Кристаллы в природе
Дислокации - это перемещения. Различают два вида дислокаций:
краевую и винтовую. Краевая дислокация (рис24).
[pic][pic]
рис. 24
рис. 25
Искажение кристаллической структуры вызвано тем, что, и части объёмного
кристалла в процессе его роста возникла лишняя атомная «полуплоскость».
Искажения сосредоточено в основном вблизи нижнего края «полуплоскости»
«лишних» атомов. Под дислокацией в подобных случаях понимают линию,
проходящую вдоль края лишней атомной «полуплоскости».
Искажение сосредоточено вблизи дислокационной линии. На расстоянии же
нескольких атомных диаметров в сторону искажения настолько малы, что в этих
местах кристалл имеет почти совершенную форму. Искажения возле края «лишней
полуплоскости» вызваны тем, что ближайшие атомы как бы «пытаются»
согласовать своё расположение с резким обрывом «лишней полуплоскости».
Любая царапина на поверхности кристалла может стать причиной
краевой дислокации. Действительно, царапину на поверхности кристалла можно
рассматривать как нехватку одной атомной плоскости. В результате теплового
движения атомы из соседних областей могут перейти на поверхность, а
дислокация тем самым переместится во внутрь.
Винтовая дислокация (рис 25).
Образования винтовой дислокации можно представить таким образом. Мысленно
надрежем кристалл по плоскости и сдвинем одну его часть относительно другой
по этой плоскости на один период решётки параллельно краю надреза. При этом
линия искажения пойдёт вдоль края разреза. Эту линию и называют винтовой
дислокацией. При винтовой дислокации лишнего ряда атомов нет. Искажение
пространственной решётки кристалла состоит в том, сто атомные ряды
изгибаются и меняют своих соседей.
Установлено, что винтовые дислокации чаще всего образуются во время роста
кристалла. Однако приложение напряжений может увеличить число винтовых
дислокаций.
Дислокации, как и точечные дефекты, могут перемещаться по
кристаллической решётке. Однако движение дислокаций связано с большими
ограничениями, так как дислокация всегда должна быть непрерывной линией.
Возможны два основных вида движений дислокаций: переползание и скольжение.
Переползание дислокаций происходит благодаря добавлению или удалению атомов
из лишней полуплоскости, что бывает вследствие диффузии. При скольжении
дислокации, лишняя полуплоскость, занимавшая определённое положение в
кристаллической решётке соединяется с атомной плоскостью, находящейся под
плоскостью скольжения, а соседняя атомная плоскость становится теперь
лишней полуплоскостью. Такое плавное скольжения линии дислокации вызывается
действием напряжений сдвига, приложенных к поверхности кристалла.
Наблюдения показывают, что перемещение дислокаций в реальном кристалле в
одних случаях может быть облегчённо, в других – затруднённо, в зависимости
от характера тех искажений, которые вносит дислокация в кристаллическую
решётку.
4.5. Экспериментальные методы изучения дефектов кристаллов
В настоящее время с помощью ионного проектора и электронного
микроскопа получают фотографии структуры кристаллов с имеющимися в них
дефектами. Для изучения дефектов кристаллов используют также метод
протравливания. На поверхность кристалла наносят химические травители,
которые наиболее активно взаимодействуют с теми областями кристалла, в
которых сосредоточены наибольшие искажения, вызванные дислокациями.
В результате травления на поверхности кристалла появляются ямки,
свидетельствующие о наличии дислокации в этом месте. Ямки рассматривают в
обычный оптический микроскоп. Этот метод используют для определения
плотности дислокаций. На рисунке 26 представлена схема фотографии травления
чисто отполированной поверхности германия.
[pic]
рис. 26
Интересен также метод моделирования процессов, связанных с взаимодействиями
дислокаций. Для этого используют пузырьковую модель кристалла. Такую модель
получают выдуванием через мыльный раствор воздушных пузырьков диаметром от
1 до 2 мм. При определённых способах приготовления раствора и выдувания
пузырьков можно получить модель совершенной кристаллической структуры
(рис27). Производя в этой модели некоторые возмущения, моделируют дефекты и
процессы, связанные с ними (рис28).
[pic]
рис.27 рис. 28
4.6. Влияние дислокации и других дефектов на механические свойства
материалов и на процесс деформирования
Изучение дефектов кристаллов имеет важное практическое значение, так
как механические свойства твёрдых тел, их пластичность, сопротивление
деформированию связаны с дислокациями и другими дефектами в кристаллах.
