Главная

Популярная публикация

Научная публикация

Случайная публикация

Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






Влияние дефектов кристаллов на их прочность




 

Рассмотрим некоторый кристалл длиною l 0 с площадью поперечного сечения s, к которому приложена растягивающая сила F. Под влиянием этой силы кристалл удлинится на величину Δ l. На рис. 24.7 приведен ти­пичный график зависимости относи тельной деформации от приложенного напряжения .

На участке от О до точки 1 вы­полняется закон Гука σ = G ε, про­исходит упругая деформация. На участке 1—3 появляется остаточная деформация, величина которой меж­ду точками 2—3 линейно растет с увеличением напряжения σ. Точка 1 соответствует пределу упругости кристалла σ0, точка 2 — пределу те­кучести σт материала. Если приложить напряжение σ больше, чем σт, а затем его уменьшать до нуля, то деформация также будет уменьшаться, но по линии 2—5. Как видно из графика, после полного снятия нагрузки в кристалле останется оста­точная деформация ε0. В области 3—4 увеличение σ упроч­няет твердое тело вплоть до разрушения (точка 4).

Экспериментальные данные прочности на разрыв, на сдвиг реальных кристаллов (т. е. кристаллов с дефектами) оказываются на 3—4 порядка ниже прочности идеального

кристалла.

Следовательно, дефекты уменьшают прочность кристал­лов. Но, с другой стороны, практика показывает, что дефек­ты способствуют значительному повышению прочности. Так, в ряде случаев поликристаллические образцы (сталь), где множество дефектов, значительно превосходят по прочности монокристаллы (образцы, в которых во всем объеме идеаль­ная структура).

Таким образом, дефекты в вопросах прочности играют двоякую роль. С одной стороны, при относительно малой плотности дефектов уменьшение их числа повышает прочность твердого тела. При пластической деформации скольжение происходит не по всей плоскости сечения кристалла, а на дислокациях. Уже при небольших напряжениях дислокации начинают перемещаться и выходят на поверхность (если им не препятствуют другие дефекты). В результате кристалл, избавившись от дислокаций, становится более прочным.

При малой концентрации дислокаций теоретически возмо­жен случай, когда после выхода дислокаций на поверхность кристалл стал бы идеальным, обладающим огромной проч­ностью.

Поэтому один из путей получения сверхпрочных материа­лов — создание абсолютно бездефектных монокристаллов. В таком кристалле пластическая деформация могла бы осу­ществляться лишь путем одновременных соскальзываний по целым плоскостям, что потребовало бы приложения чрезвы­чайно больших напряжений, но, к сожалению, получение та­ких кристаллов крайне сложно. В настоящее время получают мелкие идеальные монокристаллы — в основном типа «усов» (длиной до нескольких сантиметров, диаметром порядка 10 -3 см).

С другой стороны, объекты с множеством дислокаций мо­гут оказаться весьма прочными. Поэтому второй путь полу­чения прочных материалов — создание композитов, где ис­пользуется этот механизм упрочнения.

Реальные монокристаллы всегда имеют дефекты, плот­ность дислокаций даже в очень совершенных кристаллах по­рядка 103 см-2. При наличии большого количества дефектов перемещение дислокаций под воздействием напряжения тор­мозится различными препятствиями (различного типа дисло­кации), в результате взаимодействия дислокаций порожда­ются новые дислокации. Все это приводит к понижению прочности кристалла.

Дальнейшее повышение концентраций дефектов приводит к сильному затруднению движения дислокаций. Пластиче­ская деформация приводит к деформациям кристаллической решетки, появлению новых дефектов, тем самым затрудня­ется дальнейшее перемещение дислокаций и это является упрочняющим фактором.

Поэтому сегодня основной путь получения сверхпрочных материалов — создание кристаллов с оптимальной плотно­стью дислокаций и других дефектов.

Упрочнение достигается различной технологией: наклепом (прокаткой, волочением, растяжением), в результате кото­рого деформации переплетаются друг с другом; легированием (введением небольшой концентрации примесей); облучением (например, элементарными частицами: электронами, π-мезонами, нейтронами), приводящим к точечным дислокациям.

Наибольшее упрочнение металла получается при плотно­сти дислокаций порядка 1012—1013 см-2. Дальнейшее повы­шение их плотности приводит к потере устойчивости кристал­лической решетки (из-за большого количества энергии, свя­занной с созданием новых дислокаций) и, как следствие, к резкому уменьшению прочности объекта. Кроме того, при большой концентрации дефектов дислокации, движущиеся под влиянием механических напряжений, могут накапли­ваться на границах зерен. Эти увеличивающиеся погранич­ные плотности дислокаций приводят к концентрации пограничных напряжений, что способствует образованию микро­трещин. И, наконец, причины снижения прочности при высо­кой концентрации дислокаций — взаимодействие дислокаций с примесными атомами, процессы диффузии и самодиффузии. В результате происходит концентрация как дислокаций, так и примесей чужеродных атомов в узкой приграничной обла­сти кристалла, что снижает его прочность.

Умение закономерно распределять различные дефекты в процессе роста кристалла и при последующей его обработке позволяет получать материалы с весьма различными, важ­ными для практики свойствами (прочностными, магнитными, электропроводящими, диэлектрическими и т. д.). Именно это умение составляет основу современных технологий конструк­ционных материалов, в том числе и для транспорта.

 

4. Поверхностные свойства кристаллов

 

Под поверхностью кристалла понимают фазовую границу между конденсированной фазой (жидкостью, твердым телом) и неконденсированной (газ) или вакуумом.

