ТОР 5 статей: Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века 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:
|