаются сразу при
достижении или незначительном превышении предела упругости. Отметим, что
такие материалы имеют самые высокие значения предела упругости и
твердости. Отме-
330
Гл. 14. Твердые тела с неидеальной структурой
тим, что сплав железа с углеродом при избыточных концентрациях углерода -
белый чугун - приобретает несвойственные чистому железу твердость и
хрупкость, главным образом, благодаря наличию значительного количества
второй фазы - карбида железа, имеющего ковалентные тетраэдрические связи.
Материалы с преимущественно ионной связью с точки зрения механических
свойств занимают промежуточное положение между металлами и ковалентными
кристаллами. Ионная связь не имеет столь выраженной направленности, как
ковалентная, но и не столь "подвижна", как металлическая. В результате
пластические деформации таких ионных кристаллов, как NaCl, LiF, MgO,
могут достигать значений 14, 8, 4% соответственно (при комнатных
температурах), а чистый кристалл AgCl можно раскатать в пластинку.
Разумеется, что сказанное выше имеет смысл при нормальных температурах.
При высоких температурах практически все вещества пластичны, при низких -