Экспериментальное изучение механических свойств материалов показывает, что
чистые металлы в большинстве являются мягкими и пластичными. Пластичность
кристаллов, их относительно малая прочность определяется возникновением
дислокаций в процессе роста кристалла. При группировке точечных дефектов
образуются микротрещины. Хрупкое разрушение происходит в том случае, если
пластическое течение затруднено в виду затруднения дислокаций
микротрещинами и другими дефектами, присутствующими в исходном состоянии и
возникающими в процессе деформации.
В практике обращает на себя внимания и такой вид разрушений, как
усталостное. Усталость-это вид разрушения материала, происходящих в течение
продолжительного времени под действием периодически изменяющихся нагрузок
при таких напряжениях, которые не приводят к разрушению при статических
нагрузках.
В настоящее время хорошо известны основные особенности усталости и
меры, которые должны быть приняты для предотвращения её появления. Острые
надрезы и переходы на поверхности, отверстия под заклёпки, царапины,
коррозия приводят к заметному снижению усталостной прочности машин.
Хорошее качество поверхности и защита от коррозии способствует увеличению
сопротивления усталости. Однако, несмотря на наличие таких эффективных
средств исследования, как электронная микроскопия, многое в механизме
усталости остаётся неясным. Усталость является особенно серьёзной проблемой
для металлов и сплавов, так как эти материалы широко используются в машинах
и конструкциях, подвергающихся действию периодически меняющихся нагрузок.
Итак, на прочность кристаллических материалов влияют дислокации, их
движение и взаимодействие, а также другие дефекты, встречающиеся в
кристаллах.
4.7. Повышение прочности материалов
Дислокации и их движение оказывают большое влияние на прочность
материалов, снижая их сопротивление деформированию, делая их пластичнее.
Однако взаимодействие дислокаций между собой, а также с препятствиями
другой природы уменьшает подвижность дислокаций. Это приводит к уменьшению
пластичности и к повышению прочности материалов. Можно графически
представить влияние дислокации на сопротивление сдвигу (рис29).
[pic]
рис. 29
Здесь по оси абсцисс отложена плотность дислокаций, а по ординате
-сопротивление сдвигу. Минимальное сопротивление сдвигу определяется
некоторой критической плоскостью дислокации ркр, приближённо оцениваемой
107-108 см -2. из анализа этой кривой следует, что можно повышать
прочность, повышая плотность дислокаций. Этот способ повышения прочности
называют наклёпом. При наклёпе в результате взаимодействия дислокаций их
дальнейшее движение затрудняется. Наклёп проводят, накатывая заготовку
между валками. Валки оказывают на заготовку большое давление и раскатывают
её в плоские листы. В результате этого увеличивается число дислокаций, а
следовательно у этих листов повышается сопротивления пластической
деформации.
Если продолжить анализ кривой, то можно сделать вывод, что прочность
можно повысить и другим способом, уменьшая плотность дислокаций,
приготовляя образцы металлов в виде очень тонких нитей (толщина 2-10мм),
так называемых усов, удалось поднять прочность в чистой меди, например, до
7*109н/м2, против реальной величины сопротивления сдвигу 105 н/м2.
Таким образом, изучение структуры твёрдого тела и улучшение на этой
основе тех или иных механических свойств материалов в зависимости от их
практического назначения приводят к качественному изменению самих
материалов, к прочности и долговечности конструкций и машин.
Электрические и магнитные свойства твёрдых тел
V. Электрические свойства твёрдых тел
По способности проводить электрический ток все вещества в природе условно
делят на три основных класса: проводники, полупроводники и диэлектрики.
5.1. Классическая электронная теория электропроводности металлов
Если металлическую пластинку, вдоль которой течет постоянный
электрический ток, поместить в перпендикулярное к ней магнитное поле, то
между гранями, параллельными направлениям тока и поля возникает разность
потенциалов U=(1-(2. Она называется Холловской разностью потенциалов.
Основная идея этой теории состоит в том, что электроны в металле свободны
и образуют своеобразный электронный газ, подобный идеальному газу.
При столь большой концентрации электронов их взаимодействие между собой,
как и с ионами решётки металла, очень велико. Однако средняя сила,
действующая на каждый электрон со стороны всех остальных электронов и
ионов, равных нулю, и поэтому в известном пр
| |  скачать работу |
Кристаллы в природе |