Соответственно понимают под границей раздела конден­сированных фаз фазовую границу между двумя конденсиро­ванными фазами: твердое тело — жидкость, твердое тело — твердое тело, жидкость — жидкость. Поверхность кристалла представляет собой обрыв периодического расположения эле­ментов решетки твердого тела, т. е. дефект структуры, име­ющий два измерения (двумерный дефект).

Связи любой частицы внутри кристалла насыщены свя­зями с соседями; для атомов, находящихся на поверхности кристалла, так же как и в случае атомов на поверхности жидкости, это насыщение не является всесторонним, поэтому энергия взаимодействия частиц в непосредственной близости поверхности иная, нежели частиц внутри кристалла.

Частицы на поверхности характеризуются большей потен­циальной энергией, чем частицы внутри кристалла. Избыточ­ная потенциальная энергия частиц поверхностного слоя называется поверхностной энергией. Поверхностная энергия, отнесенная к единице площади поверхности кристалла, назы­вается удельной свободной энергией. Ее величина для раз­личных кристаллов лежит в интервале 0,1∙1019...6∙1019 эВ/м2.

Измерение удельной поверхностной энергии связано с большими трудностями, так как результаты опытов зависят от внешних условий и влияния реальной структуры кристал­лов (точечных дефектов, дислокаций и т. п.). Поэтому раз­личные методы измерений дают значения, отличающиеся в несколько раз.

Состояние поверхности кристалла оказывает существен­ное влияние на его прочность. При воздействии на кристалл напряжение в окрестностях микроскопических поверхностных и объемных трещин распределяется неравномерно. Напряже­ние больше в основном вблизи краев трещин, что приводит к их росту и разрушению кристалла. Как показывает опыт, ликвидация поверхностных трещин приводит к резкому воз­растанию прочности кристалла.

Так, если кристалл NaCl поместить в воду, то в резуль­тате его растворения ликвидируются поверхностные дефекты, и прочность возрастает в 300 раз, приближаясь к теоретиче­ски расчетной для идеального кристалла (эффект Иоффе).

Благодаря избыточной поверхностной энергии поверхност­ный слой имеет повышенную физико-химическую активность, в результате чего возможны: образование поверхностно-ак­тивных химических соединений (окисление поверхностей) и формирование тонкой пленки окислов; возникновение связи между поверхностями двух различных тел, приведенными в соприкосновение. Последнее явление называется адгезией.

При адгезии связь тел может быть достаточно прочной, в ча­стности, адгезию используют для холодной сварки металлов; она реализуется в поверхностном трении, при склепывании и т. д. В результате адсорбции на поверхности твердого тела удерживаются молекулы газа или жидкости. Наличие адсорб­ционной пленки на поверхности кристалла влияет на физи­ческие и химические свойства твердого тела. Адсорбция всегда является экзотермическим процессом, она начинается прежде всего на тех участках поверхности, энергия которых макси­мальна — на вершинах углов, ребрах и т. д. С увеличением давления р (следовательно, и концентрации частиц п) газо­вой среды, окружающей кристалл, количество адсорбированного вещества m возрастает вплоть до насыщения m 0, ха­рактерного для данной темпе­ратуры (рис. 24.8).

При низких давлениях ко­личество адсорбированного вещества приближается к вели­чине насыщения, которое соответствует мономолекулярному покрытию поверхности. При бо­лее высоких давлениях могут образовываться полимолеку­лярные слои адсорбированных веществ.

Адсорбированные пленки оказывают значительное влия­ние на величину силы трения, возникающей при перемеще­нии кристаллических поверхностей друг относительно друга, причем коэффициент трения является характерной величиной для данной комбинации материалов. Поскольку обычно ад­сорбированные слои понижают коэффициент трения, то, ис­пользуя адсорбцию, применяют смазки, которые сильно снижают коэффициент трения.

На практике различают гидродинамическую и граничную смазку. При гидродинамической смазке пленка смазки на­столько толста, что поверхности трущихся тел не могут со­прикасаться. Силы трения определяются внутренним трением смазки и закономерностями течения смазки в зазоре между трущимися поверхностями, процесс же адсорбции играет под­чиненную роль. Для граничной смазки характерно образова­ние мономолекулярных или моноатомных адсорбционных пленок, пленок толщиною в несколько молекулярных слоев. Такие пленки уменьшают силы сцепления (адгезия) между трущимися поверхностями и в значительной степени препятствуют непосредственному контакту трущихся твердых тел. Особенно эффективны в качестве таких смазок оказались фторорганические и кремнийорганические полимерные материалы, молекулы которых состоят из большого числа атомов, образующих длинные цепочки.

За счет адсорбции можно как увеличивать прочность кри­сталла, так и уменьшать ее. Повышение прочности благодаря поверхностным пленкам называется эффектом Роско, пони­жение прочности — эффектом Ребиндера.

На рис. 24.9 приведена типичная диаграмма растяжения. По осям отложены относительное удлинение ε и напряже­ние σ. Сплошная кривая 2 отражает поведение кристалла с чистой поверхностью; 1 — эффект Роско (упрочнение); 3 — эффект Ребиндера (понижение прочности). Как видно, в области выполнения закона Гука (линейный участок гра­фика до точки А)адсорбция не оказывает влияние на прочность. Аналогичное яв­ление наблюдается при де­формации сжатия.

Эффекты Роско и Ребин­дера объясняются тем, что адсорбированные поверхно­стью кристалла частицы изменяют величину удельной свободной энергии поверхно­стного слоя, что либо спо­собствует выходу дефектов (дислокаций напряжения) на поверхность кристалла и его упрочнению (эффект Роско), либо затрудняет их выход на поверхность и приводит к понижению прочности (эффект Ребиндера).






Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных